-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung
zwischen Anschlusselementen elektrischer Bauelemente und Anschlusselementen
eines Trägerteils mittels Laserstrahlschweißens
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs
1.
-
Es
ist bereits bekannt, elektrische Bauelemente, wie beispielsweise
Steckerteile, Schaltrelais, Steuergeräte, Kondensatoren,
Aktuatoren, Sensoren und andere elektrische Bauelemente, die elektrische Anschlusselemente
aufweisen, auf Trägerteilen zu fixieren und mittels eines
Lasers die Anschlusselemente mit Anschlüssen des Trägerteils
zu verschweißen. Die Trägerteile können
beispielsweise mit Leiterbahnen versehene Leiterplatten oder Kunststoffplatten
sein, in die metallische Stanzgitterteile eingelegt oder eingespritzt
sind. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der
DE 44 32 191 C1 bekannt, welche
ein Trägerteil mit darin eingebetteten metallischen Verbindungsleitern
offenbart. Die elektrischen Bauelemente werden mit ihren elektrischen
Anschlusselementen durch Einstecken an dem Trägerteil fixiert.
Anschließend werden die Anschlusselemente der Bauelemente
und die Verbindungsleiter mittels eines Laserstrahls verschweißt,
wodurch die elektrischen Verbindungen hergestellt werden.
-
Das
Laserstrahlschweißverfahren wird beispielsweise auch eingesetzt,
um elektrische Bauelemente mit den Anschlusselementen eines elektrischen
oder elektrohydraulischen Moduls einer Getriebesteuerung zu verschweißen.
Das Trägerteil wird hierzu auf mindestens einer Seite mit
den elektrischen Bauelementen bestückt. Die elektrischen Bau elemente
werden an dem Trägerteil derart fixiert, dass die Anschlusselemente
der elektrischen Bauelemente an Gegenanschlusselementen des Trägerteils
anliegen. Die Berührungspunkte der Anschlusselemente und
der Gegenanschlusselemente bilden die Orte der durch Laserschweißen
herzustellenden elektrischen Verbindungen. Diese Orte sind an wenigstens
einer Oberfläche des Trägerteils angeordnet, welche
im Kontext der Anmeldung als Kontaktierungsfläche bezeichnet
wird. Die Kontaktierungsfläche muss nicht notwendig eben
sein und kann beispielsweise auch gestuft oder mit Erhebungen oder Vorsprüngen
ausgebildet sein. Es ist möglich, dass die Kontaktierungsfläche
eine Seite des Trägerteils bildet auf der auch die elektrischen
Bauelemente aufgebracht und befestigt sind. Es ist aber auch möglich, die
elektrischen Bauelemente mit Steckerstifte zu versehen, welche in
das Trägerteil eingesteckt werden, so dass die Steckerstifte
auf der von dem elektrischen Bauelement abgewandten Seite des Trägerteils
von diesem abstehen und dort mit den Gegenanschlusselementen des
Trägerteils verschweißt werden. Im Kontext der
Anmeldung wird also die Kontaktierungsfläche des Trägerteils
durch wenigstens eine Oberfläche des Trägerteils
definiert, an der die Berührungspunkte der Bauelementanschlüsse
und der Anschlüsse des Trägerteils angeordnet
sind, welche die Orte der durch Laserschweißen herzustellenden elektrischen
Verbindungen zwischen den Anschlusselementen der Bauelemente und
den Anschlusselementen des Trägerteils sind. Die elektrischen
Bauelemente können dabei auf der Kontaktierungsfläche oder
aber beispielweise einer von der Kontaktierungsfläche abgewandten
Seite des Trägerteils bestückt sein.
-
Bei
den im Stand der Technik bekannten Verfahren wird das Trägerteil
beim Laserschweißen so gehalten, dass die Kontaktierungsfläche
des Trägerteils nach oben weist. Mit dem Laserstrahl wird
von oben auf die darunterliegende Schweißstelle geschweißt.
Eine Normalenrichtung, die als eine am Ort der herzustellenden Schweißverbindung
senkrecht zur Kontaktierungsfläche orientierte und von
der Kontaktierungsfläche wegweisende Richtung definiert
ist, verläuft in diesem Fall entgegengesetzt zur Richtung
der Gravitationskraft, beziehungsweise ist antiparallel zur Gravitationskraft.
Beim Laserstrahlschweißen von zwei leitenden Metallen werden
aufgrund der hohen Temperaturen und der Einstrahlung des Laserlichtes
kleine Metalltröpfchen beziehungsweise Schweißspritzer
erzeugt, die aus der Schweißstelle herausgeschleudert werden.
Bei der oben beschriebenen Ausrichtung des Trägerteils
mit nach oben gewandter Kontaktie rungsfläche werden die heißen
Metalltröpfchen zunächst nach oben geschleudert
und fallen dann bedingt durch die Wirkung der Schwerkraft wieder
auf das Trägerteil zurück, wo sie kleine Schweißperlen
ausbilden, die ungewollt leitende Verbindungen und Kurzschlüsse
zwischen elektrischen Anschlüssen auf dem Trägerteil
herstellen können.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Vorteile der Erfindung
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren vermeidet die im Stand
der Technik auftretenden Nachteile. Dies wird dadurch erreicht,
dass das Trägerteil während des Laserschweißens
von der Haltevorrichtung derart gehalten wird, dass der Winkel zwischen
der Normalenrichtung auf der Kontaktierungsfläche und der
Richtung der Gravitationskraft am Ort der Laserstrahlschweißeinrichtung
einen Winkel größer oder gleich Null Grad und
kleiner oder gleich neunzig Grad bildet. Dadurch wird vorteilhaft
sichergestellt, dass die aus der Schweißstelle emittierten
Metalltröpfchen schwerkraftbedingt nicht wieder auf die
Kontaktierungsfläche des Trägerteils zurückfallen
können.
-
Vorteilhafte
Ausbildungen und Weiterentwicklungen der Erfindung werden durch
die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Maßnahmen ermöglicht.
-
Es
ist möglich, das Trägerteil so anzuordnen, dass
die Kontaktierungsfläche nach unten gewandt ist (Überkopfhalterung
des Trägerteils). In diesem Fall verläuft die
Normalenrichtung, welche als eine senkrecht zur Kontaktierungsfläche
orientierte und von der Kontaktierungsfläche wegweisende
Richtung definiert ist, in Richtung der Gravitationskraft. Der Winkel α zwischen
der Normalenrichtung und der Richtung der Gravitationskraft beträgt
dann Null Grad. Es ist vorteilhaft, wenn der Winkel α zwischen der
Normalenrichtung und der Richtung der Gravitationskraft größer
oder gleich zwanzig Grad und kleiner oder gleich neunzig Grad ist,
um mit dem Laserstrahl die Schweißstellen auf der Kontaktierungsfläche
des Trägerteils gut erreichen zu können, wenn die
Laserstrahlschweißeinrichtung nicht direkt unter dem Trägerteil
angeordnet ist.
-
Besonders
vorteilhaft ist es, die Laserstrahleinrichtung außerhalb
der Parallelprojektion des Trägerteils in Richtung der
Gravitationskraft anzuordnen. Dadurch wird sichergestellt, dass
die Schweißspritzer nicht auf die Laseroptik zurückfallen
und diese beschädigen können. Außerdem
würde eine Verschmutzung der Laseroptik die Qualität
der Schweißverbindung beeinträchtigen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
-
1 den
Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens und
-
2 eine
vertikale Anordnung des Trägerteils in Bezug zur Richtung
der Gravitationskraft,
-
3 eine
waagerechte Anordnung des Trägerteils in Bezug zur Richtung
der Gravitation mit nach unten weisender Kontaktierungsfläche
(Überkopfhalterung des Trägerteils).
-
Ausführungsformen
der Erfindung
-
1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Herstellung einer Schweißverbindung zwischen
den Anschlusselementen elektrischer Bauelemente und Anschlusselementen
eines Trägerteils. Bei dem Trägerteil 1 handelt
es sich beispielsweise um den Modulträger eine elektronischen
Getriebesteuerung. Das Trägerteil 1 weist einen
Grundkörper auf, der im wesentlichen plattenförmig
ausgestaltet ist und aus mit Kunststoff umgebenen Stanzgitterteilen
besteht. An dem Grundkörper sind mehrere elektrische Bauelemente befestigt.
Bei den Bauelementen 11 kann es sich beispielsweise um
ein elektronisches Steuergerät, ein Steckerteil, einen
Positionsschalter, einen Drehzahlsensor, einen elektrohydraulischen
Aktuator oder ein anderes elektrisches Bauelement handeln. Die Bauelemente 11 sind
mit elektrischen Anschlusselementen 12 versehen, wie dies
schematisch in 2 dargestellt ist. Die Anschlusselemente 12 können beispielsweise
seitlich von den Bauelementen 11 abstehen oder als senkrecht
von den Bauelementen abstehende Steckerstifte ausgebildet sein.
Die Bauelemente 11 werden an dem Trägerteil 1 fixiert,
so dass sie nicht herunterfallen können. Dies kann beispielsweise
durch Heißverstemmen, Kleben, Einrasten oder Einklemmen
oder in sonstiger Weise erfolgen. Dabei liegen die Anschlusselemente 12 an
Gegenanschlusselementen 13 des Trägerteils 1 an,
wie dies in 2 zu erkennen ist. Die Gegenanschlusselemente 13 können
beispielsweise Enden von Stanzgittern sein, die von der Kunststoffumhüllung
ausgenommen sind. Die Orte der noch herzustellenden Schweißverbindungen 23 zwischen
den Anschlusselementen 12 und den Anschlusselementen 13 befinden
sich an einer Oberfläche des Trägerteils, welche
als Kontaktierungsfläche 10 definiert ist. Die
Kontaktierungsfläche 10 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
an einer Seite des Trägerteils angeordnet und dort frei
zugänglich. Es ist auch möglich, das Trägerteil
auf einer Oberseite und Unterseite mit Bauelementen zu bestücken
und eine Kontaktierungsfläche auf der Oberseite und beispielsweise
eine weitere Kontaktierungsfläche auf der Unterseite vorzusehen.
-
Weiterhin
ist eine Laserstrahlschweißeinrichtung 2 vorgesehen.
Diese umfasst beispielsweise einen Lichtleiter 21, der
mit einer Optik 20 gekoppelt ist. Die Laserstrahlschweißeinrichtung
erzeugt einen auf die durch Schweißen herzustellende elektrische Verbindungsstelle 23 auf
der Kontaktierungsfläche 10 fokussierten Laserstrahl 22,
wie am besten in 1 zu erkennen ist. Der dabei
verwandte Laser kann beispielsweise ein Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge
von 1,06 μm sein.
-
Erfindungsgemäß wird
das Trägerteil 1 von einer Haltevorrichtung 3 in
einer bestimmten Ausrichtung zur Gravitationskraft G am Ort der
Laserstrahlschweißeinrichtung 2 gehalten. Wie
in den Figuren zu erkennen ist, wird eine Normalenrichtung N durch eine
am Ort der herzustellenden Schweißverbindung 23 senkrecht
zur Kontaktierungsfläche 10 orientierte und von
der Kontaktierungsfläche wegweisende Richtung definiert.
Unabhängig davon, ob die Kontaktierungsfläche 10 eben
oder gestuft oder mit Vorsprüngen versehen ist, steht die
Normalenrichtung N am Ort der Schweißverbindung 23 immer
senkrecht auf der Kontaktierungsfläche 10, wie
am besten in 2 und 3 zu erkennen
ist. Erfindungsgemäß ist der Winkel α zwischen
der Normalenrichtung N und der Richtung der Gravitationskraft G
größer oder gleich 0° und kleiner oder
gleich 90°.
-
Bei
dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt
der Winkel α zwischen der Normalenrichtung N und der Richtung
der Gravitationskraft 90°. In diesem Fall ist die Kontaktierungsfläche 10 parallel
zur Richtung der Gravitationskraft G angeordnet. Bei dem in 3 gezeigten
Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel α zwischen
der Normalenrichtung N und der Richtung der Gravitationskraft 0°. In
diesem Fall wird das Trägerteil 1 von der Haltevorrichtung 3 in Überkopfform
gehalten. Da die elektrischen Bauelemente 11 an dem Trägerteil 1 fixiert sind,
können sie nicht herunterfallen.
-
Die
Schweißstellen 23 sind bei der in 3 gezeigten
Anordnung des Trägerteils 10 möglicherweise
schwerer zugänglich. Obwohl grundsätzlich alle
Winkel, die größer oder gleich 0° und
die kleiner oder gleich 90° sind, eingestellt werden können,
ist es besonders vorteilhaft, wenn der Winkel α zwischen
der Normalenrichtung N und der Richtung der Gravitationskraft größter
oder gleich 20° und kleiner oder gleich 90° ist.
Wie man besonders gut in 1 erkennen kann, sind die Schweißstellen 23 dann
auf der Kontaktierungsfläche 10 besonders gut
zugänglich. Die Mittelachse des fokussierten Laserstrahls 22 kann
senkrecht zur Kontaktierungsfläche 10 ausgerichtet
werden, wie in 1 dargestellt ist. Es sind aber
auch andere Winkel einstellbar, wie in 2 oder 3 gezeigt.
-
In 1 ist
die Flugbahn von heißen Metalltröpfchen beziehungsweise
Metallspritzern, die beim Schweißen entstehen, durch das
Bezugszeichen 24 dargestellt. Wie in 1 gut
zu erkennen ist, bewegen sich die Metalltröpfchen unter
dem Einfluss der Gravitationskraft G nach unten und können
nicht auf das Trägerteil 1 zurückfallen.
Dadurch wird sichergestellt, dass keine unbeabsichtigten Kurzschlüsse
auf der Kontaktierungsfläche 10 des Trägerteils 1 entstehen.
-
Die
Laserstrahlschweißeinrichtung 2 ist in den dargestellten
Ausführungsbeispielen nicht direkt unterhalb des Trägerteils 1 angeordnet,
sondern seitlich versetzt zu diesem. In 3 ist schematisch
die Parallelprojektion P des Trägerteils 1 in
Richtung der Gravitationskraft G dargestellt. Die Laserstrahlschweißeinrichtung 2 befindet
sich vorteilhaft außerhalb dieser Projektion P. Durch diese
Maßnahme wird sichergestellt, dass keine Schweißspritzer
auf die empfindliche Laseroptik 20 der Laserstrahlschweißein richtung
fallen können, so dass die Qualität der Schweißverbindung
nicht beeinträchtigt wird.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf solche
Trägerteile beschränkt, die Module von elektronischen
Getriebesteuerungen darstellen. Sie kann auch bei anderen Trägerteilen
von elektrischen Bauelementen angewandt werden, bei denen die Anschlusselemente
der elektrischen Bauelemente mit Anschlüssen auf dem Trägerteil
verschweißt werden sollen.
-
Das
vorgestellte Verfahren wird vorteilhaft in einer automatisieren
Fertigungsanlage durchgeführt, wobei die Trägerteile
einzeln oder im Nutzen der Fertigungsanlage zugeführt werden
können. Die Haltevorrichtung kann durch einen Werkstückträger
oder einen Roboterarm gebildet werden. Insbesondere ist es möglich,
dass die Haltevorrichtung einen Schwenkarm aufweist, welcher es
ermöglicht, das Trägerteil in die für
das Laserschweißen gewünschte erfindungsgemäße
Winkelstellung relativ zur Richtung der Gravitationskraft zu verschwenken.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-