CN104465458B

CN104465458B - 电子束支持的电气部件生产

Info

Publication number: CN104465458B
Application number: CN201410565745.2A
Authority: CN
Inventors: H·施米特; E·亨舍尔; S·萨克斯
Original assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Current assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Priority date: 2013-08-27
Filing date: 2014-08-27
Publication date: 2020-05-26
Anticipated expiration: 2034-08-27
Also published as: DE102013217068A1; EP2843780A1; JP2015062178A; US20150060416A1; CN104465458A; US9937584B2

Abstract

本发明涉及一种用于生产至少一个电气部件(1)特别是触头元件(2)的方法(V)以及以这种方法生产的电气部件(1)和用于生产电气部件(1)的装置(7)，所述方法包括分离、至少部分地硬化和/或至少部分地软化电气部件(1)的方法步骤。本发明的一个目的是提供用于生产至少一个电气部件(1)的方法(V)，这种方法比传统的方法更简单和成本有效。这个目的是通过使用电子束(4)实施提及的方法步骤中的至少一个来实现的。根据本发明的电气部件(1)使用根据本发明的方法(V)来生产。为了实施根据本发明的方法，构造用于生产电气部件(1)的根据本发明的装置(7)。

Description

电子束支持的电气部件生产

本发明涉及一种用于生产至少一个电气部件的方法，特别的，用于插接式连接器的触头元件，包括分离和/或至少部分的硬化和/或至少部分的软化电气部件的方法步骤。此外，本发明涉及使用这种方法生产的电气部件，特别是触头元件。本发明进一步涉及用于生产电气部件特别是触头元件的装置。

背景技术

因为每个布局都需要分离的工具，所以电气部件，诸如，例如用于插接式连接器的触头元件的生产通常是复杂的、高成本的以及不灵活的。

发明内容

本发明的一个目的是提供用于生产至少一个电气部件特别是触头元件的方法，其比传统的方法更加灵活、更通用以及更成本有效。

这个目的是通过使用电子束实施提及的方法步骤中的至少一个来实现的。根据本发明的电气部件使用根据本发明的方法来生产。为了实施根据本发明的方法，构造根据本发明的用于生产电气部件特别是接触部件的装置。

电子束的生产更容易和成本有效，且电子束的控制简单。因此，该方法更加成本有效和较不复杂。

根据本发明的解决方案可通过下面的发展例和实施例进一步改善，它们每个本身都是有利的，并可以自由组合。

电气部件可部分地或全部地包括金属。电气部件可具有一个或多个涂层。这些可以用于例如改善连接的生产或用于保护不受外部影响和腐蚀。例如，它们可通过金属镀覆处理、通过浸渍处理或通过另外的涂布方法涂覆。

通过电子束，电气部件可与基底构件至少部分地分离，特别的，可使用电子束切开电气部件。电气部件，诸如触头元件，通常由金属片生产。为此，轮廓和功能相关的孔从金属片上冲切出。在这种情况下，不利的是，必须保持两个切割面之间的特定的最小间隔。例如，经验法则是冲切孔不可小于材料的厚度。由于当冲切内部部件和小部件时发生的影响，诸如部件的弯曲，难于控制，所以限制了向更小的尺寸的进一步发展。相反，使用电子束，可生产彼此之间具有小间隔的非常小的孔和切割面。与冲切处理不同，部件没有弯曲。此外，没有必要生产合适的模具和冲头，从而该方法更加成本有效。还可以省去工具变换。切割模板可以更加灵活的方式选择，例如，通过一个软件。电子束可以在几微米的区域内以高选择性和高精准度放置。切割空隙的宽度可小于50μm。

电气部件可以从条形材料上切割。因此，可以使用连续的片进行生产，诸如，例如连续的方法或间歇方法。例如，可以考虑使用长形的金属片做材料。

在一个有利的实施例中，生产期间的所有分离和切割处理使用电子束实施。模具和冲头的生产可以完全省去。因此，该方法是非常成本有效的。

使用根据本发明的方法，可生产不同的电气部件。与利用冲切方法的示例相反，切割相对较厚的电气部件具有相对较小的影响。例如，具有或没有绝缘的电缆可被缩短或屏蔽元件可被切割。由于电子束易于控制的事实，该方法可以以可变的方式使用。具体的，单件或小批量的生产也是可能的，并且是成本有效的，因为与冲切方法相比，不需要生产特定工具。使用用于生产触头元件的方法是特别有利的，因为可以以大量可行的实施方式以成本有效的方式生产触头元件。

通过电子束可使电气部件产生化学变化。例如，其可以通过撞击电子而被还原。原子或分子可以电离并形成新的键。还可能由于出现热量的形成而发生化学变化。因此，例如，电气部件可以更耐久或更容易接触。

电气部件可以发生物理变化，至少在切割区域中。例如，使用电子束圆化切割区域的边缘。因此，例如，在另外的处理步骤中，该边缘可引起较小的损害。此外，在切割区域中，通过改变材料结构，可能发生硬化或软化行为，这取决于电子束如何作用以及以何种程度的密度来作用。触头生产由此可以被改善，例如，通过更高程度的扭转刚度。

在有利的实施例中，使用电子束减弱或软化电气部件的部分。之前，特别是对于硬材料，在弯曲处理时发生问题，特别是当电气部件非常小时，因为它们更容易折断，只能实现一个大的弯曲半径。由于根据本发明的方案，还可以使用硬材料。例如，在切割操作之前，之后要被弯曲的特定区域通过电子束被选择性软化。这是可以实现的，例如，通过电子束在该区域上作用相对长的时间，从而加热该区域以及周围区域。由于广泛的加热，随后的冷却处理以相对缓慢的方式实施，该区域中的材料具有充足的时间移动接近到平衡相。在近似平衡相，比较大的相位范围和很少数晶粒边界可以存在。该区域因而变得比周围区域更柔软，并且更容易被弯曲。材料损坏，诸如破裂或裂纹的风险被降低。这些区域可以是，例如，线状或线性或平面的。软化可以在切割步骤之前或之后发生。

在一个特别有利的实施例中，在部分被软化之后，电气部件被塑性变形，例如，弯曲或折叠。

电子束可用于硬化电气部件的部分。这样的区域可以是，例如，后续必须特别稳定和坚固的区域，例如，由于它们需要被接触和遭受冲撞。硬化还可以用于增加柔软和/或薄的区域的弹性力，从而使得能够，例如，更好地接触。在以前的方法中，为了实现相对高的弹性力，使用昂贵的特殊合金或复杂化产品设计。根据本发明，为了硬化区域，电子束可以例如短暂地且高密度地被导向所述区域上。在短时间和密集加热期间，产生的热量很难流走进入周围区域。如果电子束被关闭，区域中存在的热量由于大的温度差很快地被排放到周围区域。在此区域内的材料很难有时间移动到接近平衡相。通过快速冷却处理冻结存在的不规则结构。此位置处的材料因此特别硬。在一个有利的实施例中，在第一步骤中区域被软化，然后被弯曲并随后被硬化。

在一个有利的实施例中，使用电子束结构化电气部件的至少部分表面。例如，表面可以被结构化。具有这种结构化的表面，可以实现改善的接触。此外，使用电子束在表面上写字也是可能的，例如，为了施加一种类型名称。使用电子束，点状、线性和平面区域可以因而被结构化。

通过再熔化已经施加的材料层，电子束可用于产生功能区域。例如，这种材料层可以被印刷。可以是金属染料。由于再熔化，材料层可被连接到电气部件。产生的功能区域可以是，例如，用于接触或用于保护。用于再熔化的电子束随后还可以用于切割。

描述的方法步骤可以在每种情况下彼此独立实施。电气部件可以使用电子束，例如，仅被切割，仅被硬化或仅被软环。

在该方法的有利的实施例中，多个方法步骤使用电子束实施，以便能以特别成本有效的方式实施生产。例如，一个电子束被用于软化，切割和硬化。

在一个特别有利的实施例中，电子束被用于再熔化所施加的材料层，用于弱化期望被弯曲的区域，用于切割以及随后硬化区域。在这种情况下，电气部件可以处于固定的状态。取而代之的是，电子束移动。

在以上提及的组合方法的另一个有利的实施例中，例如作为移动的条带的一部分的电气部件是移动的。在不同的工位，使用不同的电子束源。从而可以实现比使用单个电子束时更高的生产率。

有利地，根据本发明的方法是在真空下操作的，特别是在高真空下，例如，在＜10^-3毫巴的范围下。在这种情况下，整个生产方法不必须在真空条件下发生。也可以仅在真空条件下实施利用电子束实施的方法步骤。

有利地，使用根据本发明的方法，还可以处理电气部件的自立或非支撑的部分。例如，已经被弯曲的电气部件的部分可以这样被切割。在冲压方法中，这是不可能的或非常困难的。硬化或软化还可以实施在自立或非支撑部分上。

由于电子幅射包括粒子幅射，所以吸收能量的最大值不是位于表面上，而是位于材料内部。根据电子能量的变化，通过加速电压，电子进入材料的穿透深度可以选择的方式进行调整。因此，可以选择性地硬化或软化主要是靠近表面的主要区域，但还包括更深的区域。

根据本发明的电气部件使用根据本发明的方法来生产。由于从电子到电气部件的材料的原子的最高能量传输的发生深度可以可变的方式调整，主要的有源区可以位于，例如，在电气部件例如金属片的中心，硬化、软化或切割所需的热形成可以来自这样的中心区域。在完成的电气部件上，最大的热形成区域可以，例如，被建立在不同位置处的晶粒结构或化学和/或物理特性的基础上。甚至由电子束带来的化学变化，诸如，例如，还原或氧化，在这种电气部件中可以是可识别的。在电子束处理过的区域中，例如在边缘或切割区域中，化学或物理特性与诸如内部区域的没有被处理过的区域相比已经改变。

特别地，电气部件可具有被电子束切割的边缘。与冲切方法相比，根据本发明的方法生产的切割步骤没有由冲切带来的冲孔边缘或变形。这在完整的电气部件中能够实现。

根据本发明的电气部件可以具有以下特征：其至少部分地电子束软化。

根据本发明的电气部件可以具有以下特征：其至少部分地电子束硬化。

为了实施根据本发明的方法，构造根据本发明的装置。其可以包括被配置成使用电子束切割的至少一个切割模块。其可以包括被配置成使用电子束硬化的至少一个硬化模块。其可以包括被配置成使用电子束软化的至少一个软化模块。

附图说明

下面将以参考有利的实施例和附图的方式进行更详细的解释本发明。所示实施例仅构成可能的配置，其中根据个体应用情况下的需要，个体实施例中解释的特征可彼此自由结合以及被省略。

在附图中：

图1是根据本发明的方法的第一实施例的示意图。

图2是根据本发明的方法的第二实施例的示意图。

图3是图2的方法的原理的示意图。

图4是根据图2中的方法处理过的根据本发明的部件的示意图。

图5是根据本发明的方法的第三实施例的示意图。

图6是图5的方法的原理的示意图。

图7是发生在根据图5的方法中的热分布的横截面示意图。

图8是使用根据图5的方法处理过的材料的扫描电子显微镜图像。

图9是根据本发明的方法的第四实施例的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的用于生产至少一个电气部件1的方法V的第一实施例。电气部件是触头元件2。在所示的方法步骤中，触头元件2至少部分地与基底构件30分开，具体地是切开。在这种切割步骤S实施之前，在这种情况下构成基底构件30的条状材料3在内侧仍然是连续的且没有切口。在示出在中心处的切割步骤S中，使用电子束4将大量触头元件2与连续的条状材料3至少部分地分开。

电子束4发源于电子束源5，除了电子源之外，可能还有加速元件，聚焦元件和重定向元件。但是，这些在示意图中都没有详细示出。

电子束4可用于切割外部轮廓，但还可以在内侧切割封闭孔(closed hole)，这些孔从外侧不能接取。由于电子束可被迅速的重定向，可以实现4000mm/s甚至更高的高切割速度。在这种情况下，电子束的位置可被精确调整到几个微米。在这种情况下，电子束可具有小于100μm的直径。电子束的典型输出功率是从50到5000瓦。在这种情况下，电子被从20到150kV的加速电压加速。根据安装和应用的目标，提及的数值可增加或减小。

在所示的方法V中，条形材料3以连续速度经过所述处理或逐渐移动。在这种情况下，会需要调整电子束4的重定向以适应在位移方向R上行进的条形材料3的移动速度。

当切割步骤S实施时，条形材料3在真空6中。这是一个压力＜10^-3毫巴的高真空。真空6区域的外部是常压。为了能够将条形材料从常压运送至真空中以及处理之后再运送至常压中，装置7具有高真空级联布置8(仅示意性地示出)。这使得压力以若干阶段减小以及再次增大。

图1还示意性说明了具有计算机9的控制系统。该计算机9将要被切割的图案发送给图案切割模块72。该图案10随后从条形材料3切割出。

条形材料可以是，例如金属板。这可能已经被涂敷，例如，通过金属镀覆处理。

在如图1所示的切割步骤72之后，实施进一步的处理步骤。例如，在另一步骤中，触头元件2最终从条形材料3中分割开。这个可以例如通过断裂、冲压或切割的方法来实施。但是，因为在被连接到例如电缆之前，触头元件2仍然要被运输，所以为了能够简单存储和简单运输，在切割步骤S之后，触头元件2仍然被安置在条形材料3上。

由于电子束4，边缘12在切割区域可以被倒圆。这可以通过融化材料自动地实施和/或通过控制电子束4以选择的方式来实施。这种边缘12可导致比非圆弧边缘12更小的损害。

由于电子束4，电气部件1可以通过化学和/或物理方法被改变，至少在边缘区域和/或切割区域。例如，该区域处的材料可以被氧化或还原。在切割区域中可能发生硬度和/或晶粒结构的改变。使用电子束处理的区域可具有不同于没有进行处理的区域的物理和/或化学特性。

图2示出了根据本发明的方法V的第二实施例。那里示出了在这种情况下的软化步骤A，其中电气部件1的部分13通过电子束4以选择的方式进行软化。为此，装置7具有软化模块71。部分13是线性部分。在软化步骤A之后，在部分13处，触头元件2可以更容易地折叠和/或弯曲。以与图1中的方法类似的方式，在所示的方法之前和之后可以实施其它方法步骤。图2显示例如在条形材料3在部分13处被软化之前，条形材料3已经被部分的切割成触头元件2。

为了控制电子束4，再次使用计算机9。而且，示出的装置7再次具有高压还原级联布置8，其将处理区域14与环境在压力上隔离。因为条形材料3穿过处理区域14，所以在高压还原级联布置8中提供有狭缝，供条形材料3穿过。

在图3中，以简化的方式示出图2中方法V的原理。左边示出的方法步骤200中，将要被处理的材料15还没有经过处理。中间示出的方法步骤201中，使用电子束4在线性区域中处理材料15。在这种情况下，点状电子束4可以在样品上移动或可以使用线性电子束4。电子束4具有相对低的密度和长的反应时间。在线性区域中产生的热量因此被排放到临近区域中。在电子束4被关闭后，线性区域因而缓慢冷却。在此区域中的材料结构接近平衡状态。在这种状态下，结晶边界相对较少。此位置处的材料15因而柔软。在右手侧示出的方法步骤202中，材料15在线性软化中可因此稍微弯曲。

图4示出已经使用图2和图3的方法生产的、处在后续方法步骤中的触头元件2。在左手边的方法步骤250中，触头元件2已经具有通过方法V软化过的折叠边缘16。中间示出的方法步骤251中，触头元件2在已经存在的折叠边缘16处被弯曲。进一步的，在其它位置处，使用电子束4在触头元件上移动以产生另外的折叠边缘16。在右手侧示出的方法步骤252中，触头元件在进一步增加的折叠边缘16处也最终被弯曲。当然，所有折叠边缘16在被弯曲之前在一个或多个后续步骤中也被软化。

图5示出了根据本发明的方法V的第三实施例。仅示出了硬化步骤F。在此硬化步骤F中，电子束4用于使部分17硬化。装置另外还具有硬化模块73。部分17可以是例如当使用触头元件2时承受接合操作冲击的部分。硬化步骤F还可以仅仅用于增加区域17的弹性力。这与例如生产特别小的触头元件2相关。因为材料本身是薄结构，所以导致材料不具有非常高度的弹性力，从而导致接触变得更困难。由于硬化步骤F，弹性力可以增加，进而保证更好的接触。在另一个实施例中，硬化步骤还可以在如图2所示的软化步骤A之后，在软化的部分13中，在例如触头元件2在部分13处已经被弯曲之后实施。

图6是在硬化步骤F期间发生的物理处理的示意性图示。在第一方法步骤300中，将要处理的材料18还没有被处理。在第二方法步骤301中，使用电子束4处理材料18的部分17。在这种情况下电子束4非常密集且反应时间很短。因而部分17被迅速地加热，但周围的区域几乎没有被加热。在第三方法步骤302中，由于高温度梯度，在部分17中产生的热量迅速地排放到临近区域。因而部分17冷却得非常显著和非常迅速。因而，在部分17中，材料不能转换成平衡状态，而是被冻结在相对非结构化的状态。在这个区域具有很多晶粒边界。因而，在部分17中的材料变得非常坚硬。

图7示出了一仿真，显示电子束4在材料18上的活动引起的温度热分布。材料是铜合金。束直径是100μm，电子束能量是175W，并且反应时间是12μs。直接在表面上，材料18被熔化。在邻近区域，温度接近1100℃。但是，由于高密度和短电子束，在仅仅几十微米之外，温度接近300℃。因此，以非常局部和密集的方式实施热传递。这确保产生的热量由于高温度梯度可以非常迅速地排放到周围区域，并且照射区域可以非常迅速地冷却。高温造成的相当无序的晶粒结构因此被冷冻，并且材料在局部具有很多晶粒边界。因而其变得很坚硬和稳定。

图8示出了使用电子束处理过的、穿过材料的切口。在这种情况下切割由聚焦离子束(FIB)实施。图片是来自扫描电子显微镜的图像。在邻近表面19的上部区域20中，材料具有增加数量的晶粒边界。但是，在没有显著加热的下部区域21中，那里晶粒边界较少。上部区域20与下部区域21相比更坚硬。

图9示出了方法V的特别优先的实施例。方法V包括已经说明的方法步骤。此外，其还包括再熔化步骤U，其中以金属染料22的形式应用到条形材料3中的材料被熔化。可选的，其它材料也可以被应用到条形材料3用于再熔化。例如，可以被喷洒或以粉末的形式应用。

在随后的软化步骤A中，部分13被软化并且因而产生折叠边缘16。在切割步骤S中，将要自立(free-standing)的轮廓和内部区域用电子束4切割。此后，在硬化步骤F中，其它部分17用电子束4硬化。在这四个方法步骤中，使用四种不同电子束源5，以实现最高可能水平的生产率。在可选的实施例中，也可以对于所有方法步骤U、A、S、F仅使用单个电子束源5。因为使用电场和/或磁场，电子束可以很容易和快速的重定向，所以在各个方法步骤之间不需要显者的停顿。

在图9中示出的方法V中，条形材料3在移动方向R上连续地移动。电子束4跟随条形材料移动。使用计算机9再次计算和控制电子束4的移动、其它参数以及切割图案。

因此，所示的装置7包括再熔化模块70、软化模块71、切割模块72和硬化模块73。具体的，软化模块71构造为使用电子束4进行软化。而且，切割模块72构造为使用电子束4进行切割。硬化模块73构造为使用电子束进行硬化。最后，再熔化模块70构造为使用电子束进行再熔化。

图9中所示的方法还可以不同的顺序实施。例如，条形材料3可以首先被切割，随后部分13被软化。硬化也不必须在切割之后实施，作为替代也可以在切割之前实施。在有利的实施例中，在软化步骤A中软化的部分13在随后的硬化步骤F中再次被硬化，以确保足够的稳定性和弹性力。

示出的方法步骤还可以仅仅个别地使用电子束4而实施。例如，电气部件1可以仅使用电子束4切割，而使用不同的方式软化和硬化。这同样适用于软化和硬化。当然，并不是所有的方法步骤必须在电气部件的生产期间实施。在生产期间，例如，仅仅实施一个切割步骤，但不实施软化和硬化步骤，也是可能的。

在没有示出的方法步骤中，电子束4还可以用于对表面进行结构化。其可以只是部分地切割入表面中，从而刻划和/或粗糙化表面。使用电子束4刻字也是可以想到的。

附图标记列表

1 电气部件

2 触头元件

3 条形材料

4 电子束

5 电子束源

6 真空

7 装置

8 高真空级联布置

9 计算机

10 图案

12 边缘

13 部分

14 处理区域

15 材料

16 折叠边缘

17 部分

18 材料

19 表面

20 上部区域

21 下部区域

22 金属染料

30 基底构件

70 再熔化模块

71 软化模块

72 切割模块

73 硬化模块

200到202 方法步骤

250到252 方法步骤

300到303 方法步骤

A 软化步骤

F 硬化步骤

R 移动方向

U 再熔化步骤

S 切割步骤

Claims

1.用于生产至少一个触头元件(2)的方法(V)，所述触头元件(2)用于插接式连接器，所述方法包括：

提供连续的条状材料；

在切割模块(72)中，通过电子束(4)使得所述触头元件(2)与条状材料的基底构件(30)至少部分地分离，其中，触头元件(2)的被电子束切割的边缘(12)在切割区域被倒圆；

在软化模块(71)中，使用电子束(4)软化所述触头元件(2)的线性部分(13)，其中，所述触头元件(2)在所述线性部分(13)处被塑性变形；

在硬化模块(73)中，使用电子束(4)硬化所述触头元件(2)的第一部分(17)，所述第一部分包括当使用触头元件(2)时承受接合操作冲击的部分，且使用电子束(4)将经软化的线性部分(13)硬化。

2.根据权利要求1所述的方法(V)，特征在于：所述触头元件(2)从条形材料(3)切割出。

3.根据权利要求2所述的方法(V)，特征在于，使用电子束(4)实施所有的切割处理。

4.根据权利要求1所述的方法(V)，特征在于：所述触头元件(2)随后在被软化的线性部分(13)处被弯曲。

5.用于生产触头元件(2)的装置(7)，特征在于：其被构造以便于实施根据权利要求1－4中任一项所述的方法(V)，其中，所述装置(7)包括：

至少一个切割模块(72)，配置为使用电子束(4)进行切割，使得触头元件(2)与条状材料的基底构件(30)至少部分地分离，且使得触头元件(2)的被电子束切割的边缘(12)在切割区域被倒圆；

至少一个软化模块(71)，被配置成使用电子束(4)软化所述触头元件(2)的线性部分(13)；

至少一个硬化模块(73)，被配置成硬化触头元件(2)的第一部分(17)，所述第一部分包括当使用触头元件(2)时承受接合操作冲击的部分，且被配置成使用电子束(4)将经软化的线性部分(13)硬化。

6.根据权利要求5所述的用于生产触头元件(2)的装置(7)，特征在于：装置(7)具有单个电子束源(5)，所述电子束源被构造为用于在切割、硬化和软化的每一个步骤中使用。