DE102012007074A1

DE102012007074A1 - Elektrisches Bauteil mit wenigstens einem flexiblen Trägermaterial und Verfahren zur Anordnung einzelner Metallkörper auf den Leiterbahnen eines flexiblen Trägermaterials

Info

Publication number: DE102012007074A1
Application number: DE201210007074
Authority: DE
Inventors: Martin Koepsell
Original assignee: Johnson Electric Germany GmbH and Co KG
Current assignee: KOEPSELL, MARTIN, DE
Priority date: 2012-04-11
Filing date: 2012-04-11
Publication date: 2013-10-17
Also published as: US9131617B2; CN103379743A; US20130269987A1; CN103379743B

Abstract

Bei einem elektrischen Bauteil mit wenigstens einem flexiblen Trägermaterial sind dessen an Leiterbahnen ausgebildete Anschlussflächen über einzelne Stoffschlussverbindungen mit den Anschlussflächen einzelner Metallkörper verbunden. Im Gefügebild jeder Stoffschlussverbindung ist wenigstens ein Schienenprofil ausgebildet, wobei jede Stoffschlussverbindung wenigstens eine Ultraschallverschweißung aufweist. Zur Herstellung des elektrischen Bauteils werden einzelne Metallkörper auf den Leiterbahnen eines flexiblen Trägermaterials angeordnet. Dazu werden Anschlussflächen der einzelnen Metallkörper und Anschlussflächen der Leiterbahnen stoffschlüssig miteinander verbunden. Eine der zu verbindenden Anschlussflächen wird durch eine mit Leiterbahnen fertig strukturierte Folie ausgebildet, wobei in Leiterbahn oder Metallkörper Energierichtungsgeber aus Aluminium integriert sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauteil mit wenigstens einem flexiblen Trägermaterial, deren an Leiterbahnen ausgebildete Anschlussflächen über einzelne Stoffschlussverbindungen mit den Anschlussflächen einzelner Metallkörper verbunden sind. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Anordnung einzelner Metallkörper auf den Leiterbahnen eines flexiblen Trägermaterials, bei dem die Anschlussflächen der einzelnen Metallkörper und Anschlussflächen der Leiterbahnen stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
Bei den bekannten elektrischen Bauteilen werden die Stoffschlussverbindungen als Lötverbindungen oder Verklebungen ausgeführt, wobei fortwährende Entwicklungsbemühungen darin bestehen, die Ausbildung kalter Lötstellen zu vermeiden sowie die Belastbarkeit von Verklebungen zu verbessern. Bei den Lötverbindungen besteht ein Problem in der thermischen Beanspruchung des flexiblen Trägermaterials sowie der darauf angeordneten Bauteile durch die in das Lot einzubringende Schmelzwärme. Flexible Trägermaterialien, die diesen thermischen Beanspruchungen standhalten können, bestehen aus thermisch beständigen Polyimiden und anderen Hochleistungskunststoffen, deren Herstellung in Bezug auf andere Kunststofffolien vergleichsweise teuer ist. Außerdem können bereits kleine Störgrößen zur Ausbildung sogenannter „kalter Lötstellen” führen, die es in Bezug auf die Betriebssicherheit elektrischer Geräte unbedingt zu vermeiden gilt.
Bei den Verklebungen besteht das Problem in einer verminderten elektrischen Leitfähigkeit der Klebemasse selbst, so dass diese Verbindungen zum Leiten größerer elektrischer Ströme ungeeignet sind. Außerdem ist die Herstellung von Verklebungen in Bezug auf die Herstellung von Lötverbindungen vergleichsweise zeitintensiv, da die Klebemassen in gesonderten Arbeitsschritten ausgehärtet werden müssen.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2006 004 322 A1 ist eine multifunktionale Leiterplatte bekannt, auf deren ätztechnisch hergestellter Leiterstruktur elektrisch leitfähige Verdrahtungselemente mittels Ultraschallverschweißung befestigt werden. Für die multifunktionale Leiterplatte werden steife Trägermaterialien, wie faserverstärkte Kunststoffe, verwendet, deren mechanische und wärmetechnische Belastbarkeit zur Aufnahme der bei der Ultraschallverschweißung auftretenden Wärme- und Kräftebeanspruchung ausgelegt ist. Aus flexiblen Trägermaterialien ausgebildete Leiterbahnen sind jedoch nicht für das in der DE 10 2006 004 322 A1 beschriebene Befestigungsverfahren geeignet, da weder das flexible Trägermaterial, noch die darauf angeordneten filigranen Leiterbahnen den beim Ultraschallverschweißen auftretenden Wärme- und Kräftebeanspruchungen standhalten würden.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Bauteil sowie ein Verfahren der eingangs genannten Gattung aufzuzeigen, mit denen die zwischen den Leiterbahnen und den Metallkörpern ausgebildeten Verbindungen besonders zuverlässig und gleichwohl kostengünstig herstellbar sind.
Diese Aufgabe ist durch ein elektrisches Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils auf diese Patentansprüche rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße elektrische Bauteil zeichnet sich dadurch aus, dass im Gefügebild jeder Stoffschlussverbindung wenigstens ein Schienenprofil ausgebildet ist, und dass jede Stoffschlussverbindung wenigstens eine Ultraschallverbindung aufweist. Die in den Gefügebildern ausgebildeten Schienenprofile haben bei der Herstellung der Stoffschlussverbindung als sogenannte Energierichtungsgeber fungiert, mit denen die in der Stoffschlussverbindung miteinander verbundenen Anschlussflächen in ihrer Größe und Erstreckung begrenzt sind. Dieser Begrenzung der Anschlussflächen zur Folge ist die Herstellung der Ultraschallverschweißung mit einer ebenfalls begrenzten und daher schadfreien Wärme- und Kräftebeanspruchung für das flexible Trägermaterial sowie die darauf ausgebildeten Leiterbahnen ermöglicht. Die als Energierichtungsgeber fungierenden Schienenprofile gewährleisten somit die Ausbildung von Ultraschallverschweißungen mit einer vorteilhaft geringen Wärme- und Kräftebeanspruchung für die die Ultraschallverschweißung umgebenden Strukturen. Die im Gefügebild der Stoffschlussverbindung ausgebildeten Schienenprofile sind über Schliffbilder nachweisbar.
Nach einer ersten Weiterbildung der Erfindung weist das flexible Trägermaterial wenigstens eine Trägerfolie aus einem thermoplastischen Kunststoff auf. Thermoplastische Kunststoffe sind aufgrund ihrer dauerelastischen und isolierenden Eigenschaften besonders für den Einsatz in der Kfz-Elektrik geeignet. Zudem sind Trägerfolien aus thermoplastischen Kunststoffen vorteilhaft kostengünstig herstellbar.
Nach einer nächsten Weiterbildung der Erfindung sind die Leiterbahnen und die Metallkörper wenigstens im Bereich ihrer Anschlussflächen aus einem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet. Aluminium eignet sich in besonderer Weise zur Herstellung von Ultraschallverschweißungen. Aluminium ist als Leiterbahn gut geeignet. Der für den Leichtbau wichtige Quotient aus Leitfähigkeit zu Gewicht ist wesentlich besser als Kupfer oder Silber.
Die einzelnen Metallkörper weisen beispielsweise als Stecker oder Tastersockel ausgebildete Kontaktaufnehmer auf. Die Stecker dienen insbesondere dem Anschluss von Kabelschuhen, während die Tastersockel zur Ausbildung von Tastschaltern vorgesehen sind.
Um die Wärmebeanspruchung der auf dem elastischen Trägermaterial verlegten Leiterbahnen weiter herabzusetzen, weisen die Leiterbahnen ihre Anschlussflächen jeweils peripher erweiternde Kühlflächen auf. Das Verarbeiten von Leiterfolien mit fertig strukturierten Leiterbahnen führt zu gebrauchsfertigen Bauteilen direkt nach dem Ultraschallschweißen. Im Vergleich zum Schweißen unstrukturierter Kupferfolien nach DE 10 2006 004 322 A1 / EP1980143 B1 mit einer Vielzahl nachfolgender Verfahrensschritte bringt dies große Vorteile in der Fertigung. Das neue Verfahren ermöglicht ein Schweißen von Bauteilen auf Folien, die zum Einsatz keines weiteren Bearbeitungsschrittes bedürfen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Anordnung einzelner Metallkörper auf den Leiterbahnen eines flexiblen Trägermaterials ist dadurch gekennzeichnet, dass eine der zu verbindenden Anschlussflächen durch eine mit Leiterbahnen fertig strukturierte Folie ausgebildet wird, dass in Leiterbahn oder Metallkörper Energierichtungsgeber aus Aluminium integriert sind, dass die stoffschlüssig zu verbindenden Anschlussflächen mit den Leiterbahnen der Folie als Schienenprofile in Eingriff gebracht werden, und dass die im Eingriff einander berührenden Anlageflächen mittels Ultraschallschwingungen miteinander verschweißt werden. Das Verschweißen durch Ultraschwingungen wird durch das Entstehen von Schweißwärme aufgrund von Reibung bei diesen Schwingungen ausgelöst. Die Ultraschallschwingungen bringen die beteiligten Materialien in einen teigigen Zustand, der schließlich zu Verbindungen führt, die vorteilhaft eine gute Leitung von Strom ermöglichen. Das Entstehen von kalten Lötstellen ist sicher verhindert.
Die bei dem Verfahren eingesetzten Schienenprofile wirken vorzugsweise als Energierichtungsgeber.
Die im Eingriff einander unmittelbar berührenden Anlageflächen sind während des Verschweißens wenigstens einer Flächenpressung ausgesetzt. Dadurch ist ein sicheres, stoffschlüssiges Fügen mittels Ultraschallschweißen auf den Schienenprofilen ermöglicht. Die Anschlussflächen sind dabei vorzugsweise aus einem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet, welche sich für das Ultraschallschweißen eignen.
Ein Anliegen des Trägermaterials auf einer Metallplatte während des Schweißens führt vorteilhaft zu einer Abfuhr von Wärme.
Ausführungsbeispiele der Erfindung aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
1: eine perspektivische Ansicht eines elektrischen Bauteils mit wenigstens einem flexiblen Trägermaterial,
2: eine maßstäblich vergrößerte Seitenansicht des Bauteils gemäß 1,
3: eine weitere Seitenansicht des Bauteils gemäß 1 vor Aufsetzen auf das Trägermaterial,
4a und 4b: ein anderes elektrisches Bauteil, wieder aufgesetzt auf ein flexibles Trägermaterial, sowie
5 und 6: Schnittdarstellungen des Bauteils gemäß 4 vor und nach seinem Aufsetzen auf das Trägermaterial.
Bei dem Ausführungsbeispiel in 1 ist ein etwa quaderförmiges elektrisches Bauteil 1 auf ein abschnittweise dargestelltes Trägermaterial aufgesetzt, wobei das Trägermaterial eine Trägerfolie 2 ist. Auf der Trägerfolie 2 ist ein Schienenprofil 3 eingebracht. Das Schienenprofil 3 wird üblicherweise erzeugt durch Bekleben der Trägerfolie mit einer Metallfolie (z. B. Kupfer, Aluminium) und anschließendem selektiven Entfernen des Metalls durch Ätzen.
Das Bauteil 1 sowie das Schienenprofil 3 sind durch Ultraschwingungen miteinander verschweißt.
2 zeigt den verschweißten Zustand von Bauteil 1 und Schienenprofil 3. Das Schienenprofil 3 ist auf der Trägerfolie 2 angeordnet. Das Schienenprofil 3 kann auf die Trägerfolie 2 beispielsweise aufgeklebt sein, ein zwischen Schienenprofil 3 und Trägerfolie 2 vorhandener Kleber kann beim Einbringen der Ultraschwingungen zugleich als Wärmeisolierung für die thermisch angreifbare Trägerfolie 2 wirken.
2 zeigt, dass das Bauteil 1 zumindest abschnittsweise aus zwei verschiedenen Materialien ausgebildet ist. In dem Bereich, der für das Ultraschweißen verwendet wird, der also dem Schienenprofil 3 zugekehrt ist, ist das Bauteil 1 aus einer Aluminiumschicht 4 ausgebildet. Aluminium eignet sich gut für Ultraschweißverbindungen. In anderen, hier oberen Bereichen ist das Bauteil 1 durch eine Schicht 5 aus Silber ausgebildet.
3 zeigt das Bauteil 1 in nicht verbundenem Zustand, hier sind an der Unterseite der Aluminiumschicht 4 Vorsprünge 6 erkennbar. Die Vorsprünge 6 bilden sogenannte Energierichtungsgeber aus, hier wird die Energie der Ultraschallschwingungen verstärkt eingetragen, hier erfolgt ein Anschmelzen bzw. ein Übergang in einen Plasmazustand zuerst. Derartige Vorsprünge können auch an dem Schienenprofil 3 vorgesehen sein.
Bereits das Ausbilden des Bauteils 1 aus voneinander verschiedenen Elementen Silber und Aluminium führt zur Ausbildung von Energierichtungsgebern, da die Ultraschallschwingungen in der Aluminiumschicht 4 verstärkt zur Entstehung von Wärme führen. Andere Schichten, die noch auf die Silberschicht 5 hinzutreten, sind dann durch z. B. Druckverfahren aufbringbar.
Die Dicke der Trägerfolie 2 kann < 0,3 mm sein.
Die in 2 dargestellte Verbindung von Bauteil 1 und Trägerfolie 2 ist nach dem Ultraschallschweißen sofort einsetzbar. Nacharbeiten sind nicht notwendig.
Die Schienenprofile 3 können auch aus Kohlenstoff hergestellt sein, hier kann als Energierichtungsgeber eine schmale Lage aus Kohlenstoff angeordnet sein, beispielsweise mit Hilfe eines Tintenstrahldruckers aufgetragen.
Bei dem Ausführungsbeispiel in 4a und 4b wird auf das Schienenprofil 3 eine zusätzliche Lage 7 aufgetragen. Diese zusätzliche Lage bildet den Energierichtungsgeber für die Ultraschallschwingungen aus.
Diese zusätzliche Lage 7 ist auch in 5 erkennbar. Bei dem nachfolgenden Ultraschweißvorgang wird das Material dieser zusätzlichen Lage 7 in das Schienenprofil 3 integriert, das Material des Schienenprofils 3 und der zusätzlichen Lage 7 sind vorzugsweise gleich. Das Bauteil 1 in 4b zeigt einen als Stecker ausgebildeten Kontaktaufnehmer 8.
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

DE 102006004322 A1 [0004, 0004, 0011]
EP 1980143 B1 [0011]

Claims

Elektrisches Bauteil mit wenigstens einem flexiblen Trägermaterial, deren an Leiterbahnen ausgebildete Anschlussflächen über einzelne Stoffschlussverbindungen mit den Anschlussflächen einzelner Metallkörper verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Gefügebild jeder Stoffschlussverbindung wenigstens ein Schienenprofil (3) ausgebildet ist, und dass jede Stoffschlussverbindung wenigstens eine Ultraschallverschweißung aufweist.
Elektrisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Trägermaterial wenigstens eine Trägerfolie (2) aus einem thermoplastischen Kunststoff aufweist.
Elektrisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen und die Metallkörper wenigstens im Bereich ihrer Anschlussflächen aus einem Aluminium (4) oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet sind.
Elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Leiterbahnen und/oder Metallköper vorstehende Vorsprünge (6) als Energierichtungsgeber aufweisen.
Elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der einzelne Metallkörper einen als Stecker ausgebildeten Kontaktaufnehmer (8) aufweist.
Elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der einzelne Metallkörper einen als Tastersockel ausgebildeten Kontaktaufnehmer aufweist.
Elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen ihre Anschlussflächen jeweils peripher erweiternde Kühlflächen aufweisen.
Verfahren zur Anordnung einzelner Metallkörper auf den Leiterbahnen eines flexiblen Trägermaterials, bei dem Anschlussflächen der einzelnen Metallkörper und Anschlussflächen der Leiterbahnen stoffschlüssig miteinander verbunden werden, insbesondere zur Herstellung eines elektrischen Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine der zu verbindenden Anschlussflächen durch eine mit Leiterbahnen fertig strukturierte Folie ausgebildet wird, dass in Leiterbahn oder Metallkörper Energierichtungsgeber aus Aluminium integriert sind, dass die stoffschlüssig zu verbindenden Anschlussflächen mit den Leiterbahnen der Folie als Schienenprofile (3) in Eingriff gebracht werden, und dass die im Eingriff einander berührenden Anlageflächen mittels Ultraschallschwingungen miteinander verschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die im Eingriff einander unmittelbar berührenden Anlageflächen während ihres Verschweißens wenigstens einer Flächenpressung ausgesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussflächen aus einem Aluminium (4) oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schweißvorganges das mit Leiterbahnen fertig strukturierte Trägermaterial auf einer Metallplatte aufgelegt wird.