DE102012009345A1

DE102012009345A1 - Verfahren zur Herstellung eines leitfähigenSchichtbereichs mit vorbestimmbaren Querschnittsowie Bauteil.

Info

Publication number: DE102012009345A1
Application number: DE201210009345
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2013-11-14

Abstract

Verfahren zum Bilden eines leitfähigen Schichtbereichs (14, 15) auf einer Substratoberfläche (10) 2D oder 3D, wobei mittels einer digital gesteuerten Aufbringeinrichtung (21) die Tröpfchen einer aushärtbaren Substanz (11), der leitfähige Partikel beigemengt sind, in einer vorbestimmbaren Menge auf eine Oberfläche abgespritzt werden. Über das Steuerprogramm (20) wird eine geometrische Form eines flüssigen/pastösen Schichtbereichs (13) durch Tröpfchen (11) gebildet. Die Merkmale der Volumenschwindung (12) durch den nachfolgenden Trocknungs- oder Laserprozess (22, 23) des Schichtbereichs wird im Steuerprogramm so berücksichtigt, dass durch die kontaktierenden/verschmolzenen leitfähigen Partikel eine vorbestimmbare Geometrie und elektrische Leitfähigkeit gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung von leitfähigen Schichtbereichen mit vorbestimmbaren Querschnittgeometrien und deren Leitfähigkeit auf Flächen oder Bauteilen.
Bekannt ist, dass leitfähige Substanzen nach unterschiedlichen Aufbringverfahren in flüssiger oder pastöser Form mittels elektronisch gesteuerter Tröpfchen auf eine Oberfläche abgegeben werden und dort härten. Durch diese Technik ist es möglich leitende Strukturen (Leiterbahnen) auf Platinen oder Oberflächen von Körpern oder Bauteilen aufzubringen. Diese leitenden Flüssigkeiten sind darauf ausgelegt, nach ihrem gezieltem Auftrag auf einen Untergrund und ihrem Trocknungsprozess eine Leitfähigkeit auf dem Trägersubstrat zu erreichen. Die leitfähigen Flüssigkeiten werden, wie bekannt, in einer Ausführungsform z. B. durch Beimengung feinster metallhaltiger/leitfähiger Partikel (Blättchen, Tröpfchen) hergestellt. Abhängig von den eingesetzten Druckköpfen (Ink-Jet) oder der mittels Laserverfahren aufgebrachten Tröpfchen ist die Konsistenz von leitfähigen Partikeln in den Substratflüssigkeiten beigemengt. So liegen die Feststoffanteile in der Substratlösung bei den Ink-Jet Vefahren beispielsweise zwischen 10–30% und einer Partikelgrösse (Silber) zwischen 100–500 Nanometer. Ferner ist bekannt, dass beispielsweise bei Silbertinten die Leitfähigkeit durch nachträgliche Wärmebehandlung (sintern) noch wesentlich erhöht werden kann.
Die Problemstellung
ergibt sich bei der Herstellung einer leitfähigen Schicht auf einer Oberfläche wo mittels eines digital gesteuerten Aufbringverfahrens Tröpfchen (Substrat) mit einer Beimischung leitfähiger Partikel aufgebracht werden. Bei dem unmittelbar danach erfolgenden Trocknungsprozess wird das Volumen um den lösbaren Anteil erheblich reduziert und somit nur die nichtlöslichen Anteile (Festkörper) den aufgebrachten Schichtbereich bilden. Der auslösbare Anteil durch den Trocknungsprozess kann je nach Verfahren zwischen 50%–90% betragen. Es bleibt also, als gebildeter, leitfähiger Schichtbereich, zwischen 10%–50% der aufgebrachten Funktionsflüssigkeit nach dem Trockenprozess übrig.
Das Problem in der Herstellung eines solchen leitfähigen Schichtbereichs ist, dass die nach dem Trocknungsvorgang sich überlagernden leitfähigen Feststoffpartikel eine nicht vorbestimmbare und konstante leitfähige Schicht bilden. So wird darüber hinaus bei thermischer oder mechanischer Beeinflussung (Dehnung) die Leitfähigkeit der gebildeten leitfähigen Schicht beeinträchtigt oder zerstört.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Möglichkeit zu schaffen, im Herstellungsprozess über ein hinterlegtes Steuerprogramm einen durch digital gesteuerte Flüssigkeitströpfchen hergestellten leitfähigen Schichtbereich/Leiterbahn mit vorbestimmbaren Querschnitt-Geometrien und elektrischen Leistungsmerkmalen auf einer Fläche 2D oder einem Körper 3D herzustellen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass in der Elekro-/Elektronikindustrie z. B. Leiter oder Leiterbahnen mit zuverlässiger Funktionalität und vorbestimmbarer elektrischen Leistungsmerkmalen direkt auf Bauteilen oder Produkten kostengünstig hergestellt werden können. So ist auch mit der Erfindung die Möglichkeit gegeben den bisherigen Lötvorgang zur Kontaktbildung durch eine digital gebildete Verbindung abzulösen. So sind spezifische Funktionsanforderungen auch in kleinen Losgrößen bei 0-Lagerhaltung umsetzbar.
Eine Lösung dieses Problems wird mit dem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
Die Unteransprüche 2 bis 13 sind auf vorteilhafte Durchführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet.
Der Anspruch 14 ist auf nach dem Verfahren hergestellten Bauteil gerichtet.
Die Erfindung, die für unterschiedlichste Anwendungen eingesetzt werden kann, wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
Die Figuren stellen dar:
1 eine schematische Gesamtansicht zur Herstellung eines vorbestimmbaren leitfähigen Schichtbereiches.
2/a, b, c Varianten von Anlagenausführungen zum Aufbringen von leitfähigen Schichtbereichen auf Oberflächen von Substraten.
3/a einen Querschnitt durch ein Substrat mit unterschiedlicher Oberflächengeometrie von darauf aufgebrachten Funktionsschichtbereichen.
3/b eine Substratoberfläche zur Aufbringung von leitfähigen Schichtbereichen.
4 einen Querschnitt durch ein Substrat mit darauf unterschiedlich gebildeten Querschnitten von leitfähigen Schichtbereichen.
5/a Querschnitt zeigt eine stufenförmige Verbindung eines leitfähigen Schichtbereiches von einer erhöhten Kontaktstelle zu einem darunter angeordneten Schichtbereich.
5/b Querschnitt zeigt eine stufenförmige Verbindung eines leitfähigen Schichtbereiches von einem Schichtbereich zu einer darüber angeordneten Kontaktstelle.
Das Verfahren findet bevorzugt in Bereichen zur Herstellung von elektrischen-, oder elektronischen Funktionen oder Bauteilen Anwendung, wo digital gesteuerte Tröpfchen (beispielsweise mittels Digitaldruck) auf eine Oberfläche abgegeben werden und nach ihrem Trocknungsprozess einen dauerhaft leitfähigen Schichtbereich bilden. So können beispielsweise Schaltungen, Schaltkreise oder Leiterbahnen auf festen oder biegefähigen Flächen oder Bauteilen hergestellt werden.
1 stellt schematisch das Verfahren und die Vorrichtung dar. Die Figur weist eine Vorrichtung zum Aufbringen und Herstellen von leitfähigen Schichtbereichen (14, 15) mit einer Aufbringeinrichtung (21), einer Trocknungseinheit (22), optional einer Sinterungseinheit (23), sowie eine Messeinrichtung,
einer Halterung zum Halten oder Führen einer Fläche oder eines Bauteils (34, 35, 36, 37),
einer Bewegungseinrichtung (beispielsweise Mehrachsroboter) mittels der eine Relativbewegung zwischen dem Bauteil und der Aufbringeinrichtung (21), der Trocknungseinrichtung (22) sowie einer Sinterungseinrichtung (23) herstellbar ist, auf.
Aus der Aufbringeinrichtung (21) sind Flüssigkeitströpfchen mit vorbestimmtem Volumen und Vorschub abspritzbar. Die Aufbringeinrichtung ist mit Flüssigkeitsvorratsbehältern verbunden aus denen unterschiedliche Flüssigkeiten (11) für die Bildung leitfähiger Schichtbereiche (13, 14), Haftvermittlungsschicht, Isolationsschicht, Dekorschicht zugeführt werden können.
Zur Steuerung der Relativbewegung (beispielsweise Mehrachsroboter) zwischen der Aufbringeinrichtung (21) zum Abspritzen der Flüssigkeitströpfchen (11) und der Substratoberfläche (10) ist eine elektronische Steuerung (20) vorgesehen, die in unterschiedlichster Weise programmiert sein kann.
Beispielsweise können in der elektronischen Steuereinrichtung (20)

– Leiterbahnenlayout (32) der aufzubringenden Flüssigkeiten
– differenzierte positionsbezogene Mengensteuerung (16, 17) der aufzubringenden leitfähigen Substanzen (11)
– Erstellung einer leitenden Verbindung zu einer Kontaktstelle (43)
– Erzeugung konstanter Schichtdicken und Leitfähigkeit auf gewölbten Oberflächen
– Leistungsmerkmale für Leitfähigkeit von Querschnittgeometrien
– Querschnittgeometrie (33) der aufzubringenden Flüssigkeiten) in Abhängigkeit der Leistungsmerkmale (elektrische Leitfähigkeiten)
– Volumenreduktion (12) und Leitfähigkeit von Schichtbereichen (13) bei Trocknung (22)
– Volumenreduktion (12) und Leitfähigkeit von Schichtbereichen (14) bei Sinterung (23)
– die Kontur der Substratoberfläche (34, 35, 36, 37),
– deren Erstreckung in x-, y-, z-Richtung,
– Relativbewegung zwischen der Aufbringeinrichtung (21), Trocknungseinheit (22), Sinterungseinheit (23), und der Körperoberfläche usw. abgelegt sein.

1a zeigt in der Zeichnung „Abschnitt A” eine digital gesteuerte Aufbringeinrichtung wo einzelne Flüssigkeitströpfchen (11) über ein Steuerprogramm (20) ausgelöst werden und gezielt auf einem Substrat (10) einen geometrischen Schichtbereich (13) bilden.
Eine solche Aufbringeinrichtung kann eine bekannte Ink-Jet Druckeinheit sein bei der die Tröpfchen aus Druckbalken digital ausgelöst und gezielt abgespritzt werden. Eine weitere Ausführungsform einer solchen Aufbringeinrichtung ist mittels eines Lasers, der aus einer Flüssigkeitsschicht ein Tröpfchen auslöst und gezielt auf ein Substrat aufgespritzt wird. Die leitfähigen Substanzen (11) die mittels der Aufbringeinrichtung (21) abgegeben werden sind beispielsweise Flüssigkeiten, Farben und Lacke die auf Wasser basieren (Dispersion), lösemittelhaltig sind, natürliche Harze oder Kunstharze sind, die über UV (Licht) oder Wärme aushärten usw. Den leitfähigen Substanzen (11) können zu ihren leitfähigen Bestandteilen auch härtende Beimengungen wie Korund- oder Glaspartikel eingebracht sein. Darüberhinaus können die Funktionsflüssigkeiten transparent, transluzent oder deckend durch Beimengen von Farbpigmenten weiss, schwarz oder bunt sein. So lassen sich auf einem Substrat Leiterbahnen in unterschiedlichen Farben erzeugen wodurch die Möglichkeit gegeben wird, z. B. Funktionen oder Schaltkreise spezifisch farblich darzustellen. Die Leitfähigkeit in den Substanzen (11) wird durch Beimengung von leitfähigen Partikeln erzielt. Als solche leitfähigen Partikel sind bevorzugt Eisen, Kupfer, Silber, Magnesium, Aluminium, Nickel, Zink, Zinn, Graphit (Kohlenstoff) geeignet. Die leitfähigen Partikel werden bezüglich ihrer Partikelgröße spezifisch dem eingesetzten Aufbringverfahren entsprechend hergestellt. So liegt für die Verwendung im Inkjet Verfahren die Größe der leitfähigen Partikel vorzugsweise zwischen 80–1000 Nanometer. Für die Anwendung im Tröpfchenaufbringverfahren mittels Laserauslösung liegen die Partikelgrössen vorzugsweise zwischen 0.5–2 Mikrometer. Die leitfähigen Partikel sind in runder Form, in Blättchenform oder Röhrenform beimischbar. Geeignet sind auch leitfähige Sandwichpartikel deren Kern mit einer leitfähigen Oberschicht versehen ist. Der Mischungsanteil von leitfähigen Partikeln in den leitfähigen Substanzen (11) beträgt vorzugsweise zwischen 5%–30% für Inkjet-fähige Substanzen (11). Bei mittels Laserauslösung aufbringbare Substanzen liegt die Beimengung von leitfähigen Partikeln vorzugsweise bei einem Anteil von 30%–50%. Von Vorteil ist es, wenn die leitfähigen Substanzen mit einem konstanten Mischungsverhältnis zugeführt werden. Dies wird durch eine vorgelagerte kontinuierliche Vermengung mittels einer mechanischen Vermischungseinrichtung oder einer Vermischung durch Erzeugung von wechselnden Magnetfeldern erzielt werden, usw. Zeichnung „Abschnitt A” zeigt den durch die Tröpfchen der leitfähigen Substanz (11) gebildeten Schichtbereich (13). Die leitfähigen Partikel bilden bedingt ihres höheren Artgewichtes im Bodenbereich eine höhere Dichte.
Wie in Zeichnung „Abschnitt B” gezeigt, wird, um eine Leitfähigkeit herzustellen, in diesem nachfolgenden Schritt mittels einer Trocknungseinheit der lösbare Flüssigkeitsanteil aus dem Schichtbereich (13) ausgelöst. Die leitfähigen Partikel können durch die Flüssigkeitsauslösung über ihren Randbereich untereinander kontaktieren und bilden einen leitfähigen Schichtbereich (14). Je nach geometrischer Ausformung der beigemengten Partikel wird die Leitfähigkeit wesentlich beeinflußt. So sind bei blättchenförmiger Ausbildung der beigemengten leitfähigen Partikel die entstehenden Kontaktflächen und somit auch die Leitfähigkeit erheblich größer.
Je nach der im Steuerprogramm (20) hinterlegten Vorgabe, werden unter Berücksichtigung der Volumenschwindung (13) der vorgegebene Querschnitt und die Leistungsmerkmale erzielt. Das Volumen hat sich hierbei um das Volumen der ausgelösten Flüssigkeitsanteile (12) reduziert (ca 50% bis 95%). Der nachfolgende Trocknungsvorgang kann je nach Substanzaufbau mittels einer Wärmeeinheit oder Licht (wie LED), je nach Energieeinsatz, in einer entsprechenden Zeit erzielt werden. Die Richtwerte der Trocknungseinheit (22) sind ebenfalls im Steuerprogramm hinterlegt.
Wie in Zeichnung „Abschnitt C” gezeigt, kann, um eine weitere Erhöhung der Leitfähigkeit zu erzielen, eine Sinterung (Verschmelzung der leitfähigen Partikeln) erfolgen. Eine nicht dargestellte Ausführungsform kann mittels einer Führung an oder durch einen Wärmebereich die Verschmelzung (sintern) der leitfähigen Partikel bewirken.
Die bevorzugte Ausführungsform wird unter Zeichnung Abschnitt „C” dargestellt. Ein Laser wird exakt auf den im Steuerprogramm (20) hinterlegten Vorgaben von Leiterbahnlayout (30) sowie wie herzustellenden Querschnittgeometrien (33) auf dem Schichtbereich (14) geführt. Der Laser (23) wird so gesteuert, dass ein Verschmelzen (15) der leitfähigen Partikel (sintern) innerhalb der geometrischen Form des leitfähigen Schichtbereichs (15) stattfindet. Bei unterschiedlichen Schichtdicken die in leitfähigen Schichtbereichen gebildet werden sind die Leistungsmerkmale des Lasers (23) entsprechend variabel dem Volumen entsprechend steuerbar. Desweiteren kann der Laser (23) nach einem erstellten Höhenprofil im Steuerprogramm auch unterschiedliche Schichthöhenbereiche und deren Übergänge zur Bearbeitung ansteuern. Eine weitere Reduktion des Volumens des Schichtbereichs (15) findet statt. Durch das Verschmelzen der leitfähigen Partikel zu einem Schichtbereich entsteht eine maximale Leitfähigkeit.
So lassen sich in einem Durchlauf oder in mehreren, hintereinander erfolgenden Verfahrensschritten eine beliebige geometrische Form mit einer leitfähigen Schichtdicke zwischen 0,0001 mm und 1,0 mm auf einem Substrat (10, 34, 35, 36, 37) flächig oder 3D herstellen. Hierzu sind CW-Laser geeignet. Die Schichtbreite einer geometrischen Form, wie die Breite einer Leiterbahn ist so vorzugsweise ab 30 Mikrometer herstellbar. Zur Erzeugung von Mikrostrukturen kann das Verfahren auch in einer Vakuumkammer erfolgen. Hierbei sind vorzugsweise gütegeschaltete Laser mit kurzen Pulsen einsetzbar. Zur Herstellung von Leistungsquerschnitten zur Führung von höheren Stromkapazitäten sind durch Einsatz entsprechender Partikelgrößen und Aufbringvorgängen auch größere Querschnitte wie beispielsweise von 0,25 Quadratzentimeter herstellbar. Geeignete Laser hierfür sind CO₂-Laser, ein Nd:YAG-Laser oder Faserlaser.
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt (nicht dargestellt) kann der erzeugte leitfähige Schichtbereich (14, 15) mit einer mantelbildenden Deckschicht (Isolationsschicht) mit einer vorbestimmbaren Schichtdicke umschlossen werden. Die Deckschicht kann ebenfalls mittels eines digitalen Aufbringverfahrens aus dem im Steuerprogramm hinterlegten Leiterbahnlayout mit einem vergrößerten Randbereich und unterschiedlichen Schichtebenen gebildet sein. Die kapselnde Isolationsschicht kann fest, biegefähig und/oder elastisch ausgebildet sein. Die Deckschicht kann mit vorbestimmten Aussparungen zur Bildung von Kontaktstellen zu leitfähigen Schichtbereichen (15) versehen sein. Eine Kapselung der gebildeten Funktionschicht kann in einer Ausführungsform auch durch das Aufbringen einer Abdeckfolie hergestellt werden.
Durch mehrere, nach dem Verfahren hergestellte, sich überlagernde leitende Schichtbereiche mit entsprechenden dazwischen angeordneten isolierenden Schichtbereiche lassen sich auf einem Substrat (10) komplexe elektrische- und elektronische Funktionen herstellen.
Beispiele für geeignete Materialien von Substraten (10, 34, 35, 36, 37) zum Aufbringen von leitfähigen Schichtbereichen sind:

– feste oder biegefähige Kunststoffe in Form von Platten, Folien Spritzgussteilen oder Formteilen (wie beispielsweise PS, PE, PP, PET, Acryl, Harze),
– Karbon
– sämtliche Bauteile aus Metall oder mit Metalloberflächen
– Holz, Holzwerkstoffe oder Werkstoffe mit Holzanteilen
– Papier, Karton (Papiere mit Anteilen an Füllstoffen, Farbstoffen und/oder Kunststoffen)
– oder Substrate (10) die aus Materialkombinationen bestehen.

Zur Erhöhung einer Haftfähigkeit der Schichtbereiche (14, 15) kann eine Haftvermittlungsschicht auf das Substrat (10) aufgebracht werden. Zur Unterbindung einer Kontaktbildung von leitfähigen Schichtbereichen (14, 15) mit dem Substrat (10) ist eine Isolationsschicht vorab aufbringbar. Haftschicht kann gleich Isolationsschicht sein. Haftschicht und Isolationsschicht können in einem digitalen Aufbringverfahren nach einem im Steuerprogramm hinterlegten Layout ausgeführt werden.
Eine erfindungsgemäße Anwendungsform wird geschaffen wenn ein biegefähiges Material mit einem nach dem Verfahren aufgebrachten leitfähigen Schichtbereich (14, 15) versehen wird und zusätzlich mit einer Selbstklebeschicht (46) ergänzt wird. Hiermit wird die Möglichkeit geschaffen, dass ein biegefähiges Bauteil beispielsweise mit 0.2–1 mm Dicke an beliebiger Stelle und sofort funktionsfähig aufbringbar ist.
Eine Ausführungsform des Substrates (10) mit einem leitfähigen Schichtbereich (14, 15) kann als Endlosband ausgebildet sein. Definierte Abschnittsbereiche können darüberhinaus mit Funktionen belegt und durch eine Perforierung abtrennbar sein.
1/b zeigt ein im Steuerprogramm (20) hinterlegtes Leiterbahnlayout (32). Im Leiterbahnlayout (Datei) werden die zu bildenden leitfähigen Schichtbereiche (14, 15) in ihren entsprechenden Flächengeometrien, deren Mengensteuerung und Schichtdickenbildung hinterlegt. So können hier beispielsweise Leiterbahnen (30) mit unterschiedlichen Abmessungen vorgegeben, funktionserweiternde Bauteile (42) angeordnet sowie kontaktbildende Stellen (43) hinterlegt sein. Die Abmessung der Datei ist entsprechend auf die Geometrie der zu beschichtenden Substratoberfläche (34–36) ausgerichtet. Das Leiterbahnlayout (32) kann als Flächendatei 2D sowie als 3D ausgeführt sein. Die Verrechnung der Abgabemenge der leitfähigen Substanzen (11) zur Bildung eines konstanten Querschnitts (16, 17) einer leitfähigen Schicht auf einer gekrümmten Fläche ist ebenfalls hinterlegt.
1/c zeigt die im Steuerprogramm (20) hinterlegten Informationen für vorbestimmbare elektrische Leistungsmerkmale und deren entsprechenden Querschnitt Geometrien (33). Hinterlegt sind:

– elektrische Leistungsmerkmale von leitfähigen Substanzen (11)
– Volumenreduktion (12) und Leitfähigkeit von Schichtbereichen (13) nach Trocknung (22)
– Volumenreduktion (12) und Leitfähigkeit von Schichtbereichen (14) nach Sinterung (23).

1/d zeigt die im Steuerprogramm (20) hinterlegten Informationen (Kontur) der Substratoberfläche (34, 35, 36, 37) und deren Erstreckung in x-, y-, z-Richtung, auf denen leitfähige Schichtbereiche gebildet werden.
2 zeigt Ausführungsformen von Anlagen zum Aufbringen eines leitfähigen Schichtbereichs (13, 14) auf eine Substratoberfläche (10, 34–37).
2/a
Aufbringeinrichtung (21) steht fest, das Substrat (10, 34–37) wird mittels einer Halterung 2D oder 3D in konstantem Abstand zur Aufbringeinrichtung geführt.
2/b
Substrat (10, 34–37) steht fest, Aufbringeinrichtung (21) wird 2D oder 3D in konstantem Abstand zur Substratoberfläche geführt.
2/c
Halterung mit Substrat (10, 34–37) und Aufbringeinrichtung (21) sind 2D oder 3D beweglich führbar. Zwischen Substratoberfläche und Aufbringeinrichtung ist eine relative Bewegung mit konstantem Abstand steuerbar. 2D bezeichnet eine steuerbare Bewegung in X- und Y-Achse. 3D bezeichnet eine steuerbare Bewegung über mehrere Achsen, beispielsweise Roboterführung. Die Aufbringeinrichtung kann mit Singlepass oder/oder Multipass Funktion gesteuert werden. In den gezeigten Ausführungsformen 2/a, 2/b, 2/c kann an Stelle der Aufbringeinrichtung (21) eine Sinterungseinheit/Laser (23) oder Trocknungseinheit (22) angebracht sein und mit einer Relativbewegung zur Substratoberfläche gesteuert werden. Die Kombination von gleicher oder unterschiedlicher Ausführungsformen von Anlagen sind für die einzelnen Verfahrensschritte „A”, „B”, „C” einsetzbar.
3 zeigt einen Querschnitt durch eine Substratoberfläche (10).
3 „Abschnitt VO” zeigt einen ebene Schichtbereich. Abschnitt A” zeigt, wie der Schichtbereich (13) mit einer Aufbringeinrichtung (22) durch Aufspritzen einer leitfähigen Substanz (11) nach einer im Steuerprogramm (20) hinterlegten Geometrie und Schichtdicke aufgebracht ist. Abschnitt B/C” zeigt wie durch Trockung (22)/Sinterung (23) ein im Steuerprogramm (20) vorbestimmter, leitfähiger Schichtbereich 14/15 gebildet wird.
3 „Abschnitt V1”, zeigt einen im rechten Winkel nach unten geknickten Oberflächenbereich. Wie in dem Steuerprogramm hinterlegt, wird eine vorbestimmte größere Menge an leitfähiger Substanz (11) so aufgebracht, dass ein übergehender volumenerweiterter, leitfähiger Schichtbereich (16) mit einem vorbestimmten Querschnitt ausgebildet wird. Je nach erforderlicher Volumenbildung eines vorgegebenen Leistungs-Querschnittes (33) kann der Aufbringvorgang (13), Trockenprozess (22) und Sinterungsprozess (23) mehrmals hintereinander durchgeführt werden.
3 „Abschnitt V2” zeigt einen konvex gekrümmten Oberflächenbereich. Zur Bildung eines vorbestimmten leitfähigen Schichtbereiches (14, 15), wird über das Steuerprogramm eine vorbestimmte, größere Menge an leitfähiger Substanz (11) so aufgebracht, dass nach dem Trockenprozess/Sinterungsprozess, ein übergehender volumenerweiterter, leitfähiger Schichtbereich (16) mit einem vorbestimmten Querschnitt ausgebildet wird.
3 „Abschnitt V3” zeigt einen konkav gekrümmten Oberflächenbereich. Zur Bildung eines vorbestimmten leitfähigen Schichtbereiches (14, 15), wird über das Steuerprogramm eine vorbestimmte, geringere Menge an leitfähiger Substanz (11) so aufgebracht, dass nach dem Trocken-, Sinterungsprozess, ein übergehender volumenreduzierter, leitfähiger Schichtbereich (16) mit einem vorbestimmten Querschnitt ausgebildet wird.
Zum Herstellen von leitfähigen Schichtbereichen (16, 17) auf Oberflächen sind im Steuerprogramm (20) die Informationen, Volumenreduktion (12) nach Trocknung (22) oder Sinterung (23) der verwendeten leitfähigen Substanzen (11) in Abhängigkeit zu Geometrien (33) von Kanten oder Wölbungen hinterlegt.
Beispiel von Flächen und Körpern zur Anwendung des Verfahrens sind in Abbildungen (34, 35, 36, 37) dargestellt.
4 zeigt einen Querschnitt durch eine Substratoberfläche (10). Es werden unterschiedliche Querschnittgeometrien (33) von Leiterbahnen gezeigt die nach dem Verfahren hergestellt sind. Es ist von Vorteil beim Aufbau von höheren Schichtbereichen, eine nach oben hin in der Breite abnehmende Schichtgeometrie herzustellen (> X). Der Vorteil liegt darin, dass fehlgestreute Partikel aus höheren Schichtbereichen in der Wandschrägung aufgenommen werden. Eine präzise Kantenbildung und somit auch hohe Funktionalität ist dadurch gewährleistet.
5/a zeigt einen Querschnitt durch eine Substratoberfläche (10) mit einem darauf befindlichen funktionserweiternden Bauteil (42). Eine solche Bauteilehöhe bewegt sich häufig zwischen 0,2 mm–7 mm. Mit dem in der Steuerung hinterlegten Höhenprofil des Substrates und den darauf aufgebrachten Bauteilen zeigt diese Darstellung die Bildung einer Leiterbahn (30) auf einer Kontaktstelle (43) eines Bauteiles (42) und deren Weiterführung über einen Absatzbereich auf eine darunterliegende Substratebene.
Zur Bildung eines übergehenden, leitfähigen Schichtbereiches (14, 15) wird über das Steuerprogramm eine vorbestimmte größere Menge an leitfähiger Substanz (11) im Absatzbereich so aufgebracht, dass nach dem Trocken-, Sinterungsprozess, ein volumenerweiterter, leitfähiger Schichtbereich (16) mit einem vorbestimmten Querschnitt gebildet wird.
5/b zeigt einen Querschnitt durch eine Substratoberfläche (10) mit einem darauf befindlichen funktionserweiternden Bauteil (42) wobei eine Leiterbahn (30) mit einem vorbestimmten leitfähigen Querschnitt über einen volumenerweiterten, leitfähigen Schichtbereich (16) auf eine darüber angeordnete Kontaktstelle (43) eines Bauteiles (42) eine Verbindung bildet.
Mit dieser in 5/a und 5/b aufgezeigten Möglichkeit wird nach dem Verfahren die Möglichkeit geschaffen ohne Lötstelle eine leitfähige Kontaktierung von Bauteilen auf einem Substrat herzustellen. Aufbringeinrichtungen wie beispielsweise Jnkjet-Druckköpfe können mit einem Abstand zwischen 0.5 mm bis 5 mm zu einem Substrat leitfähige Tröpfchen (11) präzise aufbringen. Je nach Energieeinsatz und Tröpfchengrösse lassen sich Substrattröpfchen auch über größere Distanzen beispielsweise 10 mm gezielt aufbringen. Tröpfchengrößen von leitfähigen Substanzen (11) die mittels eines digitalen Inkjet Systems (21) aufbringbar sind, weisen vorzugsweise eine Grösse von 3 bis 80 Piktoliter auf.
Bezugszeichenliste

10: Substrat
11: leitfähige Substanzen
12: Volumenschwindung
13: Schichtbereich A
14: leitfähiger Schichtbereich B
15: leitfähiger Schichtbereich C
16: volumenerweiterter, leitfähiger Schichtbereich
17: volumenreduzierter, leitfähiger Schichtbereich
20: Steuereinrichtung
21: Aufbringeinrichtung
22: Trocknungseinrichtung
23: Sinterungseinrichtung
30: Leiterbahn
32: Leiterbahnenlayout
33: Querschnittgeometrie
34: flächiges Substrat
35: flächiges, gewölbtes Substrat
36: konkav, konvex gewölbtes Substrat
37: kugelförmiges Substrat
40: Anlagenkonfiguration
42: funktionserweiterndes Bauteil
43: Kontaktstelle

Claims

Verfahren zum Bilden eines leitfähigen Schichtbereichs (14, 15) auf einer Substratoberfläche (10) 2D oder 3D, wobei mittels einer digital gesteuerten Aufbringeinrichtung (21) die Tröpfchen einer aushärtbaren Substanz (11) der leitfähige Partikel beigemengt sind, in einer vorbestimmbaren Menge auf eine Oberfläche abgespritzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass über das Steuerprogramm (20) eine geometrische Form eines flüssigen/pastösen Schichtbereichs (13) durch Tröpfchen (11) gebildet wird und die Merkmale der Volumenschwindung (12) durch den nachfolgenden Trocknungs- oder Laserprozess (22, 23) des o. g. Schichtbereichs im Steuerprogramm so berücksichtigt werden, dass die kontaktierenden/verschmolzenen leitfähigen Partikel eine vorbestimmbare Geometrie und elektrische Leitfähigkeit bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei In der Steuereinrichtung (20) Querschnittgeometrien (33) Substanzen (11) mit unterschiedlichen Konsistenzen und deren entsprechenden Volumenschwindung (12) bei einsetzbaren Trocknungsprozessen (22) oder Sinterungsprozessen (23) und die sich daraus ergebenden Leistungsmerkmale hinterlegt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei Die geometrische Form des leitfähigen Schichtbereichs (14, 15) nach einem in der Steuerung hinterlegten Leiterbahnlayout (32) gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in einem Arbeitsvorgang über die Steuerung (20) unterschiedliche vorbestimmbare Leistungsquerschnitte gebildet werden
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in der geometrischen Form eines Schichtbereiches (14, 15) auf einer Substratoberfläche (10) über die positionsbezogene Mengensteuerung (16, 17) eine vorbestimmbare Schichthöhe gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in dem Übergangsbereich von einer Schichtebene in eine höhere, niedere oder angewinkelte Schichtebene, mittels einer Volumenzugabe (16), ein erweiterter leitfähiger Schichtbereich (16) mit vorbestimmbarem Leistungsquerschnittschnitt gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei (10) zu der Kontaktstelle eines aufgebrachten funktionserweiternden Bauteiles (42) auf einer Substratoberfläche mittels einer geometrischen Form eines leitfähigen Schichtbereiches (13, 14,) eine leitfähige Verbindung gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Arbeitsbereich der Lasereinrichtung (23) zur Sinterung des leitfähigen Schichtbereichs (14), über das im Steuerprogramm (20) hinterlegte Leiterbahnlayout (32) vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei über die Steuerung der Schmelzpunkt der Lasereinrichtung (23) innerhalb der Konturlinie der geometrischen Abmessung des zu bearbeitenden Schichtbereichs geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei in einer Bearbeitungsebene über eine variable Ansteuerung der Lasereinrichtung (23) unterschiedliche vorbestimmbare, leitfähige Querschnittgeometrien (33) hergestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Geometrie eines leitfähigen Schichtbereiches (14, 15) auf einer Substratoberfläche (10) mit einer mittels einer digitalen Aufbringeinrichtung (21) gebildeten Isolationsschicht umschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei mehrere leitfähige Schichtbereiche (14, 15) mit einer Isolationsschicht auf einem Substrat (10) eines Bauteiles (34, 35, 36, 37) überlagernd angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei bei leitfähigen, sich überlagernder Schichtbereiche (14, 15) die dazwischenliegende Isolationsschicht an einer vorbesimmten Stelle ausgespart ist und so eine Kontaktstelle bildet.
Bauteil (34, 35, 36, 37) mit einem Substrat (10), das eine entsprechend einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufgebrachten leitfähigen Schichtbereich (14, 15) aufweist.