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Fertigungstechnik für Thermogeneratoren

Aufbauend auf den beschichteten Substraten des Projektpartners angaris entwickelt die Abteilung Reinst- und Mikroproduktion des Fraunhofer IPA mit langjähriger Erfahrung im Bereich der Mikromontagetechnik die Fertigungstechnik für Thermogeneratoren in Folien-Bauweise.

Abb. 1: Notwendige Fertigungsschritte zur Herstellung eines Thermogenerators.

Die notwendigen Fertigungsschritte Vereinzelung, Klebstoffauftrag und die Montage zu einem Folien-Stack sind in Abbildung 1 skizziert. Mit dem im Projekt entwickelten Dispensverfahren und dem angepassten Handhabungsprozess konnten erste Musterteile als Machbarkeitsnachweis hergestellt werden.

Abb. 2: Prozessentwicklung Klebstoffauftrag.

Das Substrat wird durch eine 25 μm dünne Polyimidfolie gebildet, hierauf werden thermoelektrische Schichten und metallische Kontaktpads mit Dünnschichttechnologie aufgebracht. Um eine ausreichend hohe elektrische Spannung zu erlangen, müssen eine Vielzahl von Thermoelementen elektrisch in Reihe geschaltet werden. Dazu müssen etwa 2 x 9 mm² große und 25 µm dünne Folien in hoher Packdichte hochpräzise im Mikrometerbereich und mechanisch stabil zu einem Stack aufeinandergestapelt sowie zuverlässig elektrisch kontaktiert werden.

Abb. 3: Auftrag kleinster Klebstoffmengen.

Eine Herausforderung liegt hierbei im zuverlässigen Auftragen des Kontaktmediums zwischen den Folien. Kleinste Klebstoffmengen von 1 nl und weniger müssen mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit aufgetragen werden. Abbildung 2 zeigt einen Ausschnitt aus einer Überprüfung der Reproduzierbarkeit mit rund 4000 Klebstoffpunkten. Für einen Thermogenerator müssen bis zu 500 dieser Dots aufgetragen werden, die in Abbildung 3 auf einem Thermoelement dargestellt sind.

Abb. 4: Ausrichtung der Folien.

Eine weitere Herausforderung ist das hochpräzisen Ausrichten und Stapeln der einzelnen Elemente. Hier wird in alle Richtungen eine Genauigkeit unter 10 µm benötigt. Abbildung 4 zeigt zueinander ausgerichtete Folien mit der Überlappung der Kontaktpads für die elektrische Kontaktierung sowie die parallele Ausrichtung der flexiblen Folien.

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