DE10050591A1

DE10050591A1 - Verfahren zur Herstellung eines Folienleiters sowie Anordnung zur Herstellung eines Folienleiters

Info

Publication number: DE10050591A1
Application number: DE2000150591
Authority: DE
Inventors: Joachim Czabanski; Jochen Krieger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2000-10-12
Filing date: 2000-10-12
Publication date: 2002-04-25

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung eines Folienleiters, mit einer elektrisch isolierenden Trägerfolie, auf die wenigstens eine elektrische Leiterbahn aufgebracht wird, die von wenigstens einer weiteren elektrisch isolierenden Schicht abgedeckt wird. Ferner wird eine Anordnung zur Herstellung des Folienleiters beschrieben. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die elektrische Leiterbahn zumindest teilweise an ihrer Leiterbahnoberfläche mikrostrukturiert wird, dass die mikrostrukturierte elektrische Leiterbahn unmittelbar zwischen zwei Kunststofffolien eingebracht wird, und dass die Kunststofffolien sowie die zwischen den Kunststofffolien befindliche elektrische Leiterbahn unter thermischen Energieeintrag gegeneinander verpresst werden.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Folienleiters, mit einer elektrisch isolierenden Trägerfolie, auf die wenigstens eine elektrische Leiterbahn aufgebracht wird, die von wenigstens einer weiteren elektrisch isolierenden Schicht abgedeckt wird. Ferner wird eine Anordnung zur Herstellung des Folienleiters beschrieben.

Stand der Technik

Flexible Leiterbahnen oder, wie sie auch genannt werden, Folienleiter werden in der Computer- und Unterhaltungselektronik sowie im Telekommunikationsbereich zur Verbindung einzelner Komponenten sowie beweglicher Teile eingesetzt. Sie dienen sowohl zur Übertragung elektrischer Signale als auch zur Übertragung elektrischer Energie.

In der Automobilindustrie werden zunehmend Teile des Kabelbaums durch filexible Leiterbahnen ersetzt, insbesondere in jenen Bereichen der Karrosserie, in denen aufwendige Teilkabelbäume erforderlich sind, wie z. B. im Türbereich, ist diese Übertragungstechnologie eine interessante Alternative.

Bei Follenleiter oder kurz FFC verlaufen alle elektrische Leiterbahnen parallel, wobei die elektrischen Leiterbahnen durch Kunststoff-Folien oder mit Trägerfolien und/oder Schutzlacken isoliert und gegen äußere Einflüsse geschützt sind. Bei der Auswahl der eingesetzten Isolations- und Schutzmaterialien spielen bestimmte Auswahlkriterien wie chemische Resistenz, Flexibilität, sowie elektrische und mechanische Charakteristika eine große Rolle.

Zur Herstellung der vorgenannten Folienleiter hat sich neben einer Reihe alternativer Herstellungsprozesse folgendes Verfahren etabliert:
In einem ersten Schritt werden konventionelle Kupferrundlitzen mittels glatter Walzen auf einen rechteckigen Querschnitt gewalzt. Alternativ können die rechteckigen Leiter auch mittels an sich bekannter Schersystemen aus dünne Blechen geschnitten werden. Anschließend wird eine vorgewählte Anzahl von geradlinig verlaufenden Leiterbahnen über ein Kammsystem parallel, in einem definierten Abstand und unter geringer Zugbelastung geführt. Über ein Rollensystem werden Kunststoff- Isolationsschichten einseitig mit Adhäsivklebstoffen beschichtet und anschließend über ein Rollenanpreßsystem mit den elektrischen Leiterbahnen in Kontakt gebracht und unter Druck- und Temperatureinfluß zu einem Verbund gefügt, wobei die elektrischen Leiterbahnen zwischen den Kunststoff-Isolationsschichten in Art einer Sandwich-Struktur zu liegen kommen.

Der Adhäsivklebstoff dient zum einen als Haftvermittler zwischen den Kunststoff- Isolationsschichten und der Leiterbahn, die zumeist aus einer glattgewalzten Kupferleitung besteht, zum anderen als Verbindungsmedium der Kunststoffe untereinander.

Zur elektrischen Kontaktierung der auf diese Weise gefertigten FFCs werden stoffschlüssige Verfahren, z. B. Schweiß- und Lötverbinder, sowie form- und relbschlüssige Verfahren mit verschiedensten Steckverbindern verwendet. Insbesondere bei den stoffschlüssigen Verbindungen ist es erforderlich, zunächst am Verbindungsort die Isolationsschicht ein oder beidseitig zu entfernen. Dazu werden heiße Klingen, Ultraschall-beaufschlagte Schabmesser, Fräsköpfe oder Laser eingesetzt. Problematisch jedoch sind hierbei die an den Kupferleitungen verbleibenden Rückstände des Adhäsivklebstoffes, welche sehr schwer zu entfernen sind oft die Kontaktierungsstelle erheblich verunreinigen.

Ferner reagieren die meisten eingesetzten Adhäsivkleber hygroskopisch, insbesondere auf feuchte Wärme, wodurch es in diesen Fällen zu Aufquellungen des Klebers und zum Teil dadurch zum Versagen der elektrischen Verbindung durch Kurzschluß kommt. Die Einsatzbereiche von FFCs sind deshalb für zahlreiche Anwendungen nicht geeignet, beispielsweise ist ihr bisheriger Einsatz aus den vorstehenden Grüdnen im Automobil sehr begrenzt und problematisch.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Folienleiters, mit einer elektrisch isolierenden Trägerfolie, auf die wenigstens eine elektrische Leiterbahn aufgebracht wird, die von wenigstens einer weiteren elektrisch isolierenden Schicht abgedeckt wird, derart weiterzubilden, dass die vorstehend zum Stand der Technik genannten Nachteile vermieden werden können. Insbesondere soll die mit der Verwendung von Adhäsivklebstoffen verbundene Problematik bezüglich ihres hygroskopischen Verhaltens und das damit verbundene Aufquellen des Klebstoffes in feucht-warmen Einsatzbereichen vermieden werden. Das Verfahren soll dahingehend optimiert werden, dass in möglichst einfachen Herstellschritten Folienleiter hergestellt werden können, die im gesamten Technikbereich einsetzbar sind. Die mit dem Verfahren herstellbaren Folienleiter sollen insbesondere eine höhere Kontaktqualität aufweisen, als es bei bisher bekannten Folienleitern der Fall ist. Schließlich soll das Verfahren eine kostengünstige Produktion von Folienleitern gewährleisten.

Ferner soll eine Anordnung angegeben werden, mit der die vorstehend skizzierten Folienleiter hergestellt werden können.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruchs 9 ist eine Anordnung zur Herstellung eines Folienleiters. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung und insbesondere unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch ausgebildet, dass die elektrische Leiterbahn zumindest teilweise an ihrer Leiterbahnoberfläche mikrostrukturiert wird, bevor sie mit den Kunststoff-Folien zu einem Folienleiter zusammengefügt wird. So wird die mikrostrukturierte elektrische Leiterbahn unmittelbar, d. h. ohne Verwendung jeglicher Füge- oder Haftvermittler, also ohne Adhäsivkleber zwischen zwei Kunststoff-Folien eingebracht. Die Kunststoff-Folien sowie die zwischen den Kunststoff-Folien befindliche elektrische Leiterbahn wird nachfolgend unter thermischen Energieeintrag gegeneinander verpresst.

Die der Erfindung zugrundeliegende Idee basiert auf der mikromechanischen Verhakung zwischen dem Kunststofffolienmaterial, das unter thermischer Energiezufuhr wenigstens teilweise erweicht und sich bündig an die mikrostrukturierte Leiterbahnoberfläche anschmiegt und sich mit dieser nach entsprechenden Erkalten des Kunststoffmaterials verhakt.

Als Kunststoff-Folienmaterialen eignen sich vorzugsweise thermoplastische Kunststoffe, die ein bevorzugtes Erweichungsverhalten zeigen und sich somit bündig an die Mikrostrukturoberfläche der Leiterbahn zu fügen vermögen. Aufgrund der mikromechanischen Verhakung zwischen der elektrischen Leiterbahn und den verwendeten Kunststofffolien zur Herstellung eines Folienleiters ist es somit möglich, vollständig auf jegliche Haft- bzw. Fügevermittler, wie beispielsweise Adhäsionsklebstoffe, zu verzichten, die zu den Nachteilen führen, wie sie zum Stand der Technik charakterisiert worden sind.

Das im weiteren noch detailliert zu beschreibende erfindungsgemäße Verfahren führt grundsätzlich zu folgenden Vorteilen:
Aufgrund des vollständigen Verzichtes auf Adhäsivklebstoffe können die Produktionsabläufe bei der Herstellung von Folienleiter (FFC) erheblich optimiert und verbessert werden, zumal weder Adhäsivklebstoffe bereitgestellt noch diese auf die Kunststoff-Folien aufgebracht werden müssen.

Der Vorgang des Abisolierens an Kontaktstellen kann mit üblichen Techniken, wie beispielsweise Messer-, Heissklingen-, Fräs-, Laser- oder sonstigen Systemen durchgeführt werden, zumal jegliche negativen Effekte wie Schmieren, Aufschmelzen, Verlaufen, Verbrennen von Adhäsionsklebern, wie es beim Stand der Technik der Fall ist, nicht mehr auftreten können.

Die Qualität der abisolierten Kontaktstellen an den Folienleitern ist erheblich verbessert, da keine Klebereste auf den zumeist als Kupferleitern ausgebildeten elektrischen Leiterbahnen verbleiben. Elektrische Verbindungen mit den Kontaktstellen können somit nicht weiter in Mitleidenschaft gezogen werden.

Schließlich wird das hygroskopische Verhalten von Folienleitern und insbesondere ihr Einsatz in feucht-warmen Umgebungsbedingungen verbessert bzw. erst ermöglicht, zumal sämtliche Aufquellungen durch Wasseraufnahme in Verbindung mit Wärme und damit verbundene Schäden an den Folienleitern bis hin zum elektrischen Kurzschluss aufgrund des vollständigen Wegfalls von Adhäsivklebern nicht mehr auftreten können.

Grundsätzlich ist es möglich, die Mikrostrukturierung der elektrischen Leiterbahnoberfläche mit allen an sich bekannten Mikrostrukturierungstechniken herzustellen. Denkbar wäre es beispielsweise, die zumeist aus Kupferflachleitern gefertigten elektrischen Leiterbahnen sandzustrahlen, um die gewünschte Mikrostrukturoberfläche zu erhalten. Eine bevorzugte Mikrostrukturierungstechnik ist die Verwendung von Mikrostrukturprägewalzen, die an ihrer Walzenoberfläche eine mikrostrukturierte Oberflächentopografie aufweisen, die im Wege eines Prägevorganges auf die Leiterbahnoberfläche übertragen wird. Die mit einer derartigen Prägetechnik erhaltene Strukturierung der Leiterbahnoberfläche bewegt sich in der Größenordnung einiger µm, so dass eine leichte rauhe Oberfläche entsteht.

Besonders geeignete Materialien für die elektrischen Leitbahnen sind elektrische Leiter, die aus einem prägbaren Material bestehen. Besonders geeignet ist beispielsweise Kupfer oder Kupferlegierungen, weniger geeignet hingegen sind harte Stahl- oder Weissbleche, die sich erheblich schlechter aufgrund ihrer Werkstoffeigenschaften prägen lassen.

Nachdem entsprechender Mikrostrukturprägung der elektrischen Leiterbahn, wird die elektrische Leiterbahn mit den sich vorzugsweise in einem warmplastischen Zustand befindlichen Kunststofffolien derart in Kontakt gebracht, so dass sich der Kunststoff der Kunststofffolien in die Oberflächenstruktur bündig einfügt und sich beim anschließenden Abkühlen der Kunststoffoberflächen mit der Oberflächenstruktur verhakt. Hierdurch wird eine ausreichende Haftung zwischen den Kunststofffolien und dem Leitermaterial erreicht, ohne dabei Adhäsionsklebstoffe einzusetzen. Die damit erreichbaren Vorteile sind vorstehend skizziert.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1a, b Oberflächendarstellung einer strukturierten Walze sowie einer damit strukturierten elektrischen Leiterbahn,

Fig. 2 Prinzipdarstellung der mechanischen Verhakung zwischen der Kunststoff-Folie und der Mikrostrukturoberfläche der elektrischen Leiterbahn, sowie

Fig. 3 schematische Darstellung einer Anordnung zur Herstellung eines Folienleiters.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit Fig. 1a zeigt die Oberflächentopografie einer Mikrostrukturwalze, die Strukturelemente in der Größenordnung im Mikrometerbereich aufweist, d. h. die einzelnen Mikrostrukturen weisen Strukturtiefen sowie laterale Strukturabstände im Bereich von wenigen kleiner 100 µm auf. Eben diese Oberflächenstruktur wird nun im Wege eines Prägeprozesses auf die Oberfläche einer elektrischen Leiterbahn (siehe Fig. 1b) übertragen. Die elektrische Leiterbahn, die vorzugsweise aus Kupfermaterial oder sonstigen weichen Weissblechmaterialien bestehen kann, erhält im Wege des Prägeprozesses das Negativabbild der Oberflächentopologie der Prägewalze.

In Fig. 2 ist schematisiert die Fügeverbindung zwischen der mikrostrukturierten elektrischen Leiterbahn 1 und einer Kunststofffolie 21, 22 dargestellt. Die mikrostrukturierte elektrische Leiterbahn 1 weist eine Mikrostrukturoberfläche 3 auf, die formgebend für die Fügeverbindung zwischen der elektrischen Leiterbahn 1 und der Kunststofffolie 21, 22 ist. Wie im weiteren noch detailliert beschrieben wird, wird zur Fügung die vorzugsweise aus thermoplastischem Material bestehende Kunststofffolie 21, 22 erwärmt, so dass die Kunststofffolie 21, 22 an ihrer Oberfläche plastisch erweicht und sich bündig an die Mikrostrukturoberfläche 3 fügt. Nach entsprechendem Erkalten der Kunststofffolie 21, 22 wird die feste innige Verbindung zwischen der elektrischen Leiterbahn 1 und der Kunststofffolie 21, 22 regelrecht durch mechanische Haltekräfte, die im Wege von einer klassischen Verhakung verstanden werden können, gehalten.

In Fig. 3 ist eine schematische Darstellung für eine Anordnung angegeben, mit der der vorstehend charakterisierte Folienleiter herstellbar ist. Die elektrische Leiterbahn 1, die vorzugsweise als Meterware vorliegt und in an sich bekannter Weise entweder flächig aus einem Rundmaterial verpresst wird oder aus einem entsprechenden Flächenmaterial herausgearbeitet wird, beispielsweise im Wege von Stanzen oder Schneiden, gerät zunächst in eine Mikrostrukturierungseinheit 4, die aus zwei sich gegenüberliegenden Prägewalzen zusammengesetzt ist. Die Prägewalzen weisen auf ihrer Walzenoberfläche eine Mikrostrukturierung auf, die im Wege einer kraftbeaufschlagten Prägung auf die beidseitige Oberfläche der elektrischen Leiterbahn 1 übertragen wird. In der Detaildarstellung gemäß Fig. 3 ist die mikrostrukturierte Oberfläche 3 entsprechend angegeben. Die auf diese Weise an ihrer Leiterbahnoberfläche mikrostrukturierte Leiterbahn wird nun beidseitig mit zwei Kunststofffolien 21, 22 in einer Fügeeinheit 5 verfügt. Die Fügeeinheit 5 besteht wiederum aus zwei Walzen, die die beiden Kunststofffolien 21, 22 und die zwischen diesen eingebrachte elektrische Leiterbahn in Kontakt bringen. Die Kunststofffolien 21, 22 liegen ebenfalls als Meterwaren vor und werden von zwei Zuführeinheiten 6 in einem vorgewärmten Zustand der Fügeeinheit 5 zugeführt. Zwei beheizbare Anpresswalzen, die als Thermoeinheit 7 dienen, fügen zum einen beide Kunststoffolien mit der dazwischen befindlichen elektrischen Leiterbahn kraftbeaufschlagt gegeneinander, zum anderen erwärmen die Anpresswalzen die aus thermischem Kunststoffmaterial bestehenden Kunststofffolien derart, so dass das thermoplastische Kunststoffmaterial erweicht und sich bündig an die mikrostrukturierten Leiterbahnoberfläche anschmiegt. Nach entsprechendem Erkalten des auf diese Weise hergestellten Folienleiters ist eine innige Verbindung zwischen den Kunststofffolien und der Leiterbahnoberfläche gewährleistet. An den Stellen, an denen die Kunststofffolien unmittelbar miteinander in Berührung treten, tritt aufgrund der Erwärmung der Kunststofffolien eine stoffschlüssige Verbindung in Art einer Vulkanisierung ein, so dass auch in diesen Bereichen eine dauerhafte Verbindung zustande kommt.

Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung zur Herstellung eines Folienleiters dient lediglich der Veranschaulichung des Grundschemas und zeigt die Verfügung einer einzigen elektrischen Leiterbahn zwischen zwei Kunststofffolien. Typischerweise werden eine Vielzahl parallel nebeneinander verlaufende elektrische Leiterbahnen in Form von Kupferflachbandleiterbahnen der Anordnung zugeführt. Eine derartige Zuführung kann mit an sich bekannten Kammstrukturen wie zum Stand der Technik erwähnt erfolgen, die für eine exakte parallele Ausrichtung der einzelnen Leiterbahnen sorgen.

Bezugszeichenliste

1

Leiterbahn

21

,

22

Kunststoff-Folien

3

Mikrostrukturierte Oberfläche

4

Mikrostrukturierungseinheit

5

Fügeeinheit

6

Zuführeinheit

7

Thermoeinheit

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Folienleiters, mit einer elektrisch isolierenden Trägerfolie, auf die wenigstens eine elektrische Leiterbahn aufgebracht wird, die von wenigstens einer weiteren elektrisch isolierenden Schicht abgedeckt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leiterbahn zumindest teilweise an ihrer Leiterbahnoberfläche mikrostrukturiert wird, dass die mikrostrukturierte elektrische Leiterbahn unmittelbar zwischen zwei Kunststofffolien eingebracht wird, und dass die Kunststofffolien sowie die zwischen den Kunststofffolien befindliche elektrische Leiterbahn unter thermischen Energieeintrag gegeneinander verpresst werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnoberfläche teilweise oder ganzflächig derart oberflächenbehandelt wird, dass die behandelte Leiterbahnoberfläche eine Oberflächentopographie mit Strukturgrößen im µm-Bereich erhält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturierung mittels Sandstrahlverfahren oder Prägen hergestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturierung mittels einer mikrostrukturierten Prägewalzeneinrichtung durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffolien aus thermoplastischen Material bestehen, und dass der thermische Energieeintrag derart durchgeführt wird, dass sich erweichtes Kunststoffmaterial der Kunststofffolien bündig an die mikrostrukturierte Leiterbahnoberfläche fügt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die elektrische Leiterbahn Kupfer verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leiterbahn vor der Mikrostrukturierung aus einem Flachmaterial gewonnen oder aus einem Rundmaterial flächig verpresst wird, so dass die elektrische Leiterbahn die Form eines rechteckigen Flachleiters annimmt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leiterbahn ohne Verwendung von Haft- oder Fügemittel zwischen die Kunststofffolien eingebracht wird.

9. Anordnung zur Herstellung eines Folienleiters zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mikrostrukturierungseinheit vorgesehen ist, die die Leiterbahnoberfläche der elektrischen Leiterbahn mikrostrukturiert, dass eine Zuführeinheit für zwei Kunststofffolien vorgesehen ist, die die Kunststofffolien einer Fügeeinheit zuführt, die die Kunststofffolien sowie die zwischen den Kunststofffolien eingebrachte elektrische Leiterbahn miteinander verfügt sowie einer Thermoeinheit, die die miteinander verfügten Kunststofffolien erwärmt.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturierungseinheit ein mikrostrukturiertes Wälzrollenpaar ist, durch das die elektrische Leiterbahn durchführbar ist.

11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leiterbahn sowie die Kunststofffolien als Meterware vorliegen.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturierungseinheit, die Zuführeinheit, die Fügeeinheit sowie die Thermoeinheit in unmittelbarer Abfolge angeordnet sind, so dass die als Meterwaren ausgebildete elektrische Leiterbahn sowie die Kunststofffolien in einem durchgängigen Strang verarbeitbar sind.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinheit die der Fügeeinheit zugeführten Kunststofffolie erwärmt.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeeinheit aus wenigstens einem Rollenpaar besteht, durch das die Kunststofffolien samt elektrischer Leiterbahn druckbeaufschlagt hindurchführbar sind.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoeinheit ein beheizbares Rollenpaar aufweist, durch das die Kunststofffolien erhitzbar und gegeneinander verpressbar sind.