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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Elektrotechnik und kann mit besonderem Vorteil in der Elektronik eingesetzt werden.
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Es ist bekannt, elektronische Systeme auf Substrate zu montieren, die mehr oder weniger unverändert mit anderen Systemen zusammengefügt und in Geräte eingebaut werden. Das gängigste Verfahren zur Herstellung von Leiteranordnungen ist das Herausarbeiten von Leiterbahnen auf kaschierten Substratplatten, wobei dies bei einer verbreiteten Methode durch Ätzen der Leiterplatten geschieht.
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Es ist wünschenswert, bei der Gestaltung elektronischer Systeme eine möglichst hohe Gestaltungsfreiheit zu haben und dabei möglichst wenig an vorgegebene Substrate und ihre Form gebunden zu sein. Auch die Herstellung von dreidimensionalen Leiteranordnungen ist dabei wünschenswert.
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Die
US 2016/0198577 A1 offenbart ein Transferverfahren für elektrische Leiterstrukturen und elektrische Komponenten zur Übertragung auf einen dreidimensionalen Zielkörper. Das Verfahren wird dort aus einem bekannten 3D-Liquid-Transferdruckverfahren der grafischen Gestaltungstechnik weiterentwickelt.
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Die
US 2017/0064838 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen einer dünnen, flexiblen Platine mit einer Metallisierung.
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Die
US 2016/0243764 A1 bezieht sich allgemein auf Additive-Manufacturing-Verfahren, konkret auf den Transfer von elektrisch leitendem Pulver von einem Förderband auf einen Zielkörper mithilfe elektrischer Ladung.
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Die
WO 2010/071858 A1 offenbart eine große Anzahl von Zusammensetzungen von elektrisch leitenden Tinten und Coatings mit einem polymeren Binder, einem kohlenstoffhaltigen Füllstoff für die Leitfähigkeit sowie einem Lipid, und ebenso eine Anzahl von Verfahren zur Erzeugung von Schichten dieser Stoffe auf Substraten.
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Vor dem Hintergrund des Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Leiteranordnung zu entwickeln, bei dem die Leiteranordnung entsprechend den individuellen Erfordernissen mit möglichst großer Freiheit gestaltet werden kann.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens auf.
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Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Leiteranordnung auf der Oberfläche eines Zielkörpers. Um eine möglichst freie Gestaltung einer derartigen elektrischen Leiteranordnung und ihre flexible Handhabung zu ermöglichen, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass auf eine verformbare Oberfläche eines ersten Materials eine mit dem ersten Material verformbare Ausgangsleiteranordnung aufgebracht wird, wobei das erste Material als fließfähiges Material oder als Folie ausgebildet ist, und dass der Zielkörper gegen das erste Material gedrückt wird, wobei die Ausgangsleiteranordnung von der verformbaren Oberfläche des ersten Materials auf die Oberfläche des Zielkörpers übertragen wird, wobei zudem vorgesehen ist, dass zu dem Zeitpunkt, wenn der Zielkörper gegen das erste Material gedrückt wird, der Zielkörper an seiner Oberfläche einen ersten Stoff und die Ausgangsleiteranordnung an ihrer Oberfläche einen zweiten Stoff trägt, wobei beim Kontakt des ersten und des zweiten Stoffes diese derart chemisch miteinander reagieren, dass sie nach der Reaktion aneinander haften, und wobei insbesondere eine Reaktion durch den ersten Stoff oder den zweiten Stoff katalysiert wird, oder dass, während oder nachdem der Zielkörper gegen das erste Material gedrückt wird, der Zielkörper und/oder die Ausgangsleiteranordnung an seiner/ihrer Oberfläche einen Stoff trägt, der bei einer Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung eine Klebereigenschaft oder eine haftvermittelnde Eigenschaft entfaltet, und dass der Zielkörper und/oder die Ausgangsleiteranordnung vor, während oder nach dem Zusammenfügen mit der Ausgangsleiteranordnung bestrahlt wird, wobei die Bestrahlung insbesondere durch das Material der Ausgangsleiteranordnung und/oder eines Opfersubstrats oder durch das erste Material hindurch aufgrund einer wenigstens teilweisen Durchlässigkeit für die Strahlung erfolgt, oder dass der Zielkörper zu dem Zeitpunkt, wenn er gegen das erste Material gedrückt wird, eine höhere oder geringere Temperatur aufweist als das erste Material die Ausgangsleiteranordnung.
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Der Zielkörper wird unter Verformung oder Durchdringung des ersten Materials in dieses eingedrückt, wobei die Ausgangsleiteranordnung sich in Abhängigkeit von der Form des Zielkörpers verformt und an diesen anschmiegt. Die Fließfähigkeit des ersten Materials ist wichtig, um sicherzustellen, dass der Zielkörper während des Eintauchens in das erste Material wenn möglich dauernd oder so weit wie möglich von diesem umschlossen wird, wobei die Ausgangsleiteranordnung durch das fließfähige erste Material an die Oberfläche des Zielkörpers gedrückt wird. Auf diese Weise können nicht nur komplizierte Oberflächenformen des Zielkörpers mit der Ausgangsleiteranordnung bedeckt werden, sondern es können sogar Hinterschneidungen des Zielkörpers mit Teilen der Ausgangsleiteranordnung in Berührung gebracht werden. Dies ist beispielsweise dadurch realisierbar, dass die Ausgangsleiteranordnung an der Oberfläche des ersten Materials schwimmt oder floatet oder aufliegt, oder auch dadurch, dass die erste Leiteranordnung auf eine Folie aufgebracht wird, die so ausgebreitet oder gespannt ist, dass sie wie die Oberfläche einer Flüssigkeit wirkt und sich ebenso verhält.
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Durch geeignete Gestaltung und/oder Beschichtung oder sonstige Konditionierung der Oberfläche des Zielkörpers und in einigen Fällen auch durch geeignete Maßnahmen, wie Bestrahlung und/oder Temperatursteuerung, wird sichergestellt, dass die Ausgangsleiteranordnung auf der Oberfläche des Zielkörpers haftet und somit die gewünschte elektrische Leiteranordnung auf der Oberfläche des Zielkörpers bildet.
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In einer besonderen Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das erste, verformbare Material wenigstens teilweise aus einer Flüssigkeit oder einem Gel besteht. Wichtig ist dabei, dass die Ausgangsleiteranordnung durch ihr geringes Gewicht oder die Oberflächenspannung auf der Oberfläche der Flüssigkeit oder des Gels schwimmt oder floatet. Als Flüssigkeit kann beispielsweise Wasser gewählt werden, und als Gel stehen viele thixotrope Substanzen auf der Basis von Wasser zur Verfügung.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass das erste, verformbare Material wenigstens teilweise aus einem nicht flüssigen, fließfähigen Material, insbesondere einem Pulver oder Granulat, besteht. Als Pulver kommen beispielsweise feine sandartige Granulate in Frage.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass das erste, verformbare Material als dehnbare oder nicht dehnbare Folie ausgebildet ist. Die Folie kann sich unter der Bedingung, dass sie nicht dehnbar ist, beispielsweise mit vorberechneter Faltenbildung an den Zielkörper anschmiegen und dabei die Ausgangsleiteranordnung an diesen anpressen. Ist die Folie dehnbar ausgebildet, so kann, wenn die Form des Zielkörpers bekannt ist, die Dehnung der Folie beim Anschmiegen an den Zielkörper vorausberechnet werden, und es kann auch die Formgebung der Ausgangsleiteranordnung hieran so angepasst werden, dass die gewünschte Form der Leiteranordnung am Zielkörper erreicht wird.
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Es kann zudem auch vorgesehen sein, dass die Ausgangsleiteranordnung in Richtung parallel zu der Oberfläche des ersten Materials dehnbar ist und insbesondere wenigstens teilweise aus einem leitfähigen Polymer besteht. Die Ausgangsleiteranordnung kann sich dann besonders gut an die Form des Zielkörpers anschmiegen.
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Die Ausgangsleiteranordnung kann in diesem Falle beispielsweise aus einem leitfähigen Polymer oder sogar aus einem leitfähigen Elastomer, beispielsweise einem gefüllten Gummi, bestehen, um die gewünschte Verformbarkeit und Dehnbarkeit zu erreichen.
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Die Ausgangsleiteranordnung kann auch in Richtung parallel zur Oberfläche des ersten Materials nicht dehnbar sein. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Ausgangsleiteranordnung aus einer festen, metallischen Schicht besteht.
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Es kann in einer Implementierung des Verfahrens auch vorgesehen sein, die Ausgangsleiteranordnung in Form einer Flüssigkeit oder eines Pulvers oder Granulats oder eines Gels auf die Oberfläche des ersten Materials aufgebracht wird. Die Ausgangsleiteranordnung kann dann zunächst in Form einer Flüssigkeit oder eines Pulvers oder auch in einer verfestigten Form an den Zielkörper herangebracht werden und dort haften. Damit kann bereits die Zielgestalt der Leiteranordnung am Zielkörper erreicht sein, oder es kann auch vorgesehen sein, diesen darauffolgend einer Behandlung zu unterziehen, um die Leiterbahnen umzuwandeln, beispielsweise zu trocknen, falls diese in flüssiger Form aufgebracht sind, oder aufzuschmelzen, wenn die Leiterbahnen in Form eines Pulvers aufgebracht sind. Auch chemische Reaktionen zur Fertigstellung der Leiterbahnen können an dem Zielkörper vorgesehen sein.
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Es kann außerdem vorgesehen sein, dass die Ausgangsleiteranordnung in Form einer Folie oder einer Mehrzahl von Folien auf die Oberfläche des ersten Materials aufgebracht wird. Dabei kann die Folie ausschließlich aus Leiterbahnen bestehen und entsprechend geformt sein, oder sie kann eine Trägerfolie mit Leiterbahnen aufweisen. Die Ausgangsleiteranordnung kann im Übrigen außer Leiterbahnen auch elektronische Elemente, wie beispielsweise gedruckte Schaltungen, aufweisen, die auf die Oberfläche des ersten Materials mit den Leiterbahnen aufgebracht sein können.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann vorsehen, dass zunächst die Ausgangsleiteranordnung auf ein Opfersubstrat aufgebracht wird, dass darauf das Opfersubstrat mit der Ausgangsleiteranordnung auf das erste Material aufgebracht wird und dass vor, während oder nach der Übertragung der Ausgangsleiteranordnung auf den Zielkörper das Opfersubstrat aufgelöst wird. Ein solches Substrat kann beispielsweise aus Polyvinylalkohol bestehen, der beim Eintauchen des Zielkörpers in das erste Material oder kurz vorher durch Besprühen mit einem Lösungsmittel aufgelöst werden kann. Das Substrat kann auch erst bei Berührung mit dem Zielkörper aufgelöst werden, beispielsweise dadurch, dass der Zielkörper mit einem Material beschichtet ist, dass das Substrat auflöst. Auch nach dem Aufbringen der Ausgangsleiteranordnung auf den Zielkörper kann das Substrat aufgelöst werden.
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Um eine zuverlässige Übertragung der Ausgangsleiteranordnung von dem ersten Material auf den Zielkörper zu ermöglichen, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Zielkörper an seiner Oberfläche einen Klebstoff oder eine haftvermittelnde Beschichtung trägt. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Ausgangsleiteranordnung an ihrer Oberfläche eine klebende oder haftvermittelnde Beschichtung trägt.
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Es kann gemäß der Erfindung, wie oben erwähnt, vorgesehen sein, dass, während oder nachdem der Zielkörper gegen das erste Material gedrückt wird, der Zielkörper und/oder die Ausgangsleiteranordnung an seiner/ihrer Oberfläche einen Stoff trägt, der bei einer Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung eine Klebereigenschaft oder eine haftvermittelnde Eigenschaft entfaltet, und dass der Zielkörper und/oder die Ausgangsleiteranordnung vor, während oder nach dem Zusammenfügen mit der Ausgangsleiteranordnung bestrahlt wird, wobei die Bestrahlung insbesondere durch das Material der Ausgangsleiteranordnung und /oder eines Opfersubstrats oder durch das erste Material hindurch aufgrund einer wenigstens teilweisen Durchlässigkeit für die Strahlung erfolgt. In diesem Fall kann durch eine gezielte Bestrahlung sowohl beim als auch nach dem Übertragen der Ausgangsleiteranordnung auf den Zielkörper der Zeitpunkt des Anhaftens der Leiteranordnung am Zielkörper durch den Zeitpunkt der Bestrahlung bestimmt werden, und es kann auch flächenselektiv nur eine Teilfläche des Zielkörpers bestrahlt werden, so dass auch der Bereich, in dem die Ausgangsleiteranordnung an dem Zielkörper haftet, durch die Bestrahlung ausgewählt oder bestimmt werden kann. Dadurch können nacheinander verschiedene Teile des Zielkörpers mit verschiedenen Ausgangsleiteranordnungen versehen werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Zielkörper und/oder die Ausgangsleiteranordnung an seiner/ihrer Oberfläche in einem ersten Oberflächenbereich einen ersten Stoff trägt, der bei einer Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung aus einem bestimmten ersten Wellenlängenbereich eine Klebereigenschaft oder eine haftvermittelnde Eigenschaft entfaltet, und in einem zweiten Oberflächenbereich einen zweiten Stoff, der ausschließlich bei einer Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung aus einem bestimmten zweiten Wellenlängenbereich eine Klebereigenschaft oder eine haftvermittelnde Eigenschaft entfaltet, wobei insbesondere eine Bestrahlung aufgrund einer wenigstens teilweisen Durchlässigkeit für den jeweiligen Wellenlängenbereich der Strahlung durch das Material der Ausgangsleiteranordnung und /oder eines Opfersubstrats oder durch das erste Material hindurch erfolgt. Ein solches Verfahren lässt die selektive Beschichtung der Oberfläche des Zielkörpers mit verschiedenen Ausgangsleiteranordnungen zu, wobei das Anhaften der Ausgangsleiteranordnungen durch Bestrahlung mit verschiedenen Strahlungsquellen unterschiedlicher Wellenlänge gesteuert werden kann.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass der Zielkörper zu dem Zeitpunkt, wenn er gegen das erste Material gedrückt wird, eine höhere oder geringere Temperatur aufweist als das erste Material die Ausgangsleiteranordnung. Auf diese Weise kann der Zielkörper beispielsweise das Material der Ausgangsleiteranordnung erweichen oder anschmelzen oder erstarren lassen, so dass die Ausgangsleiteranordnung besser am Zielkörper haftet.
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Es ist auch denkbar, dass zwischen dem Zielkörper und der Ausgangsleiteranordnung zu dem Zeitpunkt, zu dem diese in Kontakt miteinander treten, eine elektrische Spannung angelegt wird. Auf diese Weise kann mit elektrostatischer Unterstützung das Anhaften der Ausgangsleiteranordnung an dem Zielkörper unterstützt werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Figuren einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend erläutert. Dabei zeigt
- 1 schematisch einen Behälter, in dem sich auf einem ersten Material eine Ausgangsleiteranordnung befindet,
- 2 eine Ausgangsleiteranordnung,
- 3 einen Zielkörper vor dem Eintauchen in das erste Material und
- 4 einen Zielkörper mit einer elektrischen Leiteranordnung.
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1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Behälter 6, der teilweise mit einem fließfähigen ersten Material 3 gefüllt ist. Das Material 3 kann beispielsweise Wasser oder eine andere Flüssigkeit, jedoch auch ein Gel, ein Pulver oder ein Granulat sein.
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Auf der Oberfläche 3a des ersten Materials 3 ist schwimmend eine Ausgangsleiteranordnung 1 dargestellt. Diese kann unmittelbar auf dem ersten Material schwimmen oder floaten, sie kann jedoch auch auf einem Opfersubstrat 5 angebracht sein, das seinerseits auf der Oberfläche des ersten Materials 3 schwimmt.
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Die Ausgangsleiteranordnung kann auf das Substrat oder auf die Oberfläche 3a des ersten Materials 3 durch Auflegen, Drucken in flüssiger oder pulverförmiger Form oder ähnlich aufgebracht sein. Die Ausgangsleiteranordnung kann auch auf ein Substrat, beispielsweise Polyvinylalkohol, zunächst unabhängig von dem ersten Material 3 aufgebracht werden, wobei darauffolgend das Opfersubstrat 5 mit der Ausgangsleiteranordnung auf die Oberfläche des ersten Substrats 3 aufgelegt wird. Darauffolgend kann das Opfersubstrat 5 durch Besprühen mit einem Lösungsmittel oder beispielsweise auch durch den Kontakt mit dem ersten Material 3 aufgelöst werden. Dies ist insbesondere dann einfach möglich, wenn das erste Material 3 eine Flüssigkeit ist. Dieser Flüssigkeit kann dann beispielsweise eine Substanz beigemengt werden, die zur Auflösung des Opfersubstrats 5 führt. Das Opfersubstrat ist üblicherweise als dünne Folie oder Schicht ausgebildet.
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In 2 ist das Opfersubstrat 5 mit einer auf diesem angeordneten Ausgangsleiteranordnung sowie einem über dieser schwebenden Druckkopf 7 in stilisierter Form dargestellt.
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In 3 ist schematisch dargestellt, dass ein Zielkörper 2 in das erste Material 3 innerhalb des Beckens 6 eingetaucht wird, wobei der Zielkörper 2 die Oberfläche 3a durchdringt und die Ausgangsleiteranordnung 1 dabei mitnimmt. Die Ausgangsleiteranordnung 1 legt sich dabei an die Oberfläche des Zielkörpers 2. Je weiter der Zielkörper 2 in das erste Material 3 eingetaucht wird, umso weiter schmiegt sich die Ausgangsleiteranordnung 1 an die Oberfläche des Zielkörpers 2 an. In dem in 3 dargestellten Beispiel weist der Zielkörper die Form eines Konus mit einer Hinterschneidung 8 in seinem mittleren Bereich auf.
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Beim Eindrücken des Zielkörpers in das erste Material 3 wird die Ausgangsleiteranordnung 1 zunächst an den Zielkörper 2 angedrückt. Wird der Zielkörper 2 so tief eingedrückt, dass die Hinterschneidung 8 unter die Oberfläche 3a des ersten Materials 3 gelangt, so fließt das erste Material 3 hinter die Hinterschneidung und nimmt dabei Teile der Ausgangsleiteranordnung 1 mit, so dass auch die Hinterschneidung durch das beschriebene Transferverfahren einen Teil der Leiteranordnung empfangen kann.
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Neben dem Behälter 6 sind drei Bestrahlungseinrichtungen, beispielsweise in Form von Laserdioden 9, 10, 11, dargestellt, die mit unterschiedlichen Wellenlängen die Ausgangsleiteranordnung 1 und/oder den Zielkörper 2, beispielsweise auch unter Zwischenschaltung einer Abbildungsoptik, bestrahlen können. Der Zielkörper 2 und/oder die Ausgangsleiteranordnung können mit einem Stoff beschichtet sein, der durch Strahlung einer der Wellenlängen, die durch die Laserdioden 9, 10, 11 ausgesandt werden, chemisch aktiviert wird. Damit kann selektiv für einen bestimmten Teil der Oberfläche des Zielkörpers 2 und/oder einen Teil der Ausgangsleiteranordnung 1 eine gute Haftung erreicht werden, so dass der so bestrahlte Bereich der Leiteranordnung gut an dem Zielkörper haftet. Es kann dabei auch der gesamte Zielkörper 2 und/oder die gesamte Ausgangsleiteranordnung entsprechend beschichtet sein, so dass die Bestrahlung insgesamt das Anhaften der Ausgangsleiteranordnung an dem Zielkörper 2 erleichtert. Es kann auf diese Weise durch den aufeinanderfolgenden Betrieb mehrerer der Laserdioden und selektives Bestrahlen von Teilen der Oberfläche der Ausgangsleiteranordnung und/oder des Zielkörpers eine Haftung der Leiteranordnung auf der Oberfläche des Zielkörpers selektiv erreicht werden.
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Es kann zudem auch eine Heizeinrichtung für den Zielkörper 2 vorgesehen sein, die eine Temperaturerhöhung des Zielkörpers mit dem Ziel zulässt, ein stärkeres Anhaften der Ausgangsleiteranordnung an ihm zu bewirken. Das Anhaften der Ausgangsleiteranordnung am Zielkörper kann auch durch elektrostatische Aufladung begünstigt werden.
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4 zeigt einen Zielkörper 2, dessen Oberfläche über die Hinterschneidung 8 hinaus mit einer elektrischen Leiteranordnung 4 beschichtet ist.
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Außer den einzelnen Leiterbahnen oder Gruppen von Leiterbahnen kann die Ausgangsleiteranordnung auch gedruckte Schaltungen enthalten, die gemeinsam mit den Leitern der Leiteranordnung auf den Zielkörper 2 übertragen werden können. Eine nachträgliche Bestückung des Zielkörpers ist auf diese Weise nicht notwendig oder in geringem Maße notwendig, als wenn die Leiter und die Bauelemente getrennt voneinander aufgebracht würden.
