DE102012106818A1 - Method for contacting optoelectronic components, involves equipping crimping tool with crimping contact, and performing crimping operation such that an electrical contact between connection conductor and connecting element is produced - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herausführen der erzeugten elektrischen Energie, ohne Beeinträchtigung der Diffusionsdichtigkeit aus optoelektronischen Bauelementen mittels Crimpen. The invention relates to a method for removing the generated electrical energy, without impairing the diffusion tightness of optoelectronic components by means of crimping.
Die Optoelektronik setzt sich aus dem Gebiet der Optik und der Halbleiterelektronik zusammen. Sie umfasst Systeme und Verfahren, die die Umwandlung von elektronisch erzeugten Daten und Energien in Lichtemission ermöglichen oder Lichtemissionen in Energie umwandeln. Optoelektronische Bauelemente, insbesondere Organische Photovoltaikmodule und Organische Leuchtdioden (organic light emitting diode, OLED), im folgenden OPV-Module genannt, erzeugen elektrische Energie oder wandeln elektrische Energie in Lichtemissionen um, welche zur Anwendung im weiteren Verlauf aus dem Modul herausgeführt oder hineingeführt werden muss. Dazu ist eine Kontaktierung des Moduls notwendig. Photovoltaische Zellen sind auf Umwelteinflüsse wie Regen, Schnee, Wind sehr anfällig, weshalb sie beispielsweise mit einer Schutzfolie verkapselt sind. Diese Folien bestehen aus EVA (Ethylenvinylacetat) oder anderen geeigneten Materialien. Optoelectronics is made up of optics and semiconductor electronics. It includes systems and procedures that enable the conversion of electronically generated data and energy into light emission or convert light emissions into energy. Optoelectronic components, in particular organic photovoltaic modules and organic light-emitting diodes (OLEDs), referred to below as OPV modules, generate electrical energy or convert electrical energy into light emissions, which must be led out of the module for application in the further course or led into it , For this a contacting of the module is necessary. Photovoltaic cells are very susceptible to environmental influences such as rain, snow, wind, which is why they are encapsulated with a protective film, for example. These films are made of EVA (ethylene vinyl acetate) or other suitable materials.
Für die Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem Modul und dem Bauteil, welches den Strom aus dem Modul herausführt, ist der Busbar und/oder Verbinder so freizulegen, dass eine Kontaktierung möglich ist. For the production of an electrical connection between the module and the component which leads the current out of the module, the busbar and / or connector must be exposed so that a contacting is possible.
Als Stand der Technik sind bereits Kontaktierungsverfahren von optoelektronischen Bauteilen bekannt. So wird in der
Ein ähnlicher Lösungsansatz geht aus
In der
Weiterhin ist das Durchstoßen der Schichten bis zum Erreichen der Kontaktierungsschicht bekannt. Gemäß
Eine weitere Lösung wurde in der
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Kontaktierung des Eingangs technisch genannten Gebietes bereitzustellen, welches die Probleme aus dem Stand der Technik überwindet, keinen negativen Einfluss auf die Diffusionsdichtigkeit hat, kostengünstig und weitestgehend maschinell durchführbar ist.The object of the present invention is to provide a method for contacting the entrance technically specified area, which overcomes the problems of the prior art, has no negative impact on the diffusion tightness, is inexpensive and largely mechanically feasible.
Die Lösung der Aufgabe ist mit den Merkmalen des Anspruchs 1 definiert und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den unteren Ansprüchen angegeben. The solution of the problem is defined by the features of claim 1 and advantageous embodiments are given in the lower claims.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Kontaktierung optoelektronischer Bauelemente vorgestellt, welche die elektrische und/oder mechanische Verbindung mittels Crimpverfahren bereitstellt. Das Crimpverfahren ist eine Technologie, die zeit- und kostenintensive Lötverbindungen ersetzt. Darüber hinaus sind Crimpverbindungen kostengünstig und von hoher Qualität. Crimpverfahren werden überwiegend in der Elektrotechnik zum Erstellen einer homogenen und schwer lösbaren Verbindung zwischen Leiter und Verbindungselement eingesetzt. Dieses Prinzip wird in der vorliegenden Erfindung genutzt und auf die Optoelektronik angewendet. According to the invention, a method for contacting optoelectronic components is presented, which provides the electrical and / or mechanical connection by means of crimping. Crimping is a technology that replaces time-consuming and expensive solder joints. In addition, crimp connections are inexpensive and of high quality. Crimping methods are predominantly used in electrical engineering for creating a homogeneous and difficult to detach connection between conductor and connecting element. This principle is used in the present invention and applied to optoelectronics.
Dazu wird zumindest ein vollständig laminiertes Modul, umfassend zumindest zwei optoelektronische Bauelemente so positioniert, dass wenigstens ein anzubringender Crimpkontakt unmittelbar über dem Verbindungsleiter, vorzugsweise wenigstens einem Busbar des Moduls angeordnet ist. For this purpose, at least one completely laminated module comprising at least two optoelectronic components is positioned such that at least one crimp contact to be attached is arranged directly above the connection conductor, preferably at least one busbar of the module.
Die Positionierung des Crimpwerkzeugs geschieht mechanisch und/oder elektrisch, sowie manuell und/oder automatisch. The positioning of the crimping tool is done mechanically and / or electrically, as well as manually and / or automatically.
Im weiteren Schritt erfolgt ein Bestücken des Crimpwerkzeugs mit wenigstens einem Crimpkontakt, wobei die Ausgestaltung und das Material des Kontakts unterschiedlicher Art sein können. Als Material sind Metalle und Metalllegierungen oder -komposite, umfassend Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Silber (Ag) oder andere leitende Materialien denkbar. Auch die Ausgestaltung des Crimpkontaktes ist variabel. Denkbar sind Crimpkontakte mit kurzen, langen oder gebogenen Crimpspitzen, welche zudem in der Anzahl variieren können. Zudem ist die Anwendung sogenannter Crimpstecker möglich. Diese sind wenigstens zweiteilig ausgeführt, wobei zumindest ein Element das Modul kontaktiert und zumindest ein weiteres Element auf der gegenüberliegenden Seite des Moduls als Verschluss der Kontaktierungsspitzen dient.In a further step, the crimping tool is equipped with at least one crimp contact, wherein the configuration and the material of the contact can be of different types. The materials used are metals and metal alloys or composites, including aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag) or other conductive materials conceivable. The design of the crimp contact is variable. Conceivable are crimp contacts with short, long or curved crimp tips, which can also vary in number. In addition, the application of so-called Crimpstecker is possible. These are designed at least in two parts, wherein at least one element contacts the module and at least one further element on the opposite side of the module serves as a closure of the contacting tips.
Das erfindungsgemäße Verfahren schließt zudem ein Ausrichten des Crimpwerkzeugs ein. Im Sinne der Erfindung ist mit dem Begriff „Ausrichten“ die Ausrichtung des Crimpkontaktes gemeint und umfasst die vertikale und horizontale Orientierung auf dem Modul. Zudem kann je nach Modulart vor dem Crimpen eine Höhenausrichtung des Werkzeugs notwendig sein.The method according to the invention also includes an alignment of the crimping tool. For the purposes of the invention, the term "alignment" means the orientation of the crimp contact and includes the vertical and horizontal orientation on the module. In addition, depending on the module type before crimping a height adjustment of the tool may be necessary.
Nach Ausrichtung des Crimpwerkzeugs erfolgt das Crimpen, wobei ein elektrischer Kontakt zwischen zumindest einem Verbindungsleiter und zumindest einem Verbindungselement hergestellt wird. Ein Verbindungsleiter ist ein Element, welches zur Weiterleitung der Energie im Modul dient. Als Verbindungselement ist ein Crimp definiert. Das Crimpen ist ein Vorgang der physikalischen Komprimierung oder Formung eines Kontaktes oder einer Kontakthülse rund um einen Draht oder einen Verbindungsleiter, um eine elektrische Verbindung herzustellen. Für eine optimale Zugentlastung ist die Anordnung zumindest eines weiteren Crimps vorteilhaft. Zudem ist als Zwischenschritt ein Probecrimpen denkbar, damit Fehlerquellen im Voraus vermieden werden.After the crimping tool has been aligned, the crimping takes place, wherein an electrical contact between at least one connecting conductor and at least one connecting element is produced. A connection conductor is an element which serves to forward the energy in the module. As a connecting element, a crimp is defined. Crimping is a process of physically compressing or forming a contact or sleeve around a wire or interconnecting conductor to make an electrical connection. For optimum strain relief, the arrangement of at least one further crimp is advantageous. In addition, a trial crimping is conceivable as an intermediate step, so that sources of error are avoided in advance.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung des Crimpkontakts ist für eine Kontaktierung und einer festen und dauerhaften Verbindung ein Biegen und/oder Pressen der Crimpspitzen erforderlich. Dazu ist ein entsprechender Druck aufzubringen, sodass ein Durchdringen aller Modulschichten umfassend Durchstoßen, Schmelzen, Schneiden, Pressen erlaubt und die Crimpspitzen mit einem entsprechenden Gegendruck soweit gebogen werden, dass eine elektrische Verbindung zwischen den Kontakten hergestellt wird und das Modul weiterhin diffusionsdicht, sowie fest verbunden ist. In a further embodiment of the invention of the crimp contact, a bending and / or pressing of the crimp tips is required for a contacting and a firm and permanent connection. For this purpose, a corresponding pressure is applied, so that a penetration of all module layers comprising piercing, melting, cutting, pressing allowed and the crimping tips are bent with a corresponding back pressure so far that an electrical connection between the contacts is made and the module continues diffusion-tight, and firmly connected is.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Modul, umfassend optoelektronische Bauelemente um ein flexibles organisches Photovoltaik-Modul. Besonders die organischen Schichten der Photovoltaikzelle weisen eine starke Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüsse umfassend Luft, Regen und Schnee auf. Daher bedarf es auf der Vorder- und Rückseite eine Schutzschicht, welche als Verbund die organische Photovoltaikzelle diffusionsdicht umschließt und ein OPV-Modul bildet. Für eine Kontaktierung des OPV-Moduls erweist sich dabei das Crimpverfahren als besonders vorteilhaft, da es ein schnelles unkompliziertes, dauerhaftes und im weitesten Sinne homogenes, sowie diffusionsdichtes Kontaktieren ohne Zwischenschritte wie Bohren oder Fräßen erlaubt. Das Anbringen des Crimps und die Kontaktierung erfolgt direkt in einem Vorgang.In a further embodiment of the invention, the module comprising optoelectronic components is a flexible organic photovoltaic module. In particular, the organic layers of the photovoltaic cell have a strong sensitivity to environmental influences including air, rain and snow. For this reason, a protective layer is required on the front and back, which as a composite encloses the organic photovoltaic cell in a diffusion-tight manner and forms an OPV module. For a contacting of the OPV module, the crimping process proves to be particularly advantageous because it allows a fast uncomplicated, durable and in the broadest sense homogeneous, and diffusion-tight contacting without intermediate steps such as drilling or milling. The attachment of the crimp and the contacting takes place directly in one operation.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Crimpvorgang ein Pressen und/oder Stecken, wobei das Modul im Bereich der Kontaktierung geöffnet wird und das Öffnen vorzugsweise ein Durchstoßen aller Modulschichten umfasst. In a further embodiment of the invention, the crimping process comprises pressing and / or plugging, wherein the module is opened in the region of the contacting and the opening preferably comprises a piercing of all module layers.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Pressvorgang einen derartigen Druck auf, dass ein mechanisches Crimpen der Kontakte erreicht wird. Als „mechanisches Crimpen“ ist das Crimpen mit einer Handcrimpzange oder einer Maschine zu verstehen. Dabei ist gesondert auf die Druckausübung unterhalb des Moduls zu achten. Crimpkontakte ohne Steckverbindung sind nach dem Durchdringen des Moduls mittels Pressdruck so zu verformen, dass eine möglichst dauerhafte Verbindung zwischen dem Crimpkontakt und dem Modul entsteht.In a further embodiment of the invention, the pressing process has a pressure such that a mechanical crimping of the contacts is achieved. The term "mechanical crimping" is to be understood as crimping with a manual crimping tool or a machine. It is to pay special attention to the pressure below the module. Crimp contacts without plug connection are to be deformed by pressing through the module by means of pressing pressure so that the most permanent possible connection between the crimp contact and the module is formed.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, umfasst das Crimpverfahren vor dem Durchdringen der Folie und des Metallbandes mit den Crimpspitzen ein Benetzen der Spitzen mit einer Flüssigkeit oder Schmelze, enthaltend Zinn, Zink, Silber, Kupfer oder andere leitende Materialien. Darauf folgt ein Durchdringen und Pressen oder Stecken des Moduls. Anschließend wird der Kontaktbereich kurzfristig durch thermische Energieeintragung erwärmt, damit sich die Flüssigkeit mit dem Verbindungsleiter elektrisch verbindet. Vorteilhaft an der Ausführung ist, dass Umwelteinflüsse, insbesondere Oxidationen zwischen dem Crimpkontakt und dem Modul, die eine Verringerung der Effizienz und/oder eine Zerstörung des Moduls verursachen damit vermieden werden und der elektrische Widerstand gleichbleibend ist. Ein Benetzten der Crimpspitzen erfolgt beispielsweise durch Eintauchen in einem Bad, mit einer der zuvor genannten Flüssigkeiten. In a further embodiment of the invention, the crimping process prior to penetrating the foil and metal strip with the crimp tips comprises wetting the tips with a liquid or melt containing tin, zinc, silver, copper or other conductive materials. This is followed by a penetration and pressing or plugging the module. Subsequently, the contact area is briefly heated by thermal energy input, so that the liquid is electrically connected to the connecting conductor. An advantage of the design is that environmental influences, in particular oxidations between the crimp contact and the module, which cause a reduction in the efficiency and / or destruction of the module thus be avoided and the electrical resistance is constant. A wetted of the crimp tips, for example, by immersion in a bath, with one of the aforementioned liquids.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, umfasst die Flüssigkeit Materialien, welche elektrisch leitend sind und eine Schmelztemperatur aufweisen, die unter dem Schmelzpunkt der Isolationsschicht liegt, um eine Beschädigung der Isolationsschicht des Moduls zu vermeiden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Modul eine Isolationsschicht aus Kunststoff mit einer Schmelztemperatur von über 250°C auf, der bei einer zuvor beschriebenen Verbindung zwischen der Flüssigkeit und dem Modul nicht überschritten werden darf. In a further embodiment of the invention, the liquid comprises materials which are electrically conductive and have a melting temperature which is below the melting point of the insulating layer in order to avoid damaging the insulating layer of the module. In an advantageous embodiment, the module has an insulating layer made of plastic with a melting temperature of about 250 ° C, which must not be exceeded in a previously described connection between the liquid and the module.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Crimpbauelement mittels Steckverbindung verbunden. Dabei besteht das Crimpbauelement aus wenigstens zwei Teilen, wobei eines mit Crimpspitzen versehen ist und das andere als Verschluss der Crimpspitzen dient. Dabei durchdringen die Crimpspitzen das Modul und werden anschließend mit dem Verschluss fest verbunden. In a further embodiment of the invention, the Crimpbauelement is connected by means of plug connection. In this case, the crimp component consists of at least two parts, one being provided with crimp tips and the other serving as closure of the crimp tips. The crimping tips penetrate the module and are then firmly connected to the closure.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Crimpverbindung diffusionsdicht ausgeführt, sodass sich für die Lebensdauer des optoelektronischen Bauelements keine Beeinträchtigung ergibt. Als diffusionsdicht wird ein Bauelement bezeichnet, bei dem unter normaler atmosphärischer Umgebung weder ein Gas- noch Flüssigkeitsaustausch mit dem Modul erfolgt. Daher ist es die Aufgabe des Crimp, sich mit dem Modul so fest zu verbinden, dass in dem Zwischenraum keine Oxidation auftreten kann. Als Zwischenraum wird ein Raum bezeichnet, der entsteht, wenn zumindest zwei Bauteile nicht derart fest miteinander verbunden sind, dass die Möglichkeit der Diffusion gegeben ist. Eine Diffusionsdichtigkeit ist mit einer entsprechenden Verformung und/ oder Pressdruck des Crimp gegeben, wobei das Modul nicht beschädigt werden darf. Eine weitere Möglichkeit ist das Auffüllen des Zwischenraums mit einem elektrisch leitenden Material, wie etwa Zi, Cu und Ag. In a further embodiment of the invention, the crimp connection is made diffusion-tight, so that there is no impairment for the life of the optoelectronic component. As diffusion-tight a component is referred to, in which under normal atmospheric environment neither a gas nor fluid exchange with the module takes place. Therefore, it is the job of the crimp to bond with the module so tightly that no oxidation can occur in the gap. An intermediate space is a space that arises when at least two components are not connected to one another so firmly that the possibility of diffusion exists. A diffusion-tightness is given with a corresponding deformation and / or pressing pressure of the crimp, wherein the module may not be damaged. Another possibility is filling the gap with an electrically conductive material, such as Zi, Cu and Ag.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Art und Weise des Isolationsmaterials, umfassend Kunststofffolien, Metallfolien und Glas, auf dem das Crimpverfahren Anwendung findet variabel ausgestaltet. Je nach Isolationsmaterial erfordert das Crimpen einen entsprechend höheren oder niedrigeren Kraftaufwand, wobei die Crimpspitzen das Modul durchdringen und sich nicht ungewollt verbiegen dürfen. Als Kraftaufwand ist der Einsatz an Energie definiert, der notwendig ist, ein Material zu durchdringen und/ oder abzutragen, umfassend Durchstoßen, Bohren, Fräßen, Schleifen und Schmelzen. In a further embodiment of the invention, the manner of the insulating material comprising plastic films, metal foils and glass on which the crimping method is applied is made variable. Depending on the insulation material crimping requires a correspondingly higher or lower force, the crimping tips penetrate the module and must not bend unintentionally. As an effort, the use of energy is defined, which is necessary to penetrate and / or remove a material, including piercing, drilling, milling, grinding and melting.
Besonders vorteilhaft an der Erfindung ist eine diffusionsdichte Kontaktierung des Moduls, wobei die elektrische und mechanische Verbindung beim Crimpverfahren in einem Schritt erfolgt und somit zeit- und kosteneffizienter als andere Verfahren ist. Zudem ist die Crimpverbindung schwer, vorzugsweise nicht lösbar, wodurch die Haltbarkeit der Verbindung zwischen dem Modul und dem Crimp steigt. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit der Verwendung unterschiedlicher Crimps, die je nach Form und Maß des Moduls eine feste und dauerhafte elektrische Verbindung garantieren. A particularly advantageous feature of the invention is a diffusion-proof contacting of the module, wherein the electrical and mechanical connection in the crimping process takes place in one step and is thus more time and cost-efficient than other methods. In addition, the crimp connection is heavy, preferably not releasable, whereby the durability of the connection between the module and the crimp increases. Another advantage is the possibility of using different crimps, which guarantee a firm and permanent electrical connection, depending on the shape and size of the module.
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