DE102007014501A1

DE102007014501A1 - Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Bahn auf einem Kunststoffbauteil

Info

Publication number: DE102007014501A1
Application number: DE102007014501A
Authority: DE
Inventors: Nikolaus Hautmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2008-10-02
Also published as: JP2010522783A; US20100132987A1; EP2132968A1; WO2008116692A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Bahn (1) auf einem Kunststoffbauteil (2). Es ist vorgesehen, dass das Kunststoffmaterial (18) des Kunststoffbauteils (2) mittels einer entlang der Bahn geführten Energiebeaufschlagung in eine leitfähige Substanz umgewandelt wird. Weiter betrifft die Erfindung eine elektrische Schaltung mit einer elektrisch leitfähigen Bahn (1), wobei die elektrische Schaltung auf einem Kunststoffsubstrat (13) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Bahn auf einem Kunststoffbauteil. Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Schaltung mit einer elektrisch leitfähigen Bahn, wobei die elektrische Schaltung auf einem Kunststoffsubstrat angeordnet ist.
Stand der Technik
Elektronische Schaltungen kommen in allen Bereichen des modernden Lebens vor. Insbesondere in der Kraftfahrzeugtechnik werden in modernen Fahrzeugen viele Sensoren und Aktoren eingesetzt, die zum Schutz von Witterungseinflüssen gegen ihre Umgebung abgedichtet und eingeschalt werden müssen. Diese Komponenten benötigen, insbesondere in ihrem Inneren, Stromschienen im weitesten Sinne, da in ihrem Inneren verschiedene Bauteile miteinander verbunden werden müssen und/oder eine Stromleitung im Allgemeinen erforderlich ist. Im Stand der Technik werden hierzu Kabel, Leiterbahnen aus unterschiedlichsten Metallen, insbesondere aus Kupfer, Drähte und so weiter in allen möglichen Geometrien verwendet. Hieran ist nachteilig, dass diese Stromschienen beziehungsweise Leiter keine Haftung mit ihrer Umgebung eingehen; entlang dieser Leiter sind die Bauteile oder Komponenten undicht. Aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten kommt es an den Grenzflächen der Leiter zu Spannungen und gegebenenfalls zu Rissen. Die zusätzlichen Leiter müssen häufig in einem eigenen Werkzeug hergestellt werden, beispielsweise werden Stromschienen gestanzt, und separat in die Komponenten beziehungsweise Bauteile montiert werden.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen elektrisch leitfähiger Bahnen auf einem Kunststoffbauteil bereitzustellen, das die genannten Nachteile vermeidet.
Hierzu wird ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Bahn auf einem Kunststoffbauteil vorgeschlagen, wobei vorgesehen ist, dass das Kunststoffmaterial des Kunststoffbauteils mittels einer entlang der Bahn geführten Energiebeaufschlagung in eine leitfähige Substanz umgewandelt wird. Anders als im Stand der Technik wird demzufolge nicht ein Leiter auf das Kunststoffbauteil (das in etwa die Funktion einer Platine aufweist oder eine solche ist) aufgebracht, sondern die elektrisch leitfähige Bahn wird in dem Kunststoffbauteil selbst erzeugt. Der separat aufgebrachte Leiter wird demzufolge durch eine leitende Schicht aus Kunststoffbestandteilen (nämlich aus solchen, die aus dem Kunststoffmaterial des Kunststoffbauteils gewonnen werden) ersetzt. Es liegt somit ein in die Oberfläche des Kunststoffbauteils integrierter Leiter vor. Durch die Beaufschlagung mit starker Energie, die entlang der Bahn stattfindet (wobei die Energiebeaufschlagung im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Kunststoffbauteils und entlang der zu erzeugenden Bahn erfolgt) wird das (isolierende) Kunststoffmaterial des Kunststoffbauteils im Bereich der Beaufschlagung zu elektrisch leitfähigen Kohlenstoffverbindungen an der Oberfläche zersetzt. Es wird gewissermaßen eine leitfähige Schicht in das Kunststoffmaterial des Kunststoffbauteils "eingebrannt". Kunststoffe bestehen im Wesentlichen aus Kohlenstoffverbindungen, die durch die Beaufschlagung und insbesondere die Funkenentladung zersetzt werden, so dass eine elektrisch leitfähige Kohlenstoffverbindung im Einwirkungsbereich der Energiebeaufschlagung verbleibt. Dadurch, dass die im Wesentlichen senkrecht zur Bahn einwirkende Energiebeaufschlagung entlang der Bahn geführt wird, ergibt sich eine kontinuierliche Umsetzung des Kunststoffmaterials zu elektrisch leitfähigen Kohlenstoffverbindungen an der Oberfläche des Kunststoffbauteils.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Energiebeaufschlagung durch eine Funkenentladung stattfindet. Die Energiebeaufschlagung wird folglich dadurch bewirkt, dass das Kunststoffmaterial des Kunststoffbauteils einem starken elektrischen Feld ausgesetzt wird, wobei das Kunststoffbauteil als solches geerdet ist, und über ihm im Bereich der gewünschten Bahn über eine Elektrode, zum Kunststoffbauteil beabstandet, ein starkes elektrisches Feld angelegt wird, wodurch es zu einer Funkenentladung zwischen der Elektrode und dem Kunststoffmaterial im Bereich der Bahn kommt. Durch die Einwirkung des Funkenüberschlags wird das Kunststoffmaterial des Kunststoffbauteils im Bereich der Funkenentladung zu elektrisch leitfähigen Kohlenstoffverbindungen an seiner Oberfläche zersetzt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Energiebeaufschlagung mittels einer Laserbeaufschlagung. Ein energiereicher Laserstrahl wird, insbesondere fokussiert, derart entlang der gewünschten Bahn geführt, dass er das bislang isolierende Kunststoffmaterial des Kunststoffbauteils entlang der Bahn und in einer gewünschten Tiefe und/oder Breite gewissermaßen „verbrennt", sodass elektrisch leitfähige Kohlenstoffverbindungen und Kohlenstoffe übrig bleiben, die die zusammenhängende, elektrisch leitfähige Bahn ausbilden. Der Einsatz eines (insbesondere fokussierten) Laserstrahls hat gegenüber des Einsatzes seiner Funkenentladung den Vorteil, dass das Kunststoffbauteil selbst nicht geerdet werden muss und sich die Ausbildung eines (auch ansonsten zu überwachenden und zu kontrollierenden) starken elektrischen Feldes mit seinen typischen Risiken erübrigt. Gleichzeitig ist ein entsprechender Laser mit ausreichend hoher Leistung außerordentlich schnell in seiner Verarbeitungsgeschwindigkeit, sodass der Prozess der Herstellung der elektrisch leitfähigen Bahn beschleunigt ablaufen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass mittels der Zeitdauer der Funkenentladung die Tiefe der Bahn eingestellt wird. Die Einwirkungsdauer der Funkenentladung auf einen bestimmten Bereich der Oberfläche des Kunststoffbauteils beeinflusst maßgeblich die Ausdehnung der Umsetzung des Kunststoffmaterials zu leitfähigen Kohlenstoffverbindungen. Insbesondere wird hierdurch beeinflusst, bis in welche Tiefe des Kunststoffbauteils diese Zersetzung stattfindet. Wirkt das elektrische Feld und die Funkenentladung länger auf einen definierten Bereich der Oberfläche des Kunststoffbauteils ein, so findet eine stärkere Umsetzung, insbesondere eine größere Tiefenerstreckung der Umsetzung in dem Kunststoffbauteil statt. Der effektiv wirksame, stromtragfähige Querschnitt der elektrisch leitfähigen Bahn wird demzufolge größer, je länger die Zeitdauer der Funkenentladung pro Wegstreckeneinheit ist. Auf diese Weise lässt sich eine elektrisch leitfähige Bahn erzeugen, die genau auf die geforderte Stromtragfähigkeit zugeschnitten ist, ohne dass separate Bestandteile, wie beispielsweise Kupferleitbahnen, aufgebracht werden müssten.
Weiter wird eine elektrische Schaltung mit einer elektrischen Bahn vorgeschlagen, die nach dem Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche hergestellt wurde. Elektrische Schaltungen, die nach dem vorstehenden Verfahren hergestellt wurden, weisen den Vorteil von in das Kunststoffmaterial des Kunststoffbauteils integrierte Leiterbahnen, nämlich leitfähige Bahnen auf, die separate Leiterbahnen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, beziehungsweise Drahtverbindungen, vollständig überflüssig machen. Insbesondere werden auch Zwischenschichten zur Haftvermittlung zwischen Leiter beziehungsweise Leiterbahn und Kunststoff überflüssig. Die elektrische Schaltung lässt sich außerordentlich preiswert herstellen, da die leitfähige Bahn aus dem ohnehin vorhandenen Kunststoffmaterial des Kunststoffbauteils durch Umwandlung im elektrischen Feld mittels Funkenentladung gewonnen wird. Ferner ist eine sehr einfache Kontaktierung der elektrischen Schaltung möglich, insbesondere durch Crimpen oder Pressen, so dass auch anderweitige Kontakte, beispielsweise nach außen, ohne Weiteres und kostengünstig hergestellt werden können.
Weiter wird eine elektrische Schaltung mit einer elektrisch leitfähigen Bahn vorgeschlagen, wobei die elektrische Schaltung auf einem Kunststoffsubstrat angeordnet ist und das Kunststoffsubstrat die elektrisch leitfähige Bahn aufweist, die mittels einer entlang der Bahn geführten Energiebeaufschlagung, insbesondere einer Funkenentladung oder einer Laserbeaufschlagung, durch Umwandlung des Kunststoffmaterials erstellt ist. Das Kunststoffsubstrat weist demzufolge die vorstehend bereits beschriebene elektrisch leitfähige Bahn auf, wobei die elektrische Schaltung auf dem Kunststoffsubstrat angeordnet ist und hierbei beispielsweise unmittelbar durch Einbringung von Kontaktelementen der elektrischen Bauelemente in die elektrisch leitfähige Bahn mit diesen kontaktiert wird.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der elektrischen Schaltung sieht vor, dass die elektrische Schaltung Verpressbereiche zum Verpressen zur Kontaktherstellung der elektrischen Bahn mit Kontaktpartnern vorsieht. Zur Kontaktierung von Kontaktpartnern, die beispielsweise Bauelemente oder Kontaktverbindungen nach außen hin sein können, sind demzufolge Bereiche vorgesehen, an denen Bereiche der Kontaktpartner durch Krafteinwirkung, nämlich Verpressen, mit elektrisch leitfähigen Bahn elektrisch leitend in Gegenüberlage gebracht und somit verbunden werden.
In einer weiteren Ausführungsform der elektrischen Schaltung ist vorgesehen, dass die elektrische Schaltung umspritzt oder vergossen wird. Hierzu wird eine hermetische Abdichtung erreicht.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus Kombinationen derselben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher beschrieben.
Es zeigen
1 eine schematische Darstellung der Beaufschlagung eines Kunststoffbauteils mittels eines elektrischen Feldes und einer Funkenentladung zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Bahn und
2 das Kontaktieren von Kontaktpartnern mit der elektrisch leitfähigen Bahn.
Ausführungsform(en) der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Bahn 1 auf einem Kunststoffbauteil 2. Hierzu wird das Kunststoffbauteil 2 auf einen elektrisch leitfähigen Träger 3, beispielsweise einer Metallplatte 4 platziert. Der Träger 3 bildet hierbei einen elektrischen Gegenpol 5 zu einem oberhalb des Kunststoffbauteils 2 verschieblich angeordneten elektrischen Leiter 6, der bevorzugt in Form einer Funkenspitze 7 ausgebildet ist oder eine Funkenspitze 7 aufweist. Zwischen dem Gegenpol 5 und der Funkenspitze 7 wird ein elektrisches Feld erzeugt, insbesondere über einen mittels elektrischen Verbindungen 8 angeschlossenen Hochspannungsgenerator 9. Da das Kunststoffbauteil 2 auf dem Gegenpol 5 elektrisch leitend aufliegt, bildet sich das elektrische Feld zwischen den Funkenspitze 7 und einer Oberseite 10 des Kunststoffbauteils 2 aus. Bei ausreichend hoher Feldstärke kommt es zu einem Funkendurchschlag 11 zwischen der Funkenspitze 7 und dem Kunststoffbauteil 2, dergestalt, dass ein elektrischer Funke 12 die Oberseite 10 des Kunststoffbauteils 2 beaufschlagt. Durch diese Beaufschlagung des Kunststoffbauteils 2 über seine Oberseite 10 wird Kunststoffsubstrat 13, dem das Kunststoffbauteil 2 besteht, in einem Funkenbereich 14 in eine elektrisch leitfähige Kohlenstoffverbindung 15 umgesetzt. Die Ausdehnung der Kohlenstoffverbindung 15 innerhalb des Kunststoffbauteils 2, also insbesondere die Tiefenausdehnung t (eine Tiefe T) und die Breitenausdehnung b werden hierbei von der Stärke des elektrischen Felds und insbesondere von der Einwirkungsdauer des elektrischen Felds beziehungsweise des Funkendurchschlags auf die Oberseite 10 bestimmt. Je länger der Funkenbereich 14 dem Funkendurchschlag 11 ausgesetzt ist, desto größer wird die Tiefenausdehnung t und (abstandabhängig) die Breitenausdehnung b der Umsetzung des Kunststoffsubstrats 13 zur elektrisch leitfähigen Kohlenstoffverbindung 15. Es kann hiermit die Stromtragfähigkeit der elektrisch leitfähigen Bahn also über die Einwirkungsdauer des elektrischen Feldes bestimmt und geregelt werden, da eine längere Einwirkungsdauer eine größere Tiefenausdehnung t und eine größerer Breitenausdehnung b ergibt als eine kürzere Einwirkungsdauer, wobei eine im Querschnitt größere elektrisch leitfähige Bahn 1 ausgebildet wird als bei kürzerer Einwirkungsdauer. Je größer indes der Querschnitt der elektrisch leitfähigen Bahn 1 ist, umso größer ist deren Stromtragfähigkeit. Zur Ausbildung der elektrisch leitfähigen Bahn 1 über die Oberseite des Kunststoffbauteils 2 wird demzufolge entlang einer Stromroute 16, die zur elektrisch leitfähigen Bahn 1 umgebildet werden soll, die Funkenspitze 7 geführt, während das elektrische Feld anliegt, also der Hochspannungsgenerator 9 aktiv ist. Während des Entlangführens der so bewirkten Funkenentladung 17 wird das Kunststoffmaterial 18 entlang der Stromroute 16 zu elektrisch leitfähiger Substanz 19 umgewandelt. Die elektrisch leitfähige Substanz 19 entlang der Stromroute 16 bildet dann die elektrisch leitfähige Bahn 1 aus. Vorteilhaft hieran ist insbesondere, dass sich die elektrisch leitfähige Bahn 1 in die Tiefe des Kunststoffbauteils 2 erstreckt, mithin im Wesentlichen oder vollständig oberflächenbündig zur Oberseite 10 des Kunststoffbauteils 2 verläuft. Es sind keine separaten Bauelemente wie beispielsweise Leiterbahnen erforderlich. Die Stromroute 16 kann hierbei im Wesentlichen beliebig über die Oberseite 10 des Kunststoffbauteils 2 geführt werden; insbesondere können erforderlichenfalls beliebige Kreuzungspunkte und Verzweigungen des Stromweges hergestellt werden, in dem sich einfach mehrere elektrische leitfähige Bahnen 1 kreuzen. Es ist insbesondere möglich, durch Beaufschlagung des Kunststoffbauteils 2 mit einem unterschiedliche starken elektrischen Feld unterschiedlich dimensionierte elektrisch leitfähige Bahnen 1 auf ein- und demselben Kunststoffbauteil 2 auszubilden, also beispielsweise querschnittsstarke Hauptstrompfade und querschnittsschwächere, feiner verzweigte Anschlusspfade (der Deutlichkeit halber hier nicht dargestellt).
2 zeigt das Kontaktieren von Kontaktpartnern 29, beispielsweise von Bauteilen 20 auf dem Kunststoffbauteil 2, das hierzu die elektrisch leitfähige Bahn 1 aufweist. Das Bauteil 20 ist hierzu mit Anschlusskontakten 21 versehen, die ein Bauteilgehäuse 22 durchdringen und mit einem Bereich 23 auf der elektrisch leitfähigen Bahn 1 aufliegen. Das Kunststoffbauteil 2 weist benachbart zum Bereich 23 der Anschlusskontakte 21 Klemmhalter 24 auf, die aus beispielsweise zwei Klemmfixierungen 25 bestehen, die im Wesentlichen klötzchenförmig ausgebildet sind, und die beabstandet zueinander angeordnet sind, dergestalt, dass zwischen die Klemmfixierungen 25 ein Klemmgegenstück 26 dergestalt eingesetzt werden kann, dass es sich zwischen den Klemmfixierungen 25 verkeilt und hierbei mit seiner Unterseite 27 den Bereich 23 der Anschlusskontakte 21 des Bauteils 20 zumindest abschnittsweise beaufschlagt. Hierdurch wird über derart ausgebildete Verpressbereiche 30 eine hinreichend sichere Berührlage zwischen dem Bereich 23 und der elektrisch leitfähigen Bahn 1 hergestellt. Lötverbindungen oder ähnliche arbeitsaufwendige elektrische Verbindungen erübrigen sich hierdurch. Gleich so lassen sich beispielsweise Flachsteckzungen 28 zur Verbindung mit einem nicht dargestellten Stecker elektrisch leitfähig fixieren. Die Flachsteckzunge 28 wird hierzu ebenso wie vorstehend zu den Anschlusskontakten 21 beschrieben auf die elektrisch leitfähige Bahn 1 aufgelegt, wobei hierzu unmittelbar benachbart, vorzugsweise beidseitig der Flachsteckzunge 28 angeordnet, ein Klemmenhalter 24 ausgebildet ist. Zwischen zwei den Klemmenhalter 24 bewirkenden Klemmfixierungen 25 wird ein formangepasstes Klemmgegenstück 26 klemmend eingebracht, so dass sich eine Kraftbeaufschlagung der Flachsteckzunge 28 und hiermit eine elektrisch leitende Berührlage zur elektrisch leitfähigen Bahn 1 ergibt. Die Klemmhalter 24 und insbesondere die Klemmgegenstücke 26 sind der Deutlichkeit der Darstellung halber hier stark übertrieben dargestellt.
Die elektrische Verbindung zwischen der elektrisch leitfähigen Bahn 1 und Anschlusskontakten 21 beziehungsweise Flachsteckzungen 28 oder anderen, ähnlichen elektrischen Leitern wird demzufolge durch Verpressen hergestellt. Solche Kontaktpartner 29 werden demzufolge nicht gelötet, sondern aufgelegt und durch Kraftbeaufschlagung auf die elektrisch leitfähige Bahn 1 gedrückt und elektrisch leitfähig fixiert.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Bahn auf einem Kunststoffbauteil, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial des Kunststoffbauteils mittels einer entlang der Bahn geführten Energiebeaufschlagung in eine leitfähige Substanz umgewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Zeitdauer der Energiebeaufschlagung die Tiefe der Bahn eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiebeaufschlagung mittels einer elektrischen Funkenentladung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiebeaufschlagung mittels einer Laserbeaufschlagung erfolgt.
Elektrische Schaltung mit einer elektrisch leitfähigen Bahn (1), hergestellt nach dem Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 5, wobei die elektrische Schaltung auf einem Kunststoffsubstrat (13) angeordnet ist und das Kunststoffsubstrat (13) die elektrisch leitfähige Bahn (1) aufweist, die mittels einer entlang der Bahn geführten Energiebeaufschlagung, insbesondere einer Funkenentladung (17) oder einer Laserbeaufschlagung, durch Umwandlung des Kunststoffmaterials (18) erstellt ist.
Elektrische Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung Verpressbereiche (30) zum Verpressen zur Kontaktherstellung der elektrisch leitfähigen Bahn (1) mit Kontaktpartnern (29) vorsieht.
Elektrische Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung umspritzt oder vergossen ist.