-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Aufspritzen
einer Bahn, insbesondere einer Leiterbahn auf ein Substrat. Die
Erfindung betrifft weiterhin ein elektrisches Bauteil mit einer
elektrisch leitfähigen
Leiterbahn sowie eine Dosiervorrichtung zum dosierten Zuführen von
Pulver.
-
Zur
Erzeugung von Bahnen, insbesondere von Leiterbahnen auf einem insbesondere
isolierenden Substrat ist die Verwendung von unterschiedlichsten
Spritzverfahren bekannt. So wird beispielsweise in der
EP 1 363 811 B1 ein Verfahren
zum Aufspritzen einer Leiterbahn auf ein Substrat mit Hilfe des
Flammspritzens und/oder des Kaltgasspritzens beschrieben. Daneben
wird als Spritzverfahren beispielsweise auch Plasmaspritzen eingesetzt.
Aus der
DE 103 20
379 A1 ist die Aufbringung einer Heizleiterbahn insbesondere
mittels des Flammspritzens für unterschiedlichste
Anwendungen zu entnehmen.
-
Es
hat sich jedoch gezeigt, dass die bekannten Spritzverfahren für einen
kostengünstigen,
flexiblen Einsatz zur Erzeugung insbesondere von elektrischen Bauteilen
mit der aufgespritzten Leiterbahn teilweise aufwändig und daher nicht mehr wirtschaftlich
sind.
-
In
der Leiterplattentechnologie werden unterschiedliche Spritzverfahren
regelmäßig eingesetzt, jedoch üblicherweise
unter Verwendung einer Spritzmaske, wobei die Spritzmaske das aufzubringende Leiterbahnmuster
zeigt. Dieses Verfahren bietet sich nur bei hohen Stückzahlen
an. Insbesondere sind bei den Verfahren mit Maskenunterstützung keine
flexiblen Leiterbahnverläufe
möglich.
-
Auch
hat sich gezeigt, dass die Verbindung zwischen den aufgespritzten
Partikeln und dem Substrat teilweise mangelhaft ist oder zumindest
in Abhängigkeit
der gewählten
Materialpaarungen starken Schwankungen unterworfen ist. Auch die
Qualität
der aufgespritzten Bahn ist stark vom Material des Substrats abhängig.
-
Bei
den Spritzverfahren werden die aufzubringenden Teilchen erhitzt
und/oder stark beschleunigt. Aufgrund der relativ großen thermischen und/oder
kinetischen Energie der Teilchen wird insbesondere bei sehr dünnen Substraten
im Bereich kleiner 1 mm teilweise ein unerwünschtes Durchschlagen des Substrats,
zumindest ein Beschädigen des
Substrats hervorgerufen.
-
Um
eine sichere und dauerhafte Verbindung des Substrats mit den aufgespritzten
Partikeln zu gewährleisten,
ist weiterhin oftmals eine Vorbehandlung des Substrats erforderlich.
Teilweise ist auch vorgesehen, dass vor dem Aufbringen der eigentlichen Bahn
eine Keimschicht aufgebracht wird.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Aufspritzen einer Bahn,
insbesondere einer Leiterbahn, auf einem Substrat zu ermöglichen,
bei dem die Qualität
der aufgespritzten Bahn möglichst
unabhängig
von dem verwendeten Material des Substrats ist und der Verlauf der
Leiterbahn frei gewählt
werden kann.
-
Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach wird
insbesondere eine Leiterbahn auf ein Substrat mit Hilfe einer sich
in Längsrichtung
erstreckenden Spritzlanze aufgebracht. Diese wird hierbei mit einer
Relativgeschwindigkeit relativ zu dem Substrat bewegt, um somit
maskenfrei und ohne Begrenzungen den Verlauf der Leiterbahn frei wählen zu
können.
Das Spritzverfahren beruht hierbei auf einem atmosphärischen,
kalten Plasmaspritzen, bei dem der Spritzlanze ein ionisierbares
Gas zugeführt
wird, welches durch einen in der Spritzlanze erzeugten Lichtbogen
ionisiert wird. Hierbei entsteht ein kaltes Plasma mit einer Plasmatemperatur kleiner
2000 K. Gleichzeitig wird in die Spritzlanze mit Hilfe eines Trägergasstromes
ein Pulver eingebracht, welches vom Plasma in Richtung zu einer
stirnendseitigen Austrittsöffnung
der Spritzlanze mitgeführt wird,
dort austritt und anschließend
auf dem Substrat auftritt und dort die Leiterbahn ausbildet.
-
Durch
Verwenden eines kalten Plasmas mit einer Plasmatemperatur kleiner
3000 K und insbesondere kleiner 2000 K ist zum einen der technologische
Aufwand für
das Spritzverfahren sehr gering und mit nur geringen Investitionskosten
verbunden. Gleichzeitig erfolgt durch das kalte Plasma ein vergleichsweise
geringer Energieeintrag in das aufzubringende Material, so dass
dieses auf das Substrat sehr schonend aufgebracht wird. Selbst dünne Substratschichten
kleiner 1 mm bis hin zu wenigen μm werden
daher beim Spritzverfahren nicht zerstört. Dadurch eignet sich dieses
Verfahren insbesondere auch zum Aufspritzen von Bahnen, insbesondere Leiterbahnen
auf extremen Dünnschicht-Substraten.
-
Da
das Pulver zusätzlich
innerhalb der Spritzlanze beigefügt
wird, ist ein sehr kontrolliertes Verfahren ermöglicht. Insbesondere lässt sich
durch die Wahl der Größe der Austrittsöffnung ein
begrenzter, ausreichend dünner
Spritzstrahl einstellen, so dass zur Erzeugung von Bahnen mit scharfen
Begrenzungen keine Masken oder derlei erforderlich und vorgesehen
sind. Vielmehr sind Bahnbreiten im Bereich von unter 1 mm bis zu
beispielsweise mehreren 10 mm mit hoher Bahnbreitengenauigkeit erreichbar.
-
Es
hat sich gezeigt, dass mit einem derartigen Verfahren die Bahnen
auf den unterschiedlichsten Materialien in vergleichbar guter Qualität aufgebracht
werden können.
Als Substratmaterial eignen sich beispielsweise Kunststoffe, wie
PE, ABS, gefüllte
oder auch ungefüllte
Polymere, sowie Glimmer, Pappe, Papier, Porzellan, Keramiken, wie
SIC, Glas etc. Als Pulver werden insbesondere Metallpulver verwendet.
Sollen Leiterbahnen erzeugt werden, wird als Pulver vorzugsweise
Zinn oder eine Zinnlegierung und alternativ Kupfer oder eine Kupferlegierung
herangezogen. Zinn oder eine Zinnlegierung eignet sich für dieses
Verfahren insbesondere bei Dünnschichtsubstraten,
da aufgrund der geringen Erweichungstemperatur von Zinn ein sehr
geringer Energieeintrag erforderlich ist und damit die Zinn-Partikel
sehr materialschonend aufgebracht werden können. Neben den nicht-metallischen
Substraten können
prinzipiell auch metallische Substrate beispielsweise zu Beschichtungszwecken
herangezogen werden.
-
Von
besonderem Vorteil ist, dass dieses Verfahren zu qualitativ guten
Bahnen, insbesondere Leiterbahnen, führt, ohne dass eine Vorbehandlung
des Substrats erforderlich und daher auch nicht vorgesehen ist.
Auch die hohe Flexibilität
durch das maskenfreie Aufbringen macht dieses Verfahren besonders wirtschaftlich.
Maßgebend
hierfür
ist, dass für
unterschiedliche Substratmaterialien keine Anpassung der Prozessparameter
erforderlich ist. Das bedeutet, dass in Abhängigkeit des speziellen Geräteaufbaus der
Spritzvorrichtung unabhängig
von der Wahl des Substratmaterials lediglich ein Parametersatz eingestellt
zu werden braucht und mit diesem Parametersatz die unterschiedlichsten
Substratmaterialien behandelt werden können.
-
Für die wirtschaftliche
Anwendung ist es unabdingbar, dass das Verfahren zuverlässig in
einem kontinuierlichen Prozess integriert werden kann. Erst dies
ermöglicht
es, das Verfahren beispielsweise im Rahmen einer Produktionsstraße an einem
Förderband
einzusetzen. Mit dem Verfahren bzw. der entsprechenden Vorrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens muss daher ein mehrstündiger und vorzugsweise auch
mehrtägiger
Betrieb ohne Wartungsarbeiten und Unterbrechungen ermöglicht sein.
Aufgrund des direkten Einbringens des Pulvers in die Spritzlanze
und der dort ablaufenden Prozesse zur Erzeugung des Plasmas besteht
jedoch die Gefahr, dass durch Ablagerungen des zugeführten Pulvers innerhalb
der Spritzlanze ein kontinuierlicher Betrieb gefährdet ist.
-
Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist daher unter einem Winkel schräg zur Längsrichtung an
der Spritzlanze ein Zuführstutzen
für das
Pulver vorgesehen. Hierbei sind der Winkel, der Gasstrom, also im
Wesentlichen der Strom des ionisierten Gases, sowie der Trägergasstrom,
derart aufeinander abgestimmt, dass das Pulver vom Zuführstutzen
entlang einer bogenförmigen
Bahn zur Austrittsöffnung gelangt,
ohne dass es in Kontakt mit Einrichtungen oder Wandungen der Spritzlanze
kommt. Durch diese spezielle Einstellung der Prozessparameter, in Abhängigkeit
der genannten Bedingungen sowie eventuell weiterer Bedingungen,
ist sichergestellt, dass es beispielsweise zu keinen Anbackungen
im Bereich der Austrittsöffnung
kommt, die diese allmählich
zusetzen würden.
Auch ist durch diese Maßnahmen
verhindert, dass sich einzelne Partikel beispielsweise an den Innenwänden der
Spritzlanze oder auch an einer Kathode zur Erzeugung des Lichtbogens
ablagern. Der Winkel liegt hierbei vorzugsweise zwischen 20° und 70°, insbesondere
im Bereich zwischen 20° und
30°. Unter
diesem Winkel ergibt sich eine besonders geringe Ablenkung bei gleichzeitig
kompakter Ausgestaltung, so dass das Pulver auf einem annähernd direkten
Weg zur Austrittsöffnung
gelangt.
-
Um
einen kontinuierlichen und störungsfreien
Betrieb zuverlässig
zu erhalten ist die Austrittsöffnung
von den Zuführstutzen
vorzugsweise etwa lediglich wenige Zentimeter, bevorzugt lediglich
etwa 1 cm beabstandet. Bezugspunkt ist hierbei eine Mittenlinie
des Zuführstutzens.
Gleichzeitig oder alternativ ist der Zuführstutzen zu der Kathode im
Bereich von etwa 5–7
cm beabstandet. Dieser Abstand wird hierbei in Abhängigkeit
des verwendeten Materials für das
Pulver eingestellt. Je niedrig schmelzender das Material ist, desto
kleiner ist der Abstand zu der Kathode. Bei der Verwendung von Zinn
liegt dieser Abstand daher im unteren Bereich von 5 cm, wohingegen
bei der Verwendung des im Vergleich zum Zinn höher schmelzenden Kupfers der
Abstand im oberen Bereich liegt.
-
Weiterhin
ist für
einen kontinuierlichen Betrieb gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung vorgesehen,
dass das ionisierbare Gas sowie das Trägergas etwa unter dem gleichen
Druck in die Spritzlanze einströmen.
Es herrschen daher möglichst
gleichmäßige Bedingungen
innerhalb der Spritzlanze und es treten keine übermäßigen Turbulenzen auf. Derartige
Turbulenzen würden
in nachteiliger Weise dazu führen,
dass das zugeführte
Pulver nicht zielgerichtet zu der Austrittsöffnung gelangen könnte. Der
Druck liegt hierbei vorzugsweise im Bereich zwischen 1 und 10 bar
(1·105–10·105 Pa). Insbesondere liegt er im Bereich von
2·105 Pa.
-
Zweckdienlicherweise
ist weiterhin vorgesehen, dass sowohl das ionisierbare Gas als auch
das Trägergas
aus einer gleichen Gasquelle stammen. Ein Gesamt-Gasvolumenstrom wird daher aufgeteilt in
einen Volumenstrom für
das ionisierbare Gas und in einen für das Trägergas. Hierdurch weisen die
beiden Volumen ströme
etwa das gleiche Druckniveau auf. Zweckdienlicherweise liegt hierbei
der Anteil des Trägergases
am Gesamt-Gasvolumenstrom bei etwa 5–15% und insbesondere bei etwa
8%. Der Volumenstrom des Trägergases
liegt vorzugsweise zwischen 10 und 25 l/min und insbesondere im
Bereich zwischen 15–19
l/min.
-
Bevor
das Trägergas
mit dem Pulver der Spritzlanze zugeführt wird, wird das Trägergas durch eine
Dosiervorrichtung geleitet, um das Pulver aufzunehmen. Diese Dosiervorrichtung
umfasst hierbei in einer zweckdienlichen Ausgestaltung einen Pulvervorratsbehälter sowie
eine Dosierkammer, in die das Pulver aus dem Pulvervorratsbehälter unter
Ausnutzung der Gravitationskraft über ein Dosierrohr auf einen
vorzugsweise rotierenden Dosierteller dosiert wird. Vom Dosierteller
wird das Pulver mittels einer Sauglanze aufgenommen. Um dies zu
erreichen wird das Trägergas über einen
Einlass in die Dosierkammer eingeleitet, so dass innerhalb der Dosierkammer etwa
der Druck des Trägergrasstroms
herrscht. Das Trägergas
verlässt
die Dosierkammer wieder über die
Sauglanze. Beim Einströmen
in die Öffnung
der Sauglanze wird das in unmittelbarer Nähe dieser Öffnung befindliche Pulver mitgerissen
und dann durch den Trägergasstrom
mitgetragen.
-
Um
eine möglichst
gleichmäßige und
kontinuierliche Zuleitung von Pulver auf den Dosierteller zu gewährleisten,
wird der Pulvervorratsbehälter zweckdienlicherweise
mit Druck, insbesondere mit dem Druck des Trägergases, beaufschlagt. Hierdurch
wird durch eine konstruktiv einfache Art und Weise das Pulver in
Richtung auf das Dosierrohr gedrückt,
so dass sich vor dem Dosierrohr keine Hohlräume ausbilden. Ergänzend oder
alternativ hierzu wird das Pulver zumindest im Bereich seines Eintritts in
das Dosierrohr Vibrationen ausgesetzt. Hierzu ist der Pulvervorratsbehälter mit
einem geeigneten Vibrator ausgebildet. Beispielsweise vibriert der
Behälter in
seinem unteren Bereich oder ein Vibrationselement dringt direkt
in den Pulvervorrat ein.
-
Vorzugsweise
weist der Dosierteller eine umlaufende Nut auf, in die das Dosierrohr
und die Sauglanze bevorzugt an etwa gegenüberliegenden Positionen eintauchen.
Die Breite der Nut ist hierbei lediglich geringfügig, beispielsweise um ein geringes
Toleranz- oder Spaltmaß von
wenigen Zehntel-Millimeter, größer als
der Außendurchmesser
insbesondere der Sauglanze. Insgesamt wird hierdurch im Bereich
der Öffnung
der Sauglanze, die in der Nut liegt, eine hohe Einströmgeschwindigkeit
erreicht, so dass das Pulver zuverlässig mitgerissen wird.
-
Die
Dosierung wird hierbei zweckdienlicherweise derart eingestellt,
dass eine Pulverauftragsrate im Bereich von 1–20 g/min und insbesondere
von etwa 5 g/min eingestellt wird. Bei einer Pulverauftragsrate
von 5 g/min bei der Verwendung insbesondere von Zinn wird hierbei
der Volumenstrom des Trägergases
auf etwa 17 l/min eingestellt.
-
Zur
Erzeugung der Bahn mit einer möglichst scharten
und gleichmäßigen Begrenzung
der Bahnbreite ist die Spritzlanze zweckdienlicherweise in einem
Spritzabstand im Bereich zwischen 3 und 35 mm vom Substrat beabstandet.
Bei der Verwendung von Zinn hat sich ein Spritzabstand im Bereich
von etwa 10 mm als besonders vorteilhaft herausgestellt.
-
Weiterhin
ist vorgesehen, dass die Spritzlanze mit einer Relativgeschwindigkeit
im Bereich von 10 mm/min–90
mm/min bezüglich
des Substrats verfahren wird. Prinzipiell ist es hierbei auch möglich, dass
das Substrat verfahren und die Spritzlanze ortsfest gehalten wird.
-
Zweckdienlicherweise
wird die Breite der aufgespritzten Bahn durch Einstellung der Relativgeschwindigkeit
eingestellt. Je höher
die Geschwindigkeit ist, desto schmaler ist Bahn. Untersuchungen
haben zudem gezeigt, dass durch Variation der Relativgeschwindigkeit
es ermöglicht
ist, eine Unterbrechung der Bahn zu erzielen, ohne den eigentlichen Spritzetrieb
unterbrechen zu müssen.
Dies wird nun vorzugsweise dafür
herangezogen, um Unterbrechungen der Leiterbahn allein durch eine
Erhöhung der
Relativgeschwindigkeit zu erzielen. Hierdurch besteht die vorteilhafte
Möglichkeit,
unterschiedliche elektrische Leiterbahnen, die nicht in elektrischem Kontakt
miteinander stehen, in einem kontinuierlichen Spritzverfahren zu
erzeugen, ohne dass der Spritzbetrieb eingestellt werden müsste. Um
die Unterbrechung auszubilden, wird die Relativgeschwindigkeit kurzfristig
auf einen Wert insbesondere größer 100
mm pro Minute erhöht.
-
Zweckdienlicherweise
dient die aufgebrachte leitfähige
Bahn als Heizleiterbahn, die insbesondere mäanderförmig aufgebracht wird. Bevorzugt
ist diese Heizleiterbahn zur Beheizung eines Spiegels, insbesondere
eines Kraftfahrzeug-Spiegels vorgesehen.
-
Daneben
sind prinzipiell eine Vielzahl von weiteren Anwendungsmöglichkeiten
gegeben, um die elektrisch leitfähige
Bahn für
Heizzwecke oder zur Beheizung von speziellen Bauteilen heranzuziehen.
-
Generell
wird die Leiterbahn für
elektrische Bauteile herangezogen, bei denen die elektrische Leitfähigkeit
ausgenutzt wird. Insbesondere dient hierbei die Leiterbahn mit ihrem
direkten Aufbringen auf ein Bauteil, beispielsweise auf ein Kraftfahrzeug-Bauteil,
zur Stromführung
im Rahmen eines Bordnetzes. Die Leiterbahn kann aufgrund ihrer Leitfähigkeit
aber auch als Abschirmung, als elektrischer Kontakt, als Antenne
etc. ausgebildet sein. Die Ausbildung der Antenne ist hierbei insbesondere
im Rahmen einer so genannten RFID-Anwendung (Radio Frequency Identification)
vorgesehen sein. Durch die Ausbildung unterschiedlich breiter Leiterbahnteilstücke können auch
Sicherungselemente etc. ausgebildet werden.
-
Daneben
besteht mit diesem Verfahren prinzipiell auch die Möglichkeit,
Beschichtungen etc. vorzunehmen.
-
Zweckdienlicherweise
wird dieses Verfahren eingesetzt, um die erzeugte Bahn durchgehend
auf einander angrenzende Substrate unterschiedlicher Materialien
aufzubringen. Hierbei wird in vorteilhafter Weise ausgenutzt, dass
die Haftung nahezu materialunabhängig
ist. Materialübergänge können daher problemlos überspritzt
werden. Dies ist insbesondere bei Hybridbauteilen von besonderem
Vorteil, bei denen unterschiedliche Materialien miteinander verbunden
sind.
-
Das
Verfahren eignet sich insbesondere auch zur Durchkontaktierung von
Leiterplatten, beispielsweise in der Leistungselektronik. Hierzu
wird ein Durchtrittsloch in der Leiterplatte für eine Leistungselektronik
mit der elektrisch leitfähigen
Beschichtung versehen. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Relativgeschwindigkeit
gleich null ist.
-
Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
weiterhin gelöst
durch eine Vorrichtung zum Aufspritzen einer Bahn, insbesondere
Leiterbahn, mit den Merkmalen des Anspruchs 22.
-
Zweckdienlicherweise
ist die Spritzlanze zweiteilig ausgebildet und umfasst ein Plasmarohr, an
das ein Lanzenkopf austauschbar befestigt ist. Der Lanzenkopf weist
den Zuführstutzen
sowie die Austrittsöffnung
auf. Durch die Austauschbarkeit können durch unterschiedlich
ausgebildete Lanzenköpfe unterschiedliche
Bahnen erzeugt werden, die sich beispielsweise im Hinblick auf Ihre
Bahnbreite unterscheiden. Auch besteht die Möglichkeit, durch unterschiedlich
ausgebildete Lanzenköpfe,
bei denen beispielsweise die Lage und Orientierung des Zuführstutzens
unterschiedlich ist, die Lanzenköpfe
an unterschiedliche Pulverarten anzupassen. Zweckdienlicherweise
sind hierbei die unterschiedlich ausgebildeten Lanzenköpfe automatisch
und in einfacher Weise austauschbar, indem sie in einer Wechseleinheit,
beispielsweise einem Revolverkopf, aufbewahrt sind.
-
Die
Aufgabe wird weiterhin gelöst
durch eine Dosiervorrichtung zum dosierten Zuführen von Pulver in einem Trägergasstrom
zu einer Spritzlanze gemäß Anspruch
25 sowie durch ein elektrisches Bauteil gemäß Anspruch 26. Das elektrische
Bauteil ist insbesondere ein beheizbarer Spiegel.
-
Die
im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und bevorzugten
Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf
die Vorrichtung, die Dosiervorrichtung, und/oder das elektrische
Bauteil übertragbar.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen hierin jeweils in schematischen und teilweise stark vereinfachten
Darstellungen:
-
1 eine
Querschnittsdarstellung durch eine Spritzlanze zur Erläuterung
des Spritzverfahrens,
-
2 eine
Querschnittdarstellung einer Dosiervorrichtung,
-
3 eine
Aufsicht auf einen Dosierteller,
-
4 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
des Gesamtprozesses sowie
-
5A, 5B eine
Schnittansicht bzw. Aufsicht auf einen beheizbaren Spiegel.
-
In
den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
-
Zum
Aufbringen einer Bahn, insbesondere einer Leiterbahn 2 auf
ein Substrat 4, insbesondere aus einem Isolationsmaterial,
wird die in 1 dargestellte Spritzlanze 6 verwendet.
Zum Erzeugen der Leiterbahn 2 wird die Spritzlanze 6 relativ
zum Substrat verfahren. Hierbei wird die Spritzlanze 6 insbesondere
an einer Verstelleinrichtung befestigt, die eine Verstellmöglichkeit
entlang von drei Achsen aufweist, also innerhalb der durch das Substrat 4 definierten
X-Y-Ebene als auch innerhalb einer Z-Richtung, die durch die Längsrichtung 8 der
Spritzlanze definiert ist. Die Verstelleinrichtung ist hierbei beispielsweise
eine mehrachsige, mit Linearantrieben ausgebildete Einrichtung.
Alternativ hierzu ist die Verstelleinrichtung ein mehrachsiger,
insbesondere sechsachsiger Industrieroboter. In diesem Fall ist
die Spritzlanze 6 an einer Roboterhand des Industrieroboters
befestigt.
-
Die
Spritzlanze 6 wird über
dem Substrat 4 verfahren, um ein durch die Bewegung der
Spritzlanze 6 definiertes Leiterbahnmuster zu erzeugen.
Es wird hierbei keinerlei Maskierungshilfe verwendet. Das Leiterbahnmuster
wird allein durch die Relativbewegung des Substrats 4 bezüglich der
Spritzlanze 6 definiert. Auch ist keinerlei Vorbehandlung
des Substrats 4 vorgesehen. Vielmehr wird die Leiterbahn 2 unmittelbar
auf die Oberfläche
des Substrats 4 aufgebracht.
-
An
der Spritzlanze
6 kann bei Bedarf eine Saugglocke
10 befestigt
sein, die in
1 punktiert dargestellt ist.
An dieser Saugglocke ist ein hier nicht näher dargestellter Sauganschluss
angeordnet, mit dessen Hilfe ein Unterdruck in der Saugglocke
10 eingestellt
wird. Hierdurch besteht die Möglichkeit, überschüssiges Material
abzusaugen und gegebenenfalls einer Wiederverwertung zuzuführen. Die Verwendung
einer derartigen Saugglocke ist beispielsweise bei einem aus der
WO 02/058887 A1 zu entnehmenden
Beschichtungsverfahren bekannt. Vorzugsweise erfolgt das Aufbringen
der Leiterbahn
2 ohne Saugglocke
10. Dies bringt
insbesondere bei dreidimensional konturierten Substraten
4 Vorteile, da
eine Abdichtung zur Erzeugung des Unterdrucks in der Saugglocke
4 in
diesen Fällen
nicht oder nur sehr schwer möglich
ist. Vielmehr kann ohne Saugglocke
10 die Spritzlanze
6 frei
und beliebig auch über
komplexe Oberflächenstrukturen
des Substrats
4 geführt
werden.
-
Die
Spritzlanze 6 selbst ist ein in etwa rohrförmiges Gebilde,
das sich in Längsrichtung 8 erstreckt.
Die Spritzlanze 6 ist in zwei Modulteile unterteilt, nämlich einen
unteren Lanzenkopf 6A und ein oberes Plasmarohr 6B.
Diese beiden Bauteile sind miteinander lösbar befestigt. Innerhalb des
Plasmarohrs 6B wird das Plasma im Betrieb erzeugt. Im Lanzenkopf 6A erfolgt
die Zuführung
des Pulvers in die Spritzlanze 6. Insbesondere ist der
Lanzenkopf 6A angeschraubt oder auch durch eine Schnellverbindungsart,
wie beispielsweise eine Bajonettverbindung, an dem Plasmarohr 6B befestigt.
Durch diese lösbare
Befestigung lässt
sich der Lanzenkopf 6A problemlos austauschen und durch
einen anderen ersetzten. Insbesondere lässt sich durch diese Maßnahme ein
einfacher „Werkzeugwechsel" durchführen, um
beispielsweise Leiterbahnen 2 mit unterschiedlichen Leiterbahnbreiten
zu erzeugen.
-
Im
bzw. am Plasmarohr 6B ist eine Kathode 12 sowie
eine Zuführung 14 für ein ionisierbares
Gas, insbesondere Stickstoff N vorgesehen. An seiner Oberseite ist die
Spritzlanze 6 durch einen isolierenden Deckel verschlossen.
Gegenüberliegend
am andern stirnseitigen Ende weist die Spritzlanze 6 eine Austrittsöffnung 16 auf.
Im unteren Bereich unterhalb der Kathode 12 und als Teil
des Lanzenkopfes 6A ist seitlich ein Zuführstutzen 18 angeordnet.
Die Spritzlanze 6 zumindest im unteren Bereich unterhalb
der Kathode weist einen Innendurchmesser d1 im Bereich von etwa
1 cm und beispielsweise von 8 mm auf. Der Durchmesser d2 der Austrittsöffnung 16 liegt bei
diesem Ausführungsbeispiel
im Bereich von wenigen Millimetern, beispielsweise von 3 mm. Der
Innendurchmesser d1 beträgt
allgemein etwa das zwei- bis fünffache
des Durchmessers d2 der Austrittsöffnung 16. Prinzipiell
lässt sich
die Austrittsöffnung über einen
weiten Bereich beispielsweise von 0,2 mm bis zu 10 mm oder auch
darüber
variieren. Bei den größeren Durchmessern
wird der ein entsprechend größerer Innendurchmesser
d1 gewählt.
-
Der
Zuführstutzen 18 ist
von der Austrittsöffnung 16 um
einen Abstand a1 zu der Austrittsöffnung 16 beabstandet.
Gleichzeitig ist der Zuführstutzen 18 zu
der Kathode 12 um einen Abstand a2 beabstandet. Der Abstand
wird hierbei jeweils gemessen ausgehend von der Mitte der Eintrittsöffnung des
Zuführstutzens 18.
Der Abstand a1 beträgt
etwa 1 cm, insbesondere bei der Verwendung von Zinn als Spritzmaterial.
Der Abstand a2 liegt demgegenüber
in einem Bereich von 5–7
cm, bei Zinn wird ein Abstand von etwa 5 cm eingestellt. Der unterschiedliche
Abstand a1, a2 wird durch die Wahl von unterschiedlich ausgebildeten
Lanzenköpfen 6A eingestellt.
In Abhängigkeit
von unterschiedlichen Spritzmaterialien werden daher vorzugsweise
unterschiedliche Lanzenköpfe 6A herangezogen.
-
Die
Austrittsöffnung 16 ist
wiederum um einen Spritzabstand a3 von der Oberfläche des
Substrats 4 beabstandet. Dieser Abstand liegt im Bereich zwischen
3 und 35 mm. Bei Zinn hat sich ein Abstand von etwa 1 cm als geeignet
herausgestellt. Durch diesen vergleichsweise sehr kurzen Spritzabstand
a3 lassen sich diskrete, scharf begrenzte Leiterbahnen 2 problemlos
erzeugen.
-
Im
Betrieb wird an die Kathode 12 eine Spannung, insbesondere
eine Wechselspannung, angelegt. Im Ausführungsbeispiel wird hierbei
eine Wechselspannung mit einer Frequenz von mehreren kHz, insbesondere
von 14 kHz angelegt. Durch diese hohe Spannung entsteht ein nicht
ortsfester Lichtbogen 20 zwischen der Kathode und der als
Anode wirkenden zylinderförmigen
Wandung der Spritzlanze 6. Die elektrische Leistung, mit
der die Spritzlanze 6 betrieben wird, liegt im Ausführungsbeispiel
vorzugsweise im Bereich von einigen 100 Watt, beispielsweise im
Bereich zwischen 300 und 500 W.
-
Gleichzeitig
wird von oben über
die Zuführung 14 das
ionisierbare Gas G, im Ausführungsbeispiel
Stickstoff, unter einem Druck im Bereich von einigen bar, vorzugsweise
von 2 bar zugeführt.
Das Gas G wird aufgrund des Lichtbogens 20 ionisiert und
bildet ein Plasma 22. Dieses ist in der 1 schematisch
durch eine Plasma-Wolke dargestellt. Dieses Plasma 22 breitet
sich in Richtung zur Austrittsöffnung 16 aus,
wie durch die Pfeile dargestellt ist. Aufgrund der nur geringen
elektrischen Leistung, die eingebracht wird, handelt es sich hierbei
um ein kaltes Plasma mit Temperaturen deutlich unter 3000 K.
-
Weiterhin
wird über
den Zuführstutzen 18 ein Partikelstrom
TP in den Innenraum der Spritzlanze 6 im
Bereich des Lanzenkopfs 6A eingebracht. Der Partikelstrom
TP ist gebildet durch einen Volumenstrom
eines Trägergases
T, im Ausführungsbeispiel ebenfalls
Stickstoff, sowie von einzelnen Partikeln eines Pulvers P, das als
Spritzmaterial herangezogen wird. Im Ausführungsbeispiel wird als Pulver
P ein Zinnpulver verwendet mit einer Teilchengröße im Bereich von beispielsweise
1 μm bis
100 μm Partikeldurchmesser,
Der Volumenstrom des Trägergases
T ist beispielsweise auf 17 Liter pro Minute eingestellt. Gleichzeitig
ist der Partikelstrom des Pulvers P auf 5 Gramm pro Minute eingestellt.
Das Trägergas
T wird ebenfalls unter einem Druck von wenigen Bar, vorzugsweise
unter dem gleichen Druck wie das Gas G, also im Ausführungsbeispiel
von 2 bar, zugeführt.
Der Partikelstrom TP tritt hierbei zu der
Mittenrotationsachse der Spritzlanze 6 und damit zu der
Längsrichtung 8 unter
einem Winkel α in
die Spritzlanze 8 ein. Der Winkel α entspricht hierbei dem Winkel,
unter dem der Zuführstutzen 18 gegenüber der
Längsrichtung 8 geneigt
ist. Der Winkel α liegt
in einem Bereich zwischen 20 und 30°.
-
Durch
die im Ausführungsbeispiel
gewählten Prozessparameter
wird in Verbindung mit dem Winkel α erreicht, dass der Partikelstrom
TP bogenförmig zu der Austrittsöffnung 16 gelangt,
ohne dass einzelne Partikel des Pulvers P mit der Kathode 12 oder
einem Wandungsbereich an der Austrittsöffnung 16 in Kontakt
kommen. Es bilden sich daher keine den kontinuierlichen Betrieb
störende
Ablagerungen etc. Insgesamt haben sich die hier beschriebenen Prozessparameter
als besonders vorteilhaft bei der Verwendung von Zinn als Pulver
P herausgestellt. Insbesondere die dynamischen Prozessparameter,
die Volumenströme
des Gases G, des Trägergases
T sowie der Massenstrom des Pulvers P haben sich als besonders vorteilhaft
erwiesen, um einen stabilen dauerhaften Betrieb zu erreichen. Die
Zuführung
des Partikeistroms TP ist besonders kritisch,
um einen dauerhaften Betrieb sicherzustellen.
-
Von
entscheidender Bedeutung für
den erforderlichen kontinuierlichen Betrieb ist daher insbesondere
auch die Zudosierung des Partikeistroms TP. Dessen
Bereitstellung wird nunmehr im Zusammenhang mit den 2 und 3 näher ausgeführt. 2 zeigt
hierbei eine schematische Querschnittsdarstellung einer Dosiervorrichtung 24.
Diese umfasst einen Pulvervorratsbehälter 26, der auf eine
Dosierkammer 28 aufgesetzt ist. In dem Pulvervorratsbehälter 26 wird
das Pulver P bevorratet. Über
Versorgungsleitungen 30 lässt sich in Verbindung mit
einem Füllstandssensor 32 automatisch
eine zu jeder Zeit ausreichende Menge an Pulver P bereitstellen. Am
unteren Ende der Dosierkammer 28 ist diese trichterförmig ausgebildet
und mündet
in ein Dosierrohr 34, welches in die Dosierkammer 28 eindringt. Das
Dosierrohr 34 endet mit seiner Mündungsöffnung in einer Ringnut 36 eines über einen
Elektromotor 38 rotierbaren Dosiertellers 40.
Die Drehgeschwindigkeit des Dosiertellers 40 ist in Abhängigkeit der
gewünschten
Auftragsrate Variierbar und beträgt beispielsweise
5 bis 45 Umdrehungen pro Minute, bei einem Durchmesser der Ringnut 36 von
etwa 25 mm. Gegenüberliegend
zum Dosierrohr 34 taucht in die Ringnut 36 eine
Sauglanze 42 mit ihrer Eintrittsöffnung ein. Die Sauglanze 42 sowie
das Dosierrohr 34 weisen den gleichen Innendurchmesser
von wenigen mm, beispielsweise von etwa 2 mm auf. Korrespondierend
hierzu weist die Ringnut 36 eine Breite auf, die etwas
oberhalb des Außendurchmessers
der Sauglanze 42 bzw. des Dosierrohrs 34 liegt.
Im Ausführungsbeispiel
weist die Ringnut 36 daher eine Breite von etwa 2 mm auf.
Gleichzeitig weist die Ringnut 36 eine Tiefe von wenigen
Millimetern, beispielsweise von etwa 1 mm auf.
-
Beim
Betrieb wird über
eine Zuleitung 44 das Trägergas in die Dosierkammer 28 geleitet. Über eine
Zweigleitung 46 wird zugleich auch der Pulvervorratsbehälter 26 mit
dem Druck des Trägergases
T beaufschlagt. Die Versorgungsleitungen 30 sind üblicherweise über hier
nicht näher
dargestellte Ventile gesperrt, so dass das Trägergas T nicht über diese Leitungen
entweicht. Durch diese Maßnahme
ist der Pulvervorratsbehälter 26 unter
Druck gesetzt, so dass das Pulver P in Richtung zu dem Trichter
gedrückt
wird. Zusätzlich
ist ein Vibrationselement (nicht dargestellt) vorgesehen, welches
dafür sorgt, dass
das Pulver P gleichmäßig über das
Dosierrohr 34 nachgeführt
wird. Das Pulver P gelangt über
das Dosierrohr 34 in die Ringnut 36. Durch die
Rotation des Dosiertellers 40 wird die Ringnut 36 kontinuierlich über das
Dosierrohr 34 mit Pulver zumindest teilweise angefüllt.
-
Über die
Sauglanze 42 verlässt
das Trägergas
T die Dosierkammer 28 wieder. Hierzu strömt das Trägergas T über die
in der Ringnut 36 angeordnete Öffnung der Sauglanze 42 in
diese ein. Hierbei wird das sich in der Ringnut 36 befindliche
Pulver P mitgerissen und vollständig
mit eingesaugt, so dass über
die Sauglanze 42 der Partikelstrom TP aus
der Dosiereinrichtung 24 entweicht und zu dem Zuführstutzen 18 der
Spritzlanze 6 zugeführt
wird.
-
Das
Gesamtverfahren wird nochmals anhand der 4 beschrieben.
-
Aus
einer zentralen Gasversorgung 48 (Inertgas, insbesondere
Stickstoff) wird ein Gesamt-Gasstrom GG bereitgestellt.
Dieser wird über ein
hochgenaues Druck-Steuergerät 50 geführt und auf
den gewünschten
Betriebsdruck von im Ausführungsbeispiel
2 bar gedrosselt. Im Anschluss an das Drucksteuergerät 50 wird
der Gesamt-Gasstrom GG in den Gasstrom G
und den Trägergasstrom
T aufgeteilt. Der Gasstrom G wird der Zuführung 14 der Spritzlanze 6 zugeleitet.
Der Träger gasstrom
T wird der Dosiereinrichtung 24 zugeführt und dort wiederum aufgeteilt,
wie zu 2 beschrieben. In der Dosiereinrichtung 34 vermischt
sich das Trägergas
T mit dem Pulver P und wird als Partikelstrom TP dem
Zuführstutzen 18 zugeführt. Abgesehen
von dem durch die zentrale Gasversorgung 48 bereitgestellten Druck
sind keine weiteren Fördereinrichtungen
vorgesehen. Der gesamte Prozess wird insbesondere automatisch gesteuert
und geregelt mit Hilfe einer Steuereinrichtung 52. Diese
steuert und regelt daher die einzelnen Komponenten wie Spritzlanze 6,
Dosiereinrichtung 24, Drucksteuergerät 50 sowie eine Pulverversorgungseinheit 54,
für die
gegebenenfalls eine Pulverfördereinrichtung
vorgesehen sein kann. Insbesondere steuert die Steuereinheit 52 auch
die Energieversorgung der Spritzlanze 6 und übernimmt beispielsweise
auch die Ansteuerung eines Industrieroboters, mit dessen Hilfe die
Spritzlanze 6 verfahren wird. Die Steuereinheit 52 kann
hierbei auf mehrere Einzelkomponenten aufgeteilt sein.
-
In
der 4 ist weiterhin beispielhaft eine Wechseleinheit 56 dargestellt,
die Parkpositionen für mehrere
unterschiedliche Lanzenköpfe 6A bereitstellt.
die Wechseleinheit ist beispielsweise ein insbesondere unmittelbar
an der Verstelleinrichtung (Roboterhand) angeordnetes (Dreh-)Magazin
(Revolverkopf). Hiermit ist ein schneller und automatischer Wechsel
des Lanzenkopfes 6A ermöglicht.
Somit ist es mit nur einer Verstelleinrichtung möglich, unterschiedlichste Leiterbahnen 2 zu
erzeugen.
-
Anhand
der 5A, 5B wird nunmehr ein Anwendungsfall
für das
Aufbringen einer Leiterbahn 2 auf ein elektrisches Bauteil
am Beispiel eines beheizbaren Spiegels 60 dargestellt.
Der Spiegel 60 umfasst, wie aus 5A zu
entnehmen ist, eine Glasschicht 61, auf die eine aus Chrom
bestehende Reflexionsschicht 62 aufgebracht ist. An diese schließt sich
wiederum eine Grundschicht 64, insbesondere bestehend aus
einem Decklack an. Auf dieser ist die Leiterbahn 2 mäanderförmig ausgebildet. Ihre
Enden sind mit elektrischen Kontakten 66 versehen. Diese
dienen zum Anschluss von Leitungen 68, beispielsweise über Stecker 70. Über die
mäanderförmige Leiterbahn 2 ist
eine Splitterschutzschicht 72 angebracht, auf der wiederum
eine Trägerplatte 74 angeordnet
ist. Die Reflexionsschicht 62 weist eine Dicke von wenigen μm auf. Auch
die Grundschicht 64 weist eine Dicke im μm-Bereich
auf und ist geringer als 1 mm.
-
Mit
dem hier beschriebenen Verfahren lässt sich die Leiterbahn 2 als
Heizbahn aufbringen, ohne dass die Grundschicht 64 übermäßig beansprucht und
insbesondere beschädigt
wird. Durch diese Maßnahme
ist daher ein effizientes, schnelles und zugleich betriebssicheres
Aufbringen der als Heizbahn ausgeführten Leiterbahn 2 ermöglicht.
-
Neben
diesem hier beschriebenen speziellen Anwendungsgebiet für einen
elektrisch beheizbaren Spiegel 60 lassen sich mit dem hier
beschriebenen Verfahren auch die unterschiedlichsten elektrischen
Bauteile mit einer Leiterbahn 2 versehen. Beispielsweise
lassen sich hierdurch ganze Kabelsätze unmittelbar auf einem Bauteil
durch Aufspritzen generieren. Grundsätzlich lässt sich die Leiterbahn 2 als Heizleiter
auf den unterschiedlichsten Substraten und für unterschiedlichste Anwendungen
aufbringen. Mit der Leiterbahn 2 lassen sich auch elektrische Funktionselemente,
wie beispielsweise Antennen, Widerstände, Abschirmungen etc. ausbilden,
indem die Eigenschaften der Leiterbahn 2 geeignet eingestellt
werden. Schließlich
bietet sich dieses Verfahren auch zur Ausbildung von Kontakten und
Kontaktelementen an. Beispielsweise zur Durchkontaktierung von Leiterplatten
insbesondere in der Leistungselektronik oder auch zur Kontaktierung
von Piezo-Elementen.
-
Insgesamt
zeichnet sich das hier beschriebene Verfahren durch seine sehr hohe
Flexibilität, seinen
universellen Einsatz auf unterschiedlichsten Materialien, seine
Dauerbetriebsfähigkeit
sowie die schonende Behandlung des Substrats 4 aufgrund der
nur geringen eingebrachten Energie aus.
-
- 2
- Leiterbahn
- 4
- Substrat
- 6
- Spritzlanze
- 6A
- Lanzenkopf
- 6B
- Plasmarohr
- 8
- Längsrichtung
- 10
- Saugglocke
- 12
- Kathode
- 14
- Zuführung
- 16
- Austrittsöffnung
- 18
- Zuführstutzen
- 20
- Lichtbogen
- 22
- Plasma
- 24
- Dosiereinrichtung
- 26
- Pulvervorratsbehälter
- 28
- Dosierkammer
- 30
- Versorgungsleitung
- 32
- Füllstandssensor
- 34
- Dosierrohr
- 36
- Ringnut
- 38
- Elektromotor
- 40
- Dosierteller
- 42
- Sauglanze
- 44
- Zuleitung
- 46
- Zweigleitung
- 48
- zentrale
Gasversorgung
- 50
- Drucksteuergerät
- 52
- Steuereinheit
- 54
- Pulverversorgungseinheit
- 60
- beheizbarer
Spiegel
- 61
- Glasschicht
- 62
- Reflexionsschicht
- 64
- Grundschicht
- 66
- Kontakt
- 68
- Leitung
- 70
- Stecker
- 72
- Splitterschutz
- 74
- Trägerplatte
- a1
- Abstand
18–16
- a2
- Abstand
18–20
- a3
- Spritzabstand
- d1
- Innendurchmesser
Spritzlanze
- d2
- Durchmesser
Austrittsöffnung
- α
- Winkel
- G
- ionisierbares
Gas
- P
- Pulver
- T
- Trägergas
- TP
- Partikelstrom
- TG
- Gesamt-Gasstrom