WO2011088955A1 - Verfahren und vorrichtung zur strukturierung einer auf einem substrat angeordneten lage - Google Patents

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WO2011088955A1
WO2011088955A1 PCT/EP2010/070831 EP2010070831W WO2011088955A1 WO 2011088955 A1 WO2011088955 A1 WO 2011088955A1 EP 2010070831 W EP2010070831 W EP 2010070831W WO 2011088955 A1 WO2011088955 A1 WO 2011088955A1
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cutting tools
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Holger Albert Ulland
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for structuring a layer arranged on a substrate in a plurality of separate regions.
  • the structuring of a layer arranged on a substrate is required, for example, in the manufacture of printed circuit boards as a carrier for electronic components.
  • Substrate consists of an electrically insulating material on which a copper layer is located.
  • the conductor tracks and solder pads are characterized by a structuring of the
  • the present invention relates in particular to the structuring of the electrically conductive layers
  • thermocouples which consists of at least one n-doped and
  • thermoelectric material to form at least one along a boundary layer forming pn junction.
  • a temperature gradient is parallel to the boundary layer between a hot and a cold side of the
  • thermocouple can be applied.
  • a substrate with several electrically and thermally conductive areas is required, which are thermally and electrically separated from each other by insulating joints between the areas.
  • Photoresists are used. On the full surface covering the substrate conductive layer is a thin layer of the applied photosensitive photoresist. After the exposure of the photoresist through a mask having the desired structure, for example in the form of a printed circuit board layout, depending on the photoresist used, either the
  • ashing This process is called ashing.
  • the ashing can be done, for example, wet-chemical.
  • Structuring method is that the masking and removal of high costs and a long
  • DE 10 2008 016 340 B3 discloses an electrically conductive layer arranged on a substrate into which a longitudinal groove is introduced by means of a cutting tool.
  • the conductive layer is structured into two separate regions.
  • the cutting tool is on a movable in different spatial axes
  • DE 10 76 212 A discloses a method for producing electrically conductive switching connections from a
  • the circuit board contains all required holes, it is conveyed to a first milling device with the assembly line.
  • the milling device includes a plurality of fixed bridges, on which milling heads are mounted. The milling in
  • the longitudinal direction of the circuit board are carried out during the movement of the assembly line.
  • GB 1,135,982 A discloses a method and a device for structuring an electrically conductive metal foil arranged on a flexible substrate into a plurality of separate regions, the metal foil being removed with the aid of a cutting tool.
  • the substrate is over a the cutting tool
  • the invention is based on the object to provide a method of the type mentioned above, the cost and with a shorter process duration structuring of the on Substrate arranged position allows both in a longitudinal direction of the substrate and transversely thereto into a plurality of separate regions, which can be automated in particular as a continuous process, during which
  • Structuring an interruption of the feed of the substrate is not required.
  • a device for carrying out the method should be specified.
  • At least one of the cutting tools in the plane of the ablated position is generated by means of a positioning system, that the at least one cutting tool is moved transversely to the direction of movement of the substrate, wherein the transverse to the direction of movement of the substrate moving cutting tool from the positioning with
  • the electrically conductive, in particular metallic layer has a thickness in the range of 0.1 to 1000 [im.
  • the particular consisting of electrically insulating material substrate has a thickness in a range of 10 to 10,000 [im.
  • To be separated areas is removed mechanically by means of the cutting tools, without severing the substrate.
  • the substrate rests on the opposite side of each cutting tool on a surface which serves as a reference surface for the positioning of the cutting tools.
  • Each cutting tool is moved in the direction of this reference surface so far that the electrically conductive layer between the areas to be separated is always completely removed.
  • the substrate always has a certain
  • Reference surface is preferably chosen so that it is only slightly smaller than the lowest strength (lower
  • Webs corresponding to the width of the cutting tool can be selected by the cutting tool, for example in a range between 100 [mm and a few millimeters.
  • Positioning systems are aligned to the reference surface.
  • the relative movement of the Zerspanwerkmaschinee in the plane of the ablated position is also using a
  • the inventive method is particularly suitable for the removal of layers with a relatively large thickness in the range of up to 100 [im, which can be compared with the conventional
  • Surface is guided. It may, for example, to the surface of a plate-shaped support or a
  • the cutting tool positioned at a defined distance from this surface generates the tool along the direction of movement of the substrate
  • Parting line between the mutually separate areas of the electrically conductive layer In a preferably straight-line movement of the substrate over the surface, the parting line has the shape of a web in the width of the
  • At least one of the cutting tools is transverse to the
  • Direction of movement moves in the plane of the electrically conductive layer.
  • the Invention uses a web-shaped, flexible substrate.
  • the Substrate is preferably made of a support film having a thickness in a range of 10 to 10,000 [im.
  • the carrier film for example, made of plastics, such as polyimide, polypropylene, Teflon, polyamide or polyester.
  • the electrically conductive layer before structuring as a firmly adhering layer in particular
  • the coating can be applied, for example, by means of a plasma coating process, galvanically or by means of a printing process.
  • electrically conductive layer can also be laminated as an electrically conductive film on the carrier film.
  • the substrate to be structured in particular web-shaped substrate with metallic layer, can be produced inexpensively in large quantities and stored on rolls.
  • web-shaped substrate extending parting lines are particularly suitable rotary milling or sawing tools.
  • Cutting the rotating milling tool can be in
  • Each cutting tool is on a positioning system
  • At least one of the cutting tools is arranged on a positioning system which is a multi-axis
  • Linear system is, along the axes of the at least one cutting tool not only in the direction of the surface of the
  • Positioning device or away from the surface, but also in parallel to the surface is movable.
  • the at least one cutting tool can be moved transversely to the direction of movement of the substrate, wherein the cutting tool moving transversely to the direction of movement of the substrate moves away from the workpiece
  • web-shaped substrate has at least one stationary
  • Positioning device with a surface over which the substrate is guided in a direction of movement.
  • At least one transverse to the direction of movement of the substrate in addition at least one transverse to the direction of movement
  • the advancing movement of the substrate can take place, for example, by drive rollers which rest against the substrate.
  • a flexible substrate can be wound onto a driven spool while being guided over the positioning device and structured by the opposing cutting tool.
  • a plurality of rotating cutting tools are arranged at a distance from each other on a common drive shaft.
  • the rotating divide Cutting tools not only a drive, but are also synchronized, so that in matching cutting tools also matching joints
  • FIG. 1 a shows a side view of a substrate
  • FIG. 1b shows a side view of a substrate with a metallic layer
  • Figure 1 c is a side view of a film
  • Figure 1 d shows a plan view of the substrate.
  • FIG. 1 b
  • Figure 1 e illustrated cutting tool is structured
  • Figure 1 f the structured in the longitudinal and transverse directions electrically conductive layer in one
  • Figure 2 a shows a first embodiment of a
  • FIG. 2 b shows a front view of the device according to FIG. 2 a
  • Figure 3 a shows a second embodiment of a
  • FIG. 3 b shows a front view of the device according to FIG.
  • FIG. 3 d is a plan view of the device of Figure 3 c
  • Figure 4a is a third embodiment of a
  • FIG. 4 b shows a plan view of the device according to FIG. 4 a
  • Figure 5 is a plan view of an embodiment
  • Movement direction of the substrate is movable
  • FIG. 6 a shows a plan view of a substrate having a structure
  • the method according to the invention serves for structuring a substrate (1), in particular made of plastic,
  • the layer (2) can, as shown in FIG. 1 b, be deposited on the substrate (1) by way of a coating process.
  • both the substrate (1) and the layer (2) are formed by a film, which are joined together by means of an adhesive layer (3) (FIG. 1c).
  • an adhesive layer (3) FIG. 1c
  • the substrate (1) rests on a surface (6) on the side opposite the cutting tool (5).
  • This surface (6) forms a reference surface for the
  • the position (2) is parallel and transverse to the longitudinal direction of the layer (2) with one or more
  • FIG. 2 a shows a device (8) for structuring the layer (2).
  • the device (8) has a rotatable
  • Positioning cylinder (9), over the surface (10) of the flexible substrate (1) in a direction of movement (11) is guided.
  • the positioning cylinder (9) is stationary in the
  • the cutting tool (5) designed as a milling tool is provided with a shaft (12)
  • the cutting tool (5) is arranged on a positioning system (13), which in the illustrated
  • Embodiment is designed as a single-axis linear system, wherein the cutting tool (5) along the Z-axis (23) of the linear system in the direction of the surface (10) of the
  • Positioning cylinder (9) or away from its surface is movable.
  • the cutting tool (5) is disengaged.
  • the cutting tool with the positioning system (13) is lowered in the direction of the Z axis (23).
  • the guidance of the flexible coated substrate (1, 2) over the positioning cylinder (9) takes place with the aid of guide and drive rollers (15, 16), which are preferably arranged on both sides of the coated substrate (1, 2).
  • the second embodiment of a device shown in Figure 3 differs from the device of Figure 2 characterized in that the flexible, coated substrate (1,2) is not guided over a positioning cylinder (9), but a stationary positioning plate (17) whose
  • Positioning system (13) arranged cutting tool (5) is used.
  • FIGS. 3a, 3b show the device when it is lifted off
  • Cutting tool (5) In order to structure the layer (2) on the substrate (1), the cutting tool (5) must be moved in the direction of the surface (10) that the cutting tool (5), the position (2), as shown in the figures
  • Movement direction (11) is moved. This will be the
  • the layer (2) on the web-shaped substrate (1) can be structured into two separate regions (4).
  • the positioning system (13) is preferably on both sides of the not shown for reasons of clarity
  • the inventive device according to Figure 5 corresponds in construction to the device of Figure 4, so that reference is made to the statements there.
  • it has a further rotating cutting tool (18) which is arranged on a shaft (19) running at right angles to the shaft (12) and connected to a drive.
  • the cutting tool (18) is associated with a separate positioning system (20). It is a three-axis linear system with which the cutting tool (18) transversely and parallel to
  • multi-axis linear system (20) in the direction of the y-axis (21) moves.
  • the latter moves along the y-axis (21)
  • thermoelectric element 24 a, 24 b
  • thermoelectric material at least one n-doped and at least one p-doped semiconductor layer of thermoelectric material below
  • thermoelectric elements (24) In order to interconnect these thermoelectric elements (24) to form a module, a substrate (1) having a plurality of electrically and thermally conductive regions (4) is provided.
  • thermoelectric element (24 a) with an outwardly facing n-layer of the adjacent thermoelectric
  • thermoelectric element (24 b) conductively connect to each other, two adjacent thermoelectric elements (24 a, 24 b) on the cold side (25) with a thermally and
  • thermoelectric adhesive layer electrically conductively connected to one of the electrically and thermally conductive regions (4) on the substrate (1).
  • thermoelectric elements on the hot side (26) in each case two adjacent thermoelectric elements (24 a, 24 b) exclusively thermally to the area (4) coupled.
  • thermoelectric elements in each case two thermoelectric elements (24 a, 24 b) can be electrically connected in series and at the same time the contact surfaces for coupling or decoupling thermal energy can be provided.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strukturierung einer auf einem elektrisch isolierenden Substrat angeordneten elektrisch leitfähigen Lage in mehrere voneinander getrennte Bereiche. Um kostengünstig und mit kurzer Verfahrensdauer eine Strukturierung der auf dem Substrat (1) angeordneten Lage (2) sowohl in einer Bewegungsrichtung des Substrats (11) als auch quer dazu in mehrere voneinander getrennte Bereiche zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass eine Relativbewegung mindestens eines der Zerspanwerkzeuge (5, 18) in der Ebene der abzutragenden Lage mit Hilfe eines Positioniersystem (20) dadurch erzeugt wird, dass das mindestens eine Zerspanwerkzeug (18) quer zu der Bewegungsrichtung des Substrats bewegt wird, wobei das sich quer zu der Bewegungsrichtung des Substrats bewegende Zerspanwerkzeug von dem Positioniersystem zugleich mit übereinstimmender Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung wie das Substrat bewegt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Strukturierung einer auf einem Substrat angeordneten Lage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strukturierung einer auf einem Substrat angeordneten Lage in mehrere voneinander getrennte Bereiche.
Die Strukturierung von einer auf einem Substrat angeordneten Lage ist beispielsweise bei der Herstellung von Leiterplatten als Träger für elektronische Bauteile erforderlich. Das
Substrat besteht aus einem elektrisch isolierenden Material, auf dem sich eine Kupferschicht befindet. Die Leiterbahnen und Lötflächen werden durch eine Strukturierung der
Kupferschicht hergestellt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Strukturierung der elektrisch leitfähigen Lagen auf
Substraten zur Herstellung von Modulen mit mehreren
elektrisch in Serie geschalteten Dünnschicht-Thermoelementen. In der EP 1 287 566 Bl wird ein Dünnschicht-Thermoelement offenbart, das aus mindestens einer n-dotierten und
mindestens einer p-dotierten Halbleiterschicht aus
thermoelektrischem Material unter Ausbildung wenigstens eines sich entlang einer Grenzschicht ausbildenden pn-Übergangs besteht. Ein Temperaturgradient ist parallel zur Grenzschicht zwischen einer heißen und einer kalten Seite des
Thermoelementes anlegbar. Um die Thermoelemente zu einem Modul miteinander zu verschalten, ist ein Substrat mit mehreren elektrisch und thermisch leitfähigen Bereichen erforderlich, die durch isolierende Trennfugen zwischen den Bereichen thermisch und elektrisch voneinander getrennt sind.
Insbesondere bei der Leiterplattenherstellung, jedoch auch in der Mikroelektronik kommen zur Strukturierung der Lage
Fotolacke zum Einsatz. Auf die vollflächig das Substrat abdeckende leitfähige Lage wird eine dünne Schicht des lichtempfindlichen Fotolacks aufgebracht. Nach der Belichtung des Fotolacks durch eine Maske mit der gewünschten Struktur, beispielsweise in Form eines Leiterplattenlayouts, werden abhängig von dem verwendeten Fotolack entweder die
belichteten oder die unbelichteten Teile des Fotolacks mit einer Entwicklerlösung entfernt. Bringt man das so
vorbehandelte Substrat in eine geeignete Ätzlösung, so wird nur der freigelegte Teil der elektrisch leitfähigen Lage angegriffen, während die vom Fotolack bedeckten Anteile der Lage erhalten bleiben, weil der Fotolack gegen die Ätzlösung beständig ist. Schließlich muss der Fotolack von den nunmehr getrennten Bereichen der elektrisch leitfähigen Lage wieder entfernt werden. Diesen Vorgang nennt man Veraschung. Die Veraschung kann beispielsweise nass-chemisch erfolgen.
Ein wesentlicher Nachteil der bekannten
Strukturierungsverfahren besteht darin, dass die Maskierung und deren Entfernung hohe Kosten und eine lange
Verfahrensdauer verursachen. Soweit chemische Ätzprozesse erforderlich sind, sind darüber hinaus Maßnahmen zum Schutz der Umwelt zu ergreifen.
Verfahren zur Strukturierung einer auf einem Substrat
angeordneten metallischen Lage in mehrere voneinander
getrennte Bereiche mit Hilfe von Zerspannungswerkzeugen vermeiden die vorgenannten Nachteile.
Die DE 10 2008 016 340 B3 offenbart eine auf einem Substrat angeordnete elektrisch leitfähige Lage, in die mit Hilfe eines Zerspanwerkzeugs eine Längsnut eingebracht wird.
Hierdurch wird die leitfähige Lage in zwei voneinander getrennte Bereiche strukturiert. Das Zerspanwerkzeug ist an einem in verschiedenen Raumachsen verfahrbaren
Bearbeitungskopf angeordnet, um das ortsfeste Substrat zu strukturieren. Die DE 10 76 212 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung von elektrisch leitenden Schaltverbindungen aus einer
Metallfolie, die fest auf einer Isolierstoffplatte haftet. Zu diesem Zweck wird die Isolierstoffplatte mit der Metallfolie auf ein Fließband aufgegeben. Die auf dem Fließband
fortbewegte Schaltplatte erreicht zunächst eine erste
Bearbeitungsstufe mit mehreren Bohreinrichtungen. Sobald die Schaltplatte alle erforderlichen Bohrungen enthält, wird sie zu einer ersten Fräseinrichtung mit dem Fließband gefördert. Die Fräseinrichtung enthält mehrere ortsfeste Brücken, an denen Fräsköpfe angebracht sind. Die Fräsungen in
Längsrichtung der Schaltplatte werden während der Bewegung des Fließbandes ausgeführt. Zur Erzeugung von Fräsungen in der Metallfolie, die rechtwinklig zu den von der ersten
Fräseinrichtung erzeugten Fräsungen stehen, wird die
Schaltplatte in einer Bearbeitungsstufe zunächst um 90° gedreht, bevor sie einer zweiten Fräseinrichtung zugeführt wird .
Aus der GB 1,135,982 A ist schließlich ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strukturierung einer auf einem flexiblem Substrat angeordneten elektrisch leitfähigen Metallfolie in mehrere voneinander getrennte Bereiche bekannt, wobei die Metallfolie mit Hilfe eines Zerspanwerkzeugs abgetragen wird. Das Substrat wird dabei über eine dem Zerspanwerkzeug
gegenüberliegende Stützfläche geführt.
Ausgehend von dem Stand der Technik nach der DE 10 76 212 A liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art anzugeben, das kostengünstig und mit kürzerer Verfahrensdauer eine Strukturierung der auf dem Substrat angeordneten Lage sowohl in einer Längsrichtung des Substrats als auch quer dazu in mehrere voneinander getrennte Bereiche ermöglicht, das insbesondere als kontinuierlicher Prozess automatisierbar ist, wobei während dieser
Strukturierung ein Unterbrechen des Vorschubs des Substrats nicht erforderlich ist. Außerdem soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Relativbewegung
mindestens eines der Zerspanwerkzeuge in der Ebene der abzutragenden Lage mit Hilfe eines Positioniersystems dadurch erzeugt wird, dass das mindestens eine Zerspanwerkzeug quer zu der Bewegungsrichtung des Substrats bewegt wird, wobei das sich quer zu der Bewegungsrichtung des Substrats bewegende Zerspanwerkzeug von dem Positioniersystem mit
übereinstimmender Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung wie das Substrat bewegt wird und das abgetragene Material
entfernt wird.
Die elektrisch leitfähige, insbesondere metallische Lage weist eine Stärke im Bereich von 0,1 bis 1.000 [im auf. Das insbesondere aus elektrisch isolierendem Material bestehende Substrat weist eine Stärke in einem Bereich von 10 bis 10.000 [im auf. Die elektrisch leitfähige Lage zwischen den
voneinander zu trennenden Bereichen wird mechanisch mit Hilfe der Zerspanwerkzeuge abgetragen, ohne dabei das Substrat zu durchtrennen. Um dies zu erreichen liegt das Substrat auf der jedem Zerspanwerkzeug gegenüberliegenden Seite auf einer Oberfläche auf, die als Referenzfläche für die Positionierung der Zerspanwerkzeuge dient. Jedes Zerspanwerkzeug wird soweit in Richtung dieser Referenzoberfläche bewegt, dass die elektrisch leitfähige Lage zwischen den voneinander zu trennenden Bereichen stets vollständig abgetragen wird. Fertigungsbedingt weist das Substrat stets eine gewisse
Toleranz von der Nenn-Stärke auf. Sofern der Abstand jedes Zerspanwerkzeugs in Bezug zu der Referenzoberfläche kleiner als die geringste Stärke des Substrats gewählt wird, ist stets der vollständige Abtrag der elektrisch leitfähigen Lage gewährleistet. Der Abstand des Zerspanwerkzeugs von der
Referenzoberfläche wird vorzugsweise so gewählt, dass er nur geringfügig kleiner als die geringste Stärke (unteres
Grenzmaß) des Substrates ist. Hierdurch wird gewährleistet, dass von dem tragenden Substrat so wenig Material wie möglich abgetragen und daher dessen Tragfunktion nicht beeinträchtigt wird .
Abhängig von der Breite des Zerspanwerkzeugs bilden sich zwischen den voneinander getrennten Bereichen isolierende
Stege, die der Breite des Zerspanwerkzeugs entsprechen. Die Breite kann durch das Zerspanwerkzeug beispielsweise in einem Bereich zwischen 100 [im und einigen Millimetern gewählt werden .
Die Automatisierung des Verfahrens wird durch die Auflage des Substrats auf der Referenzoberfläche ermöglicht. Hierdurch kann das Zerspanwerkzeug mit an sich bekannten
Positioniersystemen zu der Referenzoberfläche ausgerichtet werden. Die Relativbewegung der Zerspanwerkzeuge in der Ebene der abzutragenden Lage wird ebenfalls mit Hilfe eines
Positioniersystems und durch eine gerichtete Bewegung des insbesondere bahnförmigen Substrats automatisiert. Während und/oder nach dem Abtragen der elektrisch leitfähigen Lage ist es erforderlich, dass das abgetragene Material von dem Substrat entfernt wird. Hierzu können Ultraschall- Reinigungsverfahren oder mechanische Reinigungsverfahren, beispielsweise mit rotierenden Bürsten, eingesetzt werden. Um die einwandfreie Funktion der hergestellten Strukturen zu überprüfen, kann dem Herstellungsverfahren eine optische oder taktile Inspektion nachgeordnet werden, mit der die
einwandfreie Trennung der Bereiche in der elektrisch
leitfähigen Lage überprüft wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zum Abtrag von Lagen mit einer relativ großen Stärke im Bereich von bis zu 100 [im, die sich mit den herkömmlichen
Ätztechnologien nicht oder nur in sehr langwierigen Prozessen entfernen lassen.
Eine einfache Möglichkeit die Relativbewegung zwischen mindestens einem der Spanwerkzeuge und der elektrisch
leitfähigen Lage zu erzeugen besteht darin, dass das
bahnformige Substrat über die als Referenz dienende
Oberfläche geführt wird. Es kann sich beispielsweise um die Oberfläche einer plattenförmigen Auflage oder einer
zylinderförmigen Rolle handeln. Das in einem definierten Abstand zu dieser Oberfläche positionierte Zerspanwerkzeug erzeugt längs der Bewegungsrichtung des Substrats die
Trennfuge zwischen den voneinander zu trennenden Bereichen der elektrisch leitfähigen Lage. Bei einer vorzugsweise gradlinigen Bewegung des Substrats über die Oberfläche weist die Trennfuge die Form eines Stegs in der Breite des
Zerspanwerkzeugs auf.
Für die quer zur Bewegungsrichtung des Substrats in die elektrisch leitfähige Lage einzubringenden Trennfugen, wird mindestens eines der Zerspanwerkzeuge quer zu der
Bewegungsrichtung in der Ebene der elektrisch leitenden Lage bewegt .
Um das Verfahren in einem Rolle- zu - Rollebetrieb zu
automatisieren, wird in vorteilhafter Ausgestaltung der
Erfindung ein bahnförmiges , flexibles Substrat verwendet. Das Substrat besteht vorzugsweise aus einer Trägerfolie mit einer Stärke in einem Bereich von 10 bis 10.000 [im. Um die
gewünschten isolierenden Eigenschaften zu gewährleisten, besteht die Trägerfolie beispielsweise aus Kunststoffen, wie Polyimid, Polypropylen, Teflon, Polyamid oder Polyester. Auf der Trägerfolie wird die elektrisch leitfähige Lage vor deren Strukturierung als festhaftende Schicht, insbesondere
vollflächig aufgebracht. Die Beschichtung kann beispielsweise im Wege eines Plasmabeschichtungsprozesses , galvanisch oder im Wege eines Druckverfahrens aufgebracht werden. Die
elektrisch leitfähige Lage kann jedoch auch als elektrisch leitfähige Folie auf die Trägerfolie auflaminiert werden. In beiden Fällen lässt sich das zu strukturierende, insbesondere bahnförmige Substrat mit metallischer Lage in großen Mengen kostengünstig herstellen und auf Rollen bevorraten.
Zur Herstellung der in Längs- und Querrichtung des
bahnförmigen Substrates verlaufenden Trennfugen eignen sich insbesondere rotierende Fräs- oder Sägewerkzeuge. Die
Schneiden des rotierenden Fräswerkzeugs können sich in
Bewegungsrichtung oder entgegen der Bewegungsrichtung des Substrats bewegen. Um einen einwandfreien Abtrag zu
gewährleisten, weicht die Vorschubgeschwindigkeit des
Substrats von der Bewegungsgeschwindigkeit der Schneiden des rotierenden Fräswerkzeugs ab. Vorzugsweise ist die
Bewegungsgeschwindigkeit der Schneiden wesentlich höher als die Vorschubgeschwindigkeit des Substrats. Dies gilt in gleicher Weise für ein rotierendes Sägeblatt. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 7.
Jedes Zerspanwerkzeug ist an einem Positioniersystem
angeordnet, mit dem das Zerspanwerkzeug zumindest in Richtung der ortsfesten Positioniereinrichtung oder von deren
Oberfläche weg bewegbar ist. Mindestens eines der Zerspanwerkzeuge ist an einem Positioniersystem angeordnet ist, das ein mehrachsiges
Linearsystem ist, entlang dessen Achsen das mindestens eine Zerspanwerkzeug nicht nur in Richtung der Oberfläche der
Positioniereinrichtung oder von deren Oberfläche weg, sondern auch parallel zu deren Oberfläche bewegbar ist. Mit dem mehrachsigen Linearsystem, lässt sich das mindestens eine Zerspanwerkzeug quer zu der Bewegungsrichtung des Substrats bewegen, wobei das sich quer zu der Bewegungsrichtung des Substrats bewegende Zerspanwerkzeug von dem
Positioniersystem zugleich mit übereinstimmender
Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung wie das Substrat bewegt wird. Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens mit einem von Rolle zu Rolle geführten
bahnförmigen Substrat weist mindestens eine ortsfeste
Positioniervorrichtung mit einer Oberfläche auf, über die das Substrat in einer Bewegungsrichtung geführt wird. Für die Strukturierung quer zur Bewegungsrichtung des Substrats, muss zusätzlich mindestens ein quer zur Bewegungsrichtung
bewegliches Zerspanwerkzeug aktiviert werden.
Die Vorschubbewegung des Substrats kann beispielsweise durch Antriebsrollen erfolgen, die an dem Substrat anliegen. Ein flexibles Substrat kann beispielsweise auf eine angetriebene Spule aufgewickelt und dabei über die Positioniereinrichtung geführt und von dem gegenüberliegenden Zerspanwerkzeug dabei strukturiert werden. Um mehrere längs- bzw. quer zur Bewegungsrichtung des
Substrats verlaufende Trennfugen in elektrisch leitfähigen Bereichen gleichzeitig zu strukturieren, ist es in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass mehrere rotierende Zerspanwerkzeuge im Abstand zueinander auf einer gemeinsamen Antriebswelle angeordnet sind. Durch die gemeinsame Antriebswelle teilen sich die rotierenden Zerspanwerkzeuge nicht nur einen Antrieb, sondern werden darüber hinaus synchronisiert, so dass bei übereinstimmenden Zerspanwerkzeugen auch übereinstimmende Trennfugen
gleichzeitig von den auf einer Antriebswelle angeordneten Zerspanwerkzeugen erzeugt werden.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur la eine Seitenansicht eines Substrats,
Figur lb eine Seitenansicht eines Substrats mit einer metallischen Lage,
Figur 1 c eine Seitenansicht eines aus einer Folie
bestehenden Substrats mit einer als elektrisch leitfähige Folie ausgestalten Lage, Figur 1 d eine Aufsicht auf das Substrat gem. Figur 1 b,
Figur 1 e dessen elektrisch leitfähige Lage mit einem in
Figur 1 e dargestellten Zerspanwerkzeug strukturiert wird,
Figur 1 f die in Längs- und Querrichtung strukturierte elektrisch leitfähige Lage in einer
Seitenansicht und Figur l g in einer Aufsicht,
Figur 2 a ein erstes Ausführungsbeispiel einer
Vorrichtung zur Strukturierung einer
leitfähigen Lage eines bahnförmigen Substrat in dessen Bewegungsrichtung, Figur 2 b eine Vorderansicht der Vorrichtung nach Figur 2 a,
Figur 3 a ein zweites Ausführungsbeispiel einer
Vorrichtung zur Strukturierung einer
leitfähigen Lage eines bahnförmigen Substrats in dessen Bewegungsrichtung,
Figur 3 b eine Vorderansicht der Vorrichtung nach Figur
3 a,
Figur 3 c die Vorrichtung nach Figur 3 a mit abgesenktem
Zerspanwerkzeug, Figur 3 d eine Aufsicht auf die Vorrichtung nach Figur 3 c,
Figur 4 a ein drittes Ausführungsbeispiel einer
Vorrichtung zur Strukturierung einer
leitfähigen Lage eines bahnförmigen Substrats mit mehreren Zerspanwerkzeugen,
Figur 4 b eine Aufsicht auf die Vorrichtung nach Figur 4 a,
Figur 5 eine Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem
weiteren, an einem separaten Positioniersystem angeordneten Zerspanwerkzeug, das quer und in
Bewegungsrichtung des Substrats beweglich ist,
Figur 6 a eine Aufsicht auf ein Substrat mit strukturier
Lage und Thermoelementen sowie Figur 6 b ein aus der Struktur nach Figur 6 a herausgelöster Streifen.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Strukturierung einer auf einem Substrat (1), insbesondere aus Kunststoff,
angeordneten Lage (2), insbesondere aus einem elektrischen und thermisch leitfähigen Material. Die Lage (2) kann wie in Figur 1 b dargestellt, im Wege eines Beschichtungsprozesses auf dem Substrat (1) abgeschieden werden. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass sowohl das Substrat (1) als auch die Lage (2) von einer Folie gebildet werden, die mittels einer Klebeschicht (3) miteinander verbunden werden (Figur lc) . Produktionstechnisch ist es vorteilhaft, wenn das Substrat (1) die Lage (2) an den Längsrändern geringfügig überragt, wie dies in Figur 1 d erkennbar ist.
Um die Lage (2) in mehrere voneinander getrennte Bereiche (4) zu unterteilen, wird diese mit Hilfe eines schematisch in Figur 1 e dargestellten rotierenden Zerspanwerkzeug (5) zwischen den voneinander zu trennenden Bereichen (4)
vollständig abgetragen, ohne jedoch das Substrat (1) zu durchtrennen .
Das Substrat (1) liegt auf der dem Zerspanwerkzeug (5) gegenüberliegenden Seite auf einer Oberfläche (6) auf. Diese Oberfläche (6) bildet eine Referenzoberfläche für das
Zerspanwerkzeug (5), das soweit in Richtung der Oberfläche (6) bewegt wird, dass die Lage (2) unabhängig von etwaigen Toleranzen der Stärke des Substrats (1) stets vollständig abgetragen wird.
Um auf dem beschichteten Substrat (1) Thermoelemente
platzieren zu können, wird die Lage (2) parallel und quer zur Längsrichtung der Lage (2) mit einem oder mehreren
Zerspanwerkzeugen (5) strukturiert, so dass sich allseitig voneinander getrennte Bereiche (4) ergeben. Durch den vollständigen Abtrag der Lage (2) zwischen den Bereichen (4) ergeben sich zwischen den Bereichen (4) isolierende
Trennfugen in Längs- und Querrichtung des Substrats (1) . Während und/oder nach dem Abtragen der Lage (2) wird das abgetragene Material beispielsweise mittels rotierender
Bürsten oder durch Ultraschall entfernt.
Figur 2 a zeigt eine Vorrichtung (8) zur Strukturierung der Lage (2) . Die Vorrichtung (8) weist einen drehbaren
Positionierzylinder (9) auf, über dessen Oberfläche (10) das flexible Substrat (1) in einer Bewegungsrichtung (11) geführt wird. Der Positionierzylinder (9) ist ortsfest in der
Vorrichtung (8) gelagert. Das als Fräswerkzeug ausgebildete Zerspanwerkzeug (5) ist über eine Welle (12) mit einem
Drehantrieb verbunden. Das Zerspanwerkzeug (5) ist an einem Positioniersystem (13) angeordnet, das im dargestellten
Ausführungsbeispiel als einachsiges Linearsystem ausgeführt ist, wobei das Zerspanwerkzeug (5) entlang der Z-Achse (23) des Linearsystems in Richtung der Oberfläche (10) des
PositionierZylinders (9) oder von dessen Oberfläche weg bewegbar ist.
In den Figuren 2 a, 2 b ist das Zerspanwerkzeug (5) außer Eingriff. Um das Zerspanwerkzeug (5) in Eingriff zu bringen, wie dies beispielsweise aus Figur 1 e erkennbar ist, wird das Zerspanwerkzeug mit dem Positioniersystem (13) in Richtung der Z-Achse (23) abgesenkt. Die Führung des flexiblen beschichteten Substrats (1,2) über den Positionierzylinder (9) erfolgt mit Hilfe von Führungs¬ und Antriebsrollen (15, 16), die vorzugsweise auf beiden Seiten des beschichteten Substrats (1,2) angeordnet sind.
Das zweite Ausführungsbeispiel einer in Figur 3 dargestellten Vorrichtung unterscheidet sich von der Vorrichtung nach Figur 2 dadurch, dass das flexible, beschichtete Substrat (1,2) nicht über einen Positionierzylinder (9), sondern eine ortsfeste Positionierplatte (17) geführt wird, deren
Oberfläche (10) als Referenzfläche für das an dem
Positioniersystem (13) angeordnete Zerspanwerkzeug (5) dient. Der Antrieb des bahnformigen Substrats (1,2) in
Bewegungsrichtung (11) erfolgt über die Antriebsrollen (16).
Figuren 3a, 3b zeigen die Vorrichtung bei abgehobenem
Zerspanwerkzeug (5) . Um die Strukturierung der Lage (2) auf dem Substrat (1) vorzunehmen, muss das Zerspanwerkzeug (5) soweit in Richtung der Oberfläche (10) bewegt werden, dass das Zerspanwerkzeug (5) die Lage (2), wie aus den Figuren
3 c, 3 d erkennbar, vollständig abträgt, ohne jedoch das darunter befindliche Substrat (1) im Bereich der Trennfugen (7) nachhaltig zu schwächen. Die in Längsrichtung des
bahnformigen Substrats (1) verlaufende Trennfuge (7) in der Lage (2) wird erzeugt, indem das Substrat (1) gegenüber dem ortsfesten, rotierenden Zerspanwerkzeug (5) in
Bewegungsrichtung (11) bewegt wird. Hierdurch wird das
Zerspanwerkzeug relativ zu der Lage (2) in deren Ebene bewegt. Mit der Vorrichtung nach Figur 3 lässt sich die Lage (2) auf dem bahnformigen Substrat (1) in zwei voneinander getrennte Bereiche (4) strukturieren.
Sofern in einem Arbeitsgang mehr als zwei getrennte Bereiche (4) erzeugt werden sollen, kommt beispielsweise eine
Vorrichtung gemäß Figur 4 zum Einsatz. Diese unterscheidet sich von der Vorrichtung nach Figur 3 dadurch, dass insgesamt neun Zerspanwerkzeuge (5) in gleichmäßigem Abstand zueinander auf einer gemeinsamen Antriebswelle (12) angeordnet sind, die mit einem Drehantrieb verbunden ist. Die senkrecht zur
Bewegungsrichtung (11) angeordnete Welle erzeugt mit den rotierenden Zerspanwerkzeugen (5) zehn durch die Trennfugen (7) voneinander getrennte Bereiche (4) in der Lage (2) . Das Positioniersystem (13) ist vorzugsweise zu beiden Seiten der aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellten
Positionierplatte (17) angeordnet, um ein gleichmäßiges
Anheben bzw. Absenken der Welle (12) mit den
Zerspanwerkzeugen (5) sicherzustellen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Figur 5 entspricht im Aufbau der Vorrichtung nach Figur 4, so dass auf die dortigen Ausführungen Bezug genommen wird. Zusätzlich weist sie jedoch ein weiteres rotierendes Zerspanwerkzeug (18) auf, das auf einer rechtwinklig zu der Welle (12) verlaufenden Welle (19) angeordnet ist, die mit einem Antrieb verbunden ist. Dem Zerspanwerkzeug (18) ist ein separates Positioniersystem (20) zugeordnet. Es handelt sich um ein dreiachsiges Linearsystem, mit dem das Zerspanwerkzeug (18) quer und parallel zur
Bewegungsrichtung (11) des Substrats in der Ebene der Lage (2) und senkrecht hierzu bewegbar ist. Um die Bereiche (4) nicht nur parallel zur Bewegungsrichtung (11), sondern erfindungsgemäß darüber hinaus auch orthogonal dazu zu unterteilen, wird das Zerspanwerkzeug (18) mit dem
mehrachsigen Linearsystem (20) in Richtung der y-Achse (21) bewegt. Um während dieser Strukturierung den Vorschub des beschichten Substrats (1,2) nicht unterbrechen zu müssen, wird das sich entlang der y-Achse (21) bewegende
Zerspanwerkzeug (18) von dem Positioniersystem (20) in
Richtung der x-Achse (22) des Positioniersystems (20) mit übereinstimmender Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung (11) wie das Substrat (1) bewegt.
Vor der nächsten Strukturierung in Richtung der y-Achse (21) wird das Zerspanwerkzeug (18) von dem Substrat (1) in
Richtung der z-Achse (23) abgehoben und außer Funktion gebracht und entgegen der Bewegungsrichtung (11) mit dem Positioniersystem (20) in die Ausgangsposition verfahren. Sofern auf die x-Achse (22) des Positioniersystems (20) verzichtet werden soll, muss für die Strukturierung der Lage (2) in Richtung der y-Achse (21) der Vorschub des Substrats (1) kurzfristig unterbrochen werden. Hieraus resultiert ein quasi-kontinuierlicher Strukturierungsprozess mit kurzen Stillständen des Substrats (1). Eine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Figur 5 strukturierte Lage (2) auf einem Substrat (1) ist
insbesondere zur Herstellung eines Moduls mit mehreren elektrisch in Serie geschalteten Thermoelementen verwendbar. Jedes thermoelektrische Element (24 a, 24 b) ist als
Dünnschicht-Thermoelement ausgeführt, das jeweils aus
mindestens einer n-dotierten und mindestens einer p-dotierten Halbleiterschicht aus thermoelektrischem Material unter
Ausbildung wenigstens eines sich entlang einer Grenzschicht ausbildenden pn-Übergangs besteht. Ein Temperaturgradient ist parallel zur Grenzschicht zwischen einer heißen und einer kalten Seite jedes thermoelektrischen Elementes (24)
anlegbar .
Um diese thermoelektrischen Elemente (24) zu einem Modul miteinander zu verschalten, ist ein Substrat (1) mit mehreren elektrisch und thermisch leitfähigen Bereichen (4)
erforderlich, die durch isolierende Trennfugen (7) zwischen den Bereichen (4) thermisch und elektrisch voneinander getrennt sind.
Um nun eine nach außen weisende p-Schicht des
thermoelektrischen Elementes (24 a) mit einer nach außen weisenden n-Schicht des benachbarten thermoelektrischen
Elementes (24 b) leitend miteinander zu verbinden, werden jeweils zwei benachbarte thermoelektrische Elemente (24 a, 24 b) an deren kalter Seite (25) mit einer thermisch und
elektrisch leitenden Haftschicht mit einem der elektrisch und thermisch leitfähigen Bereiche (4) auf dem Substrat (1) elektrisch leitend verbunden. Auf der heißen Seite (26) werden jeweils zwei benachbarte thermoelektrische Elemente (24 a, 24 b) ausschließlich thermisch an den Bereich (4) gekoppelt. Mit einer erfindungsgemäß strukturierten Lage (2) können jeweils zwei thermoelektrische Elemente (24 a, 24 b) elektrisch leitend in Reihe geschaltet werden und zugleich die Kontaktflächen zur Ein- bzw. Auskopplung thermischer Energie bereit gestellt werden.
Bezugszeichenliste
Nr. Bezeichnung
1 Substrat
2 Lage
3 Klebeschicht
4 getrennte Bereiche
5 Zerspanwerkzeug
6 Oberfläche
7 Trennfugen
8 Vorrichtung
9 Posit ionier zylinder
10 Oberfläche
11 Bewegungsrichtung
12 Welle
13 Posit ionierSystem
14 —
15 Führungsrollen
16 Antriebsrollen
17 Positionierplatte
18 Zerspanwerkzeug
19 Welle
20 Posit ionierSystem
21 y-Achse
22 x-Achse
23 z-Achse
24 TE-Element
24 a, b benachbarte TE-Elemente
25 kalte Seite
26 heiße Seite

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Strukturierung einer auf einem Substrat (1) angeordneten Lage (2) in mehrere voneinander getrennte Bereiche (4), wobei die Lage (2) zwischen voneinander zu trennenden Bereichen (4) mit Hilfe von mindestens zwei
Zerspanwerkzeugen (5,18) abgetragen wird, das Substrat (1) auf der den Zerspanwerkzeugen (5, 18) gegenüberliegenden Seite auf einer Oberfläche
(10) aufliegt, die Zerspanwerkzeuge (5, 18) so weit in Richtung der Oberfläche (10) und relativ zu der Lage (2) in deren Ebene bewegt wird, dass die Lage (2) zwischen den voneinander zu trennenden Bereichen (4) vollständig abgetragen wird und die Relativbewegung mindestens eines der
Zerspanwerkzeuge (5, 18) in der Ebene der
abzutragenden Lage durch eine gerichtete Bewegung des Substrats (1) in einer Bewegungsrichtung (11) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung mindestens eines der
Zerspanwerkzeuge (18) in der Ebene der abzutragenden Lage (2) mit Hilfe eines Positioniersystem (20) dadurch erzeugt wird, dass das mindestens eine Zerspanwerkzeug (18) quer zu der Bewegungsrichtung
(11) des Substrats (1) bewegt wird, wobei das sich quer zu der Bewegungsrichtung (11) des Substrats (1) bewegende Zerspanwerkzeug (18) von dem Positioniersystem (20) mit übereinstimmender
Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung (11) wie das Substrat (1) bewegt wird und das abgetragene Material entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) über die Oberfläche (10) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein flexibles Substrat (1) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Strukturierung die Lage auf dem Substrat (1) als festhaftende Schicht aufgeb wird .
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zu strukturierende Lage (2) dem Substrat (1) als Folie aufgebracht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass ein rotierendes Zerspanwerkzeug (5,18) verwendet wird. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (8) mindestens eine ortsfeste Positioniereinrichtung (9, 17) mit einer Oberfläche (10) aufweist, über die das Substrat (1) in einer Bewegungsrichtung (11) führbar ist,
- die Vorrichtung mindestens zwei Zerspanwerkzeuge (5, 18) zum Abtragen der auf dem Substrat (1)
angeordneten Lage (2) aufweist, jedes Zerspanwerkzeug (5,18) an einem
Positioniersystem (13) angeordnet ist, mit dem das Zerspanwerkzeug (5, 18) zumindest in Richtung der Oberfläche (10) der Positioniereinrichtung (9, 17) oder von deren Oberfläche (10) weg bewegbar ist, mindestens eines der der Zerspanwerkzeuge (18) an einem Positioniersystem (20) angeordnet ist, das ein mehrachsiges Linearsystem ist, entlang dessen Achsen (21, 22, 23) das mindestens eine Zerspanwerkzeug (18) in Richtung der Oberfläche (10) der
Positioniereinrichtung (9, 17) oder von deren Oberfläche weg und parallel zu deren Oberfläche bewegbar ist. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerspanwerkzeug (18) entlang der z-Achse (23) des mehrachsigen Linearsystems in Richtung der Oberfläche (10) der Positioniereinrichtung (9, 17) oder von deren Oberfläche (10) weg bewegbar ist, das Zerspanwerkzeug (18) entlang der Y-Achse (21) des mehrachsigen Linearsystems quer zur
Bewegungsrichtung (11) des Substrats (1) bewegbar ist und das Zerspanwerkzeug (18) entlang der X-Achse (21) des mehrachsigen Linearsystems parallel zur
Bewegungsrichtung (11) des Substrats (1) bewegbar ist .
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, dass das rotierende Zerspanwerkzeug (5, 18) mit einem Drehantrieb verbunden ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
mehrere rotierende Zerspanwerkzeuge (5) im Abstand zueinander auf einer gemeinsamen Antriebswelle (12) angeordnet sind.
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