DE102013009234B4

DE102013009234B4 - Verfahren zur Herstellung elektrisch leitender Verbindungen zwischen Fügepartnern sowie eine Verwendung eines Polymers oder Polymergemischs

Info

Publication number: DE102013009234B4
Application number: DE102013009234.5A
Authority: DE
Inventors: Stephan Schlegel; Maurice Langer
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2012-06-01
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2019-10-02
Anticipated expiration: 2033-05-29
Also published as: DE102013009234A1

Abstract

Verfahren zum Fügen elektrisch leitender Fügepartner zur Übertragung hoher elektrischer Ströme, bei demin einem Verfahrensschritti) die Kontaktfläche der Fügepartner (1, 2) im jeweiligen Fügebereich einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden, bei der Verunreinigungen und/oder Fremdschichten entfernt werden, und im gleichen oder einem weiteren Verfahrensschritt eine Oberflächenstruktur mit Erhebungen und Vertiefungen/Tälern ausgebildet wird, wobeiRillen an einer Oberfläche eines Fügepartners (1, 2), die einen Abstand zueinander im Bereich 400 µm bis 600 µm, eine Rillentiefe im Bereich 200 µm bis 300 µm und eine Rillenplateaubreite im Bereich 25 µm bis 75 µm liegt, ausgebildet werden und/oderFügepartner (1, 2) eingesetzt werden, deren Oberfläche eine Rauheit 3. bis 4. Ordnung nach DIN 4760:1982 aufweisen oder diese Rauheit in diesem Verfahrensschritt erreicht wird,im Anschluss in einem Verfahrensschrittii) wird ein adhäsiv wirkendes Polymer oder Polymergemisch, in dem elektrisch leitende Partikel, mit einem Anteil oberhalb der Perkolationsschwelle, homogen verteilt in dispergierter Form mit einer mittleren Partikelgröße kleiner 100 µm enthalten sind, auf mindestens eine Oberfläche im Fügebereich eines der Fügepartner (1 oder 2) aufgetragen undin einem Verfahrensschrittiii) werden die beiden Fügepartner (1, 2) zumindest im Fügebereich in unmittelbaren Kontakt zueinander gebracht, und dann wird bei einem Verfahrensschrittiv) eine Druckkraft aufgebracht, mit der die Fügepartner (1, 2), mindestens für die Dauer der chemischen Aushärtung (Polykondensation, Polyaddition, Polymerisation) oder dem physikalischen Abbinden der polymeren Bestandteile des mit dem Polymer oder Polymergemisch und den Partikeln gebildeten Klebstoffsystems, gegeneinander verspannt werden, wobei mittels der Druckkraft aufgebracht eine plastischen Verformung von Mikrokontakten bewirkt wird, die zur Ausbildung von elektrisch leitenden Mikrokontakten zwischen den Fügepartnern (1, 2) im Fügebereich führt, um wahre metallische Kontaktflächen auszubilden, wobei die aufzubringende mechanische Spannung in den Mikrokontakten mindestens dem R-Wert des Kontaktmaterials entspricht, so dass dünne Fremdschichten durchbrochen und großflächig Mikrokontakte ausgebildet werden,um nach einer chemischen Aushärtung (Polykondensation, Polyaddition, Polymerisation) oder dem physikalischen Abbinden der polymeren Bestandteile des Klebstoffsystems eine elektrisch leitende Verbindung herzustellen, die einen elektrischen Verbindungswiderstand Rvon wenigen µΩ unterhalb des spezifischen elektrischen Widerstandes des Klebstoffsystems aufweist und in Abhängigkeit vom eingesetzten Klebstoffsystem im Temperaturbereich bis 200 °C einsetzbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung hochstromtragfähiger elektrisch leitender Verbindungen zwischen Fügepartnern durch Einsatz eines elektrisch und thermisch leitenden Polymers oder Polymergemischs mit elektrisch leitfähigen Partikeln sowie die Verwendung des Partikel enthaltenden Polymers oder Polymergemischs.
Für das Herstellen elektrischer Verbindungen, bei denen hohe elektrische Ströme übertragen werden können, sind neben kraft- und formschlüssigen insbesondere stoffschlüssige Verbindungsverfahren, wie das Schweißen und das Löten etabliert.
Beim Fügen der Verbindungen durch Löten und Schweißen werden die Materialien mit hohen Temperaturen beansprucht. Zudem wird beim Löten ein Zusatzwerkstoff eingesetzt, dessen Werkstoff bzw. Werkstoffzusammensetzung vom Werkstoff der Kontaktpartner abweicht. Dies kann zur Beeinflussung des Kontaktmaterials führen und die Lebensdauer beeinflussen.
Zudem können durch den Wärmeeintrag beim Fügen, Veränderungen des Werkstoffes an der Oberfläche und damit im Kontaktbereich auftreten.
Kraftschlüssige Verbindungen werden durch zusätzliche Verbindungselemente (Schrauben), mechanisches Pressen oder Verformen hergestellt. Bei derartigen Verbindungen reduziert sich abhängig vom Verbindungssystem, der Temperatur und der Zeit die Verbindungskraft, durch Spannungsrelaxation und/oder Kriechen. Verringert sich die Verbindungskraft unter einen kritischen Wert erhöht sich der Verbindungswiderstand. Dies kann zum Ausfall der elektrisch leitenden Verbindung führen. Des Weiteren entfällt verfahrensbedingt beim Kleben die Notwendigkeit einer Querschnittsverminderung durch eingebrachte Bohrungen, wie etwa beim Schrauben. Eine geklebte Verbindung ermöglicht eine gleichmäßige Kraft- und Spannungsverteilung.
Ein weiterer Mechanismus, der zur Alterung von Verbindungen führt, ist das zeit- und temperaturabhängige Wachsen von Fremdschichten in der Verbindungsfläche. Dadurch kann es zum Unterbrechen von Mikrokontakten und damit zum Erhöhen des Verbindungswiderstandes kommen. Bei Bimetallverbindungen können zusätzlich intermetallische Phasen gebildet werden, die durch ihre schlechten elektrischen und mechanischen Eigenschaften den Verbindungswiderstand abhängig von der Zeit erhöhen.
Des Weiteren können die Alterungsmechanismen, Reibverschleiß oder Elektromigration die Lebensdauer der Verbindung reduzieren.
Insbesondere in der Halbleitertechnik aber auch bei anderen Anwendungen, bei denen kleine elektrische Ströme (Signale) und elektrische Leistungen über elektrisch leitende Verbindungen übertragen werden sollen, werden elektrisch leitende Klebstoffe, in denen vorrangig elektrisch leitende metallische Partikel dispergiert enthalten sind, eingesetzt. Dabei handelt es sich in der Regel um elektrisch leitende Kontakte mit kleiner Fläche, die üblicherweise nur wenige mm² groß sind.
Gegenüber den Anforderungen der Hochstromtechnik werden hierbei geringere Anforderungen an den elektrischen Verbindungswiderstand und die Adhäsionskräfte, die mit einer solchen Verbindung erreicht werden können, gestellt. Üblicherweise werden über diese Verbindungen nur kleine elektrische Ströme im Bereich weniger mA und kleiner elektrischer Leistung übertragen, so dass es zu keiner nennenswerten Erwärmung im Bereich der so hergestellten elektrisch leitenden Verbindung, durch die Übertragung der elektrischen Leistung selbst kommt und damit auch der polymere Anteil des jeweiligen Klebstoffes, wenn überhaupt durch die einsatzbedingte Erwärmung nur geringfügig nachteilig beeinflusst wird.
Ein Einsatz elektrisch leitender Klebstoffe im Bereich höherer elektrischer Ströme und elektrischer Leistungen ist bisher nicht bekannt.
So ist die Verwendung eines Polymers in dem Partikel enthalten sind, zur Herstellung metallischer Verbindungen zwischen Teilen an zwei Oberflächen aus US 6,087,021 A bekannt.
Ein Verfahren zur Herstellung elektrisch leitender Verbindungen mit einem Leitkleber ist aus DE 100 00 834 A1 bekannt.
Die DE 40 36 274 A1 betrifft feuchtigkeitsbeständige elektrisch leitende Kleber sowie entsprechende Herstellungsverfahren dazu sowie Anwendungen des Klebers.
Ein Verfahren zum Bonden zwischen elektrischen Bauelementen unter Verwendung von Ultraschallschwingung ist in DE 11 2006 003 181 T5 offenbart.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, elektrisch leitende Verbindungen für Fügepartner zur Verfügung zu stellen, die eine Alternative zu den zuvor genannten Verfahrensrestriktionen darstellt, einfach herstellbar sind und bei denen wenn überhaupt nur eine geringfügige Beeinflussung der Kontaktwerkstoffe über die Lebensdauer auftritt und damit hohe elektrische Ströme und elektrische Leistungen reproduzierbar und langzeitstabil übertragen werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, dass die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Das Besondere dabei ist, dass mit dem Verfahren Verbindungen hergestellt werden, deren elektrische Leitfähigkeit höher ist, als die des Klebstoffes selbst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen angegebenen Merkmalen realisiert werden. Die Verwendung von elektrisch leitenden Partikeln enthaltenden elektrisch leitenden Polymeren oder Polymergemischen zur Herstellung elektrisch leitender Verbindungen betrifft der Anspruch 7.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird so vorgegangen, dass in einem ersten Verfahrensschritt

i) die Oberflächen der Fügepartner im jeweiligen Kontaktbereich einer bevorzugt genau definierten Oberflächenbehandlung unterzogen wird, bei der Verunreinigungen, Fremdschichten und/oder insbesondere Oxidschichten entfernt und vorzugsweise eine elektrisch und klebtechnisch optimierbare Strukturierung eingebracht werden. Dabei wird eine Oberflächenstruktur mit Erhebungen und Vertiefungen/Tälern ausgebildet.

Im Anschluss an diesen Verfahrensschritt wird in einem weiteren Verfahrensschritt

ii) ein adhäsiv wirkendes Polymer oder Polymergemisch, in dem elektrisch leitende Partikel, die vorteilhafter Weise schwefel- und oxidresistent sind, mit einem Anteil oberhalb der Perkolationsschwelle, homogen verteilt in dispergierter Form enthalten sind, auf mindestens eine Oberfläche im Fügebereich eines der Fügepartner aufgetragen.

Daran schließt sich der Verfahrensschritt iii) an, bei dem die beiden Fügepartner zumindest im Fügebereich in unmittelbaren Kontakt zueinander gebracht werden,
woraufhin beim Verfahrensschritt

iv) eine Druckkraft aufgebracht wird, mit der die Fügepartner, mindestens für die Dauer der chemischen Aushärtung (Polykondensation, Polyaddition, Polymerisation) oder dem physikalischen Abbinden der polymeren Bestandteile des mit dem Polymer oder Polymergemisch gebildeten Klebstoffsystems, gegeneinander verspannt werden. Die dabei wirkenden Druckkräfte sollten optimalerweise vollflächig im Fügebereich aufgebracht werden.

Beim Verfahrensschritt iv) muss eine Druckkraft aufgebracht werden, bei der in der Verbindung eine mechanische Spannung erzeugt wird, die zur plastischen Verformung von Erhebungen und damit zur Ausbildung elektrisch leitender Mikrokontakte zwischen den Fügepartnern im Fügebereich führt. Dies kann z. B. mit einer Schraubverbindung an einer (40 mm x 10 mm) Stromschiene mit Druckkräften > 25 kN erreicht werden. Das heißt, bei der Erfindung soll eine mechanische Spannung in der Verbindungsfläche zwischen den Mikrokontakten erreicht werden, die mindestens dem R_p0,2 des Werkstoffs der Fügepartner entspricht, erreicht werden, so dass dünne Fremdschichten durchbrochen und großflächige Mikrokontakte ausgebildet werden. Der R_p0,2 -Wert ist eine spezifische Werkstoffgröße des Werkstoffs für die Dehngrenze. Es sollte bei dem Fügeverfahren der höhere R_p0,2 -Wert des Werkstoffs eines der Fügepartner berücksichtigt werden. Die mechanischen Spannungen sollten durch die Druckkräfte vollflächig im Fügebereich wirken.
Zusätzlich kann mittels geeigneter Dispergierverfahren (z.B. Kalander, Dual-Asymetrische - Zentrifuge, Hochdruckdispergator, Extruder, Ultraschalsonotrode, usw.) die Homogenität der Verteilung der elektrisch leitenden Partikel innerhalb der Polymermatrix verbessert oder zumindest beibehalten werden. In bestimmten Fällen kann durch erhöhte Temperaturen auch die erforderliche Zeit bis zum Aushärten bzw. vollständigen Vernetzen/Polymerisieren verkürzt werden. Des Weiteren werden durch die äußere mechanische Belastung „wahre“ metallische Kontaktpunkte ausgebildet, die bei einer chemischen Aushärtung (Polykondensation, Polyaddition, Polymerisation) oder dem physikalischen Abbinden der polymeren Bestandteile des Klebstoffsystems erhalten bleiben und von diesem schützend umgeben werden. Dies gilt in gleichem Maße für die im Polymer enthaltenen elektrisch leitenden Partikel. Der Mechanismus beruht dabei maßgeblich auf der direkten metallischen Kontaktierung von Mikrokontakten der Fügepartner sowie durch eingeklemmte Füllstoffpartikel und das vorzugsweise elektrisch isotrop leitfähige Polymer oder Polymergemisch mit elektrisch leitenden Partikeln.
Beim Verfahrensschritt i) sollte die Oberflächenbehandlung materialspezifisch erfolgen. Um eine entsprechende Haftung zwischen Klebstoff und Fügeteiloberfläche zu erzielen, sollten die Oberflächen Fett und staubfrei sein. Bereits geringste organische und anorganische Kontaminationen können die Klebfestigkeit deutlich vermindern. Materialspezifisch werden entsprechende Vorversuche zur Auswahl eines geeigneten elektrisch leitenden Partikel enthaltenden Polymer oder Polymergemischs zur Verbesserung der Klebfestigkeit mittels Oberflächenvorbehandlung empfohlen. Für metallische Werkstoffe eignen sich insbesondere chemische Verfahren, wie z.B. Beizen aber auch andere Verfahren ohne Oberflächenoxidierende Wirkung. Im einfachsten Fall können grobe Verunreinigungen und Fette in einem ersten Schritt mit Ethanol oder besser Aceton und einem fusselfreien Tuch entfernt werden. In einem zweiten Schritt werden z. B. bei Aluminium im Anschluss von der Oberfläche, z. B. durch eine scharfkantige Drahtbürste die Al₂O₃ Oxidschichten aufgebrochen und entfernt. Dies muss so erfolgen, dass kein Härten der Kontaktfläche erfolgt (Vorgabe Druckkraft und Anzahl Bürstenstriche).
Auf Kupferoberflächen sind die Oxidschichten deutlich weicher (Cu₂O). In diesem Fall kann die Reinigung mit einem Schleifvlies (z. B. ScotchBrite 3M mit 220er Körnung). Dabei können Anhaftungen, Schichten und insbesondere Oxidschichten entfernt werden. Einfache organische Komponenten können mit geeigneten Lösungsmitteln entfernt werden. Bei beschichteten Verbindungsflächen mit z.B. Silber vereinfacht sich die Vorbehandlung deutlich, da in der Regel keine Oxidschichten vorhanden sind. Bei beschichteten Verbindungsflächen müssen die physikalischen Eigenschaften des Schichtmaterials spezifisch berücksichtigt werden.
Beim Verfahrensschritt i) soll die Oberfläche der Fügepartner im Fügebereich mikrostrukturiert werden, so dass alternierend Erhebungen und Vertiefungen ausgebildet werden. Mit den Erhebungen können während der Verfahrensschritte iii) und/oder iv) definierte „wahre“ metallische Kontaktpunkte, als sogenannte Mikrokontakte unmittelbar zwischen den Fügepartnern im Fügebereich ausgebildet werden. Bereiche zwischen den ausgebildeten Mikrokontakten können mit dem elektrisch leitenden Partikel enthaltenden Polymer oder Polymergemisch, als Schicht ausgefüllt werden, wobei diese Schicht von den Mikrokontakten lokal unterbrochen werden kann.
Die Strukturierung soll in einer erfindungsgemäßen Alternative in regelmäßiger Form und mit elektrisch und klebtechnisch optimierten Parametern erfolgen. Sie soll in einer Alternative eine definierte Rillengeometrie mit einem Rillenabstand im Bereich 400 µm bis 600 µm, einer Rillentiefe im Bereich 200 µm bis 300 µm und einem Rillenplateau mit einer Breite im Bereich 25 µm bis 75 µm haben. Was sich dabei bei flächigen Kontakten als elektrisch günstig herausgestellt. Bei dieser Rillengeometrie ist der Interaktionsanteil zwischen den Mikrokontakten sehr gering, bei gleichzeitig maximaler erreichbarer Anzahl an Mikrokontakten. Die Rillen sollten bei den Fügepartnern um 90° versetzt sein und können z.B. mit einem schneidenden Verfahren eingebracht werden. So ist es möglich, mittels der definierten Struktur der Oberfläche stabile Mikrokontakte im Fügebereich auszubilden.
Bevorzugt ist eine regelmäßig ausgebildete Strukturierung mit Erhebungen und Tälern. Es kann auch eine zufällig verteilte Anordnung von Erhebungen und Tälern über die Fläche günstig sein.
Alternative Verfahren zur Oberflächenstrukturierung sind beispielsweise Walzen oder Laserstrukturierung.
Die Oberflächen der Fügepartner weisen im Fügebereich in einer weiteren erfindungsgemäßen Alternative auch eine Rauheit 3. bis 4. Ordnung nach DIN 4760:1982 auf. Diese Oberflächenrauheit kann auch im Verfahrensschritt i) erreicht werden. Dadurch kann eine Verdrängung des Polymers oder Polymergemischs mit den darin enthaltenen elektrisch leitenden Partikeln im Fügebereich bzw. der Fügezone erreicht werden, die zu elektrisch leitenden metallischen Kontaktflächen in Form von Mikrokontakten führt und trotzdem die adhäsive Wirkung des Polymers oder Polymergemischs ausgenutzt werden kann.
Bei der Ausbildung von elektrisch leitenden Mikrokontakten können flach-, linien- und/oder punktförmige Kontakte im Bereich der Berührungsflächen zwischen den Fügepartnern ausgebildet werden. Die makroskopische Berührungsfläche wird als scheinbare Kontaktfläche A_S bezeichnet. Infolge der Oberflächenrauheit kann die Kontaktkraft lediglich an mikroskopisch kleinen Berührungsflächen mit einer Größe kleiner 10 % der scheinbaren Kontaktfläche (flächige Kontakte) übertragen werden. Diese weisen einen Bruchteil der Größe der scheinbaren Kontaktfläche A_S auf und können als mechanisch tragende Kontaktfläche A_T bezeichnet werden. Infolge von Fremdschichten, wie z.B. Oxidschichten, kann die elektrische Leitfähigkeit in einem ausreichenden Maß nur in Bereichen erreicht werden, an denen eine solche Fremdschicht durch die wirkenden Druckkräfte durchbrochen worden ist. Diese Bereiche werden als wahre metallische Kontaktflächen A_W bezeichnet In diesem Bereich werden die Stromlinien in so genannten a-spots / Mikrokontakten eingeengt.
In dieser Form kann die elektrisch leitende Verbindung gemeinsam mittels der elektrisch leitenden Mikrokontakte, eingeklemmter elektrisch leitender Partikel und dem elektrisch leitenden Polymer bzw. Polymergemisch, in dem die elektrisch leitenden Partikel enthalten sind, ausgebildet werden, wodurch die Langzeitstabilität erhöht werden kann.
Im Gegensatz zu den anderen bekannten stoffschlüssigen und mechanischen Fügeverfahren kann im Fügebereich auch die Schutzwirkung des eingesetzten Polymers oder Polymergemischs an den vorab gereinigten Verbindungsflächen ausgenutzt werden. Dadurch können diese Bereiche dauerhaft vor Oxidation, Feuchtigkeit und Korrosion geschützt werden.
Ein zusätzlicher Schutz kann während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht werden, in dem das Verfahren zumindest bei einigen der Verfahrensschritte in inerter Atmosphäre oder unter Schutzgaseinfluss durchgeführt wird oder die Fügeteiloberflächen vorbeschichtet werden. Bevorzugt ist dies mindestens bei den Verfahrensschritten i) und ii) der Fall.
Es muss beim Verfahrensschritt iv) eine plastische Verformung von Erhebungen erreicht werden. Hierfür können geeignet dimensionierte Erhebungen bei der Strukturierung der Oberfläche zumindest eines der Fügepartner im Fügebereich, in der Verbindung mit der ausgeübten Druckkraft mit der die beiden Fügepartner zusammen gepresst werden, ausgenutzt werden, um Mikrokontakte mit erhöhter Kontaktfläche und damit reduziertem elektrischen Widerstand zur Verfügung stellen zu können. Vorteilhaft erfolgt dabei auch die Ausbildung mikromechanischer Verklammerungen.
Bei der Erfindung können ein Polymer oder Polymergemisch eingesetzt werden, in dem elektrisch leitende metallische Partikel, metallbeschichtete Polymerkugeln und/oder Kohlenstoff in Form von Leitruß (auch als Carbon Black bezeichnet) Graphen und/oder Kohlenstoffnanoröhren enthalten sind. Bei den Kohlenstoffnanoröhren kann es sich um so genannte SCNT's, DCNT's oder MCNT's handeln, die sich jeweils durch die Anzahl der Wandungen der einzelnen Röhren unterscheiden.
Der Begriff Partikel soll hierbei Füllstoffe in Form elektrisch leitfähiger Pulver, Kugeln, Flakes, Platelets und/oder Fasern umfassen. Dabei wird der ausreichende Anteil an metallischen Partikeln, der bis zum Erreichen der Perkolationsschwelle oder darüber hinaus erforderlich ist, größer als bei dem Kohlenstoff sein. Metallpartikel sollten, zumindest wenn sie allein im Polymer oder Polymergemisch dispergiert sind, einen Anteil von mindestens 40 Masse-%. Die eingesetzten Partikel weisen einen maximalen mittleren äquivalenten Partikeldurchmesser von d_so < 100 µm, bevorzugt ≤ 40 µm auf.
Bei Kohlenstoff kann der Anteil deutlich kleiner sein, wobei der jeweilige Anteil von der gewünschten elektrischen Leitfähigkeit, der jeweils eingesetzten Kohlenstoffform, der Größe sowie der Ausbildung der Partikel beeinflusst werden kann.
In jedem Fall ist aber auch ein Mindestanteil an Polymer oder Polymergemisch erforderlich, um eine ausreichend feste und dauerhafte Fügeverbindung der Fügepartner zu sichern.
Mit der Erfindung können Gütefaktoren k_u ≤ 1,5 erreicht werden.
Dabei bestimmt sich der Gütefaktur k_u nach der Gleichung $k_{U} = R_{V} / R_{Sch} (I_{v} = I_{sch})$
R_v ist der elektrische Verbindungswiderstand und R_Sch der elektrische Widerstand des unbeeinflussten Leiters. R_Sch wird an einem homogenen Leiterstück gleicher Geometrie und mit der Länge der Überlappung beider Kontaktpartner ermittelt (2).
Bei einem Gütefaktor k_u = 1 ist der elektrische Verbindungswiderstand gleich dem Widerstand eines homogenen Leiterstücks und damit ist trotz Stromeinengung in den Mikrokontakten die erzeugte Verlustleistung in der Verbindung genauso hoch, wie in einem homogenen Leiter. Aufgrund der größeren Oberfläche der Verbindung wirkt diese dann als Temperatursenke.
So liegt die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer bei ca. 58 MS/m, von Aluminium bei ca. 36 MS/m und für einen elektrisch leitenden Klebstoff, der als Polymer oder Polymergemisch eingesetzt werden kann, bei ca. 2,5 MS/m. Diese elektrische Leitfähigkeit liegt also um mindestens eine Zehnerpotenz niedriger. Ein bei der Erfindung einsetzbarer elektrisch leitender Klebstoff ist unter der Handelsbezeichnung Hysol QMI529HT von der Firma Henkel kommerziell erhältlich.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine thermische Beeinflussung gegenüber stoffschlüssigen Verbindungen sowie die Spannungsrelaxation sich ergebender Mikrokontakte im Bereich der Fügepartner kraftschlüssiger Verbindungen vollständig zumindest aber erheblich vermieden oder verringert werden.
Es können haftfeste und gegenüber vielen Einflüssen stabile Polymere oder Polymergemische eingesetzt werden. Diese umfassen vorzugsweise neben Epoxidharzen, Polyimide, Silikone, Thermoplaste, Polyurethane, Acrylate und andere Polymermatrizen.
Es können Fügepartner aus unterschiedlichen Werkstoffen bei der Erfindung eingesetzt und diese elektrisch leitend miteinander verbunden werden. Dadurch kann auch die elektrochemische Korrosion im Fügebereich bei unterschiedlichen Werkstoffen der Fügepartner verringert werden.
Die Fügepartner können unterschiedlich dimensioniert und/oder geometrisch gestaltet sein, was insbesondere deren Dicke im Fügebereich betrifft. So kann einer der Fügepartner erheblich dünner als ein jeweils anderer Fügepartner sein.
Es kann auch eine gute statische und dynamische Verbundfestigkeit durch gleichmäßigere Spannungsverteilung in der Verbindung mit einem gewissen Maß an Elastizität des eingesetzten Polymers oder Polymergemischs erreicht werden.
Durch geeignete Auswahl eines Polymers oder Polymergemischs kann eine Anpassung an ein gewünschtes Aushärteverhalten unter Berücksichtigung der Fügepartner und den jeweiligen Einsatz- und Herstellungsbedingungen erfolgen.
Die Herstellung der elektrisch leitenden Verbindungen erfordert einen geringen Aufwand, da großflächig auf bekannte technologische Grundlagen und - mittel zurückgegriffen werden kann. Zumindest ein Teil der Verfahrensschritte kann automatisiert durchgeführt werden.
Es kann auf zusätzliche Schutzstoffe, wie z.B. Kontaktfett verzichtet werden.
Die Erfindung betrifft weiter die Verwendung eines mittels Polymer oder Polymergemischs mit darin enthaltenen elektrisch leitenden Partikeln zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen mindestens zwei Fügepartnern, bei der ein spezifischer elektrischer Widerstand der Fügeverbindung von wenigen µΩ bei einem fließenden elektrischen Strom von einigen hundert bis tausend A erreicht werden kann.
Nachfolgend soll die Erfindung an Hand eines Beispiels näher erläutert werden.
Dabei zeigen:

1 in schematischer Form eine erfindungsgemäß ausgebildete elektrisch leitende Verbindung;
2 in schematischer Form eine Stromschienenverbindung mit Bestimmung des Gütefaktors k_u . und
3 ein Balkendiagramm mit Gütefaktoren k_u , die mit der Erfindung erhalten worden sind A, bei einem Fügespalt < 0,1 mm B und bei einem Fügespalt von 0,2 mm C bei einer herkömmlichen elektrisch leitenden Klebverbindung erreicht werden konnten.

Bei der Bestimmung des Gütefaktors gilt: $k_{U} = R_{V} / R_{Sch} (I_{v} = I_{sch})$
Zwei Fügepartner 1 und 2, die jeweils in Form einer Stromschiene aus Kupfer ETP ausgebildet sind, wurden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren elektrisch leitend miteinander verbunden.
Es wurde ein Klebstoff kommerziell erhältlich als QMI 529 HT (CAS Registry Number: 1257939-71-1) der Fa. Loctite Adhesives Ltd., auf Basis einer Polyimidmatrix, als elektrisch hoch leitfähiges Polymergemisch, in dem Silberpartikel mit einem mittleren äquivalenten Partikeldurchmessser d_so< 30 µm und wie aus US 7,851,930 B1 bekannt, mit einem Anteil von etwa 84,4 Masse-% ein dispergiert waren, eingesetzt. Nach einer Lagerung entsprechend der Herstellerangaben wurde das Klebstoffsystem vor dem applizieren auf die Oberfläche im Fügebereich mittels eines Speedmixers Typ DAC 150 FVZ bei 3000 U/min über einen Zeitraum von 60 s homogenisiert. Gemäß Herstellerangaben hat dieses Klebstoffsystem einen spezifischen elektrischen Widerstand von 4 * 10^-5 Ωcm bei Raumtemperatur.
Beim Verfahrensschritt i) wurde die Kontaktfläche der Fügepartner 1 und 2 mit Ethanol und einem Schleifvlies (ScotchBrite 3M - 220) gereinigt, um Fette und Oxidschichten zu entfernen.
Das Klebstoffsystem wurde im Fügebereich, der eine Fläche von 1477 mm² hatte, mit einer Masse von 2,5 g aufgetragen. Die Applikation erfolgte manuell mittels Spatelauftrag, auf beiden Fügepartnern 1 und 2 im Fügebereich.
Bei dem Verfahrensschritt iii) wurden die beiden Fügepartner 1 und 2 unmittelbar mit ihren aufeinander zu gewandten Oberflächen in Kontakt gebracht. Durch Verspannen der Verbindung mittels einer Schraubverbindung, oder auch mit einem anderen geeigneten Mittel, wie z.B. einer Klemmeinrichtung oder einer Presse, wurde dann gemäß Verfahrensschritt iv) eine Druckkraftkraft auf die beiden Fügepartner 1 und 2 in Höhe von ca. 36 kN aufgebracht. Danach wurde die Verbindung in einem Wärmeschrank auf einer Temperatur von ca. 100 °C über einen Zeitraum von 6 h gelagert.
Nach der Entnahme aus dem Wärmeschrank und dem Entspannen der Schraubverbindung wurde die geklebte Verbindung über mehr als 7000 h bei einer Temperatur von 90°C im Wärmeschrank gelagert und abhängig von der Zeit der elektrische Verbindungswiderstand bestimmt.
Dabei konnten die in 3 dargestellten Messwerte ermittelt werden.
In der 1 ist ein Beispiel einer erfindungsgemäß hergestellten Verbindung in einer Schnittdarstellung schematisch gezeigt. Dabei ist zwischen den beiden metallischen Fügepartnern 1 und 2 eine Schicht 3, die aus elektrisch leitende Partikel enthaltendem Polymer besteht, ausgebildet.
Die Oberfläche des Fügepartners 1 und 2 wurde im Fügebereich durch das Schleifvlies mikrostrukturiert (Kernrautiefe ca. R_k= 2,5 µm), so dass Erhebungen und Täler an dieser Oberfläche ausgebildet worden sind.
Bereits mit den Erhebungen aus der Schleifvliesbehandlung konnten im gefügten Zustand Mikrokontakte 4 aus dem Werkstoff des Fügepartners 1 zur Oberfläche des zweiten Fügepartners 2 im Fügebereich ausgebildet werden, wie dies aus der vergrößerten Darstellung in 1 erkennbar ist. In nicht dargestellter Form können solche Strukturelemente auch an der entsprechenden Oberfläche des zweiten Fügepartners 2 vorhanden sein. In diesem Fall sollte eine versetzte Anordnung von Erhebungen an den beiden Fügepartnern 1 und 2 gewählt werden, so dass zwei gegenüberliegend angeordnete Erhebungen an dem jeweils anderen Fügepartner direkt aufeinander treffen, wenn diese Oberflächen miteinander in Kontakt gebracht werden und die Fügeverbindung hergestellt wird.
Die 2 stellt ein Beispiel für die Bestimmung des Gütefaktors k_u dar. Dabei sind an zwei Fügepartnern 1 und 2 die Bereiche eingezeichnet an denen der elektrische Widerstand R_v und R_Sch gemessen wird.
Allgemein kann die 2 auch für eine Definition des Fügebereichs herangezogen werden. So zeigt der für R_v eingezeichnete Bereich die Länge des Fügebereichs auf. Seine Breite ist dann der Kontaktbereich der beiden Fügepartner 1 und 2 in die Zeichnungsebene hinein. Der Fügebereich entspricht der scheinbaren Kontaktfläche der beiden Fügepartner 1 und 2. Bei dem in 2 gezeigtem Fall, wäre davon der Teil der von der Durchbrechung eingenommen wird, durch den die Schraube geführt ist, nicht Bestandteil des Fügebereichs. Ohne eine solche Durchbrechung wäre die gesamte Kontaktfläche also die Länge gemäß der Strecke, die in 2 mit R_v bezeichnet ist, und die Breite in die Zeichnungsebene hinein, die Fläche des Fügebereichs.

Claims

Verfahren zum Fügen elektrisch leitender Fügepartner zur Übertragung hoher elektrischer Ströme, bei dem in einem Verfahrensschritt i) die Kontaktfläche der Fügepartner (1, 2) im jeweiligen Fügebereich einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden, bei der Verunreinigungen und/oder Fremdschichten entfernt werden, und im gleichen oder einem weiteren Verfahrensschritt eine Oberflächenstruktur mit Erhebungen und Vertiefungen/Tälern ausgebildet wird, wobei Rillen an einer Oberfläche eines Fügepartners (1, 2), die einen Abstand zueinander im Bereich 400 µm bis 600 µm, eine Rillentiefe im Bereich 200 µm bis 300 µm und eine Rillenplateaubreite im Bereich 25 µm bis 75 µm liegt, ausgebildet werden und/oder Fügepartner (1, 2) eingesetzt werden, deren Oberfläche eine Rauheit 3. bis 4. Ordnung nach DIN 4760:1982 aufweisen oder diese Rauheit in diesem Verfahrensschritt erreicht wird, im Anschluss in einem Verfahrensschritt ii) wird ein adhäsiv wirkendes Polymer oder Polymergemisch, in dem elektrisch leitende Partikel, mit einem Anteil oberhalb der Perkolationsschwelle, homogen verteilt in dispergierter Form mit einer mittleren Partikelgröße kleiner 100 µm enthalten sind, auf mindestens eine Oberfläche im Fügebereich eines der Fügepartner (1 oder 2) aufgetragen und in einem Verfahrensschritt iii) werden die beiden Fügepartner (1, 2) zumindest im Fügebereich in unmittelbaren Kontakt zueinander gebracht, und dann wird bei einem Verfahrensschritt iv) eine Druckkraft aufgebracht, mit der die Fügepartner (1, 2), mindestens für die Dauer der chemischen Aushärtung (Polykondensation, Polyaddition, Polymerisation) oder dem physikalischen Abbinden der polymeren Bestandteile des mit dem Polymer oder Polymergemisch und den Partikeln gebildeten Klebstoffsystems, gegeneinander verspannt werden, wobei mittels der Druckkraft aufgebracht eine plastischen Verformung von Mikrokontakten bewirkt wird, die zur Ausbildung von elektrisch leitenden Mikrokontakten zwischen den Fügepartnern (1, 2) im Fügebereich führt, um wahre metallische Kontaktflächen auszubilden, wobei die aufzubringende mechanische Spannung in den Mikrokontakten mindestens dem R_p0,2 -Wert des Kontaktmaterials entspricht, so dass dünne Fremdschichten durchbrochen und großflächig Mikrokontakte ausgebildet werden, um nach einer chemischen Aushärtung (Polykondensation, Polyaddition, Polymerisation) oder dem physikalischen Abbinden der polymeren Bestandteile des Klebstoffsystems eine elektrisch leitende Verbindung herzustellen, die einen elektrischen Verbindungswiderstand R_V von wenigen µΩ unterhalb des spezifischen elektrischen Widerstandes des Klebstoffsystems aufweist und in Abhängigkeit vom eingesetzten Klebstoffsystem im Temperaturbereich bis 200 °C einsetzbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche zwischen den ausgebildeten Mikrokontakten (4) mit dem elektrisch leitende Partikel enthaltenden Polymer oder Polymergemisch als Schicht ausgefüllt werden, wobei diese Schicht von den Mikrokontakten (4) lokal unterbrochen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt i) eine Strukturierung in regelmäßiger Form, bevorzugt in Form von Rillen auf den Oberflächen der Fügepartner (1, 2) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen an den Fügepartnern in versetzter Anordnung, bevorzugt um 90 ° versetzt zueinander ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Polymer oder Polymergemisch eingesetzt wird, in dem elektrisch leitende metallische Partikel, metallbeschichtete Polymerkugeln und/oder Kohlenstoff in Form von Leitruß Graphen und/oder Kohlenstoffnanoröhren enthalten ist/sind, und unter dem Begriff der Partikel, Füllstoffe in Form elektrisch leitfähiger Pulver, Kugeln, Flakes, Platelets und/oder Fasern verstanden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Polymer oder Polymergemisch eingesetzt wird, in dem elektrisch leitende Partikel mit einer mittleren Partikelgröße kleiner 40 µm enthalten sind.
Verwendung eines Polymer oder Polymergemischs mit darin enthaltenen elektrisch leitenden Partikeln zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen mindestens zwei Fügepartnern, die mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt wird, und bei der ein spezifischer elektrischer Widerstand erreicht wird, der geringer ist, als der eines Klebstoffsystems und die Anforderung der Elektroenergietechnik von Gütefaktoren k_u < 1,5 erfüllt sind, wobei der Gütefaktor k_u mit der Gleichung k = R_V/R_Sch (I_V = I_Sch) bestimmbar ist und R_V der elektrische Verbindungswiderstand und R_Sch der elektrische Widerstand des unbeeinflussten Leiters an einem homogenen Leiterstück gleicher Geometrie und mit der Länge der Überlappung zweier Kontaktpartner sind.