DE19705934A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Einbringen von drahtförmigen Leiterstücken in ein Substrat - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Einbringen von drahtförmigen Leiterstücken in ein SubstratInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbringen
von drahtförmigen Leiterstücken in ein thermoplastisches Substrat bzw. in
die thermoplastische Schicht eines Substrates, bei dem das Leiterstück auf
der thermoplastischen Schicht verlegt und mit dieser mindestens stellen
weise durch Erwärmen des Leiterstückes und durch Eindrücken verbunden
wird.
Vorrichtungen der obengenannten Art werden zum Einbringen von Leiter
stücken, insbesondere zum Einbringen von Drähten in thermoplastische
Körper oder in mit thermoplastischen Schichten versehenen Körpern
verwendet. Diese Körper können eine beliebige Gestalt aufweisen. Sie
müssen lediglich eine für das Einfügewerkzeug rechtwinklig zur Einpreß
richtung frei zugängige Fläche aufweisen. Dies können ebene Körper,
beispielsweise Chipkartensubstrate und dergleichen, wie auch Zylinder,
Kegel, Körper mit Schrägen und dgl. sein.
Nach US-Patent 3,674,602 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der ein geheiz
tes, u-förmiges, nach unten geöffnetes Werkzeug einen isolierten Draht
führt, wobei die gabelartigen Schenkelenden des Werkzeuges die
thermoplastische Schicht erwärmen und aufwerfen, gleichzeitig wird der
erwärmte Draht etwas in die thermoplastische Schicht eingedrückt und
schließlich wird die aufgeworfene thermoplastische Schicht zumindest von
beiden Seiten an den Draht herangedrückt. Durch Relativbewegung
zwischen beheiztem Werkzeug und Aufnahme mit den thermoplastischen
Substrat wird ein beliebiges, gewünschte Leitungsmuster erzeugt. Die
Vorrichtung beinhaltet ein senkrecht zur Substratoberfläche wirkendes
Messer zum abschneiden des Drahtes nach vollendeter Erzeugung des
Leitungsmusters. Das Einbringen des isolierten Drahtes in das Substrat
kann unterstützt werden durch Ultraschallanregung des Werkzeuges bzw.
kann ausschließlich Ultraschallenergie verwendet werden.
Nachteilig bei der Vorrichtung ist, daß der Draht nicht glatt und bündig in
das Substrat verlegt werden kann, sondern in "aufgeworfenen" Furchen
gehalten wird. Ferner ist nachteilig, daß das Drahteinpreßwerkzeug bzw.
die U-förmige Öffnung stets in Richtung der Drahtverlegeachse gerichtet
sein muß. Dies bedeutet, daß der Drahteinpreßwerkzeugkopf und die Draht
führung immer in Richtung des vorgegebenen Verlegemusters gedreht
werden muß, was einen hohen apparativen Aufwand zur Folge hat.
Weiterhin ist nachteilig, daß zu Beginn des Verlegevorganges der Drahtan
fang mit einer weiteren Vorrichtung festgehalten oder kontaktiert werden
muß und daß eine präzise Höhensteuerung des Drahteinpreßwerkzeuges
erforderlich ist, soll sich das Werkzeug bei Stillstand oder bei langsamer
Relativbewegung nicht zu tief in das thermoplastische Substrat eindrücken.
Das Einbringen von drahtförmigen elektrischen und/oder optischen Leitern
in ein Substrat wird in der Literatur allgemein als Drahtschreiben oder
Drahtverlegen bezeichnet.
Die allgemeine Schwierigkeit beim Verlegen der Drähte besteht darin, den
Anfangspunkt des Drahtes zu fixieren und unmittelbar danach den Draht
nach vorgegebenen Muster weiter zu verlegen, denn am Startpunkt ist die
thermoplastische Schicht ebenfalls im weichen Zustand.
In FR 79 24 290 ist deshalb eine Vorrichtung angegeben, die den Draht am
Startpunkt an einen bereits vorhandenen Pfosten lötet. Nachteilig ist, daß
am Startpunkt ein Pfosten vorhanden sein muß.
In DE 36 24 627 wird ein Verfahren angegeben, wonach der Draht eine
Haftvermittelerschicht trägt, die nur beim oder unmittelbar vor dem Verle
gen mittels gepulster Strahlung in klebenden Zustand überführt wird und
danach sofort in den nichtklebenden Zustand zurückkehrt. Nachteilig dabei
ist, daß der Draht eine Haftvermittlerschicht benötigt und daß der Draht
durch gepulste Strahlung erwärmt werden muß.
Im allgemeinen wird der Draht nach dem Abschluß des Verlegens durch
keilförmige Messer (US 3,674,602; US 4,619,397 und US 5,365,657),
durch elektrische Spannung (DE 30 35 071) oder durch einen keilförmigen
Vorsprung am Verlegewerkzeug (US 4,415,115) getrennt. Nachteilig bei
den obengenannten Anordnungen und Verfahren ist, daß die Trennvorrich
tungen ausschließlich zum Trennen des Drahtes am Abschluß des Verlege
vorganges Verwendung finden können und den Start des Verlegevorgangs
nicht unterstützen.
Nach DE 43 25 334 A1 ist eine Vorrichtung zur Herstellung einer Spulen
wicklung aus Wickeldraht auf einem Wicklungsträger mit einem eine
Drahtführungseinrichtung aufweisenden, relativ zum Wicklungsträger
bewegbaren Wickelkopf bekannt, bei dem der Draht an seinen Knickstellen
unter Druck- und Temperatureinwirkungen in die Substratoberfläche einge
schmolzen wird. Das Einschmelzen erfolgt dabei mittels sogenannter
Thermokompressions- oder mittels Ultraschallverfahren.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß der Draht nur in Teilbereichen in
das Substrat eingebracht wird. Ferner ist nachteilig, das insbesondere beim
Eindrücken mit Hilfe von Ultraschall ultraschallfeste Substrathalterungen
erforderlich sind, die eine Steuerung der Energieeinleitung beim Einpressen
nur mit erheblichem Aufwand ermöglichen. Nachteilig ist ferner, daß die
thermische Energie am zu verlegenden Drahtstück nicht steuerbar ist.
Schließlich sind nach DE 44 10 732 ein Verfahren zur Herstellung einer
Chipkarte sowie eine Chipkarte bekannt, bei dem die Herstellung der Spule
durch Verlegung des Drahtes auf dem Substrat sowie die Verbindung der
Spulendrahtenden mit den Anschlußflächen eines Chips auf dem Substrat
erfolgen. Nachteilig bei dem Verfahren ist, daß Drahtlegeverfahren und
Verbindungsherstellung mit dem Chip unmittelbar miteinander erfolgen.
Weiterhin nachteilig ist, daß der Verlegungspunkt und die Beendigung des
Verlegens mit der Chipverbindung verknüpft sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrich
tung zum Einbringen von elektrischen Leiterstücken in ein Substrat anzuge
ben, mit dem ein kontinuierliches Eindrücken des Leiterstückes in Substrat
mit geringem Aufwand und hoher Genauigkeit ermöglicht wird und bei
dem sowohl der Start des Einbringens sowie der Abschluß des Einbringens
mit hoher Produktivität und geringem technischen Aufwand möglich ist.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe durch ein Verfahren,
bei dem das Substrat, das mindestens eine thermoplastische Schicht
aufweist, in die ein drahtförmiges Leiterstück mittels eines Eindrückwerk
zeuges, des im unteren Bereich einen Eindrückfuß aufweist, eingebracht
wird, wobei des jeweilige Leiterstück unter dem Eindrückfuß während des
Leiterstückeindrückens auf eine Temperatur aufgeheizt ist, die über der
Erweichungstemperatur der thermoplastischen Schicht liegt und wobei der
Eindrückfuß gleichzeitig relativ zum Substrat nach einem vorgegebenen
Muster verschoben wird und wobei das Leiterstück unter dem Eindrückfuß
in den Bereichen des Substrates, wo es nicht in die thermoplastische
Schicht eingedrückt werden soll, auf Temperaturen unterhalb der Erwei
chungstemperatur der thermoplastischen Schicht gehalten wird und wobei
die auf dem Eindrückfuß ausgeübte Kraft mit steigendem Drahtdurchmess
er und mit steigender Verschiebegeschwindigkeit des Eindrückwerkzeugfu
ßes erhöht wird.
Vorteilhaft ist es, das Eindrückwerkzeug und den Eindrückfuß rotations
symmetrisch zu gestalten und zu verringern ist bei steigender Leiterstück
temperatur und mit einer axialen Bohrung zu versehen. Dadurch ergibt sich
die Möglichkeit das drahtförmige Leiterstück durch die Mittenachse des
Eindrückwerkzeuges zuzuführen und das Leiterstück in beliebigen Richtun
gen unter dem Eindrückfuß zu verlegen bzw. einzudrücken, ohne den
Eindrückfuß in die Bewegungsrichtung drehen zu müssen.
Vorteilhaft ist es ferner das Eindrückwerkzeug aus Hartmetall oder aus
extrem fester, thermisch leitender Keramik, z. B. hochreiner Aluminiumo
xidkeramik auszuführen. Damit ist eine gute Wärmeleitung von dem
Werkzeug zum drahtförmigen Leiterstück gegeben und das Werkzeug
besitzt zudem eine hohe Standzeit.
Ferner ist es günstig, das Eindrückwerkzeug aufzuheizen und das Eindrück
werkzeug das Leiterstück unter dem Eindrückfuß aufzuheizen. Insbeson
dere bei Verwendung einer indirekten elektrischen Beheizung des
Eindrückwerkzeuges kann mit einfachen Mitteln die Werkzeugtemperatur
und damit in Abhängigkeit vom Material der thermoplastischen Schicht,
Abmessung und Material des drahtförmigen Leiterstückes, Andruck sowie
Relativgeschwindigkeit von Eindrückwerkzeug zum Substrat beim
Eindrücken des Leiterstückes zu einem vorgegebenen Muster auf dem
Substrat die Temperatur des Leiterstückes unter dem Werkzeugfuß gesteu
ert werden.
Zur Erhöhung der Abkühlungsgeschwindigkeit des Werkzeugfußes und
zum sofortigen Einstellen einer Leiterstücktemperatur unterhalb des Erwei
chungspunktes der thermoplastischen an den Stellen des Substrates, an
denen das Leiterstück nicht in die thermoplastische Schicht eingedrückt
werden soll, z. B. am Endpunkt des Leitungsmusters, ist es vorteilhaft den
Werkzeugfuß durch Druckgasströme, z. B. Luft- oder Stickstoffströme, die
Wärme zu entziehen und so das Leiterstück unter dem und neben dem
Werkzeugfuß abzukühlen.
Ferner ist es vorteilhaft den Werkzeugfuß so zu gestalten, daß die Andrück
fläche des Drahtes so klein als möglich ist und daß der Innenradius des
Werkzeugfußes in Abhängigkeit zum Drahtdurchmesser so gestaltet ist, daß
sich das Leiterstück beim waagerechten Herausziehen aus dem Werkzeug
an dem Innenradius anliegt.
So wird gewährleistet, daß das Leiterstück einerseits sehr schnell aufge
heizt wird und andererseits wenig Energie an das Substrat abgibt.
Ferner ist es vorteilhaft die Fußoberfläche einschließlich Innenradius zu
polieren, um auf das Leiterstück nur geringe Zugkräfte auszuüben.
Ferner kann es vorteilhaft sein, bei Verwendung einer elektrisch leitfähigen
Keramik als Werkzeugfuß, diesen direkt elektrisch zu beheizen.
Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Werkzeugbeheizung besteht
darin, das Werkzeug durch kurzwellige elektromagnetische Strahlung, z. B.
durch Laserstrahlung, zu beheizen. Dadurch kann die Aufheiz- bzw.
Abkühlgeschwindigkeit des Werkzeugfußes gegenüber der indirekten
Heizung erhöht werden.
Weiterhin ist es günstig zum Erreichen einer hohen Dynamik beim Aufhei
zen bzw. Abkühlen der jeweiligen zu verlegenden Leiterstücke diese durch
Anlegen einer elektrischen Spannung direkt aufzuheizen. Dazu ist es
vorteilhaft den Werkzeugfuß als Elektrode zu gestalten und über dem
Werkzeugfuß eine Gegenelektrode anzubringen, wobei das drahtförmige
elektrische Leiterstück von der Gegenelektrode zur Fußelektrode geführt
wird und dabei der Bereich des elektrischen Leiterstückes, der sich
zwischen Gegenelektrode und Einpreßfuß befindet, über die Kontaktflä
chen des Einpreßfußes und der Gegenelektrode durch die dort anliegende,
mit einfachen Mitteln steuerbare elektrische Spannung bzw. steuerbaren
Strom erhitzt wird.
Ferner ist es möglich, neben dem Einpreßwerkzeug ein in dessen Achsrich
tung wirkendes Klemmstück und ebenfalls eine in dessen Achsrichtung
wirkende keilförmige Schneide anzuordnen, so daß das Klemmstück
zwischen Einpreßwerkzeug und tangential zu ihm liegender Schneide
angeordnet ist. Vorteilhafterweise sind dabei Klemmstück und Schneiden
stück jeweils bzgl. Federkraft von einander getrennt einstellbar auf einem
parallel zur Substratoberfläche leicht beweglichen horizontalen Schlitten
angeordnet, wobei der Schlitten an der Aufnahmeeinrichtung für die Halte
rung des Einpreßwerkzeuges befestigt ist.
Ferner sei es möglich, den herausgezogenen horizontalen Schlitten mit dem
daran befindlichen Klemmstück und Schneidstück in Richtung Einpreß
werkzeug mittels einer Rückholeinrichtung wieder in die Ausgangslage
einzuordnen. Diese Anordnung gewährleistet, daß der Startpunkt und der
Endpunkt beim Verlegen eines Leiterbahnmusters definiert angelegt wird,
ohne daß weitere Mittel benötigt werden und ohne daß der Anfang
oder/und das Ende des drahtfähigen Leiterstückes festgelötet, durchge
steckt, festgeklebt oder auch andere Weise fixiert werden muß.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind in
den Unteransprüchen angegeben.
Das Verfahren ist zur Verarbeitung versilberter Kupferdrähte, die sowohl
gute mechanische als auch gute HF- und Kontakteigenschaften aufweisen,
besonders geeignet.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung
zeichnen sich durch eine Reihe von Vorteilen aus:
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus wenigen, relativ leicht und unkompliziert herstellbaren Einzelteilen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus wenigen, relativ leicht und unkompliziert herstellbaren Einzelteilen.
Die Startlage und die Endstücklage des Leitungsmusters ist ohne weitere
Hilfsmittel definiert herstellbar.
Das Eindrücken des elektrischen Leiters kann kontinuierlich erfolgen und
dabei auch in beliebig wählbaren Teilabschnitte unterbrochen werden.
Der für das Einbringen des Leiterstückes erforderliche Energiebedarf ist
sehr gering und kann über die elektrische Leistung in einfacher Weise und
mit hoher Genauigkeit gesteuert werden. Es kann vorzugsweise versilberter
Kupferdraht verwendet werden, der ideale Leitereigenschaften und gleich
zeitig hervorragende HF-Eigenschaften aufweist und der ferner ein Kontak
tieren mit den aktiven und passiven elektronischen Komponenten in
einfacher Weise ermöglicht.
Gegenüber den im Stand der Technik bekannten Verfahren, bei der
Thermokompressions- oder Ultraschalleinrichtungen verwendet wurden, ist
vorteilhaft, daß keine ultraschallfeste Sustratlagerung erforderlich ist, daß
aufwendige Einrichtungen zur Ultraschallerzeugung sowie entsprechende
Werkzeuge entfallen. Als besonders vorteilhaft erweist sich die einfache,
dynamische Steuerung der Energieeinleitung beim Eindrücken des Leiter
stückes und das Vermeiden akustischer Wellen im Substrat.
Die Erfindung wird an Hand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläu
tert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch ein indirekt geheiztes rotationssymmetrisches
Eindrückwerkzeug zum Einlegen von Draht in ein thermoplastisches
Substrat,
Fig. 2 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Anordnung in Start
stellung,
Fig. 3 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Anordnung zum
Schluß der Startphase,
Fig. 4 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Anordnung während
des Drahteinlegens,
Fig. 5 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Anordnung am Schluß
des einzulegenden Leiterdrahtmusters
und
Fig. 6 einen Schnitt durch ein rotationssymmetrisches Eindrückwerk
zeug mit isolierender Innenhülse zum Einlegen von direkt aufgeheizten
Draht.
Die Ausführungsbeispiele beschreiben des Einbringen eines metallisch
blanken Leiterstücks, vorzugsweise eines versilberten Kupferdrahtes.
In Fig. 1 wird der Draht 2 durch die Fädelöffnung 8 des Eindrückwerk
zeuges 3 unter den Eindrückwerkzeugfuß 4 geführt. Der Eindrückwerk
zeugfuß 4 ist durch elektrische Heizwicklungen 6 indirekt über die
Erweichungstemperatur der thermoplastischen Schicht 1 aufgeheizt und
drückt den Draht 2 in die thermoplastische Substratschicht 1 ein. Der
Werkzeugfuß 4 besitzt einen auf den Durchmesser des Drahtes 2 angepaß
ten Innenradius 7, wobei der Übergang Innenradius 7 zur Fädelöffnung 8
gleichzeitig die engste Stelle der axialen Eindrückwerkzeugbohrung, die
Taille 23 bildet. Auf den Werkzeugfuß 4 gerichtet ist die Druckgaszufüh
rung 5. Das Druckgas wird über hier nicht gezeigte Magnetventile bei
Bedarf zugeschaltet.
Um den Werkzeugfuß 4 herum können mehrere Druckgaszuführungen 5
verteilt angeordnet werden, die gegebenenfalls separat eingeschaltet
werden. Zur Unterstützung der Abkühlung des bereits eingepreßten Draht
stückes 2 ist dieses separat mit Druckgas zu kühlen. Das Eindrückwerkzeug
3 ist fest mit der Halteeinrichtung 11 verbunden, die wiederum über den
vertikal beweglichen Schlitten 12 mit der Aufnahmeeinrichtung 13 verbun
den ist. Der vertikale Schlitten wird mit einer veränderbaren Druckkraft F
25 belastet. An der Halteeinrichtung 11 ist über dem Eindrückwerkzeug 3
eine Drahtzange 14 befestigt, durch die der Draht 2 in Richtung Taille 23
und Werkzeugfuß 4 geführt ist.
An der Aufnahmeeinrichtung 13 befindet sich an der Unterseite ein
Horizontalschlitten 18, der über ein Gestänge mit einer Rückholeinrichtung
19, im Beispiel ein Pneumatikzylinder, verbunden ist. Unterseits des
Horizontalschlittens 18 sind separat und federnd gelagert direkt neben dem
Eindrückwerkzeug 3 ein rechteckiges Klemmstück 15 und unmittelbar
daneben ein Schneidstück 16 angeordnet. Die Breite des Klemmstückes 15
und des Schneidstückes 16 stimmen ungefähr mit der Größe des Durchmes
sers des Eindrückwerkzeuges 3 überein.
In der in Fig. 2 dargestellten Startstellung klemmt das ungeheizte Klemm
stück 15 das Ende des Drahtes 2 gegen die Oberfläche des Substrates 1.
Zugleich drückt sich die Schneide des Schneidestückes 16 im Arretierungs
punkt 17 in die thermoplastische Schicht 1 ein. Der Draht 2 wird unterhalb
des Eindrückwerkzeugfußes 4 durch das Klemmstück 15 über die Erwei
chungstemperatur der thermoplastischen Schicht 1 erwärmt und in die
thermoplastische Schicht eingedrückt.
Zugleich bewegt sich gemäß der Darstellung in Fig. 3 die Aufnahmeein
richtung 13 entgegengesetzt zur Auszugsrichtung des Horizontalschlittens
18. Mit der Aufnahmeeinrichtung 13 wird das Eindrückwerkzeug 3 über
die thermoplastische Substratschicht 1 gezogen, der Draht 2 wird dabei
stetig aus dem Eindrückwerkzeug 3 gezogen und durch den Werkzeugfuß 4
in die thermoplastische Schicht 1 fortlaufend auf der veränderbaren Druck
kraft F 25 eingedrückt. Der Horizontalschlitten 18 bleibt wegen der Fixie
rung des Schneidstückes 16 am Arretierungspunkt 17 stehen. Das
Klemmstück 15 klemmt weiterhin den Anfang des Drahtes 2 fest.
Zur Überwindung der Reibung der Rückholeinrichtung 19 und des eingezo
genen Horizontalschlittens 18 kann dabei der Pneumatikzylinder der
Rückholeinrichtung 19 so mit Druck beaufschlagt werden, daß das Heraus
gleiten des Horizontalschlitten 20 unterstützt wird.
Fig. 4 zeigt den Schluß der Startphase. Nachdem eine gewisse Drahtlänge,
die im Beispiel 10 . . . 15 mm beträgt, sicher in die thermoplastische Schicht
1 eingelegt und genügend in ihr verankert ist, hebt die Aufnahmeeinrich
tung 13; 21 soweit vom Substrat 1 ab, daß sich das Klemmstück 15 und das
Schneidstück 16 etwa 1 . . . 13 mm über der Substratoberfläche 1 befinden,
der Eindrückwerkzeugfuß 4 jedoch weiterhin den Draht 2 in das Substrat 1
eindrückt. Die Aufnahmeeinrichtung 13; 21 kann nun mit dem Werkzeug
fuß 4 beliebige Drahtmuster auf bzw. in das Substrat 2 legen bzw. drücken.
Dabei bzw. kurz vor Beendigung des Drahteindrückens wird der ausgezo
gene Horizontalschlitten 20 durch die pneumatische Rückholeinrichtung 19
in die eingezogene Lage 18 zurückfahren.
In Fig. 5 ist die erfindungsgemäße Anordnung während der Schlußphase
dargestellt.
Bereits kurz vor Beendigung des Drahtmusterlagens in das Substrat 1
wurde die Leistung der Heizung 6 reduziert und der auf den Werkzeugfuß 4
gerichtete Kühlgasstrom 5 eingeschaltet. Der Draht 2 erreicht nicht mehr
die erforderliche Temperatur, um die Substratschicht 1 zu erweichen und
einzusinken. Die Aufnahmeeinrichtung 13 wird abgesenkt. Das Schneid
stück 16 kerbt den Draht 2 durch, das Klemmstück 15 drückt den Draht 2
gegen das Substrat 1. Zugleich schließt die Drahtzange 14. Dadurch
erreicht man, daß der Draht 2 sauber getrennt und zugleich für das Ein
drücken bzw. Verlegen eines weiteren Drahtmusters ein Drahtende definierter
Lage und Länge angeformt und in konstante Lage zum Eindrückwerkzeug
3 durch die Drahtzange 14 gehalten wird. Nach Ausheben der Aufnahme
einrichtung 13 und Bewegen und Absenken am nächsten Startpunkt kann
das nächste Drahtmuster in die Substratschicht 1 eingedrückt werden.
Fig. 6 stellt das Eindrückwerkzeug 3 und die Gegenelektrode 10 für eine
Fall dar, in dem der Draht 2 durch direktes Heizen 24 des Drahtes 2 auf
eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur der thermoplasti
schen Substratschicht 1 erhitzt wird. Der Draht 2 ist um eine scheibenför
mige, leicht drehbare, elektrisch leitende Gegenelektrode 10 geschlungen
und danach durch die Fädelöffnung 8 eines rotationssymmetrischen
Eindrückwerkzeuges 3 unter dessen Werkzeugfuß 4 geführt. Der äußere
Werkzeugfuß 4 ist elektrisch leitend. Im Inneren des Eindrückwerkzeuges 3
befindet sich die Innenhülse 9, die als elektrisch und thermisch isolierende
Schicht ausgebildet ist. Sie besteht vorzugsweise aus abriebfester Keramik.
Der zwischen Gegenelektrode 10 und metallischem Werkzeugfuß 4
gespannte Abschnitt des Drahtes 2 bildet die direkte elektrische Drahthei
zung 24. Dieser Drahtabschnitt wird elektrisch soweit erhitzt, daß er in das
Substrat 1 eingedrückt werden kann. Die elektrische Leistung läßt sich mit
einfachen Mitteln messen und regeln.
Eine Verbesserung dieses Verfahrens kann noch dadurch erreicht werden,
daß das Einlegewerkzeug 3 und dessen Werkzeugfuß 4 bereits durch
indirektes Beheizen 6 auf eine Temperatur kurz unterhalb der Erweichung
stemperatur der Substratschicht 1 vorgewärmt wird und nur die weitere,
zum Eindrücken in die Substratschicht 1 erforderliche Temperaturerhöhung
durch direktes Aufheizen 24 des Drahtes 2 erfolgt.
Je nach der Relativgeschwindigkeit des Werkzeuges 3 gegenüber dem
Substrat 1 beträgt z. B. bei einem Drahtdurchmesser von 80 µm bei versil
bertem Kupferdraht 2 die Andruckkraft 1 . . . 50 N. Ferner muß die Andruck
kraft 25 um so höher gewählt werden, je größer die Fußfläche 4 des
Eindrückwerkzeuges 3 und je niedriger die Eindrückwerkzeugtemperatur
ist.
1
Thermoplastische Substratschicht
2
Leiterstück; Draht
3
Eindrückwerkzeug
4
Eindrückwerkzeugfuß
5
Druckgaszuführung
6
indirekte elektrische Heizung
7
Innenradius des Eindrückwerkzeugfußes; Taille
8
Fädelöffnung
9
Innenhülse
10
Gegenelektrode
11
Halterung
12
Vertikalschlitten
13
Aufnahmeeinrichtung
14
Drahtzange
15
Klemmstück
16
Schneidstück
17
Arretierungspunkt
18
Horizontalschlitten (eingezogen)
19
Rückholeinrichtung
20
Horizontalschlittenauszug
21
Aufnahmeeinrichtung in Arbeitsstellung
22
durchgekerbtes Leiterstück
23
Taille
24
direkte elektrische Drahtheizung
25
Andruckkraft F
Claims (21)
1. Verfahren zum Einbringen von drahtförmigen Leiterstücken (2) in ein
Substrat (1), das mindestens eine thermoplastische Schicht aufweist, wobei
das drahtförmige Leiterstück (2) auf der thermoplastischen Schicht (1)
verlegt und in dieser mindestens stellenweise durch Eindrücken des Leiter
stückes (1) in die durch Erwärmen erweichte Schicht (2) mittels eines
Eindrückwerkzeuges (3) befestigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
- - das einzudrückende Leiterstück (2) das sich unter dem Eindrückwerkzeug (3) befindet, während des Eindrückens auf eine Temperatur aufgeheizt ist, die über der Erweichungstemperatur der thermoplastischen Schicht liegt,
- - das Eindrückwerkzeug (3) gleichzeitig relativ zum Substrat (1) nach einem vorgegebenen Muster verschoben wird und
- - das die Temperatur des sich jeweils unter dem Eindrückwerkzeug (3) befindenden Leiterstücks (2) in den Bereichen des Substrates, in denen es nicht in die thermoplastische Schicht eingedrückt werden soll, auf einen Wert abgesenkt wird, der unterhalb der Erweichungstemperatur der thermoplastischen Schicht liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den
Eindrückwerkzeugfuß (4) eine zwischen 0 und 100 N einstellbare Andruck
kraft (25) wirkt, wobei die Andruckkraft (25) proportional der relativen
Verschiebegeschwindigkeit und umgekehrt proportional der Leiterstück
temperatur ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Eindrückwerkzeug (3) und/oder das einzudrückende Drahtstück (2) durch
indirekte elektrische Heizung (6) aufgeheizt wird, und daß der Eindrück
werkzeugfuß (4) und/oder das einzudrückende Drahtstück (2) durch einen
Druckgasstrom (5) schnell auf Temperaturen unterhalb der Erweichung
stemperatur der thermoplastischen Schicht (1) abgekühlt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Eindrückwerkzeugfuß (4) und/oder das einzudrückende Drahtstück
(2) durch elektromagnetische Strahlung direkt aufgeheizt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß beim Startpunkt des Verlegens des Drahtes (2) ein
Schneidstück (16) an einem Arretierungspunkt (17) in die Substratoberflä
che (1) eindrückt, das Substrat danach in die erforderliche Richtung
horizontal bewegt und dabei ein an einer Aufnahmeeinrichtung (13)
angebrachter Horizontalschlitten (18) ausgezogen wird, daß bei dieser
Horizontalbewegung der Horizontalschlitten (18) in seiner durch das
Schneidstück (16) am Arretierpunkt (17) fixierten Lage verbleibt und das
Klemmstück (15) den Anfang des Drahtes (2) gegen die Substratoberfläche
(1) drückt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß nach dem Eindrücken bzw. nach dem Verlegen einer
ersten Drahtlänge in das thermoplastische Substrat (1) die Aufnahmeein
richtung (13) soweit angehoben wird, daß der Eindrückwerkzeugfuß (4)
den Draht (2) weiterhin in das Substrat (1) eindrücken kann, daß jedoch das
Klemmstück (15) und das Schneidstück (16) nicht mehr mit dem Substrat
(1) im Eingriff stehen.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß vor Beendigung des Drahtverlegens mittels einer
Rückholeinrichtung (19) der ausgezogene Horizontalschlitten (20) in seine
eingezogene Stellung (18) zurückgeholt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens unmittelbar vor Beendigung des Verle
gens des jeweiligen Drahtmusters die Verlegerichtung so gewählt wird, daß
der Draht (2) unter dem Schneidstück (16) und dem Klemmstück (15) liegt
und der Draht (2) durch Absenken der Verlegetemperatur auf der Oberflä
che des Substrates (1) verlegt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Draht (2) durch Absenken der Aufnahmeeinrich
tung (13) mit dem Schneidstück (16) durchgekerbt wird und daß durch den
Eindrückwerkzeugfuß (4) und das Klemmstück (15) der Anfang des danach
zu verlegenden Drahtstückes (2) angeformt und mittels Drahtzange (14) bis
zum erneuten Verlegestart in der Lage zum Eindrückwerkzeugfuß (4)
gehalten wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der zu verlegende Draht (2) zwischen dem Eindrück
werkzeugfuß (4) und einer Gegenelektrode (10) durch Stromdurchgang
direkt aufgeheizt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Eindrückwerkzeug (4) durch indirekte elektrische
Heizung (6) bis unterhalb der Erweichungstemperatur des thermoplasti
schen Substrates (1) vorgeheizt wird.
12. Vorrichtung zum Einbringen von drahtförmigen Leiterstücken (2) in
ein mindestens eine thermoplastische Schicht aufweisendes Substrat (1)
wobei das drahtförmige Leiterstück (2) auf der thermoplastischen Schicht
(1) verlegt und mit dieser mindestens stellenweise durch Erwärmen des
Leiterstückes (2) und durch Eindrücken mittels eines Eindrückwerkzeuges
(3) verbunden wird, wobei das Eindrückwerkzeug (3) in seinem unteren
Bereich einen Eindrückfuß (4) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß
- - mit einem Grundgestell eine Haltevorrichtung für das Substrat (1) fest verbunden ist,
- - das Eindrückwerkzeug (3) in zwei horizontalen Richtungen beweglich an dem Grundgestell angeordnet ist,
- - das Eindrückwerkzeug (3) im Inneren eine durchgehende Fädelöffnung (8) enthält und
- - das Eindrückwerkzeug (3) und/oder der Draht (2) mit einer Heizeinrich tung (6; 24) gekoppelt ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß an dem
Eindrückwerkzeug (3) eine Einrichtung angebracht ist, mit der das
Eindrückwerkzeug (3) mit einer vertikal wirkenden veränderlichen
Andruckkraft F (25) belastet wird.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß
in der Nähe des Eindrückfußes (4) mindestens eine Druckgaszuführung (5)
angeordnet ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekenn
zeichnet, daß die durchgehende Fädelöffnung (8) in Form einer Innenhülse
(9) aus Keramik ausgebildet ist.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß an einer vertikal höhenverstellbaren Aufnahmevor
richtung (13) über einen Vertikalschlitten (12) eine Halterung (11)
angeordnet ist, an der sich das Eindrückwerkzeug (3) befindet und daß an
der Aufnahmeeinrichtung (13) verschiebbar ein Klemmstück (15) und ein
Schneidstück (16) angebracht sind.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Klemmstück (15) und das Schneidstück (16)
jeweils in Vertikalrichtung wirkend federnd befestigt sind, wobei ihre
Federkräfte einstellbar sind.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen Eindrückfuß (4) und einer im oberen
Bereich der Vorrichtung angeordneten Gegenelektrode (10) eine elektrisch
isolierende Innenhülse (9) angebracht ist, wobei das elektrische Leiterstück
(2) von der Gegenelektrode (10) zum Eindrückfuß (4) geführt wird.
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Eindrückwerkzeug (3) und/oder dessen Eindrück
werkzeugfuß (4) rotationssymmetrisch ausgebildet sind.
20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß auf der Halterung (11) oberhalb des Eindrückwerk
zeuges (3) eine Drahtzange (14) befestigt ist.
21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß an der Aufnahmeeinrichtung (13) eine Rückholein
richtung (19) angeordnet ist, mit der der Horizontalschlitten (18) in seine
Ausgangsposition gebracht werden kann.
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