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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Prägen von Strukturen auf einen
Träger,
insbesondere zum Heißprägen, bei
denen eine Folie relativ zum Träger
positioniert wird, die Folie mit einem eine Prägestruktur tragenden Stempel
gegen den Träger
gepresst wird, um eine der Prägestruktur
entsprechende Struktur aus der Folie auszustanzen und auf den Träger aufzuprägen, und
nicht von der Prägestruktur
aufgeprägte Restfolie
anschließend
vom Träger
entfernt wird.
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Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet
der vorliegenden Erfindung stellt das Heißprägen räumlich spritzgegossener Schaltungsträger dar,
welche mechanische und elektrische bzw. elektronische Funktionen
vereinen. Räumlich
spritzgegossene Schaltungsträger
verbinden elektrische und mechanische Elemente auf einer fast beliebig
räumlich
geformten, dreidimensionalen Oberfläche. Durch die Verwendung von
hochtemperaturfesten Thermoplasten als Trägermaterial und eine strukturierte
Metallisierung des Trägers
eröffnen
sich der Elektroindustrie völlig neue
Möglichkeiten
für den
Schaltungsaufbau. Der Einsatz derartiger Schaltungsträger bietet
sich daher besonders bei Produkten an, die ein großes Potential zur
Integration mechanischer und elektrischer Funktionen aufweisen und
durch einen hohen Montageaufwand der bestehenden konventionellen
Lösungen
ge kennzeichnet sind. Heißgeprägte spritzgegossene
Schaltungsträger,
auch als MIDs (Moulded Interconnect Devices) bezeichnet, werden
aktuell bereites in der Telekommunikation, im Automotive-Bereich
sowie in der Elektronik-Branche eingesetzt.
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Beim Heißprägen derartiger Schaltungsträger wird
eine metallische Folie, eine spezielle Heißprägefolie, über dem Träger positioniert und mit einem
eine Prägestruktur
tragenden Heißprägestempel
gegen den Träger
gepresst, um eine der Prägestruktur
entsprechende Struktur aus der Folie auszustanzen und auf den Träger aufzuprägen. Die
nicht von der Prägestruktur
aufgeprägte
Restfolie muss anschließend
vom Träger
entfernt werden. Auf diese Weise entsteht ein Prägemuster des Folienmaterials, durch
das Leiterbahnen auf dem Träger
entstehen, die die elektrisch leitende Funktion des Schaltungsträgers übernehmen.
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Stand der Technik
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Ein Problem beim Heißprägen von
Strukturen auf einen Träger
stellt jedoch die Entfernung der dünnen, biegeschlaffen und hochflexiblen
Restfolie im letzten Schritt des Heißprägeprozesses dar. Diese Restfolie
wird derzeit überwiegend
manuell mit einer Pinzette von der Trägeroberfläche entfernt. Bei dieser manuellen
Entnahme müssen
jedoch häufig
einzelne Stücke
der Restfolie in mehreren Einzelschritten erfasst und nacheinander
von der Trägeroberfläche abgehoben
werden. Dabei besteht auch die Gefahr, dass die Metallpinzette die
gerade geprägte
Leiterbahnstruktur beschädigt.
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Weiterhin ist eine Technik bekannt,
bei der die Entfernung der Restfolie über ein Klebeband erfolgt,
das nach dem Heißprägeschritt
auf die Trägeroberfläche aufgelegt
und wieder abgezogen wird. Die biegeschlaffe Restfolie soll an diesem
Klebeband haften bleiben und mit ihm nach oben abgezogen werden.
Diese Technik ist jedoch nur bei annähernd planen Oberflächen möglich. Ein
wesentlicher Vorteil der MID-Technologie, dem Hauptanwendungsgebiet der
vorliegenden Erfindung, ist jedoch die Möglichkeit der Herstellung räumlich strukturierter
Schaltungsträger,
die nicht ausschließlich
aus planen Flächen
bestehen. Das Entfernen der Restfolie mittels Klebeband ist bei
derartigen Trägern
daher nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht
die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren sowie
eine Vorrichtung zum Prägen,
insbesondere Heißprägen, von
Strukturen auf einen Träger
anzugeben, mit denen eine automatisierte Entfernung der biegeschlaffen
Restfolie auch von nicht planen Trägern möglich ist.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren
sowie der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 6
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung
sind Gegenstand der Unteransprüche
oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen entnehmen.
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Beim vorliegenden Verfahren zum Prägen von
Strukturen auf einen Träger
wird in bekannter Weise eine Folie relativ zum Träger positioniert
und mit einem eine Prägestruktur
tragenden Stempel gegen den Träger
gepresst, um eine der Prägestruktur entsprechende
Struktur aus der Folie auszustanzen und auf den Träger aufzuprägen. Anschließend wird nicht
von der Prägestruktur
aufgeprägte
Restfolie vom Träger
entfernt. Das vorliegende Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass
ein Stempel mit einem oder mehreren integrierten Kanälen eingesetzt wird,
die in Zwischenräume
der Prägestruktur
münden,
und dass in den Kanälen
zumindest beim Abheben des Stempels vom Träger ein Unterdruck erzeugt
wird, durch den die Restfolie beim Abheben am Stempel gehalten wird.
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Die zugehörige Vorrichtung umfasst einen eine
Prägestruktur
tragenden Stempel, der ein oder mehrere integrierte Kanäle aufweist,
die in Zwischenräume
der Prägestruktur
münden,
eine Pressvorrichtung zum Pressen des Stempels gegen den Träger, eine
an die Kanäle
des Stempels anschließbare
Vakuumpumpe sowie eine Steuerung, die die Vakuumpumpe und/oder eine
Einrichtung zum Herstellen einer durchgehenden Verbindung zwischen
der Vakuumpumpe und den Kanälen,
wie bspw. ein Sperrventil, des Stempels ansteuert, um beim Abheben
des Stempels einen Unterdruck in den Kanälen zu erzeugen.
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Mit dem vorliegenden Verfahren und
der zugehörigen
Vorrichtung ist es möglich,
ausgestanzte und nicht aufgeprägte
biegeschlaffe Restfolie gleichzeitig mit dem Wiederanheben des Prägestempels automatisch
von der Trägeroberfläche zu entfernen. Die
Entfernung der Restfolie erfolgt hierbei vollständig und in einem einzigen
Arbeitsschritt. Somit entfällt das
Entfernen einzelner Reststücke
in mehreren Arbeitsschritten, wie dies derzeit beim Stand der Technik
erforderlich ist. Die Restfolie kann bereits während des Prägeschrittes
durch Erzeugung eines Unterdruckes in den Kanälen festgehalten werden und wird
in jedem Falle gleichzeitig mit dem Anheben des Stempels von der
Trägeroberfläche entfernt.
Das Verfahren sowie die zugehörige
Vorrichtung ermöglichen
eine automatisierte Betriebsweise ohne zusätzliche manuelle Arbeitsschritte.
Insbesondere lässt sich
dadurch ein gegenüber
dem Stand der Technik deutlich erhöhter Durchsatz erzielen, da
der zeitaufwendige manuelle Zwischenschritt zur Entfernung der Restfolie
entfällt.
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Das Verfahren und die zugehörige Vorrichtung
ermöglichen
auch ein gezieltes Ablegen der Restfolie, indem der Unterdruck in
den Kanälen
zu einem vorgebbaren Zeitpunkt durch Belüftung aufgehoben oder die Kanäle zu diesem
Zeitpunkt mit Druckluft beaufschlagt werden. Weiterhin ermöglichen
das Verfahren sowie die Vorrichtung den Einsatz auf beliebigen dreidimensionalen
Trägern,
da die jeweiligen Stempel, mit denen die Restfolie abgehoben wird,
bereits zwangsläufig
an diese dreidimensionale Struktur angepasst sind.
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Das vorliegende Verfahren und die
zugehörige
Vorrichtung eignen sich insbesondere zum Heißprägen von Strukturen auf einen
Träger
unter Verwendung spezieller, kommerziell erhältlicher Heißprägefolien.
Bei dieser Anwendung muss selbstverständlich der die Prägestruktur
tragende Stempel während
des Prägens
beheizt sein. Selbstverständlich
lassen sich das Verfahren sowie die Vorrichtung jedoch auch bei
anderen Prägeprozessen
einsetzen, bei denen nach dem Prägevorgang
eine biegeschlaffe Restfolie von der Oberfläche des Trägers entfernt werden muss.
Insbesondere ist es auch möglich,
das Verfahren bei Prägetechniken
einzusetzen, bei denen die Folie durch eine spezielle Haftbeschichtung nur
unter Druck- und ohne Temperatureinwirkung am Träger haften bleibt.
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Die Prägestruktur des Stempels ist
beim vorliegenden Verfahren entsprechend dem zu prägenden Muster
ausgebildet und setzt sich aus den erhabenen prägenden Bereichen und den dazwischen
liegenden Vertiefungen bzw. Zwischenräumen zusammen. Für das vollständige Entfernen
der Restfolie aus allen Bereichen zwischen den geprägten Strukturen
ist es hierbei selbstverständlich
erforderlich, dass die Kanäle
des Stempels in sämtliche
Zwischenräume
zwischen den erhabenen Bereichen reichen. Weiterhin können auch
in Randbereiche der Prägestruktur
entsprechende Kanäle
münden,
um den möglicherweise
verbleibenden Rand der Folie ebenfalls abzusaugen. Dies ist bei
einigen Anwendungen nicht erforderlich, beim dem die Folie aus einem
bandartigen Folienmaterial besteht, das für das Prägen mehrerer Träger jeweils
nach dem Ausstanzen und Aufprägen
eines Bereiches weiter transportiert wird.
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Die Kanäle können beim vorliegenden Verfahren
erst unmittelbar vor dem Abheben des Stempels vom Träger mit
einem Unterdruck beaufschlagt werden oder bereits während des
vorangehenden Prägeschrittes.
Die Verbindung mit der für
die Erzeugung des Unterdrucks erforderlichen Vakuumpumpe kann über eine
mit einem Sperrventil ausgestattete Leitung erfolgen, das die Verbindung
zwischen der Vakuumpumpe und den Kanälen öffnet oder schließt. Weiterhin
ist es möglich,
die Vakuumpumpe während des
Prägeprozesses
entsprechend an- und
abzuschalten. Zum Ablegen der Restfolie bzw. zum Lösen der
Restfolie vom Stempel nach dem Abheben kann entweder der Unterdruck
durch Belüftung
beseitigt oder Druckluft in die Kanäle eingebracht werden, durch
die die Restfolie abgestoßen
wird.
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In einer Weiterbildung der vorliegenden
Vorrichtung bzw. des vorliegenden Verfahrens wird ein Stempel eingesetzt,
bei dem die Zwischenräume
mit einem Elastomer teilweise aufgefüllt sind, so dass das Elastomer
bis knapp an die (erhabene) Ebene der erhabenen Strukturen heranreicht.
Das Elastomermaterial ist hierbei mit einer oder mehreren Bohrungen
versehen, um die Verbindung zu den Kanälen des Stempels aufrecht zu
erhalten. Durch diese Ausgestaltung kann eine verbesserte Ansaugung
der Restfolie erreicht werden, da der Abstand zwischen der Restfolie
und den durch das Elastomer verlängerten
Ansaugkanälen
verringert ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der
vorliegenden Vorrichtung sind die erhabenen Bereiche an ihren Rändern mit
scharfen Kanten ausgebildet, um das Abscheren bzw. Ausstanzen der
Folie beim Prägeschritt
zu erleichtern. Die erhabenen Strukturen können hierzu im Querschnitt
eine konkav ausgebildete Oberfläche
aufweisen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Das vorliegende Verfahren sowie die
zugehörige
Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungs beispielen in Verbindung
mit den Zeichnungen ohne Beschränkung
des allgemeinen Erfindungsgedankens nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
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1 ein
Beispiel für
die einzelnen Schritte beim Heißprägen mit
dem vorliegenden Verfahren;
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2 stark
schematisiert den Aufbau eines Stempels mit Prägestruktur gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 ein
weiteres Beispiel für
den Aufbau eines Stempels mit Prägestruktur
gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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4 den
schematischen Aufbau einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Der prinzipielle Ablauf beim Heißprägen von Strukturen
auf einen Träger
gemäß dem vorliegenden
Verfahren ist anhand der 1a bis 1d dargestellt. Die Teilfiguren stellen
hierbei nur die wichtigsten Verfahrensschritte dieses Prozesses
dar. Im ersten Schritt wird ein Träger 1, im vorliegenden
Beispiel in Form eines Basissubstrats mit einer darin befindlichen Öffnung 15 für eine elektrische
Durchkontaktierung, bereitgestellt (1a).
Der Träger 1 wird
in eine Prägevorrichtung
eingelegt, von der in den nachfolgenden Teilabbildungen lediglich
die Halteplatte 16 sowie der Prägestempel 3 zu erkennen sind.
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Der Prägestempel 3 trägt an seiner
Unterseite eine Prägestruktur 4,
sowie zahlreiche integrierte Kanäle 6, die
in Zwischenräume 7 der
Prägestruktur münden. Diese
Kanäle 6 sind
in der 1 nur angedeutet.
Die Prägestruktur 4 des
Stempels 3 bildet den exakten Verlauf der gewünschten,
auf dem Träger
zu erzeugenden Leiterbahnstruktur ab.
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Nach dem Einlegen des Trägers 4 in
die Prägevorrichtung
wird die Heißprägefolie 2 auf
die Oberfläche
des Trägers
aufgelegt (1b). Anschließend wird
der beheizte Prägestempel 3 aus
Metall gegen die Oberfläche
des Trägers 1 gepresst.
Durch diesen Vorgang wird die gewünschte Leiterbahnstruktur aus der
Heißprägefolie 2 ausgestanzt
und auf den Träger 1 aufgeprägt (1c).
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Auch wenn in der 1c die
Oberfläche
des Trägers 1 durch
die Prägestruktur 4 in
geringem Maße
eingedrückt
wird, so ist dies selbstverständlich nicht
in jedem Falle erforderlich. Es ist vielmehr bei vielen Anwendungen
ausreichend, den Stempel 3 nur derart gegen den Träger 1 zu
pressen, dass die gewünschte
Struktur der Folie 2 aufgeprägt wird, ohne die Oberfläche des
Trägers 1 selbst
mechanisch zu verändern.
Im Bereich der Durchkontaktierungsöffnung 15 des Trägers 1 ist
die Prägestruktur 4 derart
ausgebildet, dass sie auch auf den inneren Rand dieser Öffnung 15 Leiterbahnmaterial
aufprägt.
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Unmittelbar vor dem Abheben des Prägestempels 3 wird
in den Kanälen 6 des
Stempels mit Hilfe einer daran angeschlossenen Vakuumpumpe ein Unterdruck
erzeugt, der die gerade erst abgescherten biegeschlaffen Restfolienstücke zwischen den
aufgeprägten Bereichen
an der Unterseite des Stempels 3 festhält. In diesem Zustand wird
der Prägestempel 3 mit
den daran angesaugten Restfolienstücken vom Träger 1 abgehoben, so
dass lediglich die aufgeprägte
Leiterbahnstruktur 17 auf dem Träger 1 verbleibt, während die
Restfolie 5 mit dem Stempel 3 abtransportiert
wird (1d). Auf diese Weise wird die
automatische Entfernung der Restfolie 5 ohne zusätzliche
Arbeitsschritte erreicht. Die Restfolienstücke 5 können zu
geeigneter Zeit bzw. an geeigneter Stelle außerhalb der Prägevorrichtung durch
Einbringen von Druckluft in die Kanäle 6 wieder abgestoßen werden.
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2 zeigt
in stark schematisierter Darstellung den Aufbau eines Stempels 3 gemäß der vorliegenden
Erfindung im Querschnitt. Der Stempel 3 weist an seiner
Unterseite eine Prägestruktur 4 aus erhabenen
Bereichen und Zwischenräumen 7 auf.
In den Stempel 3 sind Kanäle 6 gebohrt, die
in die Zwischenräume 7 der
Prägestruktur 4 münden. Diese Kanäle 6 sind
mit ihrem anderen Ende mit einem gemeinsamen Hauptkanal 12 verbunden, über den
sie mit Vakuum oder Druckluft beaufschlagt werden können. Die
Anbindung einer Vakuumpumpe bzw. eines Druckluftreservoirs an den
Hauptkanal 12 des Stempels 3 kann in beliebiger
Weise durch geeignete, dem Fachmann bekannte Anschlüsse erfolgen.
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Um möglichst dicht an der Restfolie 5 ansetzen
zu können,
kann ein Elastomermaterial 13 leicht zurückgesetzt
in die Zwischenräume 7 der
Prägestruktur 4 eingebracht
werden, wie dies mit der gestrichelten Linie in der 2 angedeutet ist. Das Elastomer 13 ist
hierbei jeweils mit einer oder mehreren Bohrungen versehen, die
an den Kanälen 4 des Stempels 3 ansetzen,
um diese entsprechend zu verlängern.
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3 zeigt
ein weiteres Beispiel einer Ausgestaltung eines Prägestempels 3 gemäß der vorliegenden
Erfindung in stark schematisierter Darstellung. Der linke Teil der
Figur zeigt hierbei den Prägestempel 3 vor
dem Prägevorgang,
der rechte Teil der Figur den Prägestempel 3 während des
Prägevorgangs.
Der Prägestempel 3 weist
auch hier Ansaugkanäle 6 auf,
die in Zwischenräume 7 der
Prägestruktur 4 münden und
mit Vakuum und ggf. Druckluft beaufschlagt werden können. Die
erhabenen Bereiche der Prägestruktur 4 sind
im vorliegenden Beispiel mit scharfen Kanten ausgebildet, wie dies
im vergrößerten Ausschnitt
A der 3 zu erkennen
ist. Diese scharfen Kanten können
durch eine im Querschnitt konkave Ausbildung der erhabenen Bereiche
erreicht werden, wobei der Höhenunterschied
zwischen den äußeren Kanten
und dem Zentrum der erhabenen Bereiche bspw. ca. 0,2 mm betragen
kann. In der Figur ist weiterhin die Prägefolie 2 sowie der
Träger 1 angedeutet,
auf den der Prägestempel 3 beim
Prägevorgang
gepresst wird, wie dies im rechten Teil der Figur zu erkennen ist.
Durch die besondere Ausgestaltung der erhabenen Bereiche der Prägestruktur 4 wird
eine verbesserte Abscherung bzw. ein verbessertes Ausstanzen der
zu prägenden
Folienbereiche erreicht. Auch in diesem Beispiel kann wiederum in den
Zwischenräumen 6 ein
entsprechendes Elastomer 13 eingebracht sein, wie dies
bereits in Verbindung mit 2 erläutert wurde.
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Bereits während dem Aufprägen der
Folie 2 kann ein Unterdruck in den Kanälen 6 aufgebaut werden, über den die
ausgestanzte Restfolie 5 angesaugt wird. Beim Abheben des
Stempels 3 wird auch hier die Restfolie 5 somit
vollständig
von dem Träger 1 abgehoben.
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4 zeigt
schließlich
stark schematisiert den prinzipiellen Aufbau der vorliegenden Vorrichtung
mit einer bekannten Pressvorrichtung 18, mit der der Stempel 3 gegen
einen auf einer Halteplatte 16 der Pressvorrichtung liegenden
Träger
gepresst werden kann. Der Stempel 3 ist in diesem Beispiel von
einer Heizvorrichtung 11 teilweise umschlossen, die ihn
auf die erforderliche Heißprägetemperatur aufheizt.
Die in dieser Darstellung nicht erkennbaren Kanäle 6 des Stempels 3 sind über zwei
Absperrventile 10 mit einer Vakuumpumpe 8 sowie
einem Druckluftreservoir 14 verbunden. Eine Steuerung 9 steuert die
Bewegung der Pressvorrichtung 18 sowie das Öffnen bzw.
Schliefen der entsprechenden Ventile 10, um in den Kanälen 6 des
Stempels unmittelbar vor dem Abheben einen Unterdruck zu erzeugen
und diese Kanäle
zu einem späteren
Zeitpunkt zum Abstoßen
der Restfolie mit Druckluft zu beaufschlagen.
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- 1
- Träger
- 2
- Folie
bzw. Heißprägefolie
- 3
- Stempel
- 4
- Prägestruktur
- 5
- Restfolie,
Restfolienstücke
- 6
- Kanäle
- 7
- Zwischenräume
- 8
- Vakuumpumpe
- 9
- Steuerung
- 10
- Einrichtung
zum Herstellen einer
-
- durchgehenden
Verbindung, bspw. Absperrventil
- 11
- Heizvorrichtung
- 12
- Hauptkanal
- 13
- Elastomer
- 14
- Drucklufterzeugungseinrichtung,
-
- Druckluftreservoir
- 15
- Öffnung zur
Durchkontaktierung
- 16
- Halteplatte
- 17
- Leiterbahnstruktur
- 18
- Pressvorrichtung