DE102006037093B3

DE102006037093B3 - Fügeverfahren und Vorrichtung zum Verlegen von dünnem Draht

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Publication number: DE102006037093B3
Application number: DE200610037093
Authority: DE
Inventors: Reinhard Ulrich
Original assignee: Individual
Current assignee: Eutect De GmbH
Priority date: 2006-08-07
Filing date: 2006-08-07
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2026-08-08
Also published as: WO2008017682A3; WO2008017682A2

Abstract

Beim maschinellen Verlegen von Draht auf einem Substrat muss der mit Kleber vorbeschichtete Draht eng an das Substrat angedrückt werden, ohne den Draht zu verletzen. Mit abnehmendem Drahtdurchmesser (< 0,1 mm) wird dies zunehmend schwierig. Der zu verlegende Draht (1) wird elektrostatisch an die Substratoberfläche (4) angedrückt. Dazu werden der Draht und eine unter dem Substrat liegende Elektrode (29) an eine elektrische Spannung angeschlossen. Die elektrische Anziehungskraft drückt den Draht so auf die Oberfläche nieder, dass er mit vorgegebener Zugkraft aus dem Verlegekopf (20) heraus fortlaufend ausgelegt werden kann. Während die Anziehungskraft wirkt, wird im Auflageabschnitt (33) des Drahtes die Substratoberfläche unter dem Draht erwärmt, um den Kleber zu schmelzen und den Draht zu verkleben. Das Verfahren eignet sich für nahezu unsichtbare elektrische Verbindungsleitungen mikroelektronischer Bauteil auf großen Glasscheiben, sowie zum Verlegen von Poylmer- und Glasfasern auf Elektronik-Platinen.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum maschinellen, rechnergesteuerten Verlegen von dünnem Draht auf der Oberfläche eines Substrates. Vorwiegend geht es dabei um metallischen Draht, aber auch um Draht aus nichtmetallischen Materialien wie Polymere, Glas oder Keramik. Für metallische Drähte ist der Anwendungsbereich die für das Auge nahezu unsichtbare elektrische Verbindung mikroelektronischer Bauteile und die Herstellung planarer Spulen, für nichtmetallische die Montage mikro-mechanischer und mikro-optischer Bauelemente.
Die Herstellung elektronischer Leiterplatten durch Verlegung diskreter Leitungsdrähte auf einem isolierenden Substrat war in den Anfangsjahren der Leiterplattentechnik unter Schlagwörtern wie "multiwire"-Technik oder "drahtgeschriebene Leiterplatte bekannt geworden. Die Patentschriften DE 23 26 861 A1 , DE 32 47 344 A1 , DE 26 10 283 A1 , US 3674602 , US 4648180 und US 4864723 beschreiben sie ganz allgemein, dazu Drahtverlegeeinrichtungen mit einem Verlegekopf, der über das Substrat hinweggeführt wird und dabei einen Leiterdraht auf der Substratoberfläche ablegt.
Inzwischen sind Leiterplatten mit direkt verlegten Drähten nahezu vollkommen verdrängt durch Platten mit geätzten Leiterbahnen, wie durch die WO 98/41070 A1 und DE 102004021931 A1 gezeigt. Für Spezialanwendungen kann es aber immer noch vorteilhaft sein, Metalldraht auf einem isolierenden Substrat direkt zu verlegen. So beschreibt die Patentschrift US 7000314 B2 runde Leitungsdrähte anstelle geätzter Leitungsbahnen, um die Packungsdichte und das Hochfrequenzverhalten einer Leiterplatte zu verbessern. Die Patentschrift DE 196 18 917 C2 führt an, dass die Direktverlegung von Drähten in bestimmten Fällen vorteilhafter sei als die Leiterbahnerzeugung durch Ätzung aus einer großflächig abgeschiedenen Metallschicht. Bei vorgegebener Schaltung kommt dies Argument allgemein umso stärker zum Tragen, je größer die Fläche des Substrates ist, weil Material- und Arbeitsaufwand bei planarer (Abscheide- und Ätz-)Technik proportional zur Substratfläche ansteigen, bei der Verlegetechnik aber nur proportional zur Drahtlänge. Von besonderem Interesse ist die direkte Verlegung von isoliertem Draht, etwa in der Form preiswerten Kupferlackdrahtes, weil damit isolierende Leitungskreuzungen durch einfaches Übereinanderlegen der Drähte problemlos realisiert werden können. Im Gegensatz dazu muss bei der Kreuzung blanker Drähten eine isolierende Folie zwischengelegt werden wie in EP1004226 A1 , und bei geätzten Schaltungen kann ein Kurzschluss der Leitungen nur durch aufwändiges Ausweichen in die dritte Dimension vermieden werden. Breite Anwendung findet die Drahtverlegetechnik heute zur Herstellung so genannter Antennenspulen" für RFID-Transponder, wie in DE 44 10 732 A1 ausgeführt. Schließlich beruht die in DE 102 47 553 A1 offenbarte "Optische Anzeigevorrichtung" entscheidend auf der Tatsache, dass, senkrecht auf das Substrat blickend, ein runder Leitungsdraht schmaler erscheint als eine typische geätzte Leiterbahn gleichen Querschnitts. Bei Verlegung des Drahtes auf einem Glassubstrat ergibt sich dadurch gegenüber der geätzten Leiterbahn eine höhere optische Transparenz, wenn man durch die Substratscheibe hindurchblickt. Wird der Drahtdurchmesser hinreichend klein gewählt, etwa unterhalb von 25 μm, so sind derartige Verbindungsdrähte für das unbewaffnete Auge nahezu unsichtbar.
Gemäß diesem Stand der Technik wird der zu verlegende Draht von einer Vorratsspule abgespult und im Verlegekopf über einen Umlenkkanal oder eine Umlenkrolle so in unmittelbare Nähe der Substratoberfläche geführt, dass er nahezu parallel zu derselben verläuft. Er wird dann durch eine Andruckrolle oder ein anderes Werkzeug gegen die Substratoberfläche gedrückt und darauf befestigt, wie in der Patentschrift US 4918260 explizit beschrieben. Bevorzugt werden bei dieser Fügemethode thermoplastische Kleber benutzt, insbesondere Schmelzkleber, die zunächst als Beschichtung auf den Draht oder auf die Substratoberfläche aufgebracht worden sind. Beim Verlegen wird dieser Kleber durch Erwärmung zum Schmelzen und Zerfließen gebracht und verbindet beide Fügepartner so eng wie möglich. Nach Erkalten des Klebers haftet der verlegte Draht dann permanent an der Substratoberfläche. Eng verwandte Fügemethoden, mittels derer ein Draht auf eine Substratoberfläche verlegt werden kann, sind das Löten und die Thermokompression. Auch bei ihnen wird die Oberflächenspannung eines schmelzflüssigen Verbindungsmaterials ausgenutzt, um eine enge Verbindung zwischen Draht und Substratoberfläche herzustellen. Schmelzflüssiges Metall wird, wie bekannt, in der Leiterplattentechnik dort eingesetzt, wo die Verbindung elektrisch leitend sein muss, beispielsweise an den Kontaktflächen elektronischer Bauteile ('bonding pads'). Dabei unterscheiden sich die Fügeverfahren Löten und Thermokompression, indem bei letzterem eines der zu verbindenden Materialien selbst schmelzflüssig wird, während bei ersterem das Lot als niedriger schmelzendes Verbindungsmaterial zusätzlich eingebracht wird.
Eine grundlegende Schwierigkeit ist bei allen genannten Verlegemethoden durch die Notwendigkeit gegeben, dass der Draht zur Befestigung eng auf die Substratoberfläche aufgedrückt werden muss. Nur wenn er die Oberfläche direkt – also mit einer gewissen positiven Andruckkraft – berührt, wird das bei Erwärmung zerfließende Verbindungsmaterial zugleich den Draht und die Substratoberfläche benetzen. Nur dann wird es sich durch Oberflächenspannung und Kapillarkraft so ausbreiten und in die Verbindungsfuge eindringen, wie es für eine gute Haftung des Drahtes notwendig ist. Bleibt nach dem Schmelzen auch nur ein kleiner, endlicher Abstand zwischen Draht und Substratoberfläche bzw. den aufgebrachten Kleberschichten, so finden dieser Fließprozess und die Verklebung nicht statt.
Da der zu verlegende Draht nie perfekt geradlinig ist und die Substratoberfläche nie perfekt eben ist, muss die Andruckkraft hinreichend groß sein, den Draht so zu biegen, dass er sich überall der Oberflächenkontur anschmiegt. Um die erwähnte Überkreuzung isolierter Drähte zu berücksichtigen, soll die "Oberflächenkontur" hier auch querverlaufende Drähte mit umfassen, die schon in einem früheren Arbeitsgang auf der Substratoberfläche verlegt wurden. Über sie hinweg muss der aktuell zu verlegende Draht an das Substrat angedrückt werden. Das Andrücken mit einer gewissen Mindestkraft ist somit für eine erfolgreiche Verlegung essentiell.
Das Andrücken ist bei maschineller Verlegung einer der kritischsten Verfahrensschritte. Aufgrund des mechanischen Kontaktes kann das Andruckwerkzeug den Querschnitt eines dünnen Drahtes verformen. Es kann die Oberfläche oder Isolation des Drahtes verletzen und somit zu Kurzschlüssen führen. Infolge des mechanischen Kontaktes besteht zudem permanent die Gefahr, dass das Andruckwerkzeug durch Abrieb von Isolationsmaterial oder Kleber verschmutzt und fortlaufend gereinigt werden muss, wie in US 4864723 näher beschrieben. Alle diese Schwierigkeiten kann man unter dem Begriff "Handhabung des Drahtes" zusammenfassen. Sie werden umso größer, je dünner der zu verlegende Draht ist. Bei Drahtdurchmessern unter 0,1 mm sind sie meist so gravierend, dass die bekannten Verfahren der Drahtverlegung versagen.
Zur Lösung dieser Probleme schlägt US 6400882 B2 ein Verlegeverfahren vor, bei dem die Andruckkraft quasi berührungslos erzeugt wird. Dazu wird die Biegesteifigkeit des Drahtes ausgenutzt. Der Draht wird, aus einem engen, beheizten Umlenkrohr kommend, unter einem flachen Winkel schräg gegen die Substratoberfläche gedrückt und klebt dort an. Ein spezielles Andruckwerkzeug ist nicht erforderlich. Dieses Verfahren löst die genannten Probleme jedoch nur teilweise, denn indirekt wirkt hier das Umlenkrohr als Andruckwerkzeug und unterliegt denselben Abrieb- und Verschmutzungsproblemen. Zum anderen funktioniert dies Verfahren nur bei dickeren Drähten mit hinreichender Biegesteifigkeit, und zum dritten existiert die Andruckkraft nur lokal, unmittelbar am Berührungspunkt des Drahtes am Substrat. Diese Situation mag bei dickem Draht funktionieren, bei dünnem Draht reichen jedoch Andruckkraft und Wärmeübertrag für eine gute Verklebung nicht aus. Dies sollte nach der folgenden Darstellung der Erwärmungsprobleme noch besser verständlich werden.
Ein weiteres Problem tritt bei Verlegung von dünnem Draht nach dem Stande der Technik bezüglich der Erwärmung auf, die zum Schmelzen des Klebers erforderlich ist. Erfolgt die Erwärmung durch Berührung des Drahtes mit einem heißen Andruckwerkzeug, so besteht die Tendenz, dass der Draht nicht nur an der Substratoberfläche, sondern auch am Werkzeug haftet. Beim Zurückziehen des Werkzeuges kann er vom Substrat wieder abreißen. Wird stattdessen berührungslos durch Wärmeeinstrahlung oder Anblasen mit Heißluft erwärmt, so besteht die Gefahr ungleichmäßiger Erwärmung. An den Stellen, wo der Draht die Substratoberfläche berührt, also guten thermischen Kontakt hat, werden sich Draht und Oberfläche gemeinsam erwärmen und verkleben. An Stellen mit schlechtem thermischem Kontakt wird sich der Draht jedoch schneller und höher erwärmen als die Substratoberfläche, was zu Überhitzung und Zersetzung des Klebers und mangelhafter Verklebung führen kann.
Schließlich besteht Bruchgefahr, wenn das Substrat spröde ist und nur geringe thermische Spannungen verträgt. Dies Problem existiert speziell bei der Verlegung von dünnem Draht (Durchmesser kleiner als 50 μm) auf Glassubstraten und Erwärmung mittels Strahlung. Wie eine einfache thermodynamische Abschätzung zeigt, ist es dann nicht ausreichend, allein den Draht auf die zur Klebung erwünschte Temperatur im Bereich von ca. 100–300°C aufzuheizen. Bleibt dabei die Substratoberfläche kalt, so kühlt sie den Draht im Moment der Berührung aufgrund ihrer Wärmekapazität sehr schnell ab, und das zur Klebung notwendige Fließen des Klebers unterbleibt. Bei Drähten im genannten Durchmesserbereich erfolgt der Temperaturausgleich nämlich innerhalb weniger Mikrosekunden, während der mit dem Fließen verbundene Massentransportprozess mindestens eine Größenordnung langsamer ist. Für eine erfolgreiche Drahtverlegung ist es daher unumgänglich, die Substratoberfläche unter dem zu verlegenden Draht zu erwärmen. Der darauf aufliegende Draht hat bei gutem Kontakt dann praktisch dieselbe Temperatur wie sie, und das für eine gute Haftung des Drahtes notwendige Fließen kann stattfinden.
Die Erwärmung der Substratoberfläche erzeugt im Substrat jedoch mechanische Spannungen, die umso größer sind, je höher die Temperatur und je größer der erwärmte Oberflächenbereich sind. Um die Gefahr mechanischen Versagens infolge dieser Spannungen gering zu halten ist deshalb anzustreben, den erwärmten Bereich so klein wie möglich zu halten und dabei dennoch, wenn auch nur kurzzeitig, die zum Kleben notwendige Temperatur zu erreichen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die zur Verlegung von dünnem Draht auf einem Substrat notwendige Andruckkraft des Drahtes an die Substratoberfläche berührungsfrei entlang einem gewissen Abschnitt des Drahtes zu erzeugen um dann, während des Andrucks, in dem angedrückten Drahtabschnitt die Substratoberfläche auf die Fließtemperatur des Klebers aufheizen zu können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Andruckkraft elektrostatisch erzeugt wird.
Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verlegeverfahrens gegenüber dem Stand der Technik liegt darin, dass es berührungslos, ohne Andruckwerkzeug arbeitet, so dass der Draht und gegebenenfalls seine Isolierung unversehrt bleiben. Es existiert auch keine Verschmutzungsgefahr eines Andruckwerkzeuges. Ein anderer Vorteil ist, dass die elektrostatische Andruckkraft auf dem gesamten Auflage-Abschnitt des Drahtes wirkt. Dadurch schmiegt er sich, wie beschrieben, selbsttätig an bestehende Unebenheiten und Konturen der Substratoberfläche in einer Weise an, die mit mechanischen Andruckwerkzeugen nur schwer erreichbar ist. Dies Anschmiegen erfolgt schon bei Raumtemperatur und – infolge des sich beim Schmelzen verringernden Abstandes – erst recht bei der höheren Schmelztemperatur. Der auf dem Draht befindliche Heisskleber kann deshalb nach dem Schmelzen die Substratoberfläche schnell benetzten, so dass eine sichere Verbindung resultiert. Generell vorteilhaft ist schließlich, dass der elektrostatische Andruck umso besser funktioniert, je dünner und biegsamer der zu verlegende Draht ist. Damit ergänzt das erfindungsgemäße Verfahren gerade im Bereich kleinster Drahtdurchmesser die bekannten Verfahren, die hier ihre größten Schwierigkeiten aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung desselben sind in den Zeichnungen beispielhaft illustriert. Es zeigen
1 eine bevorzugte Vorrichtung zur Verlegung eines Metalldrahtes auf einem isolierenden Substrat. Der Draht tritt aus einer Rohröffnung 24 aus. Im Gleichgewicht zwischen der elektrostatischen Anziehung und der Verlege-Zugkraft stellt sich ein flacher Winkel 23 zwischen Draht und Substratoberfläche ein.
2 (a) den Querschnitt eines mit Kleber beschichteten Metalldrahtes, (b) den Querschnitt eines mit Lack isolierten und mit Kleber beschichteten Metalldrahtes, und (c) den Querschnitt eines blanken Drahtes, alle jeweils in geringem Abstand lose auf dem Substrat liegend, vor dem Verkleben.
3 die Querschnitte aus 2 nach dem Schmelzen und Fließen des Verbindungsmaterials. Letzteres ist in (a) und (b) der auf den Draht aufgebrachte Kleber, in (c) das Substratmaterial selbst. Die Oberfläche des geschmolzenen Verbindungsmaterials hat jeweils die Form einer Minimalfläche angenommen, die Oberflächenspannung verbindet Draht und Substrat eng miteinander.
4 die Kreuzung zweier isolierter Metalldrähte im Querschnitt, nach dem Fließen des Klebers. Der zuletzt verlegte Draht 11 schmiegt sich aufgrund der elektrostatischen Anziehung über den zuerst verlegten Draht 1 hinweg an die Substratoberfläche an.
5 eine Vorrichtung zur Verlegung des Drahtes ähnlich der Vorrichtung in 1, aber mit einer Umlenkrolle 36 anstelle der Rohröffnung 24.
6 schematisch den Verlauf der elektrischen Feldlinien zwischen dem zu verlegenden Draht 1 und der Elektrode 29 unter der Substratplatte gemäß 1 oder 5.
7 schematisch den Verlauf der elektrischen Feldlinien zwischen dem zu verlegenden Draht 1 und zwei Elektroden 37, 38 auf der Substratoberfläche neben dem Draht.
8 eine alternative Elektrodenanordnung zur Erzeugung der elektrostatischen Andruckkraft. Hier ist der Draht 1 nicht angeschlossen; diese Vorrichtung funktioniert auch für nichtmetallische Drähte.
9 eine Vorrichtung zur Kontaktierung eines Bauteiles mit dem freien Ende eines Metalldrahtes, der durch elektrostatische Anziehung auf die mit Lot beschichtete Kontaktfläche niedergedrückt wird, während eine dauerhafte Verbindung durch Laserlöten erzeugt wird.
Die wichtigsten Elemente zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in 1 für den Fall dargestellt, dass ein mit Heißkleber beschichteter metallischer Draht auf einer isolierenden Substratplatte verlegt werden soll. Im Verlegekopf 20 tritt der Draht 1 aus einer Rohröffnung 24 aus und wird elektrostatisch auf die Oberfläche 4 der Substratplatte heruntergezogen. Zu diesem Zweck sind der Draht und eine unter der Substratplatte angeordnete Elektrode 29 an die Pole 18, 19 einer elektrischen Spannungsquelle 32 angeschlossen. In 1 ist die Verbindung des Pols 19 der Spannungsquelle nur bis zum Rand des Verlegekopfes 20 eingezeichnet, es wird aber hier und im folgenden unterstellt, dass eine weiterführende elektrische Verbindung zum Draht 1 im Inneren des Kopfes besteht.
Zum Verlegen wird der Verlegekopf 20 als Ganzes relativ zur Substratoberfläche in der Richtung 28 bewegt. Dabei spult sich der Draht 1 von der Vorratsspule 26 ab. Er läuft zunächst durch eine Bremseinrichtung 27, die für eine vorbestimmte Zugkraft F_Z des Drahtes sorgt, und weiter durch das Umlenkrohr 25. Dessen Öffnung 24 befindet sich dicht über der Substratoberfläche. In dem mit 35 bezeichneten Abschnitt ist der Draht aufgrund der Zugkraft F_Z gespannt und verläuft praktisch geradlinig. Er erreicht die Substratoberfläche am Punkt 8 unter einem flachen Winkel γ. Letzterer ist in 1 mit dem Bezugszeichen 23 versehen. Der Berührungspunkt 8 und der Verlegewinkel γ stellen sich selbsttätig so ein, dass die senkrecht zur Oberfläche nach oben wirkende Komponente F_Z sinγ der Zugkraft stets im Gleichgewicht ist mit der elektrostatischen Kraftdichte, die den Draht auf das Substrat niederdrückt. Typische Werte des Verlegewinkels liegen bei γ = 1° ... 5°. Im Abschnitt 34, jenseits des Oberflächen-Berührungspunktes 8, verläuft der Draht dann wieder praktisch geradlinig. Aufgrund der elektrostatischen Andruckkraft liegt er hier eng auf der Substratoberfläche auf. Zwischen den beiden geradlinigen Abschnitten 33 und 35 existiert ein kurzer Übergangsabschnitt 34, in dem der Draht elastisch gekrümmt ist.
Im Auflageabschnitt 33 erfolgt die Verklebung des Drahtes auf die Substratoberfläche, indem letztere erhitzt wird, vorzugsweise nur in einem eng lokalisierten Bereich. Hierzu ist in 1 beispielhaft eine Flamme 30 angedeutet, die aus einem Brennerrohr 31 austritt und auf die Substratoberfläche gerichtet ist. Wegen der erwähnten thermischen Spannungen im Substrat ist es vorteilhaft, die Breiten B_X (in der Verlegerichtung gemessen) und B_Y (senkrecht zur Ebene der 1 gemessen) der Flamme so klein wie möglich zu wählen. Eine Untergrenze besteht dabei durch die Forderung, dass die Flamme soviel Heizleistung liefern muss, dass der aufgeheizte Bereich die zum Schmelzen und Fließen des Klebers notwendige Temperatur erreicht.
Details dieser Verklebung sind in den 2 und 3 dargestellt. Ein ohne Andruckkraft verlegter Draht 1 würde lose auf dem Substrat liegen. Infolge innerer mechanischer Spannungen wäre er im Allgemeinen gekrümmt, und es würde eine gewisse unregelmäßig breite Fuge 9 zwischen Draht und Oberfläche bestehen. Dies zeigt 2. Mit der Andruckkraft jedoch, die von der gegenseitigen elektrostatischen Anziehung von Draht und Elektrode 29 herrührt, wird der Draht auf die Oberfläche 4 heruntergezogen, und die Fugenbreite 9 verschwindet. Wird nun erwärmt, so schmilzt in den Fällen (a) und (b) der Heisskleber 3, in (c) die Oberfläche 4 des Substrates, und nach dem Fließen des geschmolzenen Verbindungsmaterials resultiert die in 3 gezeigte Situation. Hier hat der Heißkleber 3, der zunächst als dünne Schicht auf dem Draht 1 oder auf dessen Isolierung 2 aufgebracht war, die Substratoberfläche 4 benetzt und sich aufgrund seiner Oberflächenspannung neu verteilt. Er ist in die Fuge 9 eingedrungen und füllt sie in der Art von Hohlkehlen 5 aus. Im Falle (c) zieht zunächst die elektrostatische Kraft den Draht in die schmelzende Oberfläche hinein, und nach der Benetzung wirkt dann die Oberflächenspannung im gleichen Sinne weiter. Auch hier bilden sich zwei Hohlkehlen 6 aus.
Entsprechende, aber komplexere Benetzungs- und Fließvorgänge finden bei der Überkreuzung zweier isolierter Drähte statt, wie in 4 im Querschnitt skizziert. Draht 1 mit der Isolationsschicht 2 wurde zuerst verlegt und auf der Substratoberfläche 4 verklebt. Über ihn hinweg wurde dann der Draht 11 mit Isolationsschicht 12 geführt. Er schmiegt sich, gemäß seiner Biegesteifigkeit und der elektrostatischen Kraft an die durch 1, 2, 4 gegebene Kontur an. Beim Erwärmen fließt der Heisskleber auch in die konkav-konvexen Bereiche 7.
Weitere Details und alternative Ausführungsformen des Verfahrens sowie typische Parameter der verwendeten Vorrichtungen erschließen sich aus der nachfolgenden genaueren Beschreibung der genannten Prozessschritte, der das Verfahren charakterisierenden Begriffe, und der 5–9.
Dabei wird weiterhin vereinfachend unterstellt, dass ein runder Metalldraht, der dünn mit Heisskleber beschichtet ist, also ein so genannter "Backlackdraht", auf einer isolierenden Substratplatte, etwa aus Glas, verlegt werden soll. Allgemeinere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und Vorrichtungen dazu, mit anderen Materialien und anderen Fügeverfahren, werden im Anschluss beschrieben. Die wichtigsten Begriffe sind diese:
Der Draht hat im Allgemeinen kreisförmigen Querschnitt. Die erfindungsgemäße elektrostatische Niederhaltung funktioniert aber auch bei anderen Querschnittsformen, insbesondere bei rechteckigem Querschnitt.
Die genannten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens kommen besonders gut zur Geltung, wenn der Drahtdurchmesser, beziehungsweise seine senkrecht zur Oberfläche gemessene Dicke, unterhalb von 50 μm liegt, weil dann die Biegesteifigkeit des Drahtes gering ist. In geringerem Maße existieren die Vorteile aber auch oberhalb dieses Grenzwertes.
Die Verlege-Zugkraft F_Z muss passend zum verwendeten Drahtdurchmesser gewählt werden. Ein guter Anhaltspunkt für F_Z ist der aus der Spulenwickel-Technik her bekannte "Wickelzug". Er liegt für Drahtdurchmesser von 10 ... 100 μm im Bereich von 1 ... 100 cN und entspricht einer relativen Dehnung des Drahtes von etwa 10^–3. Die Verlege-Zugkraft F_Z wird von der in 1 gezeigten Bremseinrichtung 27 erzeugt. Einfache Bremseinrichtungen arbeiten mittels Reibung, indem der Draht zwischen vorgespannten Bremsbacken hindurchgezogen wird. Dies ist für die Vorrichtung 27 angedeutet. Dabei besteht jedoch die Gefahr von Abrieb und Verschmutzung. Zur Vermeidung dieser Probleme, sowie bei höheren Ansprüchen an die Einstellbarkeit und Konstanz von F_Z kann der Draht bekanntlich auch über eine Rolle geführt werden, die von einem so genanntem "Torque-Motor" gebremst wird.
Die Verlegegeschwindigkeit. Da die hier interessierenden, relativ schweren Substrate typisch horizontal liegen, erfolgt die zur Verlegung notwendige Relativbewegung 28 zweckmäßig in der Weise, dass das Substrat feststeht und der leichtere Verlegekopf in einer horizontalen Ebene darüber hinweg bewegt wird. Die Verlegegeschwindigkeit v_o sollte für eine kosteneffiziente maschinelle Drahtverlegung mindestens 0,1 m/s betragen, besser ist 1 m/s und darüber.
Draht-Umlenkung. Zur Verlegung muss der Draht aus der zunächst etwa senkrechten Zuführungsrichtung in eine nahezu horizontale Richtung umgelenkt werden. Damit aus dieser Umlenkung möglichst wenig innere Spannung im Draht resultiert, wird entweder ein sanft gebogenes Umlenkrohr 25 benutzt, wie in 1, oder eine Umlenkrolle 36 gemäß 5.
Die elektrostatische Andruckkraft F_E _, die auf den Drahtabschnitt 33 wirkt, ist eine Folge der elektrischen Spannung U zwischen dem Draht 1 und der Elektrode 29 unter dem Substrat. 6 zeigt im Querschnitt, wie das elektrische Feld verteilt ist. Im Bereich der Fuge 9, zwischen Draht 1 und Substrat 4, ist die Feldstärke am größten. Dadurch resultiert eine auf den Draht 1 nach unten wirkende Kraft F_E(z). Hier bedeutet z den Abstand des Drahtes von der Oberfläche, also die Weite der Fuge 9. Die Kraft ist maximal bei aufliegendem Draht (z = 0). Mit zunehmender Fugenweite z wird sie kleiner und verschwindet rasch, wenn z größer wird als der Drahtdurchmesser. Sie ist proportional zur Länge L₃₃ des Drahtabschnittes 33. Deshalb ist es zweckmäßig, sie durch eine langenbezogene Kraftdichte zu charakterisieren, f_E(z) = F_E(z)/L₃₃, mit der Dimension [N/m].
Die absolute Größe dieser Kraftdichte f_E(z) hängt in komplizierter Weise vom Durchmesser und der Beschichtung des Drahtes ab, von der Dicke der Substratplatte und ihrer Dielektrizitätskonstante, sowie von der angelegten Spannung. Vereinfachend kann aber für Glas-Substrate von 4 mm Dicke und isolierte Drähte mittleren Durchmessers beim Minimalabstand für überschlägige Rechnungen f_E(z = 0) ≈ 0,05 U² [N/m] angesetzt werden, wobei U der Effektivwert der angelegten Spannung in [kV] ist. Bei einer Spannung von U = 2 kV liegt die maximale Andruck-Kraftdichte also in der Größenordnung f_E ≈ 0,2 [N/m].
Der Verlegewinkel 23, der sich aufgrund des erwähnten Kräftegleichgewichts einstellt, folgt aus einer einfachen Energie-Abschätzung, γ ≈ (2FE0/FZ)½
Hier bedeutet F_E0 = ∫f_E(z)dz die langenbezogene potentielle Energie der Kraftdichte f_E(z), wobei die Integration von z = 0 bis zu einem sehr großem Abstand auszuführen ist, bei dem f_E(z) verschwindet. Dies F_E0 hat die Dimension [N] einer Kraft. Für einen Draht vom typischen Durchmesser 20 μm liegt ihre Größe bei F_E0 ≈ 2U²10^–6 [N]. Mit U = 2 kV und einer Verlegekraft von F_Z = 10^–2 N stellt sich der Verlegewinkel auf γ ≈ 2,3° ein.
Der elastisch gekrümmte Drahtabschnitt 34 ist in seiner Länge L_K durch die elastische Biegesteifigkeit S des Drahtes und die Zugkraft F_Z bestimmt. Näherungsweise gilt L_K = (S/F_Z)^½. Für Kupferdrähte liegt diese Länge in der Größenordnung L_K ≈ 0,1 ... 10 mm, wenn der Drahtdurchmesser im Bereich 10 ... 100 μm variiert.
Die elektrische Spannung bestimmt entscheidend die Größe der elektrostatischen Andruckkraft. Da die Kraft quadratisch mit der Spannung anwächst, ist es vorteilhaft für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Spannung möglichst hoch zu wählen. Eine technische Obergrenze ist dabei durch das Einsetzen von Koronaentladung an scharfen Ecken und Kanten gegeben, sowie durch die elektrische Durchschlagsfestigkeit der zu verdrahtenden Substratplatte. In einer praktisch ausgeführten Vorrichtung zur Drahtverlegung auf einer 4 mm dicken Glasscheibe war eine Spannung von U = 2 kV voll ausreichend zum Verlegen von 20 μm Draht.
Ein bekanntes Problem elektrostatischer Niederhaltungen ist, dass sich an den dielektrischen Grenzflächen elektrische Ladungen ansammeln. Sie wirken in jedem Falle der angelegten Spannung entgegen, schwächen also die elektrostatische Kraft. Sie lassen sich aber weitgehend vermeiden, indem man rasch, ehe noch größere Ladungen aufgebaut sind, die Polarität der angelegten Spannung umkehrt. Dadurch werden die Ladungen abgebaut und dann neue, mit umgekehrtem Vorzeichen, aufgebaut. Zu deren Abbau muss dann erneut umgepolt werden, usw. Da die Andruckkraft von U² abhängt, ändert sie sich bei den Umpolungen nicht. Diesen Polaritätsumschaltungen dient der in 5 gezeigte Schalter 57. Äquivalent zu einer Gleichspannungsquelle 32 mit einer solchen periodischen Polaritätsumschaltung 57 ist die Verwendung einer Wechselspannungsquelle mit symmetrisch rechteckigem Zeitverlauf.
Die Elektroden zur Erzeugung der elektrostatischen Andruckkraft in den Vorrichtungen der 1 und 5 sind der zu verlegende Draht 1 und die Gegenelektrode 29. Letztere kann vorzugsweise die Form einer dünnen Metallfolie oder einer leitend beschichteten Glasplatte haben, die unter das Substrat gelegt wird. Diese besonders einfache Anordnung ist zugleich die günstigste. Bei gegebener Spannung U und mäßigen Substratdicken liefert sie die größte Kraft.
Alternativ können anstelle der einen Gegenelektrode 29 zwei Elektroden 37, 38 vorgesehen werden, die in geringem Abstand symmetrisch zu beiden Seiten des zu verlegenden Drahtes 1 auf der Substratoberfläche aufliegen, vgl. 7. Sie werden gemeinsam an den Pol 18 der Spannungsquelle angeschlossen, an dem in den vorhergehenden Beispielen die Elektrode 29 lag. Auch hier ist in dem elektrischen Feld, das sich ausbildet, die Feldstärke im Bereich der Fuge 9 maximal. Für den Draht 1 resultiert wiederum eine nach unten gerichtete Kraft, also ein Andruck an die Oberfläche 4. Diese Anordnung ist bei großen Substratdicken vorteilhaft.
Eine weitere alternative Elektrodenanordnung zur Erzeugung der elektrostatischen Andruckkraft zeigt 8. Hier wird eine Anzahl von Elektroden-Paaren 55, 56 benutzt. Vorteilhaft ist die Verwendung einer größeren Anzahl dieser Elektroden-Paare. Sie sind streifenweise oder als Schachbrettmuster unter dem Substrat direkt in dem Bereich angeordnet, wo der zu verlegende Draht angedrückt werden soll. Alle Paare sind elektrisch parallel geschaltet. Jeweils eine Elektrode aller Paare ist an den Pol 18 der Spannungsquelle angeschlossen, die andere an den Pol 19. Der Umschalter 57 erlaubt es wieder, diese Zuordnung umzuschalten. Der Draht 1 ist hier nicht mit der Spannungsquelle verbunden. Deshalb ist diese Elektrodenanordnung auch für das Verlegen einzelner kurzer Drahtstücke geeignet, sowie für nichtmetallischer "Drähte", die gewöhnlich als "Fasern" bezeichnet werden.
Vorteilhaft sind schließlich auch ähnliche Anordnungen dieser Art mit Elektroden-Tripeln anstelle von Paaren unter dem Substrat. Sind diese Tripel symmetrisch aufgebaut und werden mit um 120° phasenverschobenen Sinus-Wechselspannungen gespeist, so resultiert im räumlichen Mittel über mehrere Elektroden-Tripel eine besonders gleichmäßige Andruckkraft.
In allen genannten Fällen müssen die Elektroden, gegebenenfalls einschließlich des zu verlegenden Drahtes, über geeignete elektrische Verbindungen an die benutzte Spannungsquelle angeschlossen werden. Im Falle einer Gleichspannungsquelle bedeutet dies, dass die Verbindungen durchgehend galvanisch leitend sein müssen. Bei Verwendung einer Wechselspannungsquelle ist auch eine kapazitive Ankopplung der Elektroden geeignet.
Die Sicherheit des Bedienpersonals und der zu verdrahtenden elektronischen Bauteile verdient besondere Beachtung bezüglich der Hochspannung, die zur Erzeugung der Andruckkraft notwendig ist. Praktische Erfahrungen mit anderen elektrostatischen Niederhaltungen zeigen, dass auch bei Spannungen von 5 kV und mehr der Personenschutz einfach dadurch gewährleistet werden kann, dass die Spannungsquelle mit einem hinreichend hohem Innenwiderstand versehen wird. Er begrenzt den möglichen Fehlerstrom, beispielsweise auf Werte < 20 mA, so dass auch bei versehentlicher Berührung keine Lebensgefahr für das Personal besteht.
Schwieriger ist der Schutz empfindlicher elektronischer Bauteile gegen Überspannungen, die galvanisch oder kapazitiv aus der Spannungsquelle 32 übergekoppelt werden können. In dieser Hinsicht ist es vorteilhaft, den zu verlegenden Draht 1 grundsätzlich auf Erdpotential zu halten, so dass nur die Gegenelektrode 29 auf Hochspannungspotential liegt.
Das Substratmaterial war in den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen als "isolierend" vorausgesetzt worden. Maßgeblich für eine solche Beurteilung der elektrischen Leitfähigkeit sind hier nicht absolute Werte, sondern die Erfordernisse der elektrostatischen Niederhaltung und des Verlegeprozesses. Wird der elektrische Widerstand zwischen Draht 1 und Gegenelektrode 29 mit R bezeichnet und die Kapazität mit C, so ist die elektrostatische Anziehung nur während einer Zeitspanne der Größenordnung τ = RC nach dem Einschalten einer Gleichspannung wirksam. Danach klingt die Anziehung rasch ab weil sich, wie erwähnt, an Grenzflächen elektrische Ladungen ansammeln. Kann der Verlegeprozess einschließlich der Kleberhärtung nicht in einer Zeit erledigt werden, die kurz gegen die genannte Zeitkonstante τ ist, so muss die schon erwähnte, schnell wiederholte Umschaltung der Polarität angewandt werden. Dabei muss die Frequenz f_U der Umschaltung so hoch sein, dass τ·f_U >> 1 gilt.
Beispielsweise möge bei der Drahtverlegung auf einer isolierenden Glasscheibe von 1 m² Größe der elektrische Widerstand R = 1000 MΩ und die Kapazität C = 1 nF betragen. Dann ist τ = 1 s, und die Umschaltfrequenz sollte deutlich größer sein als 1 Hz.
Erheblich höhere Frequenzen sind erforderlich, wenn das Substrat eine gewisse elektrische Leitfähigkeit besitzt. Ein Beispiel ist die Drahtverlegung auf Papier, etwa zur Herstellung planarer Antennenspulen für RFID-Transponder. Mit R = 1 MΩ und C = 100 pF wird hier τ = 10⁴ s, und die Umschaltfrequenz sollte deutlich größer sein als 10 kHz.
Neben diesen als "isolierend" bezeichneten Substraten wie beispielsweise Glas, Keramik, Polymere, Papier, Holz, Leder u.a. sind auch elektrisch leitende Materialien als Substrate zur Drahtverlegung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet, also Metalle und mit einer leitenden Metallschicht überzogene Isolatoren. Auf elektrisch leitenden Substraten lassen sich insbesondere isolierte Metalldrähte in der beschriebenen Weise verlegen. Dabei müssen der Draht und das Substrat an die Spannungsquelle angeschlossen werden, damit zwischen ihnen die Anziehungskraft zustande kommt. Wenn die Isolationsschicht dünn ist, wie beispielsweise bei Kupferlackdraht, so ist dabei schon eine geringe elektrische Spannung ausreichend, etwa 100 V. Das erfindungsgemäße Verlegeverfahren mit Elektroden unter dem Substrat, bei dem der Draht nicht angeschlossen wird, funktioniert jedoch nur mit isolierenden Substraten, nicht mit elektrisch leitenden.
Als schmelzendes Verbindungsmaterial ist allgemein jedes Material geeignet, das bei Erwärmung flüssig wird und in diesem Zustand Draht und Substratoberfläche benetzt und mittels Oberflächenspannung verbindet, so dass sie nach Erkalten permanent verbunden bleiben. Wichtigstes Beispiel sind Heißkleber, oft auch als "Schmelzkleber" bezeichnet. Sie existieren einerseits als mehrfach wieder aufschmelzbare "Thermoplaste" und, andererseits, als thermisch reagierende und danach nicht wieder aufschmelzbare "Duroplaste". Das schmelzende Verbindungsmaterial kann auch ein Lot sein, also allgemein eine Metall-Legierung, deren Schmelzpunkt unterhalb der Schmelzpunkte von Draht und Substrat liegt. Der Fügeprozess ist dann ein Lötprozess, und Beispiel eines Lotes für Kupferdraht ist Zinnlot. Schließlich kommt als schmelzendes Verbindungsmaterial auch das Material der Substratoberfläche oder des Drahtes selbst infrage. Das Fügeverfahren ist dann die so genannte Thermokompression. Der dabei gewöhnlich benutzte Andruck mit einem heißen Werkzeug kann, erfindungsgemäß, bei sehr dünnen Drähten durch die elektrostatische Andruckkraft und lokale Erwärmung der Substratoberfläche ergänzt oder ganz ersetzt werden. Im Zusammenhang mit Thermokompression nach dem Stand der Technik ist das erfindungsgemäße Verfahren speziell für isolierte Drähte in der Weise geeignet, dass der zu verbindende Draht zunächst mittels der elektrostatischen Andruckkraft unverrückbar auf dem Substrat fixiert wird, und dann in herkömmlicher Weise mittels eines heißen Werkzeuges durch Druck permanent verbunden wird.
Bei Verwendung von Heißkleber oder Lot als Verbindungsmaterial ist es vorteilhaft, dieses zunächst als dünne Schicht 2 auf dem zu verlegenden Draht 1 aufzubringen, wie in 2 (a, b) angedeutet. Beim Schmelzen füllt es dann hohlkehlartig die Fugen 5 der 3. Alternativ kann das Verbindungsmaterial als Schicht auf der Substratoberfläche verwendet werden. Auch dann bilden sich beim Schmelzen Hohlkehlen, ähnlich den Fugen 6 der 3(c).
Mit Heißkleber beschichteter Draht ist kommerziell als so genannter "Backdraht" zur Herstellung freitragender Spulen erhältlich. Die verfügbaren Heissklebertypen unterscheiden sich in ihren Erweichungstemperaturen, beispielsweise Polyvinylbutyral (110°C), Phenoxyharz (140°C), oder modifiziertes aliphatisches Polyamid (180°C).
Der Verlegeprozess kann unterteilt werden in die beiden Schritte des Drahtablegens und der Drahtverklebung. Erfindungsgemäß muss an jedem Punkt der Verlegebahn die elektrostatische Anziehung bereits während des ersten Schrittes wirken und bis zum Ende des zweiten Schrittes bestehen bleiben. Für die zeitliche Gliederung dieser Schritte bestehen mehrere Alternativen

(a) kontinuierlich fortschreitendes Verlegen, wie es in den Drahtverlegemaschinen nach dem Stand der Technik ausgeführt wird. Dabei wird der Draht entlang einer vorher festgelegten und im Steuerrechner gespeicherten Verlegebahn abgespult und unmittelbar danach durch Erwärmung des Klebers mit dem Substrat permanent verbunden. Für diesen Prozess sind die in 1, 5, und 8 skizzierten Verlegeköpfe bestimmt.
(b) Zweischritt-Verfahren, bei dem in einem ersten Schritt der Draht insgesamt ausgelegt und dabei während der Auslegezeit durch die elektrostatische Anziehung auf der Substratoberfläche niedergehalten wird. Die Erwärmung, die zur Verklebung führt, erfolgt erst danach im zweiten Schritt, sei es durch lokale Erwärmung der Substratoberfläche entlang der Verlegebahn oder durch Erwärmung der gesamten Substratoberfläche. Zwischen diesen beiden Fällen liegen weitere Möglichkeiten, den Verlegeprozess zu führen, indem der Draht abschnittsweise ausgelegt und dann der jeweilige Abschnitt erwärmt und verklebt wird, ehe der nächste Abschnitt begonnen wird. Auch kann es vorteilhaft sein, den Draht nur am Anfang und/oder Ende eines jeden Abschnitts zu verkleben, so dass er dazwischen geradlinig verläuft, mit dem gegebenen Verlegezug F_Z gespannt. Nach welcher dieser Möglichkeiten der Verlegeprozess im konkreten Fall tatsächlich geführt wird, kann von anderen Überlegungen abhängig gemacht werden, insbesondere von der verwendeten Wärmequelle und von der benötigten Verlegegeschwindigkeit.
(c) Das erfindungsgemäße Verlegeverfahren kann schließlich auch in der Weise modifiziert werden, dass die Erwärmung der Substratoberfläche zuerst erfolgt und der Draht danach rasch, ehe die Oberfläche wieder abgekühlt ist, auf die Oberfläche aufgelegt und elektrostatisch angedrückt wird.

Die Erwärmung der Substratoberfläche bei maschineller Drahtverlegung kann mittels einer Flamme oder eines Heißluftgebläses vorgenommen werden, wobei der Wärmeübergang durch Konvektion erfolgt. Alternativ ist die Heizung der Substratoberfläche mittels Strahlung möglich, wobei die Strahlungsleistung im Substrat absorbiert wird. Bei Heissklebern ist die erforderliche Oberflächentemperatur etwa 100–300°C, bei Löt- und Thermokompression kann sie erheblich höher liegen, bis zu 1000°C. In jedem Falle ist es vorteilhaft, die zugeführte Heizleistung so zu steuern oder zu regeln, dass die maximale, für den Fügeprozess zulässige Oberflächentemperatur nicht überschritten wird. Insbesondere sollte die Heizung ausgeschaltet werden, wenn der Verlegekopf stillsteht.
Die Dynamik des Erwärmungsprozesses ist von Interesse für eine optimale Auslegung der Heizung. Zum kontinuierlichen maschinellen Verlegen mit unmittelbar folgender Aufheizung und Verklebung ist es vorteilhaft, die Heizung auf einen möglichst kleinen, scharf lokalisierten Bereich der Substratoberfläche zu beschränken. Dies reduziert die erwähnten mechanischen Spannungen im Substrat und die notwendige Heizleistung.
Im gleichen Sinne ist es vorteilhaft, die Heizung auch auf einen möglichst flachen Bereich an der Substratoberfläche zu beschränken. Bei Strahlungsheizung bedeutet dies, dass die Wellenlänge der Heizstrahlung so zu wählen ist, dass sie möglichst stark, unmittelbar an der Substratoberfläche absorbiert wird. Der dazu notwendige Absorptionskoeffizient des Substratmaterials folgt aus einer Betrachtung der Wärmeausbreitung im Substrat. Wird die Ausdehnung der Heizungsvorrichtung in der Verlegerichtung mit B_X bezeichnet, so ist die Heizdauer eines Oberflächenpunktes t_H = B_X/v_o. Während dieser Zeit dringt die Wärme von der Oberfläche aus eine gewisse Distanz B_Z = 2gt_H ^½ in das Innere des Substrates ein, wobei g die Temperaturleitfähigkeit des Substrates angibt. Im Vergleich zu dieser Distanz sollte die Eindringtiefe der Strahlung klein sein, der Absorptionskoeffizient also α > 1/B_Z sein. Beispielsweise beträgt bei einer Verlegegeschwindigkeit von v_o = 1 m/s und einer Heizflecklänge von B_X = 1 mm die Heizdauer t_H = 1 Millisekunde. In dieser Zeit dringt in Glas (g 0,001 m/s^½) die Wärme bis zu einer Tiefe B_Z ≈ 50 μm ein. Um einfallende Laserstrahlung über diese Distanz nahezu vollständig zu absorbieren, muss das Substratmaterial bei der Laserwellenlänge einen Absorptionskoeffizient α ≥ 10³ cm^–1 haben. In diesem Sinne sind der CO- und der CO₂-Laser besonders gut zur Erwärmung von Glassubstraten geeignet.
Eine ausführlichere Analyse dieser Erwärmungsdynamik zeigt auch noch, dass die benötigte Heizleistung mit v_o ^½B_X ^½B_Y skaliert und im vorstehend beschriebenen Fall bei etwa 10 W liegt.
Eine alternative Form der erfindungsgemäßen Fixierung eines Drahtes ist in 9 skizziert. Hier trägt eine Platine 41 ein elektronisches Bauteil 42 mit metallischen Kontaktflächen 44, 45. Das freie Ende 48 des Drahtes 1 soll durch Lötung mechanisch und elektrisch mit der Kontaktfläche 44 verbunden werden, die hier die Rolle des Substrates übernimmt. Dazu wird der Verlegekopf 20 bei zunächst ausgeschalteter Spannungsquelle 32 so gesteuert, dass das Drahtende 48 dicht oberhalb der Kontaktfläche 44 positioniert ist. Der verbleibende Abstand 46 zwischen Draht und Kontaktfläche kann im Bereich von 0,03–0,3 mm liegen, abhängig von der Präzision der Steuerung. Um den Draht nun zur Lötung auf der Kontaktfläche zu fixieren, wird die Spannungsquelle 32 eingeschaltet. Einer ihrer Pole ist über den Verlegekopf mit dem Draht 1 verbunden. Ihr anderer Pol ist mit der zweiten Kontaktfläche 45 des Bauteils verbunden, oder auch mit einer metallischen Fläche der Platine 41 oder mit einer Elektrode 29 unter der Platine. Infolge der elektrostatischen Anziehungskraft wird dann das Drahtende 48 elastisch nach unten gebogen. Es nähert sich der Kontaktfläche 44, wodurch sich die Anziehungskraft noch vergrößert. Bei hinreichender Höhe der angelegten Spannung U schnellt es gegen die Kontaktfläche und bleibt dort fixiert. Die Lötung erfolgt durch Erwärmung mittels eines Laserstrahls 50, der von einer Optik 51 auf die Kontaktfläche fokussiert wird. Als schmelzendes Verbindungsmaterial dient in diesem Beispiel eine Lotschicht, die in bekannter Weise als "Verzinnung" auf der Kontaktfläche und/oder auf dem Draht aufgebracht ist.
Die Höhe der Spannung, die zur Fixierung notwendig ist, hängt von der Biegesteifigkeit und der Länge des freien Drahtendes sowie von der Größe der Kontaktfläche ab. Erfahrungsgemäß ist bei einem 20 μm Kupferdraht mit 10 mm freiem Ende eine Spannung von 200 V ausreichend.
Wenn der zu fixierende Draht isoliert ist, wie beispielsweise Kupferlackdraht, bildet die Isolationsschicht einen natürlichen Anschlag, der das Minimum des Abstandes 46 bestimmt. Ein Problem kann hier vermutet werden für den Fall, dass der Draht blank ist. Im Zustand der Fixierung schließt er die Spannungsquelle kurz, so dass die niederhaltende Kraft verschwindet. Dies Problem ist jedoch ein theoretisches. Die Praxis zeigt, dass ein blanker Draht sehr wohl so niedergehalten wird, wie es für die Lötverbindung notwendig ist. Er prellt beim Aufschlag auf die Kontaktfläche ab, gibt dabei den Kurzschluss frei, wird aber sofort erneut angezogen, usw. Im Mittel hält er sich sehr dicht bei der Oberfläche auf und berührt sie auch, wie es für das Fließen und Benetzen des Lotes notwendig ist.
Der Verlegekopf muss neben den genannten Vorrichtungen zum Bremsen und Umlenken des Drahtes eine Reihe weiterer Vorrichtungen enthalten, die dem Fachmann geläufig sind, und die deshalb hier nicht im Einzelnen beschrieben werden müssen. Zu ihnen zählen Vorrichtungen

– zur Bewegung des Kopfes parallel zur Substratoberfläche, entlang vorgegebener, im Steuerungsrechner gespeicherter Bahnen, welche die zu verbindenden Kontaktpunkte sowie mögliche Klebepunkte enthalten,
– zur Verbindung des Drahtes (zum 'bonden') an Bauelement-Kontaktflächen, die gewöhnlich Anfangs- und Endkontakte jeder zu verlegenden Verbindungsleitung darstellen,
– zum Abschneiden des Drahtes nach Herstellung des Endkontaktes einer Leitung,
– zum Vorschub des Drahtes, speziell nach dem Abschneiden, um ein kurzes Stück neuen Drahtes für den Anfangskontakt der nächsten zu verlegenden Leitung aus dem Verlegekopf unter die Kontaktiervorrichtung zu befördern, wie in 9 illustriert,
– zur Abisolierung der Drahtenden, falls erforderlich,
– zum Festhalten des Drahtes mittels einer Zange oder Klammer ('clamp'), wenn er in Form eines die elektrischen Kontaktstellen zugentlastenden Bogens ('loop' verlegt werden soll,
– und möglicherweise die in 1 angedeutete Spule 26 mit einem größeren, für viele Arbeitsgänge ausreichenden Vorrat des Drahtes 1. Dies bietet sich gerade bei der Verlegung sehr dünner Drähte an, deren Masse gering ist und die bei externer Zuführung besonders reißgefährdet waren.

Die Verlegebahn, entlang welcher der Draht verlegt wird, ist allgemein gekrümmt. Dies erfordert, dass der Draht durchgehend verklebt wird. Alternativ dazu kann die Bahn die Form eines Polygonzuges haben, bei dem der Draht abschnittsweise gerade ist und nur an den Eckpunkten mit dem Substrat verklebt sein muss. Dies kann den Vorteil einer höheren Verlegegeschwindigkeit bieten.
Die Verlegebahnen werden aus der Schaltung und der Anordnung der Bauteile von einem Programm ('router') ermittelt und im Steuerrechner des Verlegekopfes gespeichert. Letzterer muss dann bei der Verlegung so gesteuert werden, dass der Berührungspunkt 8 der Verlegebahn folgt und dabei zugleich der gespannte Drahtabschnitt 35 stets tangential zur Sollbahn liegt.
Weitere Anwendungen und alternative Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens können Vorteile bieten bei der Montage mikro-mechanischer und mikro-optischer Bauteile als Ersatz für die so genannten "Haftkleber". Letztere werden häufig eingesetzt, um auf einer Montagefläche oder Platine ein kleines Bauteil zunächst temporär zu fixieren, das erst später endgültig befestigt wird. Wird bei solcher Montage statt Haftkleber Heisskleber mit elektrostatischem Andruck benutzt, so besteht die vorteilhafte Möglichkeit, das Bauteil im kalten Zustand noch mehrfach zu bewegen und zu justieren, ehe es erwärmt und verklebt wird. Wie erläutert, ist diese Fixierung auf der Substratoberfläche gleichermaßen für blanke wie für isolierte Metalldrähte möglich, aber auch für nichtmetallische "Drähte", wie Textilfasern, Polymerfasern und Glasfasern, insbesondere auch Lichtleitfasern. Dabei muss, wie anhand der Beispiele und Zeichnungen gezeigt wurde, die Elektrodenanordnung im konkreten Fall danach ausgesucht werden, welche Kombination von Leitfähigkeiten (metallisch oder isolierend) der zu verlegende Draht und das Substratmaterial darstellen.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass das beschriebene Verfahren besonders vorteilhaft einsetzbar ist bei der Verlegung und Verklebung dünnster, nahezu unsichtbarer Metalldrähte auf großen Glasscheiben. Es erlaubt eine einfache, sichere Handhabung der Drähte beim Verlegen und bietet ihre sichere Fixierung bis zum Ende des Klebeprozesses. Es ergänzt gerade im Bereich kleinster Drahtdurchmesser die herkömmlichen Drahtverlegeverfahren, die hier ihre größten Schwierigkeiten aufweisen.

Claims

Fügeverfahren zum Verlegen von dünnem Draht auf der Oberfläche eines Substrats mittels eines rechnergesteuerten Verlegekopfes, der relativ zum Substrat bewegbar ist und der den Draht dicht über der Oberfläche und nahezu parallel zu derselben mit definierter Zugkraft abspult, wobei die Verbindung von Draht und Oberfläche mittels der Oberflächenspannung eines durch Wärmezufuhr schmelzenden Verbindungsmaterials bewirkt wird, welches Draht und Substratoberfläche benetzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht bis zur Aushärtung des Verbindungsmaterials mittels elektrostatischer Andruckkraft auf dem Substrat fixiert wird.
Fügeverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das schmelzende Verbindungsmaterial ein Heisskleber ist.
Fügeverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das schmelzende Verbindungsmaterial ein Lot ist.
Fügeverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Substratmaterial selbst das schmelzende Verbindungsmaterial ist.
Fügeverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drahtmaterial selbst das schmelzende Verbindungsmaterial ist.
Fügeverfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, – dass der Draht elektrisch leitend ist, und – dass das Substrat elektrisch isolierend ist, und – dass die elektrostatische Andruckkraft erzeugt wird, indem der leitende Draht und eine unter dem Substrat angeordnete Elektrode an die Pole einer elektrischen Spannungsquelle angeschlossen werden.
Fügeverfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, – dass der Draht elektrisch leitend ist, und – dass das Substrat elektrisch isolierend ist, und – dass die elektrostatische Andruckkraft erzeugt wird, indem der leitende Draht an den einen Pol einer elektrischen Spannungsquelle angeschlossen wird, und zwei symmetrisch neben dem Draht angeordnete Elektroden gemeinsam an deren anderen Pol.
Fügeverfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, – dass der Draht elektrisch leitend ist, und – dass das Substrat eine elektrisch leitende Oberflächenschicht hat, und – dass die elektrostatische Andruckkraft erzeugt wird, indem der leitende Draht an den einen Pol einer elektrischen Spannungsquelle angeschlossen wird und die leitende Oberflächenschicht an den anderen.
Fügeverfahren nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrostatische Andruckkraft erst eingeschaltet wird wenn der Draht über der vorgesehenen Fügestelle positioniert worden ist.
Fügeverfahren nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Andruckkraft von der Spannung einer Gleichspannungsquelle hervorgerufen wird.
Fügeverfahren nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Andruckkraft von der Spannung einer Wechselspannungsquelle hervorgerufen wird.
Fügeverfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, – dass das Substrat elektrisch isolierend ist, und – dass die elektrostatische Andruckkraft von mindestens einem Paar von Elektroden erzeugt wird, die an der Verlegestelle unter dem Substrat nebeneinander angeordnet und an die Pole einer elektrischen Spannungsquelle angeschlossen werden.
Fügeverfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, – dass das Substrat elektrisch isolierend ist, und – dass die elektrostatische Andruckkraft von mindestens einem Tripel von Elektroden erzeugt wird, die an der Verlegestelle unter dem Substrat nebeneinander angeordnet und von einer Wechselspannungsquelle mit drei gleichgroßen, sinusförmigen, und um 120° gegeneinander phasenverschobenen Ausgangsspannungen gespeist werden.
Fügeverfahren nach einem der Ansprüche 6–13, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenwiderstand der Spannungsquelle so hoch gewählt wird, dass ihr Kurzschlussstrom kleiner als 30 mA ist.
Fügeverfahren nach einem der Ansprüche 6–14, dadurch gekennzeichnet, dass bei anliegender Spannung die Substratoberfläche in einem Bereich, wo der Draht aufliegt, mindestens bis zur Schmelztemperatur des Verbindungsmaterials erwärmt wird.
Fügeverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung der Substratoberfläche durch ein Heißluftgebläse erfolgt.
Fügeverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung der Substratoberfläche durch Wärmestrahlung erfolgt, die vom Substrat in einem oberflächennahen Bereich absorbiert wird.
Fügeverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung der Substratoberfläche durch Laserstrahlung erfolgt, die vom Substrat in einem oberflächennahen Bereich absorbiert wird.
Vorrichtung zum Verlegen von dünnem Draht auf der Oberfläche eines Substrats mittels eines rechnergesteuerten Verlegekopfes, der relativ zum Substrat bewegbar ist und der den Draht dicht über der Oberfläche und nahezu parallel zu derselben mit definierter Zugkraft abspult, wobei die Verbindung von Draht und Oberfläche mittels der Oberflächenspannung eines durch Wärmezufuhr schmelzenden Verbindungsmaterials bewirkt wird, welches Draht und Substratoberfläche benetzt, gekennzeichnet durch mindestens eine elektrische Spannungsquelle mit je zwei Polen und mindestens eine daran angeschlossene und in der Nähe des Drahtes angeordnete Elektrode, mittels derer der Draht bis zur Aushärtung des Verbindungsmaterials durch elektrostatische Andruckkraft auf dem Substrat fixiert werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das schmelzende Verbindungsmaterial ein Heisskleber ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das schmelzende Verbindungsmaterial ein Lot ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Substratmaterial selbst das schmelzende Verbindungsmaterial ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Drahtmaterial selbst das schmelzende Verbindungsmaterial ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19–23, dadurch gekennzeichnet, – dass der Draht elektrisch leitend ist, und – dass das Substrat elektrisch isolierend ist, und – dass die Elektrode unter dem Substrat angeordnet ist, und – dass Draht und Elektrode an die beiden Pole der Spannungsquelle angeschlossen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19–23, dadurch gekennzeichnet, – dass der Draht elektrisch leitend ist, und – dass das Substrat elektrisch isolierend ist, und – dass zwei Elektroden symmetrisch neben dem Draht auf der Substratoberfläche angeordnet sind, und – dass der Draht an den einen Pol der Spannungsquelle angeschlossen ist und die beiden Elektroden gemeinsam an den anderen Pol angeschlossen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19–23, dadurch gekennzeichnet, – dass der Draht elektrisch leitend ist, und – dass das Substrat eine elektrisch leitende Oberflächenschicht hat, und – dass der Draht an den einen Pol der Spannungsquelle angeschlossen ist und die leitende Oberflächenschicht an den anderen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19–26, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle eine Gleichspannungsquelle ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19–26, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle eine Wechselspannungsquelle ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19–26, gekennzeichnet durch mindestens ein Paar von Elektroden, die an der Verlegestelle unter dem Substrat nebeneinander angeordnet und an die Pole der Spannungsquelle angeschlossen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19–26, gekennzeichnet durch mindestens ein Tripel planarer Elektroden, die an der Verlegestelle unter dem Substrat angeordnet sind und von einer Wechselspannungsquelle mit drei gleichgroßen, sinusförmigen, und um 120° gegeneinander phasenverschobenen Ausgangsspannungen gespeist werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19–30, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschlussstrom der Spannungsquelle kleiner als 30 mA ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19–31, gekennzeichnet durch eine Heizvorrichtung, welche bei anliegender Spannung die Substratoberfläche in einem Bereich, wo der Draht aufliegt, mindestens bis zur Schmelztemperatur des Verbindungsmaterials erwärmt.
Vorrichtung nach Anspruch 32, gekennzeichnet durch ein Heißluftgebläse, dass die Substratoberfläche erwärmt.
Vorrichtung nach Anspruch 32, gekennzeichnet durch eine Wärmestrahlungsquelle, deren Strahlung in einem oberflächennahen Bereich der Substratoberfläche absorbiert wird und dadurch die Substratoberfläche erwärmt.
Vorrichtung nach Anspruch 32, gekennzeichnet durch eine Laserstrahlungsquelle, deren Strahlung in einem oberflächennahen Bereich der Substratoberfläche absorbiert wird und dadurch die Substratoberfläche erwärmt.