DE102007037165A1 - Wire installing method for smart card, involves providing connection of thin conducting wire and substrate surface, and fixing up wire for hardening connecting material by utilizing electrostatic pressing force on substrate - Google Patents
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- H05K3/386—Improvement of the adhesion between the insulating substrate and the metal by the use of an organic polymeric bonding layer, e.g. adhesive
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum maschinellen, rechnergesteuerten Verlegen von dünnem Draht auf der Oberfläche eines Substrates. Vorwiegend geht es dabei um metallischen Draht, aber auch um Draht aus nichtmetallischen Materialien wie Polymere, Glas oder Keramik. Für metallische Drähte ist der Anwendungsbereich die für das Auge nahezu unsichtbare elektrische Verbindung mikroelektronischer Bauteile und die Herstellung planarer Spulen, für nichtmetallische die Montage mikro-mechanischer und mikro-optischer Bauelemente.The This invention relates to methods and apparatus for machine, computer-controlled laying of thin wire on the surface of a substrate. Mainly it is about metallic wire, but also to wire made of non-metallic materials such as polymers, Glass or ceramics. For metallic wires is the scope of application is almost invisible to the eye electrical connection of microelectronic components and manufacture planar coils, for non-metallic mounting micro-mechanical and micro-optical components.
Die
Herstellung elektronischer Leiterplatten durch Verlegung diskreter
Leitungsdrähte auf einem isolierenden Substrat war in den
Anfangsjahren der Leiterplattentechnik unter Schlagwörtern
wie "multiwire"-Technik oder "drahtgeschriebene Leiterplatte" bekannt
geworden. Die Patentschriften
Inzwischen
sind Leiterplatten mit direkt verlegten Drähten nahezu
vollkommen verdrängt durch Platten mit geätzten
Leiterbahnen. Für Spezialanwendungen kann es aber immer
noch vorteilhaft sein, Metalldraht auf einem isolierenden Substrat
direkt zu verlegen. So beschreibt die Patentschrift
Gemäß diesem
Stand der Technik wird der zu verlegende Draht von einer Vorratsspule
abgespult und im Verlegekopf über einen Umlenkkanal oder
eine Umlenkrolle so in unmittelbare Nähe der Substratoberfläche
geführt, dass er nahezu parallel zu derselben verläuft.
Er wird dann durch eine Andruckrolle oder ein anderes Werkzeug gegen
die Substratoberfläche gedrückt und darauf befestigt, wie
in der Patentschrift
Eine grundlegende Schwierigkeit ist bei allen genannten Verlegemethoden durch die Notwendigkeit gegeben, dass der Draht zur Befestigung eng auf die Substratoberfläche aufgedrückt werden muss. Nur wenn er die Oberfläche direkt – also mit einer gewissen positiven Andruckkraft – berührt, wird das bei Erwärmung zerfließende Verbindungsmaterial zugleich den Draht und die Substratoberfläche benetzen. Nur dann wird es sich durch Oberflächenspannung und Kapillarkraft so ausbreiten und in die Verbindungsfuge eindringen, wie es für eine gute Haftung des Drahtes notwendig ist. Bleibt nach dem Schmelzen auch nur ein kleiner, endlicher Abstand zwischen Draht und Substratoberfläche bzw. den aufgebrachten Kleberschichten, so finden dieser Fließprozess und die Verklebung nicht statt.A fundamental difficulty with all of these laying methods is the necessity for the wire to be pressed tightly onto the substrate surface for attachment. Only when it touches the surface directly - ie with a certain positive pressure force - will the heat dissipating bonding material simultaneously wet the wire and the substrate surface. Only then, it will spread through surface tension and capillary force and penetrate into the joint, as it is for a good Haf tion of the wire is necessary. Remains after melting even a small, finite distance between the wire and the substrate surface or the applied adhesive layers, so this flow process and the bonding does not take place.
Da der zu verlegende Draht nie perfekt geradlinig ist und die Substratoberfläche nie perfekt eben ist, muss die Andruckkraft hinreichend groß sein, den Draht so zu biegen, dass er sich überall der Oberflächenkontur anschmiegt. Um die erwähnte Überkreuzung isolierter Drähte zu berücksichtigen, soll die "Oberflächenkontur" hier auch querverlaufende Drähte mit umfassen, die schon in einem früheren Arbeitsgang auf der Substratoberfläche verlegt wurden. Über sie hinweg muss der aktuell zu verlegende Draht an das Substrat angedrückt werden. Das Andrücken mit einer gewissen Mindestkraft ist somit für eine erfolgreiche Verlegung essentiell.There the wire to be laid is never perfectly straight and the substrate surface never perfectly flat, the pressure force must be sufficiently large, bend the wire so that it is everywhere the surface contour snugly. To the mentioned crossover isolated To consider wires, the "surface contour" here also include transverse wires, which already in an earlier step on the substrate surface were moved. Beyond them is the wire currently being laid pressed against the substrate. The pressing with a certain minimum force is thus successful Installation essential.
Das
Andrücken ist bei maschineller Verlegung einer der kritischsten
Verfahrensschritte. Aufgrund des mechanischen Kontaktes kann das
Andruckwerkzeug den Querschnitt eines dünnen Drahtes verformen.
Es kann die Oberfläche oder Isolation des Drahtes verletzen
und somit zu Kurzschlüssen führen. Infolge des
mechanischen Kontaktes besteht zudem permanent die Gefahr, dass
das Andruckwerkzeug durch Abrieb von Isolationsmaterial oder Kleber
verschmutzt und fortlaufend gereinigt werden muss, wie in
Zur
Lösung dieser Probleme schlägt
Dies sollte nach der folgenden Darstellung der Erwärmungsprobleme noch besser verständlich werden.This should after the following presentation of the heating problems be even better understood.
Ein weiteres Problem tritt bei Verlegung von dünnem Draht nach dem Stande der Technik in Fällen auf, bei denen eine Erwärmung zum Schmelzen eines Klebers erforderlich ist. Erfolgt die Erwärmung durch Berührung des Drahtes mit einem heißen Andruckwerkzeug, so besteht die Tendenz, dass der Draht nicht nur an der Substratoberfläche, sondern auch am Werkzeug haftet. Beim Zurückziehen des Werkzeuges kann er vom Substrat wieder abreißen. Wird stattdessen berührungslos durch Wärmeeinstrahlung oder Anblasen mit Heißluft erwärmt, so besteht die Gefahr ungleichmäßiger Erwärmung. An den Stellen, wo der Draht die Substratoberfläche berührt, also guten thermischen Kontakt hat, werden sich Draht und Oberfläche gemeinsam erwärmen und verkleben. An Stellen mit schlechtem thermischem Kontakt wird sich der Draht jedoch schneller und höher erwärmen als die Substratoberfläche, was zu Überhitzung und Zersetzung des Klebers und mangelhafter Verklebung führen kann.One Another problem occurs when laying thin wire The prior art in cases where a warming to melt an adhesive is required. If the heating occurs through Touching the wire with a hot pressure tool, there is a tendency for the wire not only to be on the substrate surface, but also sticks to the tool. When retracting the tool he can tear off from the substrate again. Will instead Contactless by heat radiation or blowing heated with hot air, so there is a risk uneven Warming. In the places where the wire is the substrate surface touched, so has good thermal contact will become Heat wire and surface together and glue together. In places with poor thermal contact, the wire becomes however, heat faster and higher than the substrate surface, resulting in overheating and decomposition of the adhesive and inadequate Bonding can result.
Schließlich besteht Bruchgefahr, wenn das Substrat spröde ist und nur geringe thermische Spannungen verträgt. Dies Problem existiert speziell bei der Verlegung von dünnem Draht (Durchmesser kleiner als 50 μm) auf Glassubstraten und Erwärmung mittels Strahlung. Wie eine einfache thermodynamische Abschätzung zeigt, ist es dann nicht ausreichend, allein den Draht auf die zur Klebung erwünschte Temperatur im Bereich von ca. 100–300°C aufzuheizen. Bleibt dabei die Substratoberfläche kalt, so kühlt sie den Draht im Moment der Berührung aufgrund ihrer Wärmekapazität sehr schnell ab, und das zur Klebung notwendige Fließen des Klebers unterbleibt. Bei Drähten im genannten Durchmesserbereich erfolgt der Temperaturausgleich nämlich innerhalb weniger Mikrosekunden, während der mit dem Fließen verbundene Massentransportprozess mindestens eine Größenordnung langsamer ist. Für eine erfolgreiche Drahtverlegung ist es daher unumgänglich, die Substratoberfläche unter dem zu verlegenden Draht zu erwärmen. Der darauf aufliegende Draht hat bei gutem Kontakt dann praktisch dieselbe Temperatur wie sie, und das für eine gute Haftung des Drahtes notwendige Fließen kann stattfinden.After all there is a risk of breakage if the substrate is brittle and only tolerates low thermal stresses. This problem exists especially when laying thin wire (diameter smaller than 50 μm) on glass substrates and heating by means of Radiation. Like a simple thermodynamic estimation shows, then it is not sufficient, only the wire on the Bonding desired temperature in the range of about 100-300 ° C to heat. If the substrate surface remains cold, then it cools the wire at the moment of contact due to its heat capacity very quickly, and the necessary for gluing flow the adhesive is omitted. For wires in the specified diameter range the temperature compensation takes place within less Microseconds during the flow associated with Mass transport process at least one order of magnitude is slower. For a successful wire laying is it is therefore essential to the substrate surface to heat under the wire to be laid. The one on it Overlying wire then has practically the same temperature with good contact as they are, and that is necessary for a good adhesion of the wire Flow can take place.
Die Erwärmung der Substratoberfläche erzeugt im Substrat jedoch mechanische Spannungen, die umso größer sind, je höher die Temperatur und je größer der erwärmte Oberflächenbereich sind. Um die Gefahr mechanischen Versagens infolge dieser Spannungen gering zu halten ist deshalb anzustreben, den erwärmten Bereich so klein wie möglich zu halten und dabei dennoch, wenn auch nur kurzzeitig, die zum Kleben notwendige Temperatur zu erreichen.The Heating of the substrate surface generated in the substrate however, mechanical stresses are all the greater are, the higher the temperature and the larger the heated surface area are. To the danger mechanical failure due to these voltages to keep low is therefore desirable, the heated area so small as possible and yet, if only short time to reach the necessary temperature for gluing.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die zur Verlegung von dünnem Draht auf einem Substrat notwendige Andruckkraft des Drahtes an die Substratoberfläche berührungsfrei entlang einem gewissen Abschnitt des Drahtes zu erzeugen um dann, für den Fall, dass während des Andrucks, in dem angedrückten Drahtabschnitt die Substratoberfläche auf die Fließtemperatur des Klebers aufheizen zu können.The invention thus has the task The reason for this is to generate the pressing force of the wire necessary for laying thin wire on a substrate against the substrate surface without contact along a certain section of the wire in the event that, during the pressing, in the pressed-on wire section, the substrate surface is at the flow temperature of the adhesive to heat up.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Andruckkraft elektrostatisch erzeugt wird.According to the invention This object is achieved in that the pressure force generated electrostatically becomes.
Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verlegeverfahrens gegenüber dem Stand der Technik liegt darin, dass es berührungslos, ohne Andruckwerkzeug arbeitet, so dass der Draht und gegebenenfalls seine Isolierung unversehrt bleiben. Es existiert auch keine Verschmutzungsgefahr eines Andruckwerkzeuges. Ein anderer Vorteil ist, dass die elektrostatische Andruckkraft auf dem gesamten Auflage-Abschnitt des Drahtes wirkt. Dadurch schmiegt er sich, wie beschrieben, selbsttätig an bestehende Unebenheiten und Konturen der Substratoberfläche in einer Weise an, die mit mechanischen Andruckwerkzeugen nur schwer erreichbar ist. Dies Anschmiegen erfolgt schon bei Raumtemperatur und – infolge des sich beim Schmel zen verringernden Abstandes – erst recht bei der höheren Schmelztemperatur. Der auf dem Draht befindliche Heißkleber kann deshalb nach dem Schmelzen die Substratoberfläche schnell benetzten, so dass eine sichere Verbindung resultiert. Generell vorteilhaft ist schließlich, dass der elektrostatische Andruck umso besser funktioniert, je dünner und biegsamer der zu verlegende Draht ist. Damit ergänzt das erfindungsgemäße Verfahren gerade im Bereich kleinster Drahtdurchmesser die bekannten Verfahren, die hier ihre größten Schwierigkeiten aufweisen.Of the substantial advantage of the laying method according to the invention compared to the prior art is that it is contactless, works without pressure tool, so that the wire and if necessary his insulation remains intact. There is no risk of contamination a pressure tool. Another advantage is that the electrostatic Pressure force on the entire support section of the wire acts. As a result, he nestles, as described, automatically to existing bumps and contours of the substrate surface in a way that is difficult with mechanical pressure tools is reachable. This nestling takes place already at room temperature and - as a result of melting at decreasing distance - only right at the higher melting temperature. The one on the wire Hot melt adhesive can therefore after melting quickly wet the substrate surface, leaving a secure connection results. Finally, it is generally advantageous that the electrostatic pressure works the better the thinner and more flexible is the wire to be laid. With it added the inventive method just in the field smallest wire diameter the known methods, here their have the greatest difficulties.
Das erfindungsgemäße Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung desselben sind in den Zeichnungen beispielhaft illustriert. Es zeigenThe inventive method and apparatus for Implementation of the same are exemplary in the drawings illustrated. Show it
Die
wichtigsten Elemente zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind in
Zum
Verlegen wird der Verlegekopf
Im
Auflageabschnitt
Details
dieser Verklebung sind in den
Entsprechende,
aber komplexere Benetzungs- und Fließvorgänge
finden bei der Überkreuzung zweier isolierter Drähte
statt, wie in
Weitere
Details und alternative Ausführungsformen des Verfahrens
sowie typische Parameter der verwendeten Vorrichtungen erschließen
sich aus der nachfolgenden genaueren Beschreibung der genannten
Prozessschritte, der das Verfahren charakterisierenden Begriffe,
und der
Dabei
wird weiterhin vereinfachend unterstellt, dass ein runder Metalldraht,
der dünn mit Heißkleber beschichtet ist, also
ein so genannter "Backlackdraht", auf einer isolierenden Substratplatte, etwa
aus Glas, verlegt werden soll. Allgemeinere Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens und Vorrichtungen
dazu, mit anderen Materialien und anderen Fügeverfahren,
werden im Anschluss beschrieben. Die wichtigsten Begriffe sind diese:
Der
Draht hat im Allgemeinen kreisförmigen Querschnitt. Die
erfindungsgemäße elektrostatische Niederhaltung
funktioniert aber auch bei anderen Querschnittsformen, insbesondere
bei rechteckigem Querschnitt.It is further simplified assuming that a round metal wire, which is thinly coated with hot melt adhesive, so called a "baked enamel", on an insulating substrate plate, such as glass, to be laid. More general embodiments of the method according to the invention and devices with other materials and other joining methods will be described below. The most important terms are these:
The wire is generally circular in cross-section. However, the electrostatic hold-down invention also works with other cross-sectional shapes, especially in rectangular Cross-section.
Die genannten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens kommen besonders gut zur Geltung, wenn der Drahtdurchmesser, beziehungsweise seine senkrecht zur Oberfläche gemessene Dicke, unterhalb von 50 μm liegt, weil dann die Biegesteifigkeit des Drahtes gering ist. In geringerem Maße existieren die Vorteile aber auch oberhalb dieses Grenzwertes.The mentioned advantages of the method according to the invention come particularly well if the wire diameter, respectively its thickness measured perpendicular to the surface, below of 50 microns, because then the bending stiffness of the wire is low. To a lesser extent, the benefits exist but also above this limit.
Die
Verlegezugkraft FZ muss passend zum verwendeten
Drahtdurchmesser gewählt werden. Ein guter Anhaltspunkt
für FZ ist der aus der Spulenwickel-Technik
her bekannte "Wickelzug". Er liegt für Drahtdurchmesser
von 10 ... 100 μm im Bereich von 1 ... 100 cN und entspricht
einer relativen Dehnung des Drahtes von etwa 10–3.
Die Verlegezugkraft FZ wird von der in
Die
Verlegegeschwindigkeit. Da die hier interessierenden, relativ schweren
Substrate typisch horizontal liegen, erfolgt die zur Verlegung notwendige Relativbewegung
Draht-Umlenkung.
Zur Verlegung muss der Draht aus der zunächst etwa senkrechten
Zuführungsrichtung in eine nahezu horizontale Richtung umgelenkt
werden. Damit aus dieser Umlenkung möglichst wenig innere
Spannung im Draht resultiert, wird entweder ein sanft gebogenes
Umlenkrohr
Die
elektrostatische Andruckkraft FE, die auf den
Drahtabschnitt
Die absolute Größe dieser Kraftdichte fE(z) hängt in komplizierter Weise vom Durchmesser und der Beschichtung des Drahtes ab, von der Dicke der Substratplatte und ihrer Dielektrizitätskonstante, sowie von der angelegten Spannung. Vereinfachend kann aber für Glas-Substrate von 4 mm Dicke und isolierte Drähte mittleren Durchmessers beim Minimalabstand für überschlägige Rechnungen fE(z = 0) ≈ 0,05 U2 [N/m] angesetzt werden, wobei U der Effektivwert der angelegten Spannung in [kV] ist. Bei einer Spannung von U = 2 kV liegt die maximale Andruck-Kraftdichte also in der Größenordnung fE ≈ 0,2 [N/m].The absolute magnitude of this force density f E (z) depends in a complicated manner on the diameter and the coating of the wire, on the thickness of the substrate plate and its dielectric constant, and on the applied voltage. For simplification, however, for glass substrates of 4 mm thickness and insulated wires of average diameter at the minimum distance for rough calculations f E (z = 0) ≈ 0.05 U 2 [N / m] are used, where U is the rms value of the applied voltage in [kV] is. At a voltage of U = 2 kV, the maximum contact force density is therefore of the order of magnitude f E ≈ 0.2 [N / m].
Der
Verlegewinkel
Hier bedeutet FE0 = ∫fE(z) dz die längenbezogene potentielle Energie der Kraftdichte fE(z), wobei die Integration von z = 0 bis zu einem sehr großem Abstand auszuführen ist, bei dem fE(z) verschwindet. Dies FE0 hat die Dimension [N] einer Kraft. Für einen Draht vom typischen Durchmesser 20 μm liegt ihre Größe bei FE0 ≈ 2U2 10–6 [N]. Mit U = 2 kV und einer Verlegekraft von FZ = 10–2 N stellt sich der Verlegewinkel auf γ ≈ 2,3° ein.Here, F E0 = ∫f E (z) dz means the length-related potential energy of the force density f E (z), where the integration of z = 0 is to be performed up to a very large distance at which f E (z) vanishes. This F E0 has the dimension [N] of a force. For a wire of typical diameter 20 μm, its size is F E0 ≈ 2U 2 10 -6 [N]. With U = 2 kV and a laying force of F Z = 10 -2 N, the laying angle is set to γ ≈ 2.3 °.
Der
elastisch gekrümmte Drahtabschnitt
Die elektrische Spannung bestimmt entscheidend die Größe der elektrostatischen Andruckkraft. Da die Kraft quadratisch mit der Spannung anwächst, ist es vorteilhaft für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Spannung möglichst hoch zu wählen. Eine technische Obergrenze ist dabei durch das Einsetzen von Koronaentladung an scharfen Ecken und Kanten gegeben, sowie durch die elektrische Durchschlagsfestigkeit der zu verdrahtenden Substratplatte. In einer praktisch ausgeführten Vorrichtung zur Drahtverlegung auf einer 4 mm dicken Glasscheibe war eine Spannung von U = 2 kV voll ausreichend zum Verlegen von 20 μm Draht.The electrical voltage decisively determines the size the electrostatic pressure force. Because the force is square with the voltage increases, it is beneficial for the implementation of the invention Procedure to select the voltage as high as possible. A technical upper limit is due to the onset of corona discharge given sharp corners and edges, as well as by the electrical breakdown strength the substrate plate to be wired. In a practically executed Device for wire laying on a 4 mm thick glass pane was a voltage of U = 2 kV fully sufficient for laying 20 μm wire.
Ein
bekanntes Problem elektrostatischer Niederhaltungen ist, dass sich
an den dielektrischen Grenzflächen elektrische Ladungen
ansammeln. Sie wirken in jedem Falle der angelegten Spannung entgegen,
schwächen also die elektrostatische Kraft. Sie lassen sich
aber weitgehend vermeiden, indem man rasch, ehe noch größere
Ladungen aufgebaut sind, die Polarität der angelegten Spannung
umkehrt. Dadurch werden die Ladungen abgebaut und dann neue, mit
umgekehrtem Vorzeichen, aufgebaut. Zu deren Abbau muss dann erneut
umgepolt werden, usw. Da die Andruckkraft von U2 abhängt, ändert
sie sich bei den Umpolungen nicht. Diesen Polaritätsumschaltungen
dient der in
Die
Elektroden zur Erzeugung der elektrostatischen Andruckkraft in den
Vorrichtungen der
Alternativ
können anstelle der einen Gegenelektrode
Eine
weitere alternative Elektrodenanordnung zur Erzeugung der elektrostatischen
Andruckkraft zeigt
Vorteilhaft sind schließlich auch ähnliche Anordnungen dieser Art mit Elektroden-Tripeln anstelle von Paaren unter dem Substrat. Sind diese Tripel symmetrisch aufgebaut und werden mit um 120° phasenverschobenen Sinus-Wechselspannungen gespeist, so resultiert im räumlichen Mittel über mehrere Elektroden-Tripel eine besonders gleichmäßige Andruckkraft.Advantageous Finally, there are similar arrangements of these Kind with electrode triples instead of pairs under the substrate. These triples are symmetrical and are phase shifted by 120 ° Sine AC voltages fed, so results in the spatial Medium over several electrode triples a particularly uniform pressure force.
In allen genannten Fällen müssen die Elektroden, gegebenenfalls einschließlich des zu verlegenden Drahtes, über geeignete elektrische Verbindungen an die benutzte Spannungsquelle angeschlossen werden. Im Falle einer Gleichspannungsquelle bedeutet dies, dass die Verbindungen durchgehend galvanisch leitend sein müssen. Bei Verwendung einer Wechselspannungsquelle ist auch eine kapazitive Ankopplung der Elektroden geeignet.In In all these cases, the electrodes, optionally including the wire to be laid over suitable electrical connections to the voltage source used be connected. In the case of a DC voltage source means This is because the connections are always electrically conductive have to. When using an AC source is Also suitable is a capacitive coupling of the electrodes.
Die Sicherheit des Bedienpersonals und der zu verdrahtenden elektronischen Bauteile verdient besondere Beachtung bezüglich der Hochspannung, die zur Erzeugung der Andruckkraft notwendig ist. Praktische Erfahrungen mit anderen elektrostatischen Niederhaltungen zeigen, dass auch bei Spannungen von 5 kV und mehr der Personenschutz einfach dadurch gewährleistet werden kann, dass die Spannungsquelle mit einem hinreichend hohem Innenwiderstand versehen wird. Er begrenzt den möglichen Fehlerstrom, beispielsweise auf Werte < 20 mA, so dass auch bei versehentlicher Berührung keine Lebensgefahr für das Personal besteht.The Safety of the operating personnel and the electronic to be wired Components deserve special attention in terms of high voltage, the to generate the pressure force is necessary. Practical experience with other electrostatic depressions show that too at voltages of 5 kV and more the personal protection simply by it can be ensured that the voltage source with a sufficiently high internal resistance is provided. He limits the possible fault current, for example to values <20 mA, so that even with accidental contact no danger to life the staff exists.
Schwieriger
ist der Schutz empfindlicher elektronischer Bauteile gegen Überspannungen,
die galvanisch oder kapazitiv aus der Spannungsquelle
Das
Substratmaterial war in den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen
als "isolierend" vorausgesetzt worden. Maßgeblich für
eine solche Beurteilung der elektrischen Leitfähigkeit
sind hier nicht absolute Werte, sondern die Erfordernisse der elektrostatischen
Niederhaltung und des Verlegeprozesses. Wird der elektrische Widerstand
zwischen Draht
Beispielsweise möge bei der Drahtverlegung auf einer isolierenden Glasscheibe von 1 m2 Größe der elektrische Widerstand R = 1000 MΩ und die Kapazität C = 1 nF betragen. Dann ist τ = 1 s, und die Umschaltfrequenz sollte deutlich größer sein als 1 Hz.For example, during wire laying on an insulating glass pane of 1 m 2 size, the electrical resistance should be R = 1000 MΩ and the capacitance C = 1 nF. Then τ = 1 s, and the switching frequency should be significantly greater than 1 Hz.
Erheblich höhere Frequenzen sind erforderlich, wenn das Substrat eine gewisse elektrische Leitfähigkeit besitzt. Ein Beispiel ist die Drahtverlegung auf Papier, etwa zur Herstellung planarer Antennenspulen für RFID-Transponder. Mit R = 1 MΩ und C = 100 pF wird hier τ = 10–4 s, und die Umschaltfrequenz sollte deutlich größer sein als 10 kHz.Significantly higher frequencies are required when the substrate has some electrical conductivity. One example is wire laying on paper, for example for producing planar antenna coils for RFID transponders. With R = 1 MΩ and C = 100 pF, τ = 10 -4 s, and the switching frequency should be significantly greater than 10 kHz.
Neben diesen als "isolierend" bezeichneten Substraten wie beispielsweise Glas, Keramik, Polymere, Teslin und synthetische Werkstoffe, Papier, Holz, Leder u. a. sind auch elektrisch leitende Materialien als Substrate, welche als Endlosrolle oder als Sheet vorliegen, zur Drahtverlegung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet, also Metalle und mit einer leitenden Metallschicht überzogene Isolatoren. Auf elektrisch leitenden Substraten lassen sich insbesondere isolierte Metalldrähte in der beschriebenen Weise verlegen. Dabei müssen der Draht und das Substrat an die Spannungsquelle angeschlossen werden, damit zwischen ihnen die Anziehungskraft zustande kommt. Wenn die Isolationsschicht dünn ist, wie beispielsweise bei Kupferlackdraht, so ist dabei schon eine geringe elektrische Spannung ausreichend, etwa 100 V. Das erfindungsgemäße Verlegeverfahren mit Elektroden unter dem Substrat, bei dem der Draht nicht angeschlossen wird, funktioniert jedoch nur mit isolierenden Substraten, nicht mit elektrisch leitenden.Next these referred to as "insulating" substrates such as Glass, ceramics, polymers, Teslin and synthetic materials, paper, wood, Leather u. a. are also electrically conductive materials as substrates, which are available as an endless roll or as a sheet, for wire laying suitable according to the method of the invention, so metals and coated with a conductive metal layer Insulators. On electrically conductive substrates can be in particular Lay insulated metal wires in the described manner. The wire and the substrate must be connected to the voltage source be connected so that the attraction between them comes. When the insulating layer is thin, such as in copper enameled wire, so it is already a small electrical Sufficient voltage, about 100 V. The inventive Laying method with electrodes under the substrate, in which the Wire is not connected, but only works with insulating Substrates, not with electrically conductive.
Als schmelzendes Verbindungsmaterial ist allgemein jedes Material geeignet, das bei Erwärmung flüssig wird und in diesem Zustand Draht und Substratoberfläche benetzt und mittels Oberflächenspannung verbindet, so dass sie nach Erkalten permanent verbunden bleiben. Wichtigstes Beispiel sind Heißkleber, oft auch als "Schmelzkleber" bezeichnet. Sie existieren einerseits als mehrfach wieder aufschmelzbare "Thermoplaste" und, andererseits, als thermisch reagierende und danach nicht wieder aufschmelzbare "Duroplaste". Das schmelzende Verbindungsmaterial kann auch ein Lot sein, also allgemein eine Metall-Legierung, deren Schmelzpunkt unterhalb der Schmelzpunkte von Draht und Substrat liegt. Der Fügeprozess ist dann ein Lötprozess, und Beispiel eines Lotes für Kupferdraht ist Zinnlot. Schließlich kommt als schmelzendes Verbindungsmaterial auch das Material der Substratoberfläche oder des Drahtes selbst infrage. Das Fügeverfahren ist dann die so genannte Thermokompression. Der dabei gewöhnlich benutzte Andruck mit einem heißen Werkzeug kann, erfindungsgemäß, bei sehr dünnen Drähten durch die elektrostatische Andruckkraft und lokale Erwärmung der Substratoberfläche ergänzt oder ganz ersetzt werden. Im Zusammenhang mit Thermokompression nach dem Stand der Technik ist das erfindungsgemäße Verfahren speziell für isolierte Drähte in der Weise geeignet, dass der zu verbindende Draht zunächst mittels der elektrostatischen Andruckkraft unverrückbar auf dem Substrat fixiert wird, und dann in herkömmlicher Weise mittels eines heißen Werkzeuges durch Druck permanent verbunden wird.When melting bonding material is generally suitable for any material which becomes liquid when heated and in this state Wets and substrate surface wetted and by surface tension connects so that they remain permanently connected after cooling. The most important example are hot-melt adhesives, often also called "hot-melt adhesives" designated. On the one hand, they exist as multiply remeltable "Thermoplastics" and, on the other hand, as thermally reactive and then non-remeltable "thermosets". The melting Connecting material can also be a solder, so generally one Metal alloy whose melting point is below the melting point of wire and substrate lies. The joining process is then a soldering process, and an example of a solder for copper wire is tin solder. Finally comes as a melting compound material too the material of the substrate surface or the wire itself question. The joining process is then called thermocompression. The usually used pressure with a hot Tool can, according to the invention, at very thin Wires by the electrostatic pressure force and local Heating of the substrate surface added or completely replaced. In connection with thermocompression according to the prior art, the inventive Special process for insulated wires in the Way suitable that the wire to be connected first by means of the electrostatic pressure force immovable is fixed on the substrate, and then in conventional By means of a hot tool by pressure permanently is connected.
Bei
Verwendung von Heißkleber oder Lot als Verbindungsmaterial
ist es vorteilhaft, dieses zunächst als dünne
Schicht
Mit Heißkleber beschichteter Draht ist kommerziell als so genannter "Backdraht" zur Herstellung freitragender Spulen erhältlich. Die verfügbaren Heißklebertypen unterscheiden sich in ihren Erweichungstemperaturen, beispielsweise Polyvinylbutyral (110°C), Phenoxyharz (140°C), oder modifiziertes aliphatisches Polyamid (180°C).With Hot glue coated wire is more commercial than so-called "Backing wire" for producing self-supporting coils available. Differentiate the available types of hot melt adhesives in their softening temperatures, for example polyvinyl butyral (110 ° C), phenoxy resin (140 ° C), or modified aliphatic Polyamide (180 ° C).
Der Verlegeprozess kann unterteilt werden in die beiden Schritte des Drahtablegens und der Drahtverklebung. Erfindungsgemäß muss an jedem Punkt der Verlegebahn die elektrostatische Anziehung bereits während des ersten Schrittes wirken und bis zum Ende des zweiten Schrittes bestehen bleiben. Für die zeitliche Gliederung dieser Schritte bestehen mehrere Alternativen
- (a)
kontinuierlich fortschreitendes Verlegen, wie es in den Drahtverlegemaschinen
nach dem Stand der Technik ausgeführt wird. Dabei wird
der Draht entlang einer vorher festgelegten und im Steuerrechner
gespeicherten Verlegebahn abgespult und unmittelbar danach durch
Erwär mung des Klebers mit dem Substrat permanent verbunden.
Für diesen Prozess sind die in
1 ,5 , und8 skizzierten Verlegeköpfe bestimmt. - (b) Zweischritt-Verfahren, bei dem in einem ersten Schritt der Draht insgesamt ausgelegt und dabei während der Auslegezeit durch die elektrostatische Anziehung auf der Substratoberfläche niedergehalten wird. Die Erwärmung, die zur Verklebung führt, erfolgt erst danach im zweiten Schritt, sei es durch lokale Erwärmung der Substratoberfläche entlang der Verlegebahn oder durch Erwärmung der gesamten Substratoberfläche. Zwischen diesen beiden Fällen liegen weitere Möglichkeiten, den Verlegeprozess zu führen, indem der Draht abschnittsweise ausgelegt und dann der jeweilige Abschnitt erwärmt und verklebt wird, ehe der nächste Abschnitt begonnen wird. Auch kann es vorteilhaft sein, den Draht nur am Anfang und/oder Ende eines jeden Abschnitts zu verkleben, so dass er dazwischen geradlinig verläuft, mit dem gegebenen Verlegezug FZ gespannt. Nach welcher dieser Möglichkeiten der Verlegeprozess im konkreten Fall tatsächlich geführt wird, kann von anderen Überlegungen abhängig gemacht werden, insbesondere von der verwendeten Wärmequelle und von der benötigten Verlegegeschwindigkeit.
- (c) Das erfindungsgemäße Verlegeverfahren kann schließlich auch in der Weise modifiziert werden, dass die Erwärmung der Substratoberfläche zuerst erfolgt und der Draht danach rasch, ehe die Oberfläche wieder abgekühlt ist, auf die Oberfläche aufgelegt und elektrostatisch angedrückt wird.
- (a) Continuously progressing laying, as carried out in the wire laying machines of the prior art. In this case, the wire is unwound along a previously defined and stored in the control computer laying track and immediately afterwards by Erwär tion of the adhesive to the substrate permanently connected. For this process, the in
1 .5 , and8th sketched laying heads determined. - (b) Two-step process in which, in a first step, the wire is laid out in its entirety while being held down on the substrate surface by the electrostatic attraction during the lay-out time. The heating, which leads to bonding, takes place only in the second step, be it by local heating of the substrate surface along the laying track or by heating the entire substrate surface. Between these two cases, there are further possibilities to carry out the laying process by laying the wire in sections and then heating and gluing the respective section before the next section is started. Also, it may be advantageous to glue the wire only at the beginning and / or end of each section, so that it runs straight between them, stretched with the given laying train F Z. According to which of these possibilities the laying process is actually carried out in the specific case, it can be made dependent on other considerations, in particular on the heat source used and on the laying speed required.
- (c) Finally, the laying method according to the invention can also be modified in such a way that the heating of the substrate surface takes place first and the wire is then quickly placed on the surface and electrostatically pressed before the surface has cooled down again.
Die Erwärmung der Substratoberfläche bei maschineller Drahtverlegung kann mittels einer Flamme oder eines Heißluftgebläses vorgenommen werden, wobei der Wärmeübergang durch Konvektion erfolgt. Alternativ ist die Heizung der Substratoberfläche mittels Strahlung möglich, wobei die Strah lungsleistung im Substrat absorbiert wird. Bei Heißklebern ist die erforderliche Oberflächentemperatur etwa 100–300°C, bei Löt- und Thermokompression kann sie erheblich höher liegen, bis zu 1000°C. In jedem Falle ist es vorteilhaft, die zugeführte Heizleistung so zu steuern oder zu regeln, dass die maximale, für den Fügeprozess zulässige Oberflächentemperatur nicht überschritten wird. Insbesondere sollte die Heizung ausgeschaltet werden, wenn der Verlegekopf stillsteht.The Heating the substrate surface by machine Wire laying can be done by means of a flame or a hot air blower be made, the heat transfer through Convection takes place. Alternatively, the heater is the substrate surface possible by means of radiation, the radiation power absorbed in the substrate. For hot melt adhesives is the required Surface temperature about 100-300 ° C, with soldering and thermocompression it can be considerably higher lie, up to 1000 ° C. In any case, it is advantageous to control or regulate the supplied heat output that the maximum, permissible for the joining process Surface temperature is not exceeded. In particular, the heater should be turned off when the laying head stationary.
Die Dynamik des Erwärmungsprozesses ist von Interesse für eine optimale Auslegung der Heizung. Zum kontinuierlichen maschinellen Verlegen mit unmittelbar folgender Aufheizung und Verklebung ist es vorteilhaft, die Heizung auf einen möglichst kleinen, scharf lokalisierten Bereich der Substratoberfläche zu beschränken. Dies reduziert die erwähnten mechanischen Spannungen im Substrat und die notwendige Heizleistung.The Dynamics of the heating process is of interest for an optimal design of the heater. For continuous machine Laying with immediately following heating and bonding is it's beneficial to keep the heater as small as possible, sharply localized area of the substrate surface restrict. This reduces the mentioned mechanical Stresses in the substrate and the necessary heating power.
Im gleichen Sinne ist es vorteilhaft, die Heizung auch auf einen möglichst flachen Bereich an der Substratoberfläche zu beschränken. Bei Strahlungsheizung bedeutet dies, dass die Wellenlänge der Heizstrahlung so zu wählen ist, dass sie möglichst stark, unmittelbar an der Substratoberfläche absorbiert wird. Der dazu notwendige Absorptionskoeffizient des Substratmaterials folgt aus einer Betrachtung der Wärmeausbreitung im Substrat. Wird die Ausdehnung der Heizungsvorrichtung in der Verlegerichtung mit BX bezeichnet, so ist die Heizdauer eines Oberflächenpunktes tH = BX/vo. Während dieser Zeit dringt die Wärme von der Oberfläche aus eine gewisse Distanz BZ = 2gtH 1/2 in das Innere des Substrates ein, wobei g die Temperaturleitfähigkeit des Substrates angibt. Im Vergleich zu dieser Distanz sollte die Eindringtiefe der Strahlung klein sein, der Absorptionskoeffizient also α > 1/BZ sein. Beispielsweise beträgt bei einer Verlegegeschwindigkeit von vo = 1 m/s und einer Heizflecklänge von BX = 1 mm die Heizdauer tH = 1 Millisekunde. In dieser Zeit dringt in Glas (g ≈ 0,001 m/s1/2) die Wärme bis zu einer Tiefe BZ ≈ 50 μm ein. Um einfallende Laserstrahlung über diese Distanz nahezu vollständig zu absorbieren, muss das Substratmaterial bei der Laserwellenlänge einen Absorptionskoeffizient α ≥ 103 cm–1 haben. In diesem Sinne sind der CO- und der CO2-Laser besonders gut zur Erwärmung von Glassubstraten geeignet.In the same sense, it is advantageous to limit the heating to a flat as possible area on the substrate surface. In radiant heating, this means that the wavelength of the heating radiation is to be selected so that it is as strong as possible, absorbed directly on the substrate surface. The necessary absorption coefficient of the substrate material follows from a consideration of the heat propagation in the substrate. If the extension of the heating device in the laying direction is designated by B X , then the heating time of a surface point t H = B X / v o . During this time, the heat penetrates from the surface a certain distance B Z = 2gt H 1/2 into the interior of the substrate, where g indicates the thermal conductivity of the substrate. In comparison to this distance, the penetration depth of the radiation should be small, ie the absorption coefficient should be α> 1 / B Z. For example, at a laying speed of v o = 1 m / s and a Heizflecklänge of B X = 1 mm, the heating time t H = 1 millisecond. During this time, the heat penetrates into glass (g ≈ 0.001 m / s 1/2 ) to a depth B Z ≈ 50 μm. In order to almost completely absorb incident laser radiation over this distance, the substrate material must have an absorption coefficient α ≥ 10 3 cm -1 at the laser wavelength. In this sense, the CO and CO 2 lasers are particularly well suited for heating glass substrates.
Eine ausführlichere Analyse dieser Erwärmungsdynamik zeigt auch noch, dass die benötigte Heizleistung mit vo 1/2 BX 1/2 BY skaliert und im vorstehend beschriebenen Fall bei etwa 10 W liegt.A more detailed analysis of this heating dynamics also shows that the required heating power is scaled by v o 1/2 B X 1/2 B Y and is about 10 W in the case described above.
Eine
alternative Form der erfindungsgemäßen Fixierung
eines Drahtes ist in
Die Höhe der Spannung, die zur Fixierung notwendig ist, hängt von der Biegesteifigkeit und der Länge des freien Drahtendes sowie von der Größe der Kontaktfläche ab. Erfahrungsgemäß ist bei einem 20 μm Kupferdraht mit 10 mm freiem Ende eine Spannung von 200 V ausreichend.The amount of tension required for fixation depends on the flexural rigidity and the length of the free wire end as well as on the size the contact surface. Experience has shown that with a 20 μm copper wire with 10 mm free end, a voltage of 200 V is sufficient.
Wenn
der zu fixierende Draht isoliert ist, wie beispielsweise Kupferlackdraht,
bildet die Isolationsschicht einen natürlichen Anschlag,
der das Minimum des Abstandes
Der Verlegekopf muss neben den genannten Vorrichtungen zum Bremsen und Umlenken des Drahtes eine Reihe weiterer Vorrichtungen enthalten, die dem Fachmann geläufig sind, und die deshalb hier nicht im Einzelnen beschrieben werden müssen. Zu ihnen zählen Vorrichtungen
- – zur Bewegung des Kopfes parallel zur Substratoberfläche, entlang vorgegebener, im Steuerungsrechner gespeicherter Bahnen, welche die zu verbindenden Kontaktpunkte sowie mögliche Klebepunkte enthalten,
- – zur Verbindung des Drahtes (zum 'bonden') an Bauelement- Kontaktflächen, die gewöhnlich Anfangs- und Endkontakte jeder zu verlegenden Verbindungsleitung darstellen,
- – zum Abschneiden des Drahtes nach Herstellung des Endkontaktes einer Leitung,
- – zum Vorschub des Drahtes, speziell nach dem Abschneiden,
um ein kurzes Stück neuen Drahtes für den Anfangskontakt
der nächsten zu verlegenden Leitung aus dem Verlegekopf
unter die Kontaktiervorrichtung zu befördern, wie in
9 illustriert, - – zur Abisolierung der Drahtenden, falls erforderlich,
- – zum Festhalten des Drahtes mittels einer Zange oder Klammer ('clamp'), wenn er in Form eines die elektrischen Kontaktstellen zugentlastenden Bogens ('loop') verlegt werden soll,
- – und möglicherweise die in
1 angedeutete Spule26 mit einem größeren, für viele Arbeitsgänge ausreichenden Vorrat des Drahtes1 . Dies bietet sich gerade bei der Verlegung sehr dünner Drähte an, deren Masse gering ist und die bei externer Zuführung besonders reißgefährdet wären.
- For movement of the head parallel to the substrate surface, along predetermined paths stored in the control computer, which contain the contact points to be connected as well as possible adhesive dots,
- For connecting the wire (for 'bonding') to device pads, which are usually start and end contacts of each interconnect to be laid,
- For cutting the wire after production of the end contact of a line,
- To feed the wire, especially after cutting, to convey a short piece of new wire for the initial contact of the next line to be laid from the laying head under the contacting device, as in
9 illustrated, - - for stripping the wire ends, if necessary,
- - To hold the wire by means of a pair of pliers or clamp ('clamp'), if it is to be laid in the form of a strain relieving the electrical contact points ('loop'),
- - and possibly the in
1 indicated coil26 with a larger supply of wire sufficient for many operations1 , This is especially useful when laying very thin wires whose mass is low and which would be particularly susceptible to rupture with external supply.
Die Verlegebahn, entlang welcher der Draht verlegt wird, ist allgemein gekrümmt. Dies erfordert, dass der Draht durchgehend verklebt wird. Alternativ dazu kann die Bahn die Form eines Polygonzuges haben, bei dem der Draht abschnittsweise gerade ist und nur an den Eckpunkten mit dem Substrat verklebt sein muss. Dies kann den Vorteil einer höheren Verlegegeschwindigkeit bieten.The Laying rail, along which the wire is laid, is general curved. This requires the wire to be stuck throughout becomes. Alternatively, the web may be in the form of a polygon, where the wire is straight in sections and only at the corners must be glued to the substrate. This can be the advantage of a offer higher installation speed.
Die
Verlegebahnen werden aus der Schaltung und der Anordnung der Bauteile
von einem Programm ('router') ermittelt und im Steuerrechner des Verlegekopfes
gespeichert. Letzterer muss dann bei der Verlegung so gesteuert
werden, dass der Berührungspunkt
Weitere Anwendungen und alternative Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens können Vorteile bieten bei der Montage mikro- mechanischer und mikro-optischer Bauteile als Ersatz für die so genannten "Haftkleber". Letztere werden häufig eingesetzt, um auf einer Montagefläche oder Platine ein kleines Bauteil zunächst temporär zu fixieren, das erst später endgültig befestigt wird. Wird bei solcher Montage statt Haftkleber Heißkleber mit elektrostatischem Andruck benutzt, so besteht die vorteilhafte Möglichkeit, das Bauteil im kalten Zustand noch mehrfach zu bewegen und zu justieren, ehe es erwärmt und verklebt wird. Wie erläutert, ist diese Fixierung auf der Substratoberfläche gleichermaßen für blanke wie für isolierte Metalldrähte möglich, aber auch für nichtmetallische "Drähte", wie Textilfasern, Polymerfasern und Glasfasern, insbesondere auch Lichtleitfasern. Dabei muss, wie anhand der Beispiele und Zeichnungen gezeigt wurde, die Elektrodenanordnung im konkreten Fall danach ausgesucht werden, welche Kombination von Leitfähigkeiten (metallisch oder isolierend) der zu verlegende Draht und das Substratmaterial darstellen.Further Applications and alternative embodiments of the invention Processes can provide advantages in mounting micro-mechanical and micro-optical components as a substitute for the so-called "PSA". The latter are often used to a mounting surface or board a small component first temporarily to fix, the final later is attached. Is used in such assembly instead of pressure sensitive hot glue used with electrostatic pressure, so there is the advantageous Possibility to multiply the component when cold to move and adjust before it heats and sticks becomes. As explained, this fixation is on the substrate surface equally for naked as for isolated Metal wires possible, but also for non-metallic "Wires", such as textile fibers, polymer fibers and glass fibers, in particular also optical fibers. It must, as with the examples and drawings, the electrode assembly in concrete Case will be chosen according to which combination of conductivities (metallic or insulating) the wire to be laid and the substrate material represent.
Die Einsatzmöglichkeiten des insoweit erläuterten Drahtverlegungsverfahrens zur Drahtverlegung werden entscheidend bestimmt durch die Größe der erzielbaren elektrostatischen Anziehungskraft, die den Draht auf dem Substrat niederhält. Sie lässt sich durch Erhöhung der angelegten Spannung solange vergrößern, bis ein elektrischer Durchschlag erfolgt. Kritisch dafür ist zum einen das Substrat, zum anderen das den Draht umgebende Medium. Ersteres begrenzt die nutzbare Spannung bei sehr dünner Substratdicke, bei etwa 0,1 mm und darunter. Bei dieser Substratdicke liegt die Durchschlagspannung im Bereich von 1–10 kV, je nach Substratmaterial.The Purpose of the extent explained Wire laying methods for wire laying become crucial determined by the size of the achievable electrostatic Attraction that holds down the wire on the substrate. It can be achieved by increasing the applied voltage increase until an electrical breakdown occurs. On the one hand, the substrate is critical, on the other hand the medium surrounding the wire. The former limits the usable voltage at very thin substrate thickness, at about 0.1 mm and below. At this substrate thickness, the breakdown voltage is in the range from 1-10 kV, depending on the substrate material.
Bei dickeren Substraten ist die nutzbare Spannung durch die Durchschlagsfestigkeit des den Draht umgebenden Mediums begrenzt. Erhöht man in Luft die Spannung so weit, dass die elektrische Feldstärke an der Drahtoberfläche einen Wert von ca. 3–10 kV/mm überschreitet, so bildet sich um den Draht herum eine dünne, schlauchförmige Korona-Entladung aus. Sie nimmt den überschießenden Teil der Spannungserhöhung aufnimmt und begrenzt somit die erzielbare Kraft.For thicker substrates, the usable voltage is limited by the dielectric strength of the medium surrounding the wire. If the voltage in air is increased so far that the electric field strength at the wire surface exceeds a value of approx. 3-10 kV / mm, a thin, tubular coro forms around the wire na discharge out. It takes the overshooting part of the voltage increase and thus limits the achievable force.
Eine Ausweitung dieser Grenze ist möglich, indem das den Draht umgebende Medium modifiziert wird. Eine einfache Möglichkeit besteht darin, die Drahtverlegung im Vakuum vorzunehmen. Dann entfällt das Problem der Koronaentladung vollständig. Alternativ kann die Drahtverlegung in einem Raum erfolgen, der mit einem Gas hoher elektrischer Durchschlagsfestigkeit und hohem Druck gefüllt ist. Dies erhöht die Spannung, bei der Korona-Entladung einsetzt. Aus der Hochspannungstechnik ist bekannt, dass Kohlendioxid CO2 sowie mit Schwefelhexafluorid SF6 versetzter Stickstoff N2 hierfür besonders geeignete Gase sind. Beide haben eine höhere Durchschlagsfestigkeit als Luft, und bei beiden steigt die Durchschlagsfestigkeit monoton mit dem Druck an. Mit ihnen lässt sich die nutzbare Spannung um einen Faktor ca. 10–30 gegenüber atmosphärischer Luft erhöhen, wenn ein Gasdruck bis zu 10 bar verwendet wird. Da die elektrostatische Kraft mit dem Quadrat der Spannung wächst, kann die nutzbare Kraft auf diese Weise um einen Faktor ca. 100–1000 erhöht werden. Als weitere Alternative kann eine isolierende Flüssigkeit als Umgebungsmedium gewählt werden. Die in der Hochspannungstechnik verwendeten Isolieröle mit Durchschlagsfestigkeiten von 20 kV/mm und mehr erlauben ähnliche Spannungserhöhungen gegenüber Luft wie die erwähnten Isolier-Gase unter Druck.An extension of this limit is possible by modifying the medium surrounding the wire. An easy way is to make the wire laying in a vacuum. Then the problem of corona discharge is completely eliminated. Alternatively, the wiring can be done in a room filled with a gas of high dielectric strength and high pressure. This increases the voltage at which corona discharge starts. It is known from high-voltage technology that carbon dioxide CO 2 and nitrogen N 2 added with sulfur hexafluoride SF 6 are particularly suitable gases for this purpose. Both have a higher dielectric strength than air, and in both the dielectric strength increases monotonically with pressure. With them, the usable voltage can be increased by a factor of about 10-30 compared to atmospheric air, if a gas pressure up to 10 bar is used. Since the electrostatic force increases with the square of the voltage, the usable force can be increased in this way by a factor of about 100-1000. As a further alternative, an insulating liquid can be selected as the surrounding medium. The insulating oils used in high voltage engineering with dielectric strengths of 20 kV / mm and more allow similar voltage increases to air as the mentioned insulating gases under pressure.
Wie vorausgehend schon erläutert, ist es für die maschinelle Drahtverlegung mit praktisch interessanten Verlegegeschwindigkeiten vorteilhaft, nur einen kleinen, scharf lokalisierten Bereich der Substratoberfläche mit einem Laserstrahl zu heizen. Voraussetzung dafür ist eine hinreichend starke Absorption der Laserstrahlung durch das Substratmaterial. Da dessen Absorptionskoeffizient α(λ) allgemein von der benutzten Laser-Wellenlänge λ abhängt, stellt sich bei vorgegebenem Substratmaterial das Problem, eine passende Wellenlänge und dazu einen Laser mit hinreichend hoher Leistung zu finden. Dies ist nicht in jedem Falle möglich oder wirtschaftlich.As previously explained, it is for the machine Wire laying with practically interesting laying speeds advantageous, only a small, sharply localized area of Heat substrate surface with a laser beam. requirement this is due to a sufficiently strong absorption of the laser radiation through the substrate material. Since its absorption coefficient α (λ) generally depends on the used laser wavelength λ, arises for a given substrate material the problem, a suitable wavelength and a laser with sufficient to find high performance. This is not possible in every case or economically.
Andererseits ist es auf einfache Weise möglich, das Absorptionsvermögen des Substrates zu erhöhen, so dass die Strahlung eines vorgegebenen Lasers hinreichend stark absorbiert wird. Dies impliziert eine Färbung des Substrates, entweder im Ganzen oder nur oberflächlich auf der dem Draht zugewandten Seite, oder eine Beschichtung dieser Substratseite mit einem stark absorbierenden Material. Dabei ist der Begriff der Färbung hier verallgemeinert zu verstehen, denn der Farbstoff muss nur bei der verwendeten Laserwellenlänge absorbieren. Bei allen anderen Wellenlängen spielt sein Absorptionsvermögen keine Rolle. Wenn die verwendete Laserwellenlänge jenseits des Sichtbaren im Ultraviolett oder Infraroten liegt, wie beispielsweise bei typischen Diodenlasern (λ = 808 nm) oder beim YAG-Laser (λ = 1064 nm), so können also Farbstoffe eingesetzt werden, die im sichtbaren Spektralbereich nur eine praktisch vernachlässigbar geringe Absorption besitzen, so dass der Farbstoffzusatz die vom Auge wahrgenommene Farbe des Substratmaterials nicht verändert.on the other hand it is possible in a simple way, the absorption capacity of the substrate, so that the radiation of a given laser is sufficiently strongly absorbed. This implies a coloring of the substrate, either in whole or only superficially on the wire-facing side, or a coating of this substrate side with a highly absorbent Material. The term coloration is generalized here understand, because the dye only needs at the laser wavelength used absorb. Be playing at all other wavelengths Absorbency does not matter. If the laser wavelength used lies beyond the visible in the ultraviolet or infrared, such as for example with typical diode lasers (λ = 808 nm) or the YAG laser (λ = 1064 nm), so so can Dyes are used in the visible spectral range only a practically negligible absorption so that the dye additive perceived by the eye Color of the substrate material not changed.
Diese
Methode der oberflächlichen Absorptionserhöhung
ist in der Technik des so genannten Durchstrahlschweißens
von Polymeren bekannt, und hierzu geeignete Farbstoffe sind kommerziell
verfügbar. Aus den deutschen Patentanmeldungen
Kommt
es nicht darauf an, eine Färbung zu vermeiden, so ist eine
Schwarzfärbung des Substratmaterials, etwa durch Zumischung
von Ruß, die einfachste Möglichkeit der Absorptionserhöhung.
Beispielsweise verringert eine Russzumischung von 0,1% die Eindringtiefe
von Laserstrahlung auf 0,1 mm. [vgl.
Zur
lokalen Aufheizung des Substrates bis auf die Schmelztemperatur
des Verbindungsmaterials ist auch die von Mikrowellenöfen
her bekannte Hochfrequenzheizung geeignet. Sie ist zur Drahtverlegung
auf nichtmetallischen Substratmaterialien einsetzbar, die eine gewisse,
nicht zu niedrige Hochfrequenzabsorption besitzen, wie etwa Polymere
mit sauerstoffhaltigen Molekülgruppen. Hierfür
wird dicht über oder neben dem Draht an der Position der
Wärmequelle
Bei
dem insoweit beschriebenen Verfahren zum maschinellen Drahtverlegen
werden im Wesentlichen (abgesehen von der Variante gemäß
Diese
Möglichkeit, durch Strukturierung der Gegenelektrode Seitenkräfte
zu erzeugen, wird unter Bezugnahme auf ein in den
Die
Besonders
vorteilhaft für die Drahtverlegung entlang einem fest vorgegebenem
Pfad ist die Anordnung gemäß
Nach
diesem Prinzip der Kombination anziehender und abstoßender
Kraftkomponenten funktioniert auch die Drahtverlegung gemäß
Die
verschiedenen elektrischen Verbindungen der Elektroden in den
Bei
Verwendung einer ausgedehnten Gegenelektrode unter dem Substrat
herrscht nahezu überall an der Substratoberfläche
eine gleichmäßig hohe elektrische Feldstärke,
wobei die Richtung des Feldes senkrecht auf der Oberfläche
steht. Nur in unmittelbarer Nähe des Drahtes ist das Feld
verzerrt, wie der
Diese
Gefahr kann dadurch vermieden werden, dass das Bauteil während
der Drahtverlegung gegen das elektrische Feld abgeschirmt wird.
Dies ist in bekannter Weise möglich, indem das Bauteil
in einem Faraday-Käfig eingeschlossen wird. Dazu wird eine
gut leitende Abschirmhaube
Beim
Ausführungsbeispiel gemäß
Anstelle einer Anwendung von Heißklebe-, Löt- oder Schweißverfahren sind zur maschinellen Drahtverlegung mittels elektrostatischer Niederhaltung auch andere, wärmearme Fügeverfahren geeignet, die auf der Verwendung eines schon bei Umgebungstemperatur mehr oder weniger flüssigen oder pastösen Klebstoffs beruhen. Bei solchen Verfahren wird der Klebstoff zunächst auf mindestens einen der Fügepartner, d. h. auf den Draht oder auf das Substrat, oder auf beide aufgebracht. Beim nachfolgenden Drahtverlegeprozess kommt es dann darauf an, dass der Draht mit geeigneter Andruckkraft an die Oberfläche des Substrats angedrückt wird. Ohne solche Niederhaltung wäre infolge allgemein vorhandener Krümmungen des Drahtes und/oder Substratoberfläche der Kontakt der Fügepartner nur punktweise gegeben. Erst bei formschlüssigem, linienhaften Kontakt kann der Klebstoff fließen und beide Fügepartner gemeinsam benetzen, also die stoffschlüssige Verbindung herstellen. Die Größe der Andruckkraft bestimmt die Genauigkeit des Formschlusses und, zusammen mit der Viskosität des Klebstoffes, die erzielbare Haftung des Drahtes.Instead of an application of heat-bonding, soldering or welding processes are for mechanical wire laying by means of electrostatic hold down other, low-heat joining methods suitable, which is based on using one already at ambient temperature more or less liquid or pasty adhesive based. In such methods, the adhesive is first to at least one of the joining partners, d. H. on the wire or on the substrate, or applied to both. In the subsequent wire laying process it is then important that the wire with a suitable pressure force is pressed against the surface of the substrate. Without such holddown would be due to generally existing curvatures of the wire and / or substrate surface of the contact of the Joining partner given only pointwise. Only with positive, Line contact allows the adhesive to flow and both Moisten joining partner together, so the cohesive Establish connection. The size of the pressure force determines the accuracy of the positive locking and, together with the Viscosity of the adhesive, the achievable adhesion of the adhesive Wire.
Dünnflüssiger Klebstoff fließt rasch und ist deshalb in der Lage, kleine Lücken im Formschluss auszufüllen, wie sie bei mäßig hoher Andruckkraft bleiben. Dünnflüssiger Klebstoff bietet allerdings nur geringe Haftung. Ausreichende Haftung wird erst durch eine nachfolgende Erhöhung der Viskosität erreicht, also durch Härtung des Klebstoffes. Sie wird bei Heißklebern, Löt- und Schweißverfahren durch Abkühlung bewirkt, bei wärmearmen Klebstoffen durch chemische Reaktion, ausgelöst durch die Einwirkung energierei cher Strahlung oder chemischer Stoffe. Beispiel für solche dünnflüssigen Klebstoffe mit Strahlungshärtung sind die in der Leiterplattenherstellung vielfach verwendeten licht- oder UV-härtenden Acrylat-Klebstoffe; ein Beispiel für chemische Härtung die mit Feuchtigkeit reagierenden Cyanacrylat-Klebstoffe.Thin adhesive flows quickly and is therefore able to fill in small gaps in the form-fitting, as they remain at moderately high pressure. However, low-viscosity adhesive offers only low adhesion. Sufficient adhesion is achieved only by a subsequent increase in viscosity, ie by curing the adhesive. It is used in hot-melt adhesives, soldering and welding processes Cooling causes, with low-heat adhesives by chemical reaction, triggered by the action of energy-rich radiation or chemical substances. Examples of such low viscosity adhesives with radiation curing are the light or UV curing acrylate adhesives widely used in printed circuit board manufacture; an example of chemical curing the moisture-responsive cyanoacrylate adhesives.
Bei hochviskosen Klebstoffen kann die Härtung entfallen, sofern genügend hohe Andruckkraft verwendet wird. Weil diese Klebstoffe kaum fließen, ist ein genauerer Formschluss, also eine höhere Andruckkraft notwendig als bei niedrigviskosen Klebstoffen. Als Beispiel mögen die von Klebebändern und Klebe-Etiketten her bekannten hochviskosen Haftkleber dienen.at high-viscosity adhesives curing can be omitted if sufficiently high pressure force is used. Because these adhesives hardly flow, is a closer fit, so one higher pressure force necessary than with low-viscosity adhesives. As an example like those of adhesive tapes and adhesive labels Her known high viscosity pressure sensitive adhesive serve.
Bei
der Drahtverlegung mit wärmearmen Klebstoffen wird nach
dem Stand der Technik die notwendige formschlüssige Niederhaltung
durch Andrücken des Drahtes mit Stempeln oder ähnlichen
Werkzeugen an das Substrat erreicht. In der Beschreibung
Es folgt somit als Erweiterung der Aufgabenstellung, auch für die Drahtverlegung mit flüssigem oder pastösem Klebstoff die notwendige Andruckkraft des Drahtes an die Substratoberfläche berührungsfrei entlang einem gewissen Abschnitt des Drahtes zu erzeugen und sie gegebenenfalls für eine physikalische oder chemische Härtung eine zeitlang aufrecht zu erhalten, was, dem Erfindungsgedanken entsprechend, durch elektrostatische Erzeugung der Andruckkraft geschieht.It follows as an extension of the task, also for the wire laying with liquid or pasty Adhesive the necessary pressure force of the wire to the substrate surface Non-contact along a certain section of the wire to generate and optionally for a physical or to maintain chemical curing for a while, which, according to the idea of the invention, by electrostatic Generation of the pressure force happens.
Zweckmäßig
ist in jedem Fall eine Vorbehandlung des Substrats im Sinne eines
Versetzen in einen haftungsfreundlichen, die Benetzung fördernden,
verlässlich reproduzierbaren Zustand, z. B. durch Abwischen,
Abbürsten, Abwaschen, Reinigen, Begasen, Besprühen,
Bestrahlen, Ionisierung, und dergleichen, da hier für die
Drahtverlegung in industriellem Maßstab eine hohe Zuverlässigkeit
des Verlegeprozesses unabdingbar ist. Die Verlegung muss unabhängig
vom Wetter (Luftfeuchtigkeit, Temperatur) funktionieren und die
Haftung des verlegten Drahtes darf nicht von Vorbehandlungen des
Substratmaterials (Lagerung, Verpackung, Berührung, etc.)
abhängen, welche die Adhäsionseigenschaften der
Oberfläche verändern können. Beispielsweise
ist eine oberflächliche Ätzung mit einem (O2 + CF4)-Plasma,
beschrieben in
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass das beschriebene Verfahren besonders vorteilhaft einsetzbar ist bei der Verlegung und/oder Verklebung dünnster, nahezu unsichtbarer Metalldrähte auf großen durchsichtigen Substraten. Es erlaubt eine einfache, sichere Handhabung der Drähte beim Verlegen und bietet ihre sichere Fixierung bis zum Ende des Fixierungsprozesses. Es ergänzt gerade im Bereich kleinster Drahtdurchmesser die herkömmlichen Drahtverlegeverfahren, die hier ihre größten Schwierigkeiten aufweisen. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere auch zur Herstellung von Transpondern für den Einsatz in Sicherheitsdokumenten wie Pässe oder Chipkarten oder dergleichen.In summary it can be stated that the described method is particularly is advantageously used in the laying and / or bonding thinnest, almost invisible metal wires on large transparent substrates. It allows a simple, safe handling the wires when laying and provides their secure fixation until the end of the fixation process. It is currently completing in the field of smallest wire diameter the conventional wire laying method, who have their biggest difficulties here. The inventive method is particularly suitable also for the production of transponders for use in Security documents such as passports or smart cards or the like.
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Claims (38)
Priority Applications (1)
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Owner name: ULRICH, REINHARD, PROF. DR., 21244 BUCHHOLZ, DE |
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