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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mit einer aushärtbaren Vergussmasse versehenen Substrats und eine erfindungsgemäße Vorrichtung, um das Verfahren auszuführen. Das Substrat weist insbesondere elektrische Bauelemente auf einer Substratoberseite auf, die von der Vergussmasse überdeckt werden.
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Stand der Technik
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Es ist allgemein bekannt, dass elektrische Bauelemente und deren Leiterbahnen auf einem Substrat mittels einer aushärtbaren Vergussmasse vor Umwelteinflüssen geschützt werden können. Die Vergussmasse kann chemisch und/oder thermisch ausgehärtet werden, wobei die Vergussmasse während dem Aushärteprozess schrumpfen kann. Ein Schrumpfen kann zu einem Verzug des Substrats führen und dabei die elektrischen Bauelemente beschädigen oder Nachteile in einer späteren Verwendung hervorrufen, zum Beispiel durch eine veränderte Einbaugröße oder eine veränderte Wärmeübertragung.
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Aus dem
DE 94 07 927 U1 ist dem Fachmann ein Verfahren zum Herstellen eines mit einer aushärtbaren Vergussmasse versehenen Substrats bekannt, das elektrische Bauelemente auf einer Substratoberseite aufweist. Während dem Herstellverfahren des Substrats wird das Substrat mit weiteren Bauteilen oder Materialschichten so verstärkt, dass das Substrat nach dem Aushärten der Vergussmasse keinen Verzug aufweist. Hierzu wird zum Beispiel auf die Oberseite der Vergussmasse ein den Verzug ausgleichendes Bauteil aufgebracht.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines mit einer aushärtbaren Vergussmasse versehenen Substrats mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass das Verfahren einen Verzug des Substrats nach dem Aushärten der Vergussmasse verhindert, ohne dass zusätzliche Bauteile oder Materialschichten verwendet werden müssen. Hierzu schlägt es die Lehre der Erfindung in ihrer allgemeinsten Form vor, dass das Substrat vor dem Erreichen eines ausgehärteten Zustands der Vergussmasse zumindest zeitweise und zumindest bis zum Erreichen des ausgehärteten Zustands der Vergussmasse um zumindest eine Raumachse gebogen wird und die Durchbiegung in Richtung der Vergussmasse ausgeführt wird.
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Dabei hat die Erfindung erkannt, dass die Durchbiegung des Substrats den durch die Aushärtung der Vergussmasse hervorgerufenen Verzug ausgleichen kann, so dass ein bevorzugt ebenes Substrat hergestellt wird. Das Verfahren zeichnet sich durch besonders einfache Herstellungsschritte aus und aufwändige Schritte wie das Aufbringen weiterer Bauteile oder Materialschichten sind nicht notwendig. So vermeidet das erfindungsgemäße Verfahren, dass zum Beispiel der Zugang zu den elektronischen Bauteilen oder die Anordnungsmöglichkeiten der elektronischen Bauteile durch zusätzliche Bauteile oder Materialschichten einschränkt werden. Des Weiteren ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders für die Herstellung in einer Massenfertigung geeignet.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines mit einer aushärtbaren Vergussmasse versehenen Substrats sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Hinsichtlich der konkreten Ausführung des Verfahrens gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, von denen nachfolgend einige bevorzugt vorgesehene Varianten genannt werden: So wird die Durchbiegung des Substrats in einem Phasenübergang von dem nicht ausgehärteten Zustand zu dem ausgehärteten Zustand der Vergussmasse ausgeführt. In dem nicht ausgehärteten oder auch flüssigen Zustand kann die Vergussmasse die elektrischen Bauelemente umfließen, wohingegen in dem ausgehärteten Zustand die Vergussmasse vollständig vernetzt ist. In dem Phasenübergang, der dem Fachmann auch als ein Gelieren der Vergussmasse bekannt ist, fließt die Vergussmasse nicht mehr, und das Substrat weist vorteilhafterweise keinen Verzug auf. Außerdem wird die Dicke der Vergussmasse vorteilhafterweise nicht durch die Durchbiegung des Substrats beeinflusst.
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In einer alternativen Ausführung des Verfahrens wird die Durchbiegung des Substrats in dem nicht ausgehärteten Zustand und vor dem bereits beschriebenen Phasenübergang der Vergussmasse ausgeführt. Dabei kann die Vergussmasse entsprechend der Durchbiegung des Substrats in Bereiche geringerer Durchbiegung fließen, zum Beispiel in einen Randbereich eines Vergussbereichs. Dadurch kann die Dicke der Vergussmasse in dem Randbereich des Vergussbereichs größer als in einem Zentralbereich des Vergussbereichs sein.
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Besonders bevorzugt werden in dieser alternativen Ausführung des Verfahrens bei der Bestückung des Substrats die elektrischen Bauelemente mit niedriger Bauhöhe in dem Zentralbereich des Vergussbereichs angeordnet und die elektrischen Bauelemente, die gegenüber den niedrigen elektrischen Bauelementen eine höhere Bauhöhe aufweisen, in dem Randbereich des Vergussbereichs. Mit dieser Anordnung wird gewährleistet, dass alle elektrischen Bauelemente mit einer möglichst geringen Menge an Vergussmasse überdeckt werden.
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Besonders bevorzugt wird in einem Verfahren mit der bereits genannten Bestückung die Durchbiegung des Substrats so ausgeführt, dass die Oberseite der höheren elektrischen Bauelemente auf oder unter dem Niveau der Oberseite der niedrigeren elektrischen Bauelemente im Zentralbereich des Vergussbereichs liegen. So werden zusammen mit den niedrigeren elektrischen Bauelementen auch alle höheren elektrischen Bauelemente von der Vergussmasse überdeckt.
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Unabhängig von den bisher genannten Ausführungsformen kann es vorgesehen, dass die Durchbiegung des Substrats mittels zumindest eines mechanischen Elements ausgeführt wird.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen eines soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei ein Substrathalter dazu ausgebildet ist, das Substrat in zumindest einer Einspannstelle außerhalb des Vergussbereichs zu fixieren und Mittel aufweist, die dazu ausgebildet sind, das Substrat um zumindest eine Raumachse zu biegen.
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In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Mittel als zumindest ein mechanisches Element ausgebildet sind, und dass das Material des zumindest einen mechanischen Elements einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material des Substrathalters.
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Damit Substrate mit unterschiedlichen Dimensionen oder Toleranzen verwendet werden können, ist besonders bevorzugt das zumindest eine mechanische Element verstellbar auf einer Schiene gelagert.
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Alternativ können die Mittel zum Durchbiegen des Substrats als Stellschraube ausgebildet sein.
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Besonders bevorzugt sind die Mittel innerhalb und/oder außerhalb der zumindest einen Einspannstelle angeordnet.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines mit einer aushärtbaren Vergussmasse versehenen rechteckigen Substrats, das elektrische Bauelemente auf einer Substratoberseite aufweist,
- 2a bis 2e eine Ansicht des Substrats gemäß der 1 in einer Ebene II-II, während vier zeitlich nachfolgenden Verfahrensschritten, wobei das Substrat während dem Aushärten der Vergussmasse gebogen wird,
- 3a bis 3d eine Ansicht des Substrats gemäß der 2a bis 2e, während drei zeitlich nachfolgenden Verfahrensschritten, wobei das Substrat vor dem Aushärten der Vergussmasse gebogen wird,
- 4a eine Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchbiegung des Substrats gemäß der 2c oder der 3b mittels mechanischen Elementen,
- 4b eine Längsschnittansicht der Vorrichtung gemäß der 4a mit einem von der Substratunterseite aus gebogenen Substrat,
- 5a eine Längsschnittansicht einer alternativen Vorrichtung zu der 4a,
- 5b eine Längsschnittansicht der Vorrichtung gemäß der 5a mit einem von der Substratseite aus gebogenen Substrat,
- 6a eine Längsschnittansicht der Vorrichtung gemäß der 5a, wobei das mechanische Element auf einer Schiene gelagert ist,
- 6b eine Querschnittansicht des Ausschnitts B mit der Schiene gemäß der 6a.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Gleiche Elemente beziehungsweise Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist ein mit einer aushärtbaren Vergussmasse 14 versehenes rechteckiges Substrat 10 dargestellt, das elektrische Bauelemente 12 auf einer Substratoberseite 18 aufweist, wobei die Vergussmasse 14 in einem Vergussbereich 20 die elektrischen Bauelemente 12 überdeckt. Der Vergussbereich 20 ist durch eine Stützstruktur 16 begrenzt, wobei die Vergussmasse 14 die elektrischen Bauelemente 12 bedeckt. Die Stützstruktur 16 dient dazu, ein unkontrolliertes Abfließen der Vergussmasse 14 im nicht ausgehärteten Zustand 22 zu verhindern.
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Die Stützstruktur 16 und die Vergussmasse 14 können zum Beispiel mit einem (nicht dargestellten) Dispenser automatisch aufgebracht werden. Dabei wird zuerst die Stützstruktur 16, zum Beispiel bestehend aus einem hochviskosen oder teilweise vernetzten Polymer, aufgebracht und anschließend die Vergussmasse 14 im Vergussbereich 20 aufgetragen. Vorteilhafterweise ist das Substrat 10 vor dem Aufbringen der Stützstruktur 16 und dem Aufbringen der Vergussmasse 14 eben, so dass der Dispenser mit einem geringen Abstand zu der Substratoberseite 18 verfahren kann und die elektrischen Bauelemente 12 präzise umfüllen kann.
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Ein Aushärten der Vergussmasse 14 kann chemisch und/oder thermisch erfolgen. Zum Beispiel kann die Vergussmasse 14 Materialkomponenten enthalten, die chemisch miteinander reagieren und aushärten können, wobei eine Reaktion mittels thermischer Energie, zum Beispiel in einem Ofen oder Strahlungsenergie, zum Beispiel mittels UV-Strahlung ausgelöst und/oder beschleunigt wird.
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Je nach Aushärteverfahren oder Vergussmasse 14 kann ein Verzug des Substrats 10 durch chemischen Schrumpf und/oder thermischen Schrumpf auftreten, wobei der Verzug durch eine Volumenreduktion der mit der Substratoberseite 18 einseitig verbundenen Vergussmasse 14 entsteht. Der thermische Schrumpf kann sich ergeben, wenn die Vergussmasse 14 und das Substrat 10 unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
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Besonders bei einem thermischen Aushärteverfahren entsteht ein thermischer Schrumpf während dem Abkühlen auf eine Ausgangstemperatur.
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In den 2a bis 2e ist das Substrat 10 gemäß der 1 während eines Herstellverfahrens des Substrats 10 während vier zeitlich nachfolgenden Schritten dargestellt. In einem ersten Schritt wird die Vergussmasse 14 von dem nicht ausgehärteten Zustand 22 in der 2a bis zu einem Phasenübergang 24 zwischen dem nicht ausgehärteten Zustand 22 und einem ausgehärteten Zustand 26 in der 2b ausgehärtet. In dem Phasenübergang 24, der auch als ein Gelieren der Vergussmasse 14 verstanden werden kann, ist die Vergussmasse 14 fest, allerdings erst zu 50% bis 70% vernetzt. Die Vergussmasse 14 fließt nicht mehr und das Substrat 10 weist vorteilhafterweise keinen Verzug auf. Der Zeitpunkt des Phasenübergangs 24, auch Gelierpunkt genannt, kann zum Beispiel mittels einer Rheometermessung bestimmt werden.
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Während eines zweiten Schrittes wird in der 2c eine Durchbiegung 28 des Substrats 10 während dem Phasenübergang 24 von dem nicht ausgehärteten Zustand 22 zu dem ausgehärteten Zustand 26 der Vergussmasse 14 ausgeführt. Da die Vergussmasse 14 während dem Phasenübergang 24 nicht mehr fließt, wird die Dicke der Vergussmasse 14 im gebogenen Zustand des Substrats 10 nicht verändert.
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Die Durchbiegung 28 wird um eine Raumachse x und/oder um eine Raumachse y und in Richtung der Vergussmasse 14 ausgeführt, wobei in der 2c nur die Durchbiegung 28 um die Raumachse x dargestellt ist. Bei einer Durchbiegung 28 um beide Raumachsen x und y wird das Substrat 10 vorzugsweise sphärisch gebogen.
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Die Durchbiegung 28 des Substrats 10 kann mittels Kräften 30, 30' senkrecht zu der Substratoberseite 18 ausgeführt werden, wobei die Kraft 30 oder die Kräfte 30' jeweils Aktions- oder Reaktionskräfte sind und einander entgegenwirken. Alternativ kann die Durchbiegung 28 mittels Kräften 32 ausgeführt werden, die seitlich auf das Substrat 10 wirken.
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Wie in der 2d dargestellt, wird die Durchbiegung 28 des Substrats 10 während einem dritten Schritt bis zum Erreichen des ausgehärteten Zustands 24 ausgeführt, wobei in dem ausgehärteten Zustand 24 die Vergussmasse 14 fest und vollständig vernetzt ist. Falls die Vergussmasse 14 thermisch ausgehärtet wird, kann unter dem ausgehärteten Zustand 26 verstanden werden, dass die Ausgangstemperatur erreicht ist und ein mögliches thermisches Schrumpfen der Vergussmasse 14 abgeschlossen ist.
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Die Höhe a und die Form der Durchbiegung 28 in der 2d wird vorteilhafterweise so ausgeführt, dass der Verzug des Substrats 10 durch das Aushärten der Vergussmasse 14 genau ausgeglichen wird und ein vorteilhafterweise ebenes Substrat gemäß der 2e ausgebildet wird. Dementsprechend sollte die Höhe a der Durchbiegung 28 vorteilhafterweise gegen Null gehen oder vorteilhafterweise einen Wert von 0,35% der Breite des Substrats 10 nicht überschreiten.
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Die 3a bis 3d zeigen eine alternative Ausführung des bereits in den 2a bis 2e gezeigten Verfahrens, wobei die Durchbiegung 28 des Substrats 10 in dem nicht ausgehärteten Zustand 22 der Vergussmasse 14 ausgeführt wird. Wie in der 3b dargestellt, kann die Vergussmasse 14 entsprechend der Durchbiegung 28 in Bereiche geringerer Durchbiegung 28 fließen, zum Beispiel in einen Randbereich 38 des Vergussbereichs 20. Dadurch ist die Dicke der Vergussmasse 14 in dem Randbereich 38 des Vergussbereichs 20 größer als in einem Zentralbereich 40 des Vergussbereichs 20. Wie in der 3c und der 3d dargestellt, bleiben die unterschiedlichen Dicken der Vergussmasse 14 entsprechend der Durchbiegung 28 nach dem Aushärten der Vergussmasse 14 bestehen.
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Besonders bevorzugt werden deshalb bei der Bestückung des Substrats 10 die elektrischen Bauelemente 12 mit niedriger Bauhöhe 42 in dem Zentralbereich 40 des Vergussbereichs 20 angeordnet und die elektrischen Bauelemente 12, die gegenüber den niedrigen elektrischen Bauelementen 12 eine höhere Bauhöhe 44 aufweisen, in dem Randbereich 38 des Vergussbereichs 20. Mit dieser Anordnung wird gewährleistet, dass alle elektrischen Bauelemente 12 mit einer möglichst geringen Menge an Vergussmasse 14 überdeckt werden.
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Des Weiteren kann die Durchbiegung 28 des Substrats 10 so ausgeführt werden, dass die Oberseite 36 der höheren elektrischen Bauelemente 12, 44 auf oder unter dem Niveau der Oberseite 34 der niedrigeren elektrischen Bauelemente 12, 42 im Zentralbereich 40 des Vergussbereichs 20 liegen. So werden zusammen mit den niedrigeren elektrischen Bauelementen 12, 42 auch alle höheren elektrischen Bauelemente 12, 44 von der Vergussmasse 14 überdeckt.
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Die Durchbiegung 28 des Substrats 10 in den soweit beschriebenen Verfahren kann in vielfältiger Art und Weise mittels einer Vorrichtung 100 ausgeführt werden. Vorzugsweise wird die Durchbiegung 28 des Substrats 10 mittels zumindest eines mechanischen Elements 52 ausgeführt. Alternativ kann die Durchbiegung 28 auch mittels pneumatisch oder hydraulisch wirkenden Elementen ausgeführt werden.
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In der 4a ist die Vorrichtung 100 dargestellt, wobei ein Substrathalter 46 das Substrat 10 in zwei Einspannstellen 48 entlang der Raumachse y außerhalb des Vergussbereichs 20 fixiert und Mittel aufweist, die dazu ausgebildet sind, das Substrat 10 um eine Raumachse z gemäß der 2c oder der 3b zu biegen. Dabei sind die Mittel als mechanische Elemente 52 in Form eines mechanischen Elements 54, das einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Material des Substrathalters 46 aufweist, und/oder in Form einer Stellschraube 56 ausgebildet. Insbesondere besteht das mechanische Element 54 aus Kunststoff oder Aluminium und der Substrathalter 46 aus Stahl. Das mechanische Element 54 und die Stellschraube 56 sind innerhalb der Einspannstellen 48 und in der Grundplatte 58 angeordnet, wobei das mechanische Element 54 formschlüssig mit der Grundplatte 58 verbunden ist. Niederhalter 62 an Seitenelementen 60 der Vorrichtung 100 fixieren das Substrat 10 an den Einspannstellen 48 auf der Grundplatte 58, damit das Substrat 10 während dem Aufbringen der Vergussmasse 14 nicht verrutscht und das Substrat 10 möglichst eben ist. Vorzugsweise ist einer der Niederhalter 62 als Rolle ausgeführt, um die Durchbiegung 28 nicht einzuschränken.
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In der 4b wird die Durchbiegung 28 gemäß der 2c mittels einer relativen Bewegung der mechanischen Mittel zu den Niederhaltern 62 ausgeführt. Das mechanische Element 54 kann sich mittels einer Temperaturänderung der Vorrichtung 100 ausdehnen, zum Beispiel während einem thermischen Aushärten der Vergussmasse 14. Mit den passiven mechanischen Elementen 54 ist die Verfahrensausführung besonders einfach, da keine aktive Verstellung oder ein aktiver Stellmechanismus notwendig ist. Demgegenüber muss die Stellschraube 56 während dem Durchführen des Herstellungsverfahrens aktiv zu einem gewünschten Zeitpunkt oder Verfahrensschritt verstellt werden.
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In einer alternativen Ausführung können auch die Niederhalter 62 in Kombination mit den Seitenelementen 60 als mechanisches Element 52 verwendet werden, wobei mittels einer Relativbewegung der Niederhalter 62 gegenüber der Grundplatte 58 die Durchbiegung 28 des Substrats 10 ausgeführt werden kann. Dabei müsste die Grundplatte 58 mit einer Aussparung versehen sein, so dass die Durchbiegung 28 zum Beispiel an einer Kante der Aussparung durchgeführt werden kann.
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Die Niederhalter 62 können auch entlang der Raumachse x angeordnet sein, um zum Beispiel in Kombination mit den Niederhaltern 62 entlang der Raumachse y eine sphärische Durchbiegung 28 auszuführen. Des Weiteren kann ein Niederhalter 62 in der x-y Ebene ringförmig ausgebildet sein und zum Beispiel mit einem mechanischen Element 52 in der Mitte des Vergussbereichs 20 zusammenwirken. Des Weiteren können mehrere Niederhalter 62 auch punktförmige und/oder linienförmige Einspannstellen 48 ausbilden.
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In der 5a ist ein mechanisches Element 54 an der Seite des Substrats 10 und außerhalb der Einspannstelle 48 in dem Substrathalter 46 angeordnet und steht vorteilhafterweise in einem formschlüssigen Kontakt mit der Grundplatte 58 und dem Seitenelement 60.
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In der 5b ist das mechanische Element 54 in einem verformten Zustand dargestellt, wodurch das Substrat 10 gegenüber der Darstellung in der 5a zwischen dem mechanischen Element 54 und den zwei Seitenelementen 60 eingeklemmt ist und sich folglich in Richtung der Vergussmasse 14 biegt.
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In der 6a und gemäß einer Detailansicht B in der 6b ist das mechanische Element 54 gemäß der 5a auf einer Schiene 64 beweglich gelagert, wobei eine Schraube 66 das mechanische Element 54 auf der Schiene 64 fixieren kann. Mit dieser Ausführungsform der Vorrichtung 100 können unterschiedliche Substrate 10 mit unterschiedlichen Dimensionen oder Toleranzen jeweils in derselben Vorrichtung 100 hergestellt werden. In einem möglichen manuellen oder automatischen Herstellungsverfahren kann ein definierter Abstand zwischen der Seite des Substrat 10 und dem mechanischen Element 54 so eingestellt werden, dass bei einer späteren thermischen Aushärtung der Vergussmasse 14 die Durchbiegung 28 des Substrats 10 mit einer gewünschten Höhe a erreicht wird. Weiterhin können Substrate 10 mit unterschiedlichen Materialien verwendet werden und die Höhe a der Durchbiegung 28 kann einfach und ohne Wechsel des mechanischen Elements 54 eingestellt werden. Die Schiene 64 ist so orientiert, dass das mechanische Element 54 gegen einen Seitenbereich des Substrates 10 kraftbeaufschlag drücken kann, um dessen Biegung zu bewirken.
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Die soweit beschriebene Vorrichtung 100 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt oder modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. So ist es zum Beispiel denkbar, auch Stellschrauben 56 zu verwenden, die seitlich und senkrecht zu der Durchbiegung 28 auf das Substrat 10 einwirken, oder die mechanischen Elemente 52 mit pneumatischen und/oder hydraulischen Elementen zu kombinieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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