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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ausbildung einer flächigen elektrischen Kontaktierung und mechanischen Verbindung zwischen einem, mindestens leitfähige Abschnitte aufweisenden textilen Schaltungsträger und mindestens einen elektronischen oder elektrischen Bauteil unter Anwendung eines Schmelzklebetextils, welches elektrisch leitfähige Komponenten, wie Partikel, Fasern und/oder Drähte aufweist gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
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Aus der
US 2018/0179418 A1 ist ein Verfahren zum Verkleben von Membranen auf elektrisch leitfähigen Untergründen vorbekannt. Das dort vorgestellte Verfahren geht von einer Membran aus, die eine Kunststoffschicht und eine äußere Klebeschicht aus einem Schmelzklebstoff umfasst, wobei die Klebeschicht einem Substrat zugewandt ist. Über eine Induktionsheizvorrichtung wird der Schmelzklebstoff erwärmt, um durch diese induktive Erwärmung ein Schmelzen oder Anschmelzen zu bewirken, so dass die Membran durch Verkleben mit dem Substrat verbindbar ist.
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Die
DE 10 2015 223 778 A1 betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer elektrischen Verbindung und ein elektrisches Verbindungselement, in welchem zumindest eine elektrische Verbindung ausgebildet ist. Die Verbindung soll zwischen einem ersten Terminal und einem zweiten Terminal erfolgen, wobei das vorgestellte Verfahren zunächst von einem Aufbringen eines Verbindungsmaterials auf zumindest eines der Terminals ausgeht. Die Terminals werden dann zusammengebracht, derart, dass sich das Verbindungsmaterial zwischen den Terminals befindet und an beide Terminals angrenzt. Im Anschluss erfolgt ein Erwärmen des Verbindungsmaterials. Die Terminals können dabei insbesondere aus elektrisch leitfähigem Material, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, ausgebildet sein. Das erste Terminal und/oder das zweite Terminal können dabei ein männlicher Steckkontakt und/oder eine Flachzunge sein. Das Erwärmen des Verbindungsmaterials erfolgt durch Induktionslöten. Durch Induktionslöten können gemäß einer Ausführungsform der vorbekannten Lehre die Terminals erwärmt werden, so dass damit das Verbindungsmaterial einer indirekten Erwärmung unterliegt. Das Induktionslöten kann auch ein Kleben sein. Das Verbindungsmaterial, ausgebildet als Klebematerial, ist in einer Ausgestaltung elektrisch leitfähig.
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Bei dem induktiv erwärmbaren Klebeband gemäß
EP 2 516 573 B1 soll ein Verkleben zweier Substrate, insbesondere zweier Kunststoffsubstrate miteinander mittels hitzeaktivierbarer Klebemassen erfolgen. Das hitzeaktiviert verklebbare Flächenelement weist zumindest ein elektrisch leitfähiges Flächengebilde sowie zumindest zwei Schichten unterschiedlicher hitzeaktivierbarer Klebemassen auf. Die erste hitzeaktivierbare Klebemassenschicht befindet sich im Wesentlichen auf der einen Seite des elektrisch leitfähigen Flächengebildes und die zweite hitzeaktivierbare Klebemasse im Wesentlichen auf der anderen, gegenüberliegenden Seite des elektrisch leitfähigen Flächengebildes.
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Die Verklebung wird dadurch bewirkt, dass das hitzeaktiviert verklebbare Flächenelement einer Temperatur T1 ausgesetzt ist, bei der eine gleichmäßige Hitzeaktivierung der beiden hitzeaktivierbaren Klebemassen erfolgt. Ein Wiederlösen wird dadurch bewirkt, dass die Verklebungsstelle einer Temperatur T2 ausgesetzt ist, bei der unter vorgegebenen Bedingungen lediglich eine der hitzeaktivierbaren Schichten des hitzeaktiviert verklebbaren Flächenelementes ihre Klebewirkung im Klebeverbund so weit verliert, dass der Klebeverbund trennbar ist.
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Die Temperatur T1 zur Bewirkung der eigentlichen Verklebung wird durch induktive Erwärmung des elektrisch leitfähigen Flächengebildes erreicht.
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Die
DE 44 24 831 C2 betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung von zwei zu verbindenden plattenförmigen Elementen mittels Schmelzkleber aus thermoplastischem Basismaterial mit darin dispergierten, elektrisch leitfähigen Teilchen. Auch ist dort erläutert, dass der Schmelzkleber derart plastisch strukturiert wird, dass sich eine Struktur ergibt, die eine Selbstjustierung während des Fügens der Elemente ermöglicht.
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Die
DE 10 2007 001 411 A offenbart ein Verfahren, welches geeignet ist, ein Elektronikbauteilmodul mit einem auf ein Textil aufgebrachten leitfähigen Draht zu verbinden. Dort wird ein mit Lotkugeln versetzter Klebstoff mindestens im Bereich der Anschlussstellen auf das Elektronikbauteilmodul und/oder auf die textilen Anschlussstellen aufgebracht. Durch Anwendung thermischer Energie und unter Druckeinwirkung wird das Bauteilmodul auf die Verbindungsstelle aufgebracht, wobei bei ausreichend hoher Temperatur die Lotkugeln aufschmelzen und eine Lötverbindung zum Draht herstellen.
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Eine flächige elektrische Kontaktierung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kontaktierung unter Nutzung eines thermoplastischen Textils ist aus der
DE 10 2015 007 157 A1 bekannt. Diese flächige elektrische Kontaktierung entsteht durch Kombination eines thermoplastischen Vlieses mit einer hochleitfähigen Druckpaste und/oder Drucktinte, wobei eine leicht schmelzende und gleichzeitig hochleitfähige, zuschneidbare und bezüglich ihrer Leitfähigkeit strukturierbare Klebeverbindung herstellbar ist. Anwendungsgebiete der dortigen Lehre sind das Kontaktieren von textilen Heizmodulen, von flexiblen und textilen Komponenten in sogenannten smarten Textilien, von Solarzellen aus Solarfolien für Solarmodule, von Leuchttextilien, von Elektroden zur Erfassung von bioelektrischen Signalen des menschlichen Körpers und zur Stimulation von Muskeln und Nerven für medizinische und sportliche Applikationen sowie die Fertigung von textilen Elektroden und die Ausbildung stromeinspeisender Kontaktelektroden bei flexiblen und textilen Heizapplikationen.
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Ausgehend von bekannten elektrisch leitfähigen Klebstoffen löst die
DE 10 2015 007 157 A1 die Aufgabe, eine flächige elektrische Kontaktierung zu ermöglichen, indem für die Klebeverbindung auf die Kombination eines thermoplastischen Textils, zum Beispiel Vlies, Gewebe, Gestrick oder Gewirke mit einer hochleitfähigen Druckpaste zurückgegriffen wird. Es wird demnach ein leicht schmelzendes und gleichzeitig hochleitfähiges, zuschneidbares, auch bezüglich seiner Leitfähigkeit strukturierbares Material geschaffen, das sich durch seine Eigenschaften sowohl als Schmelzklebetextil zum Laminieren von textilen und folienförmigen Substraten eignet und nach dem Aufschmelzen im Laminat eine hochleitfähige Kontaktschicht zwischen den zu laminierenden Schichten bildet.
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Mit dem dort erläuterten leitfähigen Klebetextil können durch Ein- bzw. Aufkaschieren von elektrischen Kabelanschlüssen in Form von Litzen, leitfähigen Bändern und Folien direkt flexible bzw. textile Schaltungen oder Verbraucher kontaktiert werden.
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Das leitfähige Textil kann frei zugeschnitten werden und eignet sich daher ebenso zur Kontaktierung von Schaltungen oder elektrischen Geräten, die auf flexiblen Substraten wie Folien und/oder Textilien basieren.
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Die vorteilhafte Wirkung des Schmelzklebetextils besteht darin, dass die flächige elektrische Kontaktierung auf der Grundlage der leitfähigen thermoplastischen Textilien neben der elektrischen Kontaktierung zur dauerhaften Verbindung der Bestandteile sowie zu deren mechanischer Stabilität beiträgt und sich daher insbesondere für elektrische Erzeugnisse, wie zum Beispiel textile Heizungen, eignet. Für die Ausbildung des Schmelzklebetextils wird zunächst ein niedrigschmelzendes, thermoplastisches Textil so ausgewählt, dass die Schmelztemperatur unter der Komponente mit der niedrigsten Schmelztemperatur des zu kontaktierenden leitfähigen strukturierten Substrates liegt. Hierfür eignet sich ein sogenanntes Klebeweb. Wenn das niedrigschmelzende thermoplastische Klebeweb bereits schwer schmelzende leitfähige Fasern und/oder Drähte enthält, können diese unmittelbar genutzt werden. Es ist aber ebenso denkbar, auf das ausgewählte thermoplastische Textil eine leitfähige Präparation aufzubringen. Hier kann zum Beispiel ein Bedrucken mittels Siebdruck unter Nutzung einer hochleitfähigen Silberleitpaste realisiert werden.
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Setzt man bekannte Schmelzklebetextilien nach
DE 10 2015 007 157 A1 ein, dann kann die Anzahl und die Art der leitfähigen Komponenten nur begrenzt ausgewählt werden. Wenn aus elektrischer Sicht wünschenswert eine hohe Dichte und eine große Menge leitfähiger Partikel oder Komponenten vorhanden sein muss, reduziert dies zwangsweise die verbleibende Klebekomponente, das heißt diejenige Komponente, die über die gewünschten thermoplastischen Eigenschaften verfügt. Es muss also bisher eine Kompromissentscheidung hinsichtlich elektrischer Leitfähigkeit einerseits und mechanischer Stabilität der auszubildenden Kontaktverbindung getroffen werden.
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Aus der
DE 10 2016 117 255 A1 ist ein Verfahren zum Konfigurieren und Fertigen einer Heizbahnstruktur mit einer vorgegebenen Heizleistung auf einem Substrat mit einer beliebig vorgegebenen Fläche und einem bekannten elektrischen Flächenwiderstand vorbekannt. Dort erfolgt zunächst eine Eingabe einer vorgegebenen Spezifikation in einen Konfigurator. Danach erfolgt ein Berechnen einer auf dem Substrat einzubringengenden Heizbahnstruktur entsprechend der Spezifikation und Bestimmen einer der Heizbahnstruktur entsprechenden Schnittstruktur für das Substrat oder einer auf das Substrat aufzubringenden leitfähigen Laminierstruktur.
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CH 683 683 A5 betrifft Kunststofffolienverbunde, enthaltend eine Permeabilitätssperrschicht sowie die Verwendung dieser Kunststofffolien für die Herstellung von Verpackungen.
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Aus dem Vorstehenden ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes Verfahren zur Ausbildung einer flächigen elektrischen Kontaktierung und mechanischen Verbindung zwischen einem, mindestens leitfähige Abschnitte aufweisenden textilen Schaltungsträger und mindestens einen elektrischen oder elektronischen Bauteil unter Anwendung eines Schmelzklebetextils, welches leitfähige Komponenten enthält, anzugeben. Das Verfahren soll zum einen für eine Verkürzung der Prozesszeiten sorgen. Zum anderen soll die Qualität der elektrischen Verbindung erhöht werden, ohne dass sich Nachteile bezogen auf die mechanische Festigkeit der elektrischen Verbindung ergeben.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Verfahren gemäß der Lehre nach Patentanspruch 1 sowie mit einem textilen Bekleidungsstück gemäß Anspruch 9.
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Das erfindungsgemäße Verfahren greift auf die Anwendung eines Schmelzklebetextils gemäß Stand der Technik, insbesondere der
DE 10 2015 007 157 A1 zurück. Insofern wird bezüglich des entsprechenden Fachwissens auf die Offenbarung der
DE 10 2015 007 157 A1 verwiesen.
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Erfindungsgemäß wird mindestens im Bereich der leitfähigen Abschnitte des textilen Schaltungsträgers oder Substrates eine nanoskalige Beschichtung, insbesondere eine SiOx-Beschichtung aufgebracht, welche ohne Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften der leitfähigen Abschnitte bezogen auf die thermoplastischen Bestandteile des Schmelzklebetextils eine Haftvermittlerschicht bildet, derart, dass der Anteil der leitfähigen Komponenten i im Schmelzklebetextil auf im Wesentlichen bis zu 80 % Massenanteil im Vergleich zu bekannten Lösungen erhöht werden kann.
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Die Dicke der ausgebildeten SiOx-Beschichtung liegt im Bereich zwischen 40 und 100 nm, bevorzugt bei im Wesentlichen 50 nm.
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Die SiOx-Beschichtung kann elektrochemisch aber auch aus der Gasphase, zum Beispiel mit Hilfe eines CVD-Verfahrens (Chemical Vapor Deposition) erzeugt werden.
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Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die SiOx-Beschichtung nicht vollflächig ausgebildet wird. Es verbleiben insofern Mikroabschnitte, welche beschichtungsfrei sind, so dass keine Verschlechterung der elektrischen Leitfähigkeit bei entsprechend ausgebildeter Verbindung eintritt.
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In erfindungsgemäßer Weise verhindert die SiOx-Beschichtung eine unerwünschte Oxidation der leitfähigen Abschnitte unter der in diesen Abschnitten vorhandenen Partikel, zum Beispiel von Silberpartikeln.
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Das Schmelzklebetextil weist niedrigschmelzende, thermoplastische Komponenten auf, welche indirekt über ein induktives Erwärmen der elektrisch leitfähigen Komponente auf Schmelztemperatur gebracht werden.
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Durch Erhöhung des Anteiles der elektrisch leitfähigen Komponente im Schmelzklebetextil und Anwendung des induktiven Erwärmens kann die Prozesszykluszeit für das Ausbilden der Kontaktverbindung verkürzt werden.
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Leitfähige Fasern eines textilen Schaltungsträgers bilden den mindestens einen leitfähigen Abschnitt, wobei die leitfähigen Fasern eine Schuppenstrukturoberfläche mit zwischen den Schuppen eingebetteten leitfähigen Partikeln, z. B. aus Silber, aufweisen. Die SiOx-Beschichtung wird derart vorgenommen, dass mindestens im Bereich sich teilweise überdeckender Schuppen eine beschichtungsfreie Fläche verbleibt.
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Unter Nutzung der Verfahrenslehre können erfindungsgemäß textile Bekleidungsstücke, insbesondere Arbeitsschutzbekleidungen, geschaffen werden, welche über erhöhte Gebrauchseigenschaften verfügen und die allen beim täglichen Gebrauch anstehenden mechanischen Belastungen widerstehen.
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Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
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Hierbei zeigen:
- 1 eine REM-Aufnahme einer ausgeführten Kontaktierung unter Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf der Basis eines Schmelzklebetextils und Einbettung zwischen zwei Gewebelagen; und
- 2 eine Skizze eines beispielhaften Aufbaus einer flächigen Kontaktierung auf der Basis eines leitfähigen Gewebes, einer SiOx-Haftvermittlerschicht mit Klebeweb und leitfähigem Kontaktierungsband.
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In der 1 ist die Einbettung einer mit leitfähigen Partikeln durchsetzten Faser unter Bildung einer Schuppenstruktur erkennbar. Die helleren Abschnitte stellen hierbei die leitfähige Komponente, zum Beispiel Silberkomponente, dar. Dunklere, schuppenartige Bereiche sind Faserkomponenten. Die aufgebrachte nanoskalige SiOx-Beschichtung ist, da transparent, in der REM-Aufnahme nicht erkennbar. Aus der Schuppenstruktur gemäß 1 ist allerdings nachvollziehbar, dass die SiOx-Beschichtung Bereiche mindestens sich teilweise überdeckender Schuppen nicht erreicht, so dass sich dort eine quasi beschichtungsfreie Fläche ergibt, so dass eine Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften einer entsprechend realisierten Verbindung nicht eintritt.
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Die SiOx-Beschichtung ergibt eine haftvermittelnde Schicht und verbessert bezogen auf die thermoplastischen Komponenten des Schmelzklebetextils die mechanische Festigkeit der in 2 beispielhaft gezeigten Kontaktierung eines leitfähigen Bandes auf einem Gewebe, das mindestens einen leitfähigen Abschnitt aufweist.
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Erfindungsgemäß kann der Anteil der leitfähigen Komponenten i im Schmelzklebetextil auf im Wesentlichen bis zu 80 % Massenanteil erhöht werden.
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Bei bisherigen Schmelzklebetextilien lag der Anteil leitfähiger Komponenten i bei 25 % Massenanteil Silber. Ein erfindungsgemäßes Schmelzklebetextil hingegen weist einen Anteil von leitfähigen Komponenten i in Höhe von 79,8 % Massenanteil auf.
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Der Trockengehalt an Silber auf bisher verwendeten leitfähigen Schmelzklebevlies beträgt 25 % Massenanteil Silber, was wegen der 10-fach höheren Dichte von Silber einer Ag-Volumenkonzentration von ca. 3,2 VOL% entspricht.
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Mit Haftvermittler steigt die Haftkraft von Laminaten selbst bei der Verwendung von thermoplastischen Schmelzklebevlies um 25-50% also auf 125-150%.
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Geht man von einer Steigerung der Haftkraft auf 135 % aus, wird die ursprüngliche Haftkraft bereits mit einer aktiven Kontaktfläche von 74% erzielt, so dass der Gehalt der leitfähigen Silberkomponente auf dem Schmelzklebevlies theoretisch von 25 % auf 79,5 % Massenanteil gesteigert werden kann (vgl. Beispielrechnung unten), wenn die Haftung des Silbers zum Schmelzklebevlies über den Binder ausreicht.
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Beispielrechnung:
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Stand der Technik:
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Erfindung:
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Stand der Technik:
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Erfindung:
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Was einem Massenanteil von 79,8 % im Fall von Silber entspricht.
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Damit kann man im Fall von Silber den Gehalt von 25 % auf 79,8 % Massenanteil bei Erhalt der Haftkraft erhöhen.
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Durch den Einsatz der Haftvermittlerschicht in Verbindung mit dem leitfähigen Schmelzklebevlies werden mittels Induktionskleben für die Kontaktierung von Leistungselektronik erstmals brauchbare elektrische Kontakte erzielt.
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Die Kontaktwiderstände sind jetzt vergleichbar mit denjenigen beim Induktionslöten und können bei deutlich niedrigeren Temperaturen erzeugt werden, so dass das Verfahren sich ideal für die Bestückung textiler elektronischer Schaltungsträger eignet. Ohne Haftvermittlerschicht sind die Kontakte deutlich schlechter als beim Induktionslöten und entsprechen häufig nicht den Kundenanforderungen.
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Die Dicke der SiOx-Beschichtung liegt beim Ausführungsbeispiel im Bereich von 50 nm. Die Beschichtung selbst kann elektrochemisch oder aus der Gasphase erzeugt werden.
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Neben der Verbesserung der mechanischen Haftung bezüglich der thermoplastischen Komponenten des Schmelzklebetextils wird eine unerwünschte Oxidation der leitfähigen Abschnitte bzw. der leitfähigen Partikel verhindert.
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Die im Schmelzklebetextil vorhandenen niedrigschmelzenden thermoplastischen Komponenten werden erfindungsgemäß indirekt über ein induktives Erwärmen der elektrisch leitfähigen Komponenten auf Schmelztemperatur gebracht.
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Durch die Erhöhung des Anteiles der elektrisch leitfähigen Komponente im Schmelzklebetextil und Anwendung des induktiven Erwärmens kann die Prozesszykluszeit für die Ausbildung einer Kontaktierung verkürzt werden.
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Eine beispielhafte Kontaktierung und den Sandwichaufbau hierzu zeigt die 2.
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Auf ein leitfähiges Gewebe 4 soll ein leitfähiges Band 1 kontaktiert werden.
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Die Kontaktierung soll mit ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften einhergehen und mechanisch beständig sein.
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Erfindungsgemäß wird auf die Oberfläche des leitfähigen Gewebes 4 eine Haftvermittlerschicht 3, insbesondere eine SiOx-Schicht aufgebracht.
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Weiterhin kommt ein erfindungsgemäß weitergebildetes Schmelzklebetextil 2 zum Einsatz, welches eine erhöhte Dichte und erhöhte Anzahl leitfähiger Komponenten aufweist.
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Das eingesetzte Schmelzklebetextil 2 ist streifenförmig zugeschnitten und an die Abmessungen des leitfähigen Bandes 1 angepasst.
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Durch induktives Erwärmen wird die Schmelztemperatur der thermoplastischen Komponenten des Schmelzklebetextils erreicht. Gegebenenfalls durch Druckkraftunterstützung bildet sich die gewünschte elektrisch hochleitfähige und mechanisch feste und sichere Verbindung zwischen dem leitfähigen Band 1 und dem leitfähigen Gewebe 4 aus.
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Obwohl das induktive Erwärmen besonders vorteilhaft ist, kann das Schmelzklebetextil für grundsätzlich alle Verbindungsarten, welche thermische Energie nutzen oder voraussetzen, verwendet werden. Hier sei beispielsweise auf ein Warmluftlöten, das auch ultraschallunterstützt realisiert werden kann, verwiesen.
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Neben leitfähigen Komponenten kann das Schmelzklebetextil zusätzliche Schmelzlot-Partikel aufweisen, wodurch sich ein Verbindungsprozess ergibt, der als Klebelöten bezeichnet werden kann.
