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Stand der Technik
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DE 10 2004 030 388 A1 bezieht sich auf einen Artikel mit einer Beschichtung von elektrisch leitfähigem Polymer und ein Verfahren zu deren Herstellung. Gemäß dieser Lösung sind Leiterplatten mit einer Kupferschicht versehen, in welcher durch Strukturierung elektrische Leiter erzeugt werden. Zum Erhalt der Lötfähigkeit und zum Schutz vor Oxidation wird eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Polymer auf die Kupferschicht aufgetragen. Die Kupfer- oder Kupferlegierungsschicht befindet sich zwischen einer elektrisch leitend ausgebildeten Basisschicht und einer das leitfähige Polymer enthaltenden Schicht.
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DE 10 2009 001 461 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Baugruppe. Die Baugruppe wird durch zwei mikroelektrische Bauelemente gebildet, die miteinander verbunden werden. Die Herstellung der Verbindung erfolgt mittels mehrerer dielektrischer Bauelemente, die jeweils mindestens eine Leiterbahn aufweisen. Die Leiterbahn wird durch das Einbringen eines durchgängigen Hohlraumes in das dielektrische Bauelement und anschließendem Füllen mit einem elektrisch leitfähigen Material erzeugt. Bei dem Füllmaterial kann es sich um ein elektrisch leitfähiges Polymer handeln.
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Zur elektrischen Kontaktierung wird das THT-Fertigungsverfahren (Through Hole Technology) eingesetzt. Gemäß dieses Fertigungsverfahrens werden die Anschlussdrähte bedrahteter Bauteile sowie Messerleisten durch Öffnungen in der Leiterplatte gesteckt. Bei den zu kontaktierenden Bauelementen kann es sich um Kondensatoren, Transistoren, Widerstände, Integrated Circuits (IC’s) und dergleichen mehr handeln. Die aufgezählten Bauteile benötigen unterschiedliche Vorbereitungen, bei denen die Anschlussdrähte, die auch als Anschlussbeinchen bezeichnet werden, gebogen und zugeschnitten werden, so dass diese in ein durch die Leiterplatte vorgegebenes Bohrbild bzw. Öffnungsmuster passen. Nach der Vorbereitung der Bauteile und der Bestückung der Leiterplatte mit diesen, erfolgt das Löten der Bauteile. Die Lötverbindung entsteht in der Regel auf der Unterseite der Leiterplatte. Hierfür kann auf das Wellenlötverfahren oder auch Schwalllötverfahren zurückgegriffen werden. Beim Wellenlöten wird die Leiterplatte mit ihrer Unterseite über eine Lotwelle gefahren, welche bei Kontakt mit dem Bauteil die Lötverbindung an dessen Unterseite herstellt. Eine Sonderausführung dieses Verfahrens ist das Selektivlöten. Hierbei wird nicht die ganze Baugruppe, sondern nur ein kleiner Teil davon – teilweise nur ein einziges Bauteil – mittels einer „Miniatur-Welle” gelötet. Das Selektivlötverfahren ist häufig das einzig mögliche Lötverfahren, wenn bedrahtete Bauelemente gelötet werden müssen.
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Insbesondere bei Anwendungen im Automobilbereich müssen die mittels des THT-Fertigungsverfahrens hergestellten Lötstellen eine große Anzahl von Temperaturwechseln ertragen können, ohne dass die Funktion der Lötstelle, einerseits hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit und andererseits hinsichtlich des mechanischen Haltes signifikant beeinträchtigt wird. Durch die Temperaturwechsel entstehen in den Lötstellen jedoch thermomechanisch induzierte Belastungen, die zur Schädigung der Lötstellen führen können. Diese Belastungen sind sowohl durch Geometriefaktoren in Bezug auf alle Komponenten bestimmt und des Weiteren von transient thermischen Zuständen (Temperatur-Zeit-Profilen) abhängig.
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Durch den Entwicklungstrend hin zum intramodularen Aufbau von Steuergeräten, werden einzelne Module und nicht nur einzelne Bauelemente im Wege der THT-Löttechnik mit der eigentlichen Leiterplatte verbunden. Insbesondere für Anwendungen im Automobilbereich müssen THT-Lötstellen viele Temperaturwechsel ertragen, ohne dass die Funktion der Lötstelle hinsichtlich ihrer elektrischen Leitfähigkeit und des mechanischen Haltes signifikant beeinträchtigt wird. Durch die Temperaturwechsel entstehen in den Lötstellen thermomechanisch induzierte Belastungen, die zur Vorschädigung der Lötstellen führen können. Die Belastungen sind sowohl durch Geometriefaktoren aller Komponenten bestimmt, als auch von transient thermischen Belastungen abhängig. Bei einem Großteil von Bauteilen, die durch Anwendungen des THT-Verfahrens verlötet werden, handelt es sich um einseitig gelötete Steckerleisten, die bevorzugt in elektronischen Steuergeräten eingesetzt werden. Eingesetzte Kontaktstifte, die auch als Pins bezeichnet werden, werden aus Bronze gefertigt, die größtenteils aus Bändern herausgestanzt werden. Dabei ist es jedoch zwingend notwendig, dass das steckseitige Material den bisherigen geforderten Materialklassen der Automobilhersteller entspricht. Die lötseitigen Materialien hingegen sind frei definierbar, d.h. es können hier beispielsweise Metalle oder Metalllegierungen auf Aluminiumbasis zum Einsatz kommen, die entweder direkt lötfähig sind oder durch entsprechende Beschichtung, beispielsweise mit einer NiSn-Beschichtung lötfähig gemacht werden kann.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zur Verbesserung der Temperaturwechselfestigkeit an den einzulötenden Kontaktstiften bzw. Kontaktpins einen Aluminium-Kupfer-Verbund einzusetzen. Bei diesem Aluminium-Kupfer-Verbund handelt es sich beispielsweise um ein Strangprofil, welches in einer gemeinsamen Ebene eine Cu-Abschnitt und einen Al-Abschnitt umfasst. Der Cu-Abschnitt und der Al-Abschnitt können einerseits in einer gemeinsamen, horizontal verlaufenden Ebene liegen, die genannten Abschnitte können aber auch in voneinander verschiedenen sich horizontal erstreckenden Ebenen angeordnet sein. Beiden Ausführungsmöglichkeiten des Strangprofiles ist gemeinsam, dass der Cu-Abschnitt und der Al-Abschnitt innerhalb eines Übergangsbereiches miteinander verbunden sind, beispielsweise in dem ein pfeilförmig ausgeführtes Ende eines der beiden Abschnitte in eine komplementär konfigurierte Aufnahme des jeweils anderen der beiden Abschnitte hineinragt. Die Abschnitte sind innerhalb des Übergangsbereiches stoffschlüssig miteinander gefügt sind. Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend, ist das Kontaktelement aus einem Al/Cu-Materialverbund gefertigt, wobei dessen Cu-Abschnitt die Steckerseite des Kontaktelementes und der Al-Abschnitt des Al/Cu-Materialverbundes die Lötseite des Kontaktelementes bildet.
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Bevorzugt werden die Kontaktelemente, seien sie eine gemeinsame Ebene in Bezug auf Lötseite und Steckerseite aufweisend, oder seien die Lötseite und die Steckerseite in unterschiedlich liegenden Ebenen ausgeführt, aus dem Al/Cu-Materialverbund ausgestanzt. Dies bietet den Vorteil einer sehr rationellen Großserienherstellbarkeit und einer sehr hohen Ausnutzung des Al/Cu-Materialverbundes hinsichtlich von anfallendem Restmaterial.
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene aus dem Al/Cu-Materialverbund ausgestanzte Kontaktelement weist auf der Steckerseite eine steckerseitige Geometrie in Form von Steckerpins auf. Die Steckerpins bilden einen Materialverbund und können durch einzelne Stege miteinander verbunden sein. Auf der Lötseite, d.h. des Aluminiumabschnittes des Strangprofiles kann eine lötseitige Geometrie ausgebildet werden, die beispielsweise in Form eines Kontaktverbundes mit einzelnen Kontaktdrähten ausgebildet sein kann. Dabei können die einzelnen Kontaktdrähte des Kontaktverbundes gleiche Längen oder auch jeweils voneinander unterschiedliche Längen aufweisen.
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Vorteile der Erfindung
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In vorteilhafter Weise kann durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Kontaktelement erreicht werden, dass einerseits die Steckerseite des Kontaktelementes weiterhin aus einer Kupferlegierung gebildet wird, während auf der Lötseite eine Aluminiumlegierung eingesetzt wird, die eine geringere Steifigkeit in Bezug auf den E-Modul und einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Bei einer thermisch induzierten Belastung auf den Steckerpin, in Form von Biegung, Drehung oder Zugbeanspruchung, wird ein Teil dieser mechanischen Belastung, die eine Schädigung des Kontaktelementes bewirken kann, durch das flexiblere Aluminiummaterial, welches sich auf der Leiterplattenseite bzw. dem Trägersubstrat befindet, abgefedert. Das Kontaktelement insgesamt gesehen weist eine längere schadensfreie Zeit und damit eine höhere Lebensdauer auf.
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Wird das Kontaktelement aus einem Al/Cu-Materialverbund gefertigt, dessen Cu-Abschnitt und dessen Al-Abschnitt in einer gemeinsamen horizontalen Ebene verlaufen, ist eine fertigungstechnisch besonders rationelle Produktion im Großserienmaßstab des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kontaktelementes möglich. Andererseits bietet die Vorkonfektionierung des Strangmaterials des Al/Cu-Materialverbundes auch die Möglichkeit, unterschiedlichen Einbaugeometrien des Kontaktelementes Rechnung zu tragen. So können beispielsweise der Cu-Abschnitt und der Al-Abschnitt nicht nur in einer gemeinsamen Ebene liegend ausgeführt sein, vielmehr besteht die Möglichkeit, dass die beiden genannten Abschnitte auch in voneinander verschiedenen horizontalen Ebenen verlaufen.
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Die beiden Abschnitte, d.h. der Cu-Abschnitt und der Al-Abschnitt des Al/Cu-Materialverbundes des Strangprofiles sind innerhalb eines Übergangsbereiches miteinander verbunden, d.h. gehen ineinander über. Der Übergangsbereich ist hinsichtlich seiner mechanischen Festigkeit so beschaffen, dass dieser auch den mechanischen Belastungen, die bei einem Ausstanzprozess oder dergleichen auf das Strangprofil einwirken, widerstehen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
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1 einen Al/Cu-Materialverbund, dessen Cu-Abschnitt und dessen Al-Abschnitt in einer gemeinsamen horizontalen Ebene liegen,
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2 ein Kontaktelement mit einer steckerseitigen und einer lötseitigen Geometrie,
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3 einen Schnitt durch einen Al/Cu-Materialverbund, in welchem der Al-Abschnitt und der Cu-Abschnitt in voneinander verschiedenen horizontalen Ebenen liegen.
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Ausführungsvarianten
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Der Darstellung gemäß 1 ist in perspektivischer Draufsicht ein Al/Cu-Materialverbund zu entnehmen, dessen Cu-Abschnitt und dessen Al-Abschnitt in einer gemeinsamen horizontalen Ebene verlaufen.
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Aus der Darstellung gemäß 1 geht hervor, dass ein Strangprofil 40 eines Al/Cu-Materialverbundes 36 einen Cu-Abschnitt 42 und einen Al-Abschnitt 44 umfassen. Die genannten Abschnitte 42 bzw. 44 werden durch Aluminiumlegierungen oder Cu-Legierungen dargestellt, die innerhalb eines Übergangsbereiches 38 miteinander verbunden sind. Aus der Darstellung gemäß 1 geht hervor, dass im Übergangsbereich 38 zwischen dem Cu-Abschnitt 42 und dem Al-Abschnitt 44 in einer horizontalen Ebene 46 ein pfeilförmiges Ende 42 des Cu-Abschnittes 42 in einer komplementär konfigurierten Aufnahme 54 des Al-Abschnittes 44 hineinragt. Innerhalb des Übergangsbereiches 38 sind die beiden Abschnitte, d.h. der Cu-Abschnitt 42 und der Al-Abschnitt 44 stoff- und kraftschlüssig miteinander verbunden, so dass sich ein aus den genannten Abschnitten 42, 44 bestehender Al/Cu-Materialverbund 36 ergibt, der auch mechanischen Belastungen, die beispielsweise bei einem Ausstanzprozess des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kontaktelementes 10 auf den Al/Cu-Materialverbund 36 einwirken, standhält.
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In der Darstellung gemäß 1 ist gezeigt, dass der Cu-Abschnitt 42 eine Steckerseite 14 eines Kontaktelements 10 darstellt, während eine Lötseite 16 des Kontaktelementes 10 durch den Al-Abschnitt 44 des Al/Cu-Materialverbundes 36 gebildet wird. Anstelle der in 1 dargestellten Geometrie in Bezug auf den Übergangsbereich 38 mit pfeilförmigem Ende 52 und komplementär konfigurierter Aufnahme 54 können auch andere Übergangsgeometrien im Übergangsbereich 38 zwischen dem Cu-Abschnitt 42 und dem Al-Abschnitt 44 des Al/Cu-Materialverbundes 36 gebildet sein.
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Der Darstellung gemäß 2 ist eine Draufsicht auf ein aus dem Al/Cu-Materialverbund gemäß 1 erfindungsgemäß vorgeschlagenes Kontaktelement zu entnehmen.
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Aus der Draufsicht gemäß 2 geht hervor, dass das Kontaktelement 10 auf seiner durch den Cu-Abschnitt 42 gebildeten Steckerseite 14 eine Reihe von Steckerpins 12 umfasst. Die einzelnen Steckerpins 12 auf der Steckerseite 14 sind durch Stege 26 miteinander verbunden und bilden eine steckerseitige Geometrie 32. Die steckerseitige Geometrie 32 ist durch den in Zusammenhang mit 1 bereits erwähnten Cu-Abschnitt 42 des Strangprofiles 40, ausgebildet als Al/Cu-Materialverbund 36 gegeben. Die Stege 26 sind mit einzelnen Öffnungen 30 versehen.
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Des Weiteren umfasst das Kontaktelement 10 gemäß der Draufsicht in 2 die Lötseite 16, die durch den Al-Abschnitt 44 des Al/Cu-Materialverbundes 36 gegeben ist. Aus der Darstellung gemäß 2 geht hervor, dass in diesem Bereich, d.h. auf der Lötseite 16 Kontaktelemente 10 einzelne Kontaktdrähte 56 aufweist. Die einzelnen Kontaktdrähte 56 umfassen eine Lötspitze 28, wobei die einzelnen Kontaktdrähte 56 in unterschiedlichen Längen ausgebildet sein können. Aus der Darstellung gemäß 2 geht hervor, dass die einzelnen Kontaktdrähte 56 in der Darstellung gemäß 2 entweder eine erste Länge, eine zweite Länge 22 sowie eine dritte Länge 24 aufweisen können.
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Neben der in 2 dargestellten Darstellung der Kontaktdrähte 56 in den unterschiedlichen Längen 20, 22 und 24, könnten die Kontaktdrähte 56 auch eine einheitliche Länge aufweisen, unabhängig von der ersten Länge 20, der zweiten Länge 22 und der dritten Länge 24.
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Die Kontaktdrähte 56 bilden einen Kontaktverbund 18 und stellen eine lötseitige Geometrie 34 des Kontaktelementes 10 dar.
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In Rückgriff auf 1 und die Kontaktdrähte 56 der lötseitigen Geometrie 34 sind durch den Al-Abschnitt 44 des Al/Cu-Materialverbundes 36 gegeben, wohingegen die Steckerpins 12 gemäß der steckerseitigen Geometrie 32 durch die einzelnen Steckerpins 12 – hier in einer einheitlichen Länge ausgebildet – dargestellt sind.
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Der Darstellung gemäß 2 ist zu entnehmen, dass die Lötspitzen 28 der Kontaktdrähte 56, die lötseitige Geometrie 34 darstellend, aus Aluminium bestehen. Die Kontaktdrähte 56 des Kontaktverbundes 18 sind nämlich im Al-Abschnitt 44 des Al/Cu-Materialverbundes 36 ausgebildet. Die Lötspitzen 28 sind aus im Al-Abschnitt 44 des des Al/Cu-Materialverbundes 36 ausgebildet, und weisen eine geringere Steifigkeit in Bezug auf den E-Modul auf, ferner einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten. Innerhalb der Steckerseite 14 sind die Steckerpins nach wie vor aus einer Cu-Legierung gefertigt, welche den Cu-Abschnitt 42 des Al/Cu-Materialverbundes 36 bildet. Bei thermisch induzierten Belastungen auf die Steckerpins 12 im Bereich der Steckerseite 14 des Kontaktelementes 10, beispielsweise durch Biegung, Drehung und Zugbeanspruchung und dergleichen, wird ein Teil der schädigenden Belastungen durch das wesentlich flexiblere Eigenschaften aufweisende Aluminiummaterial der Lötseite 16, gebildet durch den Al-Abschnitt 44 des Al/Cu-Materialverbundes 36 abgefedert, so dass eine längere schadensfreie Zeit und damit eine höhere Lebensdauer des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kontaktelementes 10 zu erwarten ist.
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Der Darstellung gemäß 2 ist eine mögliche Ausgestaltungsvariante eines aus dem Al/Cu-Materialverbund 36 gemäß der Darstellung in 1 zu entnehmen. Selbstverständlich können abweichend zur Geometrie des Kontaktelementes 10 gemäß der Darstellung in 2 auf dessen Steckerseite 14 und dessen Lötseite 16 auch andere Geometrien aus dem in 1 dargestellten Al/Cu-Materialverbund 36 ausgestanzt oder auf eine andere Weise erzeugt werden.
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3 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltungsvariante des Al/Cu-Materialverbundes gemäß der Darstellung in 1.
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Alternativ zur Darstellung gemäß 1, in welcher der Al/Cu-Materialverbund 36 in einer gemeinsamen horizontalen Ebene 46 verläuft, kann der Cu-Abschnitt 42 des Al/Cu-Materialverbundes 36 sowie der Al-Abschnitt 44 des Al/Cu-Materialverbundes 36 auch die in 3 dargestellte Geometrie aufweisen. Diese unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Geometrie des Al/Cu-Materialverbundes 36, der in einer gemeinsamen horizontalen Ebene 46 verläuft, dadurch, dass der Cu-Abschnitt 42 sich in einer ersten horizontalen Ebene 48 erstreckt, und sich der Al-Abschnitt 44 in einer dazu verschiedenen, zweiten horizontalen Ebene 50 erstreckt. Die erste horizontale Ebene 48 und die zweite horizontale Ebene 50 der Ausführungsvariante des Strangprofiles 40 gemäß Darstellung in 3 zeigt, dass der Cu-Abschnitt 42 und der Al-Abschnitt 44 des Strangprofiles 40 in unterschiedlichen zueinander versetzt orientierten horizontalen Ebenen 48 bzw. 50 verlaufen kann. Dies ist abhängig von dem Halbzeug, d.h. von dem Strangprofil 40, in welchem die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kontaktelemente 10 ausgestanzt werden oder anderweitig erzeugt werden können.
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Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass gemäß der Ausführungsvariante des Strangprofiles 40 gemäß der Darstellung in 3 der Übergangsbereich 38 zwischen dem Cu-Abschnitt 42 und dem Al-Abschnitt 44 in der Kröpfungsebene liegt, d.h. in einer vertikalen Ebene, in welcher ein Übergang von der ersten horizontalen Ebene 48 in die zweite horizontale Ebene 50 des Strangprofiles 40 des Al/Cu-Materialverbundes 36 vorliegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004030388 A1 [0001]
- DE 102009001461 A1 [0002]
