DE102004033284A1

DE102004033284A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer elektrischen und mechanischen Verbindung sowie eines Kunststoffvergusses von Teilen

Info

Publication number: DE102004033284A1
Application number: DE200410033284
Authority: DE
Inventors: Xaver Behncke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2004-07-09
Publication date: 2006-02-02
Also published as: FR2872964B1; FR2872964A1

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer elektrischen und mechanischen Verbindung sowie eines Kunststoffvergusses von Teilen vorgeschlagen, insbesondere zur Verbindung und zum Verguss der Anschlussenden eines elektrischen Kabels (10) und einer integrierten Schaltung (32). Hierzu werden die Teile (10, 32) in einem in ein Spritzgießwerkzeug (56) integrierbaren, wieder verwendbaren Hilfswerkzeug (40) positioniert und ausgerichtet, danach in dem Hilfswerkzeug (40) durch Schweißen oder Löten miteinander verbunden und anschließend in dem Spritzgießwerkzeug (56) mit Kunststoff (62) zu einer Baugruppe vergossen, welche vor ihrem Endverguss aus dem Hilfswerkzeug (40) entnommen und in eine Spritzgießwerkzeug für den Endverguss eingebracht wird. Auf diese Weise wird eine direkte Kunststoffumspritzung der Teile (10, 32) ermöglicht und man erreicht in einem gut automatisierbaren Prozess eine exakte Positionierung und einen gleichmäßigen Verguss der Teile, wodurch Fertigungsfehler weitestgehend ausgeschlossen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer elektrischen und mechanischen Verbindung sowie eines Kunststoffvergusses von Teilen, insbesondere der Anschlussenden eines elektrischen Kabels und einer integrierten Schaltung. Ein derartiges Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung sind grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus der DE 197 22 507 A1 . Diese Druckschrift beschreibt die elektrisch leitende Verbindung einer Kabellitze mit den Anschlüssen einer integrierten Schaltung, wobei die Teile in einem vorgeschalteten Arbeitsgang zunächst elektrisch und mechanisch verbunden, danach in ein ebenfalls in einem separaten Arbeitsgang hergestelltes Gehäuseteil eingelegt und dann zusammen mit diesem Gehäuseteil mit einem Kunststoffverguss umspritzt werden. Eine derartige Prozessabfolge ist nicht oder nur sehr schwer automatisierbar und wegen der verschiedenen, manuell durchzuführenden Arbeitsgänge bei der Herstellung und der Umsetzung der Teile zwischen einem Verbindungswerkzeug und einem Thermoplastspritzwerkzeug zeit- und kostenintensiv, insbesondere wegen der getrennt herzustellenden Haltevorrichtung für die Aufnahme der zu verbindenden Teile. Da die verwendeten Haltevorrichtungen zumeist ebenfalls aus thermoplastischem Kunststoff bestehen, führen prozessimanente Fertigungstoleranzen bei den getrennten Prozessen zu ungenauen Auflage- und Halteflächen für die zu verbindenden Teile, was insbesondere bei empfindlichen elektronischen Bauteilen bei der nachfolgenden, zumeist thermoplastischen Umspritzung wegen der auftretenden hohen Druck- und Temperaturbelastungen der Bauteile zu Brüchen und Anrissen bei den Teilen führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrischen und mechanischen Verbindung sowie für den Kunststoffverguss von Teilen anzugeben, welche eine Verbesserung der Qualität und der Ausbringung der elektrischen, beziehungsweise elektronischen Bauteile sicherstellen. Neben der Verbesserung der Fertigungssicherheit soll hierbei eine kostengünstige Lösung gesucht werden, die insbesondere die Verbindung und den Kunststoffverguss von elektrischen und elektronischen Bauteilen mit einem Anschlusskabel und deren anschließenden dichten Endverguss mit Kunststoff verbessert. Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 6, welche es ermöglichen, mit einer geringen Zahl von Arbeitsschritten in einem leicht automatisierbaren Verfahren die Umhüllung insbesondere empfindlicher elektrischer und elektronischer Bauteile mit minimalem Fertigungsausschuss und geringen Kosten durch die direkte Kunststoffumspritzung herzustellen.

Als besonders vorteilhaft hat es sich hierbei erwiesen, wenn das Verfahren und das verwendete Hilfswerkzeug so ausgestaltet werden, dass die jeweils elektrisch zu kontaktierenden Anschlüsse der zu verbindenden Teile in Aussparungen des Hilfswerkzeugs überlappend positioniert und gegen benachbarte Anschlüsse isoliert werden, weil so eine besonders sichere Halterung und Positionierung der Teile gewährleistet und gleichzeitig die Gefahr von Kurzschlüssen zwischen den verschiedenen Verbindungssträngen sicher verhindert wird. Insbesondere beim Verschweißen der Anschlüsse der zu verbindenden Teilen ist es zweckmäßig, wenn das Verfahren und die Vorrichtung derart ausgestaltet werden, dass die Elektroden zum Verschweißen der Anschlüsse durch das Hilfswerkzeug hindurch von gegenüberliegenden Seiten an die zu verbindenden Anschlüsse herangeführt werden können. Die Verbindung wird noch weiter erleichtert und verbessert, wenn die Litzen der abisolierten Enden einer Ader eines elektrischen Kabels vor dem Einbringen in das Hilfswerkzeug und vor dem Verschweißen oder Verlöten mit Anschlüssen des mit ihm zu verbindenden Teils elektrothermisch kompaktiert sind, weil hierdurch die Positionierung der Enden eines Kabels weiter erleichtert und Fehler durch einzelne, aus dem Verbund herausgelöste Litzen einer Ader verhindert werden können. Besonders bewährt haben sich das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vorrichtung zum direkten, halterartigen Umspritzen der zu verbindenden Teile eines Drehzahlgebers und seines Anschlusskabels, insbesondere eines Drehzahlgebers zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug. In diesem Fall ist wegen der hohen mechanischen und thermischen Belastungen im Betrieb eine widerstandsfähige und dauerhaft sichere Verbindung der Teile besonders wichtig, wobei wegen des hohen Gefahrenpotentials beim Betrieb eines Kraftfahrzeuges besonders strenge Anforderungen gelten.

Als Material für die Herstellung des Hilfswerkzeugs haben sich insbesondere keramische Werkstoffe bewährt, weil diese wegen ihrer auf den Werkzeugstahl abstimmbaren thermischen Ausdehnungskoeffizienten eine Minimierung der Fertigungstoleranzen gewährleisten. Außerdem hat die Verwendung keramischer Werkstoffe zur Herstellung des Hilfswerkzeugs den Vorteil, dass die Flächen, an welchen die elektronischen Bauteile anliegen, besonders eben herzustellen sind, so dass sie die Bauteile ideal gegen den Herstellungsdruck abstützen und so eine fertigungsbedingte Bruchgefahr minimieren.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung des Ausführungsbeispiels.
Die Zeichnung zeigt in
1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hilfswerkzeugs mit den darin gehaltenen, zu verbindenden Teilen und in
2 einen Längsschnitt durch ein Spritzgießwerkzeug mit eingesetztem Hilfswerkzeug, einschließlich der zu verbindenden und mit Kunststoff zu vergießenden Teile.
In 1 ist mit 10 ein dreiadriges elektrisches Anschlusskabel bezeichnet mit den Adern 12, 14 und 16, deren abisolierte Anschlussenden 18, 20 und 22 elektrothermisch kompaktiert sind und einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen. Der Mantel des Kabels 10 weist kurz vor seinem Ende im Bereich des späteren Endvergusses eine Aufrauung oder Vertiefung 24 auf zur sicheren Arretierung des Kabels beim Endverguss.
Die Anschlussenden 18, 20 und 22 des Kabels 10 sind zusammen mit Anschlüssen 26, 28 und 30 einer integrierten Schaltung 32 in Aussparungen 34, 36, 38 eines Hilfswerkzeugs 40 positioniert und derart ausgerichtet, dass sie in dem Hilfswerkzeug 40, vorzugsweise durch Schweißen, miteinander verbunden werden können. Das Verschweißen erfolgt durch gegenläufig bewegliche, durch Pfeile 42 und 44 symbolisierte Elektroden, welche in einer der Anzahl der herzustellenden elektrischen Verbindungen entsprechenden Anzahl nebeneinander angeordnet sind. Dabei wird die obere, durch den Pfeil 42 symbolisierte Schweißelektrode direkt auf das zu verschweißende Anschlussende des elektrischen Kabels 10 aufgesetzt, die gegenüberliegende Elektrode wird durch eine Öffnung 46 in dem Hilfswerkzeug 40 an den entsprechenden Anschluss der integrierten Schaltung 32 herangeführt.
Außer den elektrisch und mechanisch zu verbindenden Anschlüssen des Kabels 10 und der integrierten Schaltung 32 sind bauteilspezifisch in dem Hilfswerkzeug 40 zusätzlich noch ein Permanentmagnet 48 und ein weiterer IC-Baustein 50 positioniert und für den anschließenden Endverguss gehalten und ausgerichtet. Hierzu weist das Hilfswerkzeug 40 neben den Aussparungen 34, 36 und 38 für die zu verbindenden Anschlussenden weitere Vertiefungen 52 und Halterungen 54 in einer der Form der aufzunehmenden Bauelemente entsprechenden Gestaltung auf.
2 zeigt zusätzlich zu der Anordnung gemäß 1 ein Spritzgießwerkzeug 56 mit einem Oberteil 56a und einem Unterteil 56b zur Aufnahme des Hilfswerkzeugs 40 mit den miteinander bereits verbundenen Teilen. Das Hilfswerkzeug 40 sitzt dabei formschlüssig in einer Ausnehmung 58 im Unterteil 56b des Spritzgießwerkzeuges 56. Das Ende des elektrischen Kabels 10 mit der Vertiefung 24 und seinen Adern 12, 14, 16 sind mit Abstand zu den Innenwänden des Spritzgießwerkzeugs 56 angeordnet und entlang eines umlaufenden Randes 60 am Oberteil 56a und am Unterteil 56b dicht abschließend gehalten.
Der eingespritzte Kunststoff 62 gelangt durch eine Bohrung 64 im Oberteil 56a und/oder im Unterteil 56b in den Freiraum 66 im Inneren des Werkzeugs 56. Der Kunststoffverguss bedeckt dann das in das Spritzgießwerkzeug hineinragende Ende des Kabels 10 und dessen Adern 12, 14 und 16 rundum, während die Anschlussenden 18, 20 und 22 des Kabels 10, die Anschlüsse 26, 28 und 30 der integrierten Schaltung 32 sowie der Permanentmagnet 48 und der weitere IC-Baustein 50 nur insoweit mit Kunststoff umhüllt werden, wie ihre Oberflächen durch die verschiedenen Abschnitte des Hilfswerkzeugs 40 nicht abgedeckt sind.
Nach Abschluss dieses ersten Vergusses wird das Spritzgießwerkzeug 56 geöffnet und das Hilfswerkzeug 40 sowie die entstandene Baugruppe mit den bereichsweise vergossenen Teilen aus dem Spritzgießwerkzeug 56 entnommen. Das Hilfswerkzeug 40 kann dann von der entstandenen Baugruppe getrennt und für weitere Gießvorgänge wieder verwendet werden. Die Baugruppe mit dem Anschlussende des Kabels 10, der mit ihm zu verbindenden integrierten Schaltung 32 und den weiteren Teilen 48 und 50 bildet nun bereits eine stabile Einheit, in der die einzelnen Komponenten sicher gehalten und exakt positioniert sind, was bei der Verwendung eines separaten Halters, in den die einzelnen Komponenten vor dem Verguss nur eingelegt werden, nicht gewährleistet ist. Die durch das erfindungsgemäße Verfahren geschaffene Baugruppe wird im Anschluss an die direkte, halterartige Umspritzung der zu verbindenden Teile, beispielsweise der Teile eines Drehzahlgebers, seines Anschlusskabels und eventuell weiterer, in den Zeichnungen nicht dargestellter Befestigungsteile, in einem Endverguss mit einer dichten und bruchfesten Kunststoffhülle umspritzt. Dieser Endverguss erfolgt in einem herkömmlichen, grundsätzlich dem dargestellten Spritzgießwerkzeug 56 entsprechenden Werkzeug.
Kern der Erfindung ist ein wieder verwendbares, vorzugsweise keramisches Hilfswerkzeug 40 in das sowohl das elektrische Kabel 10 als auch die mit ihm und gegebenenfalls untereinander zu verbindenden elektrischen und/oder elektronischen Teile eingelegt werden. Die Verbindung der Teile erfolgt in diesem Hilfswerkzeug 40 vorzugsweise durch Schweißen, jedoch ist stattdessen auch eine Lötverbindung möglich. Wegen der elektrischen Nichtleitereigenschaft ist ein aus Keramik hergestelltes Hilfswerkzeug 40 dabei auch für das Widerstandsschweißen geeignet. Die präzise Gestaltungsmöglichkeit eines derartigen Hilfswerkzeugs gewährleistet eine sichere Abstützung der zu verbindenden Teile gegen den hohen Spritzdruck beim Kunststoff-Spritzgießen, wobei die Teile zusammen mit dem Hilfswerkzeug in das Spritzgießwerkzeug 56 eingesetzt werden zur Herstellung des halterartigen Vergusses der Baugruppe. Wegen der geometrisch exakt definierten Flächen des Hilfswerkzeuges 40 lässt sich auch das Einsetzen der Teile gut automatisieren. Hierbei können zusätzlich durch geeignete, wegen der besseren Anschaulichkeit in der Zeichnung nicht dargestellter Materialausnehmungen in dem Verguss Materialschrumpfungen vermieden werden, welche zum Ablösen des Kunststoffes von den zu verbindenden Teilen führen.
Die Entformung der Baugruppe von dem Hilfswerkzeug 40 erfolgt vorzugsweise unmittelbar nach dem Spritzen, jedoch ist auch die Entformung nach dem Umsetzen der Baugruppe mit dem Hilfswerkzeug 40 in ein Werkzeug zur Endumspritzung möglich, wobei auch dieser Umsetzvorgang wegen der geometrisch exakt definierten Flächen des Hilfswerkzeugs automatisierbar ist. Nach dem Entformen ist das Hilfswerkzeug 20 wieder verwendbar und erspart somit die Kosten für einen separat hergestellten Halter für die Bauteile. Insgesamt ergeben sich somit durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Verringerung der Ausschussteile, eine Verbesserung der Reproduzierbarkeit des Kunststoffvergusses und eine Senkung der Fertigungskosten des Prozesses. Gegenüber Vergusslösungen oder der Verwendung von becherförmigen Schutzvorrichtungen für die zu vergießenden Bauteile entstehen erhebliche Preisvorteile.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer elektrischen und mechanischen Verbindung sowie eines Kunststoffvergusses von Teilen, insbesondere der Anschlussenden eines elektrischen Kabels und einer integrierten Schaltung, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile (10, 32) in einem in ein Spritzgießwerkzeug (56) integrierbaren, wieder verwendbaren Hilfswerkzeug (40) positioniert und ausgerichtet, danach in dem Hilfswerkzeug (40) durch Schweißen oder Löten miteinander verbunden und anschließend in dem Spritzgießwerkzeug (56) mit Kunststoff (62) zu einer Baugruppe vergossen werden, welche vor ihrem Endverguss aus dem Hilfswerkzeug (40) entnommen und in ein Spritzgießwerkzeug für den Endverguss eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils elektrisch zu kontaktierenden Anschlüsse (18, 20, 22; 26, 28, 30) der zu verbindenden Teile (10, 32) in Aussparungen (34, 36, 38) des Hilfswerkzeug (40) überlappend positioniert und gegen benachbarte Anschlüsse isoliert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Litzen der abisolierten Enden (18, 20, 22) einer Ader (12, 14, 16) eines elektrischen Kabels (10) vor dem Einbringen in das Hilfswerkzeug (40) und vor dem Verschweißen oder Verlöten mit Anschlüssen (26, 28, 30) des mit ihm zu verbindenden Teils (32) elektrothermisch kompaktiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Elektrode (42, 44) zum Verschweißen der Anschlüsse (18, 20, 22; 26, 28, 30) der zu verbindenden Teile (10, 32) durch das Hilfswerkzeug (40) hindurch geführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung zum direkten halterartigen Umspritzen der zu verbindenden Teile (10, 32) eines Drehzahlgebers und seines Anschlusskabels (10) mit thermoplastischem Kunststoff (62).
Vorrichtung zur Herstellung einer elektrischen und mechanischen Verbindung sowie eines Kunststoffvergusses von Teilen, insbesondere der Anschlussenden eines elektrischen Kabels und einer integrierten Schaltung, dadurch gekennzeichnet, dass ein wieder verwendbares Hilfswerkzeug (40) aus keramischem Material für die Aufnahme der Teile (10, 32) als Einsatzteil eines Kunststoff-Spritzgießwerkzeugs (56) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfswerkzeug (40) zur Positionierung und Ausrichtung der Teile (10, 32) formschlüssig zu diesen gestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfswerkzeug (40) wenigstens eine rinnenartige Aussparung (34, 36, 38) zur Aufnahme je eines Anschlussendes der zu verbindenden Teile (10, 32) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfswerkzeug (40) zur Positionierung weiterer Teile (48, 50) einer elektrischen Schaltungsanordnung ausgebildet ist, welche zusammen mit den zu verbindenden Teilen (10, 32) nach Art eines Halters mit thermoplastischem Kunststoff (62) umspritzt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hilfswerkzeug (40) zusätzlich zu den zu verbindenden Teilen (10, 32) wenigstens ein Permanentmagnet (48) und ein weiterer IC-Baustein (50) positionierbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfswerkzeug (40) in seinem von den aufgenommenen Teilen (10, 32) abgewandten unteren Bereich formschlüssig zu einer Ausnehmung (58) im Unterteil (56b) des Spritzgießwerkzeugs (56) ausgebildet ist.