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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft draht-geritzte Leitertafeln und Verfahren
ihrer Herstellung. Im Speziellen betrifft die vorliegende Erfindung
eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren für das Kleben leitender Fäden auf
dielektrische Träger,
um Fadenleitermuster zu bilden, welche sowohl ebene als auch nicht
ebene Abschnitte aufweisen, und daraus gebildete Verbindungskarten,
Chipkarten oder Karten mit Glasfaserleitern.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bei
der Herstellung und beim Zusammenbau elektrischer und elektronischer
Einheiten wurden Verdrahtungstafeln lange verwendet, um elektronische
Komponenten miteinander zu verbinden. Diese "Verbindungs"-Platten oder -Karten weisen einen isolierenden
Träger
mit mehreren elektronischen Komponenten auf, welche integrierte
Schaltkreis-Baugruppen oder andere Typen elektronischer, elektro-optischer
oder optischer Komponenten sein können, die auf diesem befestigt
sind, und weisen ein Muster leitender Pfadsegmente auf, welche die
Komponenten miteinander verbinden.
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U.S.
Patente Nr. 3,674,602 und 3,674,914, beide vom 04. Juli 1972, beschreiben
ein Verfahren der Herstellung von Verbindungskarten. Entsprechend
dieser Verfahren wird ein Träger
auf einem Vakuumtisch befestigt. Anschließend wird ein Draht auf einer
Oberfläche
des Substrats in einem vorgewählten
ebenen Leitermuster geritzt bzw. verdrahtet unter Verwendung eines
Drahtspende- und Bondierkopfs. Diese Methode ist bekannt als "Draht-Ritzen".
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Ein
auf die Oberfläche
des Trägers
geschichteter, adhäsiver
Film sichert den Draht auf dem Träger. Vom Bondierkopf ausgestrahlte
Energie wirkt auf den adhäsiven
Film bei Kontakt des Drahts mit diesem, sodass sich der Draht mit
dem Träger
verbindet.
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Thermokompressions-Bondieren
verbindet während
des Draht-Ritzens Fäden
mit auf der Oberfläche
angebrachten Komponenten. Bei Verbindungspunkten wird elektrische
Isolierung, sofern vorhanden, entfernt. Anschließend wird der Draht gegen die
Oberfläche
der Komponente gedrückt.
Gleichzeitig verschmelzt die thermische Energie den Draht auf der
Komponente.
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Während Thermokompressionsschweißen können die
Spannungen aber so stark sein, wobei sie bis zu 12 MPa erreichen
an Stellen, wo ein Draht sich selbst oder einen anderen Draht überlagert
(eine "Kreuzung"), dass die Drahtleiterbahn
reißt.
Tatsächlich
beschreibt U.S. Patent Nr. 5,483,603, erteilt an Luke et al., vom
09. Januar 1996, ein System und ein Verfahren zur automatischen
optischen Prüfung draht-geritzter
Leiterplatten zum Erfassen von Bruchstellen. In ähnlicher Weise erhöht die Spannung
auf Glasfaserfäden
während
des Draht-Ritzens die Möglichkeiten
des Bruchs und "Mikrokrümmens", eines Zustand,
welcher eine Abschwächung
des durch die Glasfaser übertragenen
Signals verursacht.
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Eine
Identifikationskarte, wie durch die internationale Normierungsbehörde (ISO)
in ISO 7810 definiert, ist "eine
ihren Träger
und Aussteller identifizierende Karte, welche Daten tragen kann,
die als Input für
die beabsichtigte Verwendung der Karte und für darauf basierende Transaktionen
verlangt werden".
Einige Identifikationskarten enthalten einen integrierten Schaltkreis
und sind als "integrierte
Schaltkreiskarten" oder "Chipkarten" bekannt. Allgemeiner beziehen
sich Chipkarten auf jede tragbare kartenähnliche Vorrichtung, die eine
oder mehrere elektronische Komponenten enthält, d.h. aktive Komponenten
wie integrierte Schaltkreise, Transistoren und Dioden, und passive
Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren
und Induktoren. Die integrierten Schaltkreise können auf einem integrierten
Schaltkreischip und/oder auf einer gedruckten Schaltkreistafel oder
einer draht-geritzten Tafel ausgebildet sein, die dann auf der Chipkarte
befestigt wird. Chipkarten können
für eine
breite Vielfalt von Anwendungen verwendet werden, wie Prepaid-Karten (z.B. Telefonkarten,
Transitausweise, elektronische Geldbörse), Teilnehmerkarten (z.B.
Geldautomatenkarten, Kreditkarten, Verkaufsstellenkarten), Treueprogrammkarten (z.B.
Vielfliegerkarten), Sicherheitszugang- und Identifikationskarten,
Krankenkassen- und Servicekarten (mit wahlweise geschütztem Speicher),
GSM-Karten (Global System Management für europäische Mobiltelefone) und Verschlüsselungs/Entschlüsselungskarten.
Allgemeiner sind Chipkarten ein Typ von Verbindungskarten.
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Chipkarten
werden mit einer Lese-/Schreibvorrichtung verwendet, welche eine
externe Schnittstelle enthält,
die verwendet wird, um Informationen auf oder von der Chipkarte
zu übertragen.
Kompakt-Chipkarten haben einen integrierten Schaltkreis ("IC"), welcher in einer
mittleren inneren Schicht von Plastikmaterial eingebettet ist, welches
die Karte derart aufbaut, dass die Kontaktpunkte des IC, was normalerweise
goldbeschichtete Kontaktpunkte sind, an einer Oberfläche freigelegt
sind. Bei der Verwendung wird diese Karte in eine externe Schnittstelle
eingeführt,
sodass die Kontakte auf der Karte Kontakte innerhalb der externen
Schnittstelle berühren,
wodurch Kommunikation zwischen der Karte und der externen Schnittstelle
erlaubt wird. Auf diese Weise kann z.B. ein Wert zu einer Karte
hinzugefügt
werden, oder ein festgelegter Betrag kann für eine spezielle Transaktion
belastet werden.
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"Kontaktlose" Chipkarten haben
eine mit einem IC verbundene Drahtschleife, welche komplett innerhalb
des Plastikkörpers
der Karte eingebettet ist. Wenn sie in die Nähe von einer Lese-/Schreibvorrrichtung
gebracht wird, induziert ein Funkfrequenzsignal (RF) der Vorrichtung
einen geringen Strom in der Drahtschleife, welche als Antenne wirkt. Dies
versorgt den IC-Schalter mit Energie, welcher daraufhin sein eigenes
Signal unter Verwendung der Antenne zurück zur Lese-/Schreibvorrichtung überträgt. Physischer
Kontakt zwischen dem IC und der Vorrichtung (der externen Schnittstelle)
ist also nicht notwendig, um eine Kommunikationsverbindung herzustellen.
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Ein
dritter Typ von Chipkarten, welche als "Kombinations"-Chipkarte bezeichnet wird, wurde vorgeschlagen,
um entweder in einem "kontaktierten" oder einem "kontaktlosen" Modus verwendet
zu werden. Die Kombinations-Chipkarte hätte die Merkmale der Kontakt-
und Kontaktlos-Chipkarten. Ähnlich
zur Kontakt-Chipkarte
wäre in
der Kombinations-Chipkarte ein IC im Plastikkörper der Karte eingebettet,
sodass seine Kontakte an der Oberfläche der Karte freigelegt sind.
Und ähnlich
zur Kontaktlos-Chipkarte hätte
die Kombinations-Chipkarte eine Drahtschleife, d.h. eine Antenne,
welche komplett innerhalb des Plastikkörpers der Karte eingebettet
wäre. In
der Kombinations-Chipkarte wäre
der IC aber elektrisch mit der eingebetteten Antenne verbunden.
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Chipkarten
haben einen oder mehrere gedruckte externe Schichten oder "Häute", welche den IC schützen. Diese Häute sind
schichtweise auf die innere Schicht gelegt, um das Fadenleitermuster
zu schützen.
Die Schichtung muss allerdings Chipkarten mit glattem und gleichmäßigem Äußeren herstellen
in der Toleranz von Mikrometern. ISO-Standard 10536 verlangt, dass
die maximale totale Dicke einer Kontaktlos-Chipkarte 760 Mikrometer
+/–10%
beträgt.
Ferner können
solch hochqualitativ gefertigte Produkte nachfolgend mit hochgradig
individualisierter Information bedruckt werden, wie digitalisierten Portraits.
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Es
ist also für
Chipkartenanwendungen ein dünner
Draht mit einer dünnen
Isolierungsschicht erforderlich. Weil der Drahtleiter in der inneren
Schicht eingebettet ist, muss die innere Schicht wenigstens so dick
sein wie der äußere Durchmesser
des Drahts. Die Verwendung dünner
Drähte
ist erforderlich. Ferner muss die Drahtisolierung entfernt werden,
bevor elektrische Verbindungen zwischen Drähten und elektrischen Komponenten,
einschließlich
Halbleitervorrichtungen, gebildet werden. Dünne Isolierungsschichten sind
erforderlich, um zu gewährleisten, dass
das Entfernen den dünnen
Draht nicht beschädigt.
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Drähte sind
im Allgemeinen mit einer isolierenden Schicht von dielektrischem
Material bereitgestellt, um ungewollte elektrische Verbindungen
zwischen Drähten
(ein Kurzschluss) zu verhindern. Die Isolierungsschichten erhöhen aber
auch die Festigkeit der Drähte
und helfen, Brüche
zu vermeiden. Isolierschichten dehnen sich also ohne Bruch bei Anwendungen
von Draht-Ritzen,
vorteilhafterweise auch bei Spannungspegeln bis zu 12 MPa.
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In
elektrischen Systemen fungieren Kunststoffe und Elastomere oftmals
als elektrische Isolatoren, als strukturelle Verstärkungselemente
oder sehr oft als Kombination von diesen auf. Eine Materialklasse,
die in diesen Anwendungen verwendet wird, sind Thermoplasten. Diese
Materialien können
durch Erwärmen
weich gemacht werden, kehren in ihren ursprünglich gehärteten Zustand zurück beim
Kühlen. Zu
gebräuchlichen
thermoplastischen Harzen, die als elektrische Isolierung verwendet
werden, gehören Polyethylen,
Polystyrol, Polyvinylchlorid, Nylon, Polytetrafluorethylen und Polyimide.
Andere elektrische Isolierungsmaterialien sind wärmehärtende Harze. Illustrative
Beispiele schließen
Gummiverbindungen, Silikongummi, Neopren, Epoxyharze und Polyurethane
ein. Diese Materialien werden beim Erwärmen nicht weich, was bei gewissen
Anwendungen vorteilhaft ist.
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Mit
Polyimidisolierung ummantelte Drähte werden
oft für
die Herstellung von draht-geritzten Tafeln verwendet, wegen ihres
guten Gleichgewichts zwischen mechanischen und elektrischen Eigenschaften.
Polyimide können
durch eine Polykondensationsreaktion von aromatischem Dianhydrid
entweder mit aromatischem Diamin oder aromatischem Diisocyanat gebildet
werden. Diese gegenüber
thermischer Zersetzung hochwiderstandsfähigen Materialien bleiben im
Vakuum bis über
500°C thermisch
stabil. Dielektrische Eigenschaften liegen im Bereich von 3,3 bis
3,5 bei 60 Hz. Viel wichtiger ist, dass Drähte mit Polyimid-Isolierung
sehr hart sind. Beispielsweise zeigt ein #38 AWG (American Wire
Gauge = amerkanische Norm für
Drahtquerschnitte) Kupferdraht (0,1 mm Kerndurchmesser) mit einer
0,023 mm dicken Polyimidisolierungsschicht typischerweise eine Reißfestigkeit
von ungefähr
545 Gramm und eine Verlängerung
von ungefähr
117% seiner anfänglichen
Länge,
bevor der Bruch geschieht.
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Die
Verwendung von Polyimidisolierung bei der Herstellung von draht-geritzten
Leitertafeln kann aber unvorteilhaft sein. Da Polyimidummantelungen Temperaturen
bis zu einer Höhe
von 482°C
(900°F) widerstehen,
ist es schwierig, Drähte
mit Komponenten mittels Thermo-Kompressionsschweißen zu verbinden.
Die notwendigen höheren
Temperaturen beschädigen
oft elektrische Komponenten in der Nähe.
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Eine
weit bessere Wahl für
Isoliermaterialien für
Draht-Ritzen ist ein Polyurethan. Polyurethane können durch Umsetzen von einer
oder mehreren Polyhydroxylverbindungen (typischerweise Glykole oder
Zucker) mit stöchiometrischen
Mengen eines difunktionalen Isocyanats gebildet werden. Polyurethane
mit einem weiten Bereich von Eigenschaften, welche sich von denen
eines weichen Elastomers zu denen eines steifen Festkörpers spannen,
können
hergestellt werden durch Anpassen des Molekulargewichts und der
Zusammensetzung der Hydroxylverbindungen. Polyurethanummantelungen
weisen ausgezeichnete film-mechanische Eigenschaften, große Härte und
Flexibilität
auf. Andere vorteilhafte Merkmale enthalten Tieftemperaturaushärtung und
Haftung an unterschiedlichen Trägern.
Dielektrische Eigenschaften liegen im Bereich von 3,0 bis 3,5 bei
60 Hz. Wichtiger ist, dass Polyurethanisolierungsummantelungen bei
normalen Löt-Temperaturen entfernbar
sind, wie zwischen 315°C
bis 343°C
(600°F bis
650° F).
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Polyurethanummantelte
Drähte
sind aber nicht strapazierfähig.
Ein #38 AWG-Draht,
welcher mit einer kommerziellen Sorte Polyurethanisolierungsschicht
ummantelt ist (0,018 mm in der Dicke), weist typischerweise eine
Reißfestigkeit
von ungefähr
264 Gramm und eine Verlängerung
beim Bruch von 20% seiner ursprünglichen
Länge auf.
Draht mit Polyurethanummantelung kommerzieller Sorte kann während der
Herstellung reißen,
vor allem bei Kreuzungen, wo Bondierkräfte 12 MPa erreichen können.
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PCT-Veröffentlichungs
Nr. WO-A-95/26538 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer
Transpondereinheit, welche mit wenigstens einem Chip und einer Spule
vorgesehen ist, und im Speziellen einer Chipkarten-/Chipbefestigungstafel,
wobei der Chip und die Spule auf einem gemeinsamen Träger befestigt
sind und die Spule gebildet wird durch Anbringen eines Spulendrahts
und Verbinden der Spulendrahtenden mit den Kontaktoberflächen des
Chips auf dem Träger.
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PCT-Veröffentlichungs
Nr. WO-A-97/30418 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung
für die Kontaktherstellung
zwischen einem Drahtleiter bei der Herstellung einer Transpondereinheit,
welche auf einem Träger
angeordnet ist, und einen Spulendraht und eine Chipeinheit umfasst,
wobei in einer ersten Phase der Drahtleiter weggeführt wird über die
Anschlussfläche
oder einen Bereich, welcher die Anschlussfläche übernimmt, und auf dem Träger bezüglich der
Anschlussfläche
oder des zur Anschlussfläche
zugehörigen
Bereichs befestigt wird, und in einer zweiten Phase die Verbindung
des Drahtleiters zur Anschlussfläche
mittels eines Verbindungsinstruments bewirkt wird.
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AUFGABEN DER ERFINDUNG
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
bereitzustellen zur Herstellung draht-geritzter Schaltkreise, welches
Fadenbrüche
und ähnliches
verhindert durch Reduzieren der Spannung auf die Fäden während der
Herstellung.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren
zum Herstellen draht-geritzter Schaltkreise bereitzustellen ohne
die Verwendung dicker Hochleistungsisolierungsschichten.
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Eine
zusätzliche
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen
von draht-gentzten Schaltkreisen bereitzustellen, ohne Isolierungsschichten
zu verwenden, welche schwer zu entfernen sind.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, draht-geritzte
Schaltkreise bereitzustellen, welche mit einer oder mehreren Kreuzungen
hergestellt sind, die im Wesentlichen frei von Spannungen sind.
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Ein
anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, draht-geritzte Schalttafeln
bereitzustellen, welche keine Fäden
benötigen
mit dicken, schweren Polyimidisolierungs-Ummantelungen, um dem Herstellungsprozess
standhalten zu können.
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Noch
ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, draht-geritzte
Schalttafeln bereitzustellen mit Fäden, welche dünne Polyurethanisolierungs-Ummantelungen aufweisen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Chipkarten mit
einem glatten und gleichförmigen Äußeren bereitzustellen,
sodass sie nachfolgend beispielsweise mit digitalisierten Portraits
bedruckt werden können.
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Diese
und andere Aufgaben der Erfindung werden für den Fachmann unter Bezug
auf die nachfolgende Beschreibung und die nachfolgenden Ansprüche offensichtlich.
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KURZER ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zur Bildung
eines Fadenleiter-Musters entsprechend Anspruch 1 bereit. Die vorliegende
Erfindung stellt ebenfalls eine draht-geritzte Tafel bereit entsprechend
Anspruch 2 oder Anspruch 3. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden
Erfindung stellt eine Chipkarte entsprechend Anspruch 4 bereit.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden offensichtlich,
da die Erfindung in der folgenden Beschreibung genauer beschrieben
wird, aus den Zeichnungen und aus den Ansprüchen. Die Beschreibung ist
rein illustrativ und nicht einschränkend.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 ist
eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler draht-geritzter
Leitertafeln.
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2A ist
eine Draufsicht auf einen Abschnitt einer draht-geritzten Leitertafel,
wobei ein Faden auf einem Träger
befestigt ist.
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2B ist
eine Draufsicht desselben Abschnitts der in 2A gezeigten
draht-geritzten Leitertafel, in der das weitere Bondieren des Fadens
auf den Träger
während
des Ritzens eines Fadenleiters gezeigt wird.
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2C ist
eine Draufsicht auf den gleichen Abschnitt der in den 2A und 2B gezeigten draht-geritzten
Leitertafel, in welcher ferner die Anordnurg eines Fadenabschnitts über Zufuhr-geritzten Abschnitten
des Fadenleiters zeigt.
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2D ist
eine Draufsicht des gleichen Abschnitts der in den 2A–2C gezeigten draht-geritzten
Leitertafel, in welcher ferner die Fortsetzung des Bondierprozesses
nach Anordnen eines Abschnitts des Fadens über der Mehrheit des Drahtleiters
zeigt.
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2E ist
eine Draufsicht auf den gleichen Abschnitt der in den 2A–2D gezeigten draht-geritzten
Leitertafel, in der ferner die Fortsetzung des Draht-Ritz-Prozesses gezeigt
wird.
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2F ist
eine Draufsicht, welche einen Abschnitt der draht-geritzten Leitertafel
zeigt, welche die Anordnung eines Abschnitts des Fadens über einer
Aussparung des Trägers
darstellt.
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2G ist
eine Draufsicht, welche einen Abschnitt der draht-gentzten Leitertafel
zeigt, in welcher die Anordnung eines Abschnitts des Fadens über einer
erhabenen Besonderheit des Trägers
darstellt.
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3A ist
eine Draufsicht auf einen Abschnitt einer draht-geritzten Leitertafel,
wobei ein Faden an einem Träger
angebracht ist.
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3B ist
eine Draufsicht auf den gleichen Abschnitt der in 3A gezeigten
draht-geritzten Leitertafel, in welcher ferner das weitere Bondieren des
Fadens auf dem Träger
während
des Ritzens eines Fadenleiters dargestellt ist.
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3C ist
eine Draufsicht auf den gleichen Abschnitt der in den 3A und 3B gezeigten draht-geritzten
Leitertafel, in welcher ferner die Anordnung eines Abschnitts des
Fadens unter zuvor geritzten Abschnitten des Fadenleiters darstellt.
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3D ist
eine Draufsicht auf den gleichen Abschnitt der in den 3A–3C gezeigten draht-geritzten
Leitertafel, in welcher ferner die Fortsetzung des Bodierprozesses
gezeigt wird, während ein
Abschnitt des Fadens unter der Mehrheit der Fadenleiter angeordnet
wird.
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3E ist
eine Draufsicht auf den gleichen Abschnitt, der in den 3A–3D gezeigten draht-geritzten
Leitertafel, in welcher ferner die Fortsetzung des Bondierprozesses
durch Wiederaufnahme des Ritzens auf der Oberfläche des Trägers dargestellt ist.
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3F ist
eine Draufsicht auf den gleichen Abschnitt der in den 3A–3E gezeigten draht-geritzten
Leitertafel, in welcher ferner die Fortsetzung des Bondierprozesses
durch Ritzen zusätzlicher
Fadenabschnitte auf dem eingebetteten Fadenabschnitt darstellt.
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4 ist
eine Ansicht von oben einer entsprechend der vorliegenden Erfindung
gebildeten Kreuzung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Verbindungskarten,
Chipkarten und Glasfaserleiterkarten weisen Fadenleiter auf, welche
auf einen isolierenden Träger
geritzt und geklebt sind. Mehrere leitende geritzte Fäden bilden
die Fadenleitermuster. Jeder Faden ist auf dem Träger von
einem Ende des Fadens zum anderen Ende kontinuierlich auf den Träger geritzt
und geklebt, und zwar ein Faden nach dem anderen, bis ein vollständiges Fadenleitermuster
draht-geritzt worden ist. Elektronische, elektro-optische oder optische Komponenten können auf
der Oberfläche
des Trägers
vorhanden sein.
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Es
kann jeder leitende Faden verwendet werden, einschließlich elektrisch
und optisch leitender Fäden.
Z.B. können
metallische leitende Drähte, wie
Kupferdrähte,
verwendet werden. Es kann eine den Faden umgebende Isolierung vorgesehen
sein.
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Wo
ein Abschnitt eines Fadens dazu vorgesehen ist, einen anderen Abschnitt
eines Fadens zu überqueren
(eine "Kreuzung"), wird Isolierung
benötigt,
um bei metallischen, leitenden Fäden
ungewollte elektrische Verbindungen zu verhindern. Eine Isolierung
für optische
leitende Fäden
ist optional.
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Die
adhäsive
Ummantelung und ein oder mehrere darunter liegende Schichten von
Isolierung, sofern vorhanden, sollten entfernbar sein. Elektrische
Verbindungen zwischen dem geritzten Faden und Komponenten werden
durch Entfernen der Isolierung und/oder des Klebemittels hergestellt.
Die adhäsive
Ummantelung und Isolierungsschicht(en) sollten entfernt werden können, ohne
den Faden oder die Trägeroberfläche, auf
welche der Faden bondiert wird, zu beschädigen. Vorzugsweise ist die
Isolierung ein thermoplastisches Material, welches bei normalen
Löttemperaturen
sehr leicht entfernbar ist.
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Der
Träger
bildet eine Basis der Verbindungskarte und stellt strukturelle Stärke und
Unterlage bereit. Jeder konventionelle Träger kann verwendet werden.
Der Träger
kann beispielsweise enthalten: (1) einen Leiterträger mit
oder ohne geätzte Stromfolie
und Grundleiter oder ähnliches
oder (2) eine elektronische Verbindungstafel, welche eine unstetig
verdrahtete Leitertafel enthält,
eine standardmäßig gedruckte
Leitertafel, eine Mehrschichtleitertafel; eine Leitertafel mit Komponenten
darauf oder eine Leitertafel in irgendeinem anderen Zustand der Konstruktion.
Der Träger
kann aus jedem dielektrischen Material hergestellt sein, einschließlich Phenolpapierlaminate,
Epoxy-Papierlaminate,
Epoxy-Glaslaminate, Epoxy-Glaskompositlaminate, Polyimid-Laminate, Triacin-Harzlaminate
und andere Basismaterialien, welche adäquate thermische und elektrische
Eigenschaften aufweisen. Das Trägermaterial
sollte genügend
Steifigkeit, Stärke
und Dicke aufweisen, um die Anforderungen der endgültigen Verbindungstafel
zu erfüllen.
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Draht-Ritzen
verlangt, dass der Träger
oder der Faden eine energieaktivierbare adhäsive Oberfläche aufweisen. Der Faden oder
der Träger
können aus
einem Material zusammengesetzt sein mit solchen Eigenschaften. Alternativ
können
der Faden oder der Träger
mit einer adhäsiven
Ummantelung bereitgestellt werden. Klebemittel für Draht-Ritzen sind aus dem
Stand der Technik ein Begriff und wurden in den U.S. Patenten Nr.
4,642,321 von Schonberg et al., 4,544,801 von Rudik et al. und 5,340,946 von
Friedrich et al. beschrieben. Eine aktivierbare adhäsive Ummantelung
kann auf einen Träger
aufgebracht werden wie ein teilweise ausgehärteter aushärtbarer Kunstharz, welcher
beim Erwärmen
formbar wird und eine adhäsive
Bondierung bereitstellt bei kurzer Erwärmung. Alternativ wird die
adhäsive Ummantelung
am Faden bereitgestellt.
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1 zeigt
eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung
entsprechend der vorliegenden Erfindung. Ein elektromechanischer Drahtzuführmechanismus 32 ist
dazu eingerichtet, einen Faden 102 zu einem Verdrahtungskopf
zu liefern. Der Drahtzuführmechanismus 32 kann
aus einem Zuführmotor 34 bestehen,
welcher mit einer Capstanwelle oder einem Antriebsrad 36 verbunden ist.
Die Capstanwelle 36 ist mit einer Nut 26 ausgeführt, welche
mit geringer Toleranz in Bezug auf den Faden 102 ausgeführt ist.
Präzisionslager 38 sind
angeordnet, um den Faden zum Verdrahtungskopf 20 zu drücken. Wenn
der Zuführmotor 34 betätigt wird, rotiert
die Capstanwelle 36 und der Faden 102 wird dazu
gebracht, dass er in eine Fadenführung 22 des Verdrahtungskopfs
bewegt wird. Sofern der Zuführmotor 34 ein
Gleichstrommotor ist, wird der Faden in einer Geschwindigkeit zugeführt, welche
proportional zur angelegten Gleichstromspannung ist.
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Der
Verdrahtungskopf weist die eben genannte Fadenführung 22 und auch
einen Stift 24 und einen Bondierwandler auf. Die Fadenführung 22 und der
Stift 24 sind vorzugsweise mit Nuten ausgeführt, welche
in geringer Toleranz in Bezug auf den äußeren Durchmesser des Fadens
ausgebildet sind. Der Faden 102 zieht sich vom Drahtzuführmechanismus 32 zur
Fadenführung 22 durch
und zeigt sich unterhalb der Nut 26 des Stifts 24.
Die Nuten der Stiftspitze und die Fadenführung verhindern jede Abweichung
der Drahtposition vom richtigen Weg. Der Wandler ist in der Nähe der Stiftspitze 24 angeordnet und
wendet entweder am zugeführten
Faden 102 oder am nahen Träger 106 Energie an.
Die Energie klebt wenigstens den zugeführten Abschnitt des Fadens
auf den Träger.
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Die
zum Aktivieren der adhäsiven
Oberfläche
verwendete Energie sollte in ihrer Größenordnung und Intensität steuer-/regelbar
sein. Der Pegel der Energie sollte das Klebemittel aktivieren, aber den
Faden 102 oder die Trägeroberfläche 106 nicht beschädigen. Es
können
thermale, Druck-, Ultraschall-, Laser- oder Strahlungs-Energiequellen
oder Kombinationen davon verwendet werden. Das Klebemittel kann
beispielsweise auch chemisch aktiviert werden unter Verwendung eines
auf einen Abschnitt der adhäsiven
Oberfläche
angewendeten Lösungsmittels.
Alternativ können
erhitzte oder überhitzte
Gase, wie z.B. Luft, an der Ummantelung angewendet werden, um thermische
Energie zu liefern zum Aktivieren des Klebemittels.
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1 stellt
eine bevorzugte Ultraschallwandlerbaugruppe dar. Die Wandlerbaugruppe
weist ein Solenoid 52 auf, welches einen magnetostriktiven Wandler 54 anregt,
der in der Mitte des Solenoids 52 derart angeordnet ist,
dass der Wandler 54 bei Resonanzfrequenz mechanisch oszilliert,
wenn Strom am Solenoid 52 angelegt wird. Die mechanische
Bewegung des Wandlers 54 wird zu einer Stiftspitze 24 übertragen,
welche am Wandler 54 derart angeordnet ist, dass die Spitze 24 oszilliert.
Die Amplitude der Oszillation der Spitze ist proportional zur Amplitude des
am Solenoid 52 angelegten Stroms. Die Spitze 24 ist
steif durch eine Hülse 28 gestützt oder
durch ein anderes Stützbauteil,
sodass eine Abweichung aus der richtigen Position verhindert wird.
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Jede
gewöhnliche
Steuerung/Regelung kann verwendet werden, um die angewendete Energiemenge
zum Aktivieren der adhäsiven
Oberfläche zu
regulieren.
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Eine
Stellgliedbaugruppe verschiebt den Verdrahtungskopf und den Träger 106 relativ
zueinander entlang von drei orthogonalen Achsen. Konventionelle
Bewegungsplattformen für
diesen Zweck sind typischerweise um ihre jeweiligen Achsen rotierbar
durch hydraulische oder pneumatische Stellglieder. Es ist klar,
dass entweder der Träger
oder Verdrahtungskopf oder beide auf solchen Bewegungsplattformen
angebracht werden können.
Vorzugsweise wird der Träger
auf der Bewegungsplattform befestigt, welche eine Bewegung nur in
zwei Richtungen (X und Y) ermöglicht.
Der Verdrahtungskopf wird entlang der (Z) Achse bewegt. So ist eine
Drei-Achsen-Verschiebung (X, Y, Z) des Verdrahtungskopfes relativ
zum Träger
möglich.
Jedes konventionelle Mittel für
dreidimensionale Bewegung kann verwendet werden.
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Bevorzugterweise
bewegt eine Stellgliedbaugruppe den Verdrahtungskopf sowohl in Querrichtung
als auch vertikal. Bevorzugterweise verschiebt die Stellgliedbaugruppe
den Stift 24 und die Fadenführung 22 unabhängig voneinander.
Wenn beispielsweise die Verklebung druckempfindlich ist, reguliert
die Stellgliedbaugruppe vorzugsweise die durch den Stift 24 auf
den Faden ausgeübte
Druckkraft. Ein elektronisches oder pneumatisches System 62 positioniert
den Verdrahtungskopf einschließlich der
Stiftspitze 24 und steuert/regelt die angewendete Druckkraft,
um den Faden am Träger 106 festzumachen.
Zusätzlich
kann eine Aufhängungsbaugruppe 64 die
Fadenführung
nach oben oder nach unten bewegen, so wie vom Ritzprozess verlangt.
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Entsprechend
der oben genannten bevorzugten Ausführungsform ist die Stiftspitze 24 anfänglich in
einer ungefähr
gleichen Ebene mit der Drahtführung 22 in
Ruhe. Während
des Ritzprozesses wird der Drahtzuführmechanismus 32 derart
betätigt, dass
ein Fadenabschnitt 102 nachgeliefert wird. Die Stiftspitze 24 wird
nach unten bewegt, um den Faden 102 gegen den Träger 106 zu
drücken.
Die Drahtführung 22 wird
derart positioniert, dass der Faden 102 in die Nut 26 der
Stiftspitze 24 eingeklemmt wird. Der magnetostriktive Wandler 54 wird
mit Energie versorgt, um Energie anzuwenden zum Bondieren des Fadens 104 auf
dem Träger 106.
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Der
Träger 106 und
die Fadenführung 22 werden
dann relativ zueinander in einem vorgewählten Muster bewegt. Die Drahtzuführung 32 und
die Fadenführung 22 liefern
eine vorbestimmte Menge von Faden 102 auf den Träger nach,
um einen Fadenleiter zu bilden. Die Wandlerbaugruppe wird selektiv
betätigt,
um den Faden 104 auf den Träger 106 zu bondieren.
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An
Endpunkten kann ein Drahtschneider 30 verwendet werden,
um den Faden abzuschneiden.
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An
Verbindungspunkten kann der Wandler verwendet werden, um den Faden 104 mit
Halbleitervorrichtungen 112 oder anderen elektrischen oder optischen
Komponenten zu verschmelzen.
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Wenn
eine ausgesparte Besonderheit, wie beispielsweise ein Hohlraum 114,
eine erhabene Besonderheit, wie beispielsweise eine Befestigungsfläche oder
ein anderer Draht 110, überquert
werden, kann die Abfolge von Ereignissen in der nachfolgenden Art
und und Weise funktionieren:
Zuerst reduziert die Steuerung/Regelung
die angewendete Energie zum Bondieren des Fadens 102 und
des Trägers 106.
Beispielsweise wird die Ultraschallenergiequelle ausgeschaltet oder
in einen Leerlaufzustand umgestellt, und der durch den Stift 24 ausgeübte Druck
zum Sicherstellen des intensiven Kontakts zwischen dem Faden 102 und
dem Träger 106 wird reduziert.
Der Verdrahtungskopf wird ebenfalls um eine Distanz in Z-Richtung
weg vom Träger 106 nach
oben bewegt.
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Zweitens
wird der Kopf zu einer festen Z-Achsenhöhe über dem Hindernis 108 oder 110 gebracht.
Wenn der Kopf nach oben bewegt wird, wird Gleichstrom am Zuführmotor 34 angelegt,
um Faden 102 nachzuliefern, und der Kopf überquert
dann das Hindernis 108 oder 110. Auf diese Art
und Weise wird die nachgelieferte Fadenmenge 102 und die
Verschiebung des Kopfs 20 gesteuert/geregelt entsprechend
der Dimension des Hindernisses 108 oder 110.
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Nach Überqueren
des Hindernisses 108 oder 110 wird der Kopf in
Z-Achsenrichtung
zur Oberfläche
des Trägers 106 nach
unten bewegt, bis der Faden 102 den Träger 106 berührt und
der Stift 24 Druck darauf ausübt. Die Ultraschallenergiequelle wird
mit Energie versorgt und die Abfolge geht so weiter, wie dies zuvor
beschrieben wurde, bis der Faden 104 verklebt und der Fadenleiter 100 fertiggestellt
ist und der Schneider aktiviert wird.
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Bezug
nehmend auf 2A–2G wird beim
Ritzen von Fäden 102 auf
dem Träger 106 mit der
in 1 gezeigten Vorrichtung 10 der Träger 106 auf
einem Arbeitstisch befestigt und mit dem Verdrahtungskopf in Verbindung
gebracht. Die Bewegung des Trägers 106 relativ
zum Verdrahtungskopf wird bevorzugt durch automatisierte Mittel,
beispielsweise einem Computer, gesteuert/geregelt. Der Verdrahtungskopf
kann stationär
und der Arbeitstisch beweglich in drei Richtungen sein. Alternativ
kann der Verdrahtungskopf in allen drei Richtungen beweglich und
der Arbeitstisch stationär
sein. Der Verdrahtungskopf und der Arbeitstisch können sich
auch beide in alle drei Richtungen bewegen.
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2A–2G stellen
sequenzielle Schritte dar, welche beim Erzeugen einer Verbindungskarte
mit einem Fadenleitermuster verwendet werden, welches ebene und
nicht ebene Abschnitte aufweist. Wie dargestellt, erlaubt die vorliegende
Erfindung, Fadenleitermuster 100 zu ritzen, während die
auf den Faden bei Kreuzungen ausgeübte Spannung reduziert wird.
Die vorliegende Erfindung erlaubt auch, Fadenleitermuster über bereits
existierende erhabene Besonderheiten 110, wie beispielsweise
Kontaktflächen
oder Kontaktmuster, zu ritzen.
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Eine
Verbindungskarte ist in 2A in
den anfänglichen
Schritten des Draht-Ritz-Prozesses dargestellt.
Die Verbindungskarte enthält
einen Träger 106 mit
auf die Oberfläche
des Trägers 106 geklebten
Fäden 104.
Der Träger 106 kann
eine Anzahl von ausgesparten Besonderheiten 108, wie beispielsweise
vorgebohrte Löcher,
Schlitze, Hohlräume oder ähnliches,
aufweisen. Kontaktflächen,
Kontaktmuster oder andere erhabene Besonderheiten 110 können ebenfalls
auf der Oberfläche
des Trägers 106 vorgesehen
sein.
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Sobald
Fäden 104 auf
dem Träger 106 geritzt
und geklebt worden sind, wie oben beschrieben, sind diese Abschnitte
des Trägers
durch diese Fäden 104 besetzt
und als "erste vorprogrammierte
Bereiche" bezeichnet.
Bereiche des Trägers,
welche ausgesparte oder erhabene Besonderheiten 108 oder 110 enthalten,
oder die bezeichnet sind, ausgesparte oder erhabene Besonderheiten 108 oder 110 zu
enthalten, können
ebenfalls als vorprogrammierte Bereiche bezeichnet werden. Während nachfolgende
Fäden die
zuvor geritzten Fäden überqueren
können, werden
solche nachfolgend geritzten Fäden
nicht direkt auf den Träger 106 bondiert.
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Bezug
nehmend auf 2B werden der ritzende Stift 24 und
der Träger 106 relativ
zueinander in einer X-Y-Ebene parallel zur Oberfläche des
Trägers 106 bewegt,
während
der Faden 104 zu der Oberfläche des Trägers 106 zugeführt und
auf dieser verklebt wird. Wenn der Stift 24 eine Vorderkante
eines ersten vorprogrammierten Bereichs auf dem Träger 106 erreicht,
stoppt die Bewegung. Der Stift 24 wird um eine Distanz
in einer Z-Achsenrichtung, orthogonal zur X-Y-Ebene, welche durch
die Oberfläche
des Trägers
definiert wird, von der Oberfläche des
Substrats 106 nach oben bewegt.
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Wie
in 2C gezeigt, werden der Stift 24 und der
Träger 106 dann
relativ zueinander bewegt, während
der Faden 102 nachgeliefert wird. Während dieses Schritts wird
das Aktivieren von Energie, um das Klebemittel zu aktivieren, vorzugsweise
nicht angewendet. Auf diese Art und Weise können nachfolgend geritzte Fäden 102 vorher
bondierte Fäden 104 überqueren,
ohne diese zu berühren
und ohne mit diesen verklebt zu werden.
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Bezug
nehmend auf 2D wird dann, wenn der Stift 24 eine
Hinterkante des ersten vorprogrammierten Bereichs auf dem Träger 106 erreicht, der
Stift 24 erneut in einer Z-Achsenrichtung bewegt, um den
Faden 102 in Berührung
mit der Oberfläche des
Trägers 106 zu
bringen. Die Anwendung von Energie, um das Klebemittel zu aktivieren,
wird wieder aufgenommen und der Faden 104 wird auf der
Oberfläche
des Trägers 106 verklebt.
Wie in 2E gezeigt, werden der Stift 24 und
der Träger 106 relativ zueinander
bewegt, während
der Faden 104 nachgeliefert und auf der Trägeroberfläche 106 verklebt wird.
Dieser Prozess geht weiter, bis ein vollständiges Fadenleitermuster 100 gebildet
ist.
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Wie
in 2F gezeigt, kann das oben beschriebene Vorgehen
angewandt werden, um einen nicht bondierten Faden 102 über Bereiche
des Trägers 106 zu
ritzen, welche ein Loch, einen Schlitz, einen Hohlraum oder ähnliches 114 enthalten. 2G zeigt
dasselbe Vorgehen, welches verwendet wird, um einen Faden 102 über einen
Bereich des Trägers 106 mit
einer erhabenen Besonderheit 110, wie beispielsweise einer
Kontaktfläche
oder einem Kontaktmuster, zu ritzen.
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3A–3F stellen
sequenzielle Schritte dar, welche verwendet werden beim Erzeugen
einer Verbindungskarte mit nicht ebenen Abschnitten des Fadenleitermusters,
welches Fadenlängen 105 umfasst,
die im Substrat 106 eingebettet sind in einer Z-Achsenrichtung
unter der durch die Trägeroberfläche 106 definierten
X-Y-Ebene. Wie dargestellt, erlaubt die vorliegende Erfindung, Drahtleitermuster
zu ritzen, während
die auf den Faden bei Kreuzungen ausgeübten Spannungen reduziert werden.
Die vorliegende Erfindung erlaubt auch Fadenleitermuster in ausgesparten
Besonderheiten des Trägers 106.
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Eine
Verbindungskarte 114 ist in 3A in anfänglichen
Schritten des Draht-Ritz-Prozesses
gezeigt. Ein Faden 102 wird auf die Trägeroberfläche 106 geliefert.
Der Ritz-Stift 24 wird in der Z-Achsenrichtung zur Trägeroberfläche 106 bewegt,
um den Faden 102 und die Trägeroberfläche 106 miteinander in
Berührung
zu bringen. Gleichzeitig oder nachfolgend wird am Faden 102 oder
dem Träger
oder beiden Energie angewendet, um eine adhäsive Oberfläche zu aktivieren. Auf diese
Art und Weise wird der Faden 104 auf die Trägeroberfläche 106 bondiert.
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Bezug
nehmend auf 3B werden der Ritz-Stift 24 und
der Träger 106 relativ
zueinander bewegt, während
der Faden 102 auf der Trägeroberfläche 106 nachgeliefert
wird. Wenn der Faden 102 die Trägeroberfläche 106 berührt, wird
er auf dieser verklebt, wie oben beschrieben.
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Bereiche
des Trägers 106 können als "zweite vorprogrammierte
Bereiche" bezeichnet
werden. Diese Bereiche können
Kreuzungen enthalten. An einer Vorderkante des zweiten vorprogrammierten
Bereichs auf dem Träger 106 stoppt
die Bewegung des Stifts 24 und des Trägers 106 relativ zueinander.
Der Stift 24 und der Träger 106 werden
dann näher
zueinander bewegt in der Z-Achse.
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Bezug
nehmend auf 3C wird der Stift 24 in
einer gesteuerten/geregelten und vorgewählten Art und Weise in der
Z-Achse bewegt, um den Faden 105 unterhalb der Oberfläche des
Trägers
einzubetten. Die Aktivierungsenergie zum Aktivieren des Klebemittels
kann während
dieses Schritts erhöht
werden. Dann werden der Stift 24 und der Träger 106 relativ
zueinander in der X- und Y-Achsenrichtung bewegt.
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Bezug
nehmend auf 3D werden dann, wenn der Stift 24 eine
Hinterkante des zweiten vorprogrammierten Bereichs auf dem Träger 106 erreicht,
der Stift 24 und der Träger 106 relativ
zueinander in der Z-Achsenrichtung bewegt, um den Faden 102 in
Berührung
mit der Trägeroberfläche 106 zu bringen.
Die Anwendung von Energie zum Aktivieren des Klebemittels wird wiederaufgenommen
und der Faden 104 wird auf der Trägeroberfläche 106 verklebt.
Wie in 3E gezeigt, werden der Stift 24 und der
Träger 106 relativ
zueinander bewegt, während der
Faden 104 nachgeliefert und auf der Trägeroberfläche verklebt wird. Dieser Prozess
wird fortgesetzt, bis ein vollständiges
Fadenleitermuster gebildet ist.
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Wie
in 3F gezeigt, kann ein zweiter Faden 104 auf
den eingebetteten Fäden 105 angeordnet
werden, welche vorher in einer zweiten, unterhalb der Trägeroberfläche 106 gelegenen
Ebene verklebt wurden. An diesen Punkten, wo der zweite Faden 104 sich
mit dem eingebetteten Faden 105 kreuzt, wird aber nicht
in Übereinstimmung
mit der Erfindung die Anwendung von Energie zum Aktivieren der adhäsiven Oberfläche nicht
beendet. Statt dessen wird der zweite Faden 104 über dem
oberen Teil des eingebetteten Fadens 105 verklebt. Auf
diese Weise verbleibt der zweite Faden 104 in der gleichen X-Y-Ebene wie die Mehrzahl
des Fadenleitermusters 100 (welche über eingebettete Fäden 105 kreuzen).
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4 ist
eine Sicht von oben auf eine Kreuzung, welche entsprechend der vorliegenden
Erfindung gebildet ist. Ein erster Draht 104 wird auf die Trägeroberfläche, wie
oben beschrieben, bondiert. Ein zweiter Draht 104 wird
in ähnlicher
Weise in der gleichen X-Y-Ebene wie der erste Draht von der Linie A
zu Linie B bondiert. Bei der Linie B, welche eine Vorderkante eines
ersten vorprogrammierten Bereichs bezeichnet, werden der Stift 24 und
der Träger 106 voneinander
weg bewegt in Z-Achsenrichtung. Der Stift 24 wird von Linie
B zu Linie C bewegt, welche eine Hinterkante des ersten vorprogrammierten Bereichs
bezeichnet, und zusätzlicher
Faden 102 wird nachgeliefert. Bei Linie C werden der Stift 24 und der
Träger 106 näher zueinander
in Z-Achsenrichtung
bewegt. Energie wird angewendet zum Aktivieren des Klebemittels
und Bonden des Fadens 104 auf der Trägeroberfläche 106. Der Stift 24 und
der Träger 106 werden
dann relativ zueinander in der X-Y-Ebene bewegt, während der
Faden 104 nachgeliefert und auf die Oberfläche des
Trägers 106,
wie oben beschrieben, geklebt wird. Entsprechend wird ein dreidimensionaler
Fadenleiter gebildet.
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Wie
oben dargestellt und beschrieben, kann die Erfindung durch unterschiedliche
Ausführungsformen
umgesetzt werden. Die Erfindung ist in ihren breiteren Aspekten
nicht auf die hier gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen
beschränkt.
Es können
Abweichungen davon gemacht werden innerhalb des Bereichs der angefügten Ansprüche, ohne
ihre Hauptvorteile aufzugeben.