DE102014208226A1

DE102014208226A1 - Kontaktelement für elektrische Verbindung, Kupferband zur Herstellung einer Vielzahl von Kontaktelementen

Info

Publication number: DE102014208226A1
Application number: DE102014208226.9A
Authority: DE
Inventors: Olivier Pola
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2014-04-30
Publication date: 2015-11-05
Anticipated expiration: 2034-05-01
Also published as: CN106463853B; WO2015165914A1; CN106463853A; DE102014208226B4; ES2703211T3; EP3138161B1; EP3138161A1; US20170054235A1; US9991618B2

Abstract

Offenbart wird ein Kontaktelement (KE) für elektrische Verbindung, umfassend: einen ersten Kontaktbereich (B1) aus einem ersten Kupfermaterial zur elektrischen Verbindung zu einer ersten Schaltungskomponente (LB), einen zweiten Kontaktbereich (B2) aus einem zweiten Kupfermaterial zur elektrischen Verbindung zu einer zweiten Schaltungskomponente (ST2), wobei der erste (B1) und der zweite (B2) Kontaktbereich unterschiedliche Materialhärten aufweisen und über eine stoffschlüssige Verbindung miteinander verbunden sind. Ferner wird ein Kupferband (KB) zur Herstellung einer Vielzahl von genannten Kontaktelementen (KE) offenbart. Derartige Kontaktelemente sind aus dem genannten Kupferband kostengünstig herstellbar.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kontaktelement für elektrische Verbindung sowie eine Schaltungsanordnung mit zumindest einem genannten Kontaktelement. Ferner betrifft die Erfindung ein Kupferband zur Herstellung einer Vielzahl von genannten Kontaktelementen.
Schaltungsanordnungen umfassen Schaltungskomponenten unterschiedlicher Typen und Ausführungen, wie z. B. Schaltungsträger, Leiterbahnen, Leistungsbauelemente oder Steckbuchsen. Diese Schaltungskomponenten müssen die miteinander elektrisch verbunden sein, damit die Schaltungsanordnungen bestimmte Funktionen durchführen können. Hierzu weisen die Schaltungsanordnungen Kontaktelemente, die zur Bildung stabiler elektrischer Verbindungen zwischen Schaltungskomponenten vorgesehen sind.
Elektrische Verbindungen mit den unterschiedlichen Schaltungskomponenten erfordern entsprechend unterschiedliche Verbindungsmethoden, die wiederum unterschiedliche mechanische Anforderungen voraussetzen. Die Kontaktelemente müssen daher derart ausgeführt sein, dass diese unterschiedliche mechanische Anforderungen erfüllen.
Wie in technischen Vorrichtungen üblich, gibt es zudem Anforderungen, die elektrischen Verbindungen zwischen den Schaltungskomponenten in einfacher Weise kostengünstig zu gestalten.
Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, die einfache und kostengünstige elektrische Verbindungen zwischen Schaltungskomponenten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Kontaktelement für elektrische Verbindung bereitgestellt. Das Kontaktelement umfasst einen ersten Kontaktbereich aus einem ersten, elektrisch leitenden Kupfermaterial (Kupfer oder Kupferlegierung) zur elektrischen Verbindung zu einer ersten Schaltungskomponente. Das Kompaktelement umfasst ferner einen zweiten Kontaktbereich aus einem zweiten elektrisch leitenden Kupfermaterial (Kupfer oder Kupferlegierung) zur elektrischen Verbindung zu einer zweiten Schaltungskomponente. Dabei weisen der erste und der zweite Kontaktbereich unterschiedliche Materialhärten auf. Ferner sind der erste und der zweite Kontaktbereich über eine stoffschlüssige Verbindung miteinander verbunden.
Hierbei bedeutet der Satz: „ein Kontaktbereich besteht aus einem Kupfermaterial“, dass der jeweilige Kontaktbereich das entsprechende Kupfermaterial im überwiegenden Gewichtsprozentanteil enthält. Demnach besteht ein Kontaktelement nahezu vollständig aus einem Kupfermaterial, bis auf fertigungstechnisch bedingte Materialverunreinigungen oder Materialzusätze, die das Kontaktelement vor äußeren Einflüssen, wie z. B. Korrosion durch Feuchtigkeit, oder vor Materialermüdung schützen.
Der Begriff „Materialhärte“ bedeutet primär einen mechanischen Widerstand eines Werkstoffs, der das zuvor genannte erste oder das zuvor genannte zweite Kupfermaterial ausbildet. Entgegen der allgemein erachteten Unterscheidung zu dem Begriff „Festigkeit“ kann der Begriff „Materialhärte“ in dieser Anmeldung sekundär auch eine Festigkeit des Werkstoffs bedeuten, die eine Widerstandsfähigkeit des Werkstoffs, also des ersten oder des zweiten Kupfermaterials, gegenüber mechanische Verformung und Trennung darstellt.
Der Textabschnitt, dass „der erste und der zweite Kontaktbereich über eine stoffschlüssige Verbindung miteinander verbunden sind“, bedeutet in dieser Anmeldung, dass die beiden Kontaktbereiche zueinander nicht zwangsläufig an der Stelle der stoffschlüssigen Verbindung angrenzen, sondern dass zwischen den beiden Kontaktbereichen durchaus ein Abschnitt des Kontaktelements vorhanden sein kann, durch den sich die stoffschlüssige Verbindung erstreckt und über den die beiden Kontaktbereiche miteinander stoffschlüssig verbunden sind.
Der erste und der zweite Kontaktbereich umfassen auf der jeweiligen kontaktierenden Seite nicht ausschließlich Flächen, die vollständig kontaktiert werden, sondern können auch freie Flächen aufweisen, die nicht kontaktiert sind. Insbesondere erstrecken sich die beiden Kontaktbereiche zueinander in Längsrichtung des Kontaktelements flächenbündig, wobei die Längsrichtung quer bzw. schräg zur Verlaufsrichtung der stoffschlüssigen Verbindung liegt.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass zur Bildung elektrischer Verbindung zwischen zwei Schaltungskomponenten mit unterschiedlichen Verbindungsmethoden ein Kontaktelement mit Kontaktbereichen zur Bildung der elektrischen Verbindungen zu den jeweiligen zwei Schaltungskomponenten erforderlich ist, bei dem die beiden Kontaktbereiche unterschiedliche mechanische und materielle Anforderungen erfüllen müssen, welche die unterschiedlichen Verbindungsmethoden voraussetzen.
Damit die beiden Kontaktbereiche diese unterschiedlichen Anforderungen erfüllen können, müssen diese unterschiedliche Materialien aufweisen, die den entsprechenden Anforderungen genügen.
Wird das Kontaktelement mit zwei Kontaktbereichen mit unterschiedlichen Materialien ausgebildet, so müssen diese beiden Kontaktbereiche miteinander mechanisch und elektrisch leitend verbunden sein, damit eine stabile elektrische Verbindung zwischen den beiden Schaltungskomponenten sichergestellt werden kann, die das Kontaktelement miteinander elektrisch verbindet.
Eine mögliche Lösung, bei der die beiden Kontaktbereiche zunächst als separate Bauteile aus unterschiedlichen elektrisch leitenden Materialien hergestellt und anschließend miteinander bspw. mittels Schrauben fixiert werden, erwies sich als aufwendig und kostenintensiv.
Damit die elektrischen Verbindungen zwischen Schaltungskomponenten einfach und kostengünstig gestaltet werden können, müssen die Kontaktelemente als Massenware kostengünstig und ohne großen Aufwand herstellbar sein.
Im Rahmen dieser Erfindung wurde erkannt, dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Kontaktbereichen eines Kontaktelements eine einfache und kostengünstige Lösung darstellt.
Eine stoffschlüssige Verbindung ermöglicht eine stabile mechanische Verbindung von Kontaktbereichen aus unterschiedlichen Materialien, die zudem einen sehr niedrigen Übergangswiderstand an der Verbindungsstelle aufweist.
Kupfermaterialien, also Kupfer oder Kupferlegierung, erwiesen sich im Rahmen dieser Erfindung als die Materialien für Kontaktbereiche, die sowohl eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen als auch für eine stoffschlüssige Verbindung optimal geeignet sind. Da die Kupfermaterialien in der Regel kostengünstig erhältlich sind, können auch Kontaktelemente mit Kontaktbereichen mit unterschiedlichen Kupfermaterialien kostengünstig hergestellt werden.
Damit wurde ein Kontaktelement für elektrische Verbindung bereitgestellt, die einfache und kostengünstige elektrische Verbindungen zwischen Schaltungskomponenten ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist das erste Kupfermaterial eine Materialhärte bis 110 HV, insbesondere bis 100 HV, speziell bis 95 HV, auf. Hierbei bedeutet die Härteeinheit „HV“ die Vickershärte.
Das Kupfermaterial mit einer geringen Materialhärte bis 110 HV, oder 100 HV bzw. 95 HV ermöglicht dem ersten Kontaktbereich zur Bildung einer stoffschlüssigen Verbindung mit der ersten Schaltungskomponente, ohne dabei die erste Schaltungskomponente mechanisch viel zu stark zu beeinflussen.
Vorzugsweise ist das erste Kupfermaterial ein Roh-Kupfer nach Norm DIN EN 1976/98. Insbesondere ist das erste Kupfermaterial ein zähgepoltes Elektrolytkupfer. Vorzugsweise ist das erste Kupfermaterial ein Cu-ETP (in Englisch „Electrolytic-Tough-Pitch Copper“). Das Cu-ETP, das im Übrigens auch als E-Cu, ehemals auch als E-Cu58 oder E-Cu57 bezeichnet wurde, ist ein durch elektrolytische Raffination hergestelltes, sauerstoffhaltiges (zähgepoltes) Kupfer, das eine sehr hohe Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität aufweist und somit bestens für ein Kontaktelement geeignet ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das zweite Kupfermaterial eine Materialhärte von mindestens 130 HV, insbesondere mindestens 150 HV, oder vorzugsweise über 170 HV auf. Vorzugsweise weist das zweite Kupfermaterial eine Materialhärte von nicht mehr als 300 HV, insbesondere nicht mehr als 250 HV, und vorzugsweise nicht mehr als 200 HV auf.
Das Kupfermaterial mit einer hohen Materialhärte von über 130 HV oder von 130–300 HV, speziell von 170 HV bis 200 HV, ermöglicht dem zweiten Kontaktbereich zur Bildung einer einfachen kraftschlüssigen Verbindung, bspw. einer Einpressverbindung (Press-Fit-Verbindung), mit der zweiten Schaltungskomponente, die auch eine starke mechanische Beanspruchung standhält.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung enthält das zweite Kupfermaterial Zinn, vorzugsweise mit einem Gewichtsprozentanteil von über 0.15%, insbesondere über 1%, speziell über 5%. Vorzugsweise enthält das zweite Kupfermaterial Zinn mit einem Gewichtsprozentanteil von bis 22%, insbesondere bis 20%, bis 15%, bis 12%, bis 10% oder bis 9%, speziell bis 7%. Vorzugsweise ist das zweite Kupfermaterial eine Zinnbronze, speziell CuSn6. Zinnbronze ist ebenfalls als kostengünstige Massenware in verschiedenen Ausführungen erhältlich.
Zusätzlich zu oder anstelle von Zinn können auch andere Zusätze, wie z. B. Magnesium, Nickel, Zink und/oder Silicium, in dem zweiten Kupfermaterial enthalten sein.
Insbesondere können Kupferlegierungen als das zweite Kupfermaterial verwendet werden, die zur Bildung von Einpressverbindungen (Press-fit Anschlüsse) geeignet sind. Hierzu gehören bspw. CuSn0.15, CuSn4, CuSn5, CuSn6, CuMg, CuSn3Zn9, CuNiSi.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind der erste und der zweite Kontaktbereich über eine elektronenstrahlgeschweißte Verbindung miteinander stoffschlüssig verbunden.
Eine elektronenstrahlgeschweißte Verbindung zwischen den beiden Kontaktbereichen aus unterschiedlichen Kupfermaterialien weist einen elektrischen Übergangswiderstand auf, der niedriger als der elektrische Widerstand in den beiden Kontaktbereichen ist. Zudem ermöglicht die elektronenstrahlgeschweißte Verbindung eine mechanisch sehr stabile Verbindung zwischen den beiden Kontaktbereichen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Schaltungsanordnung bereitgestellt. Dabei umfasst die Schaltungsanordnung eine erste Schaltungskomponente und eine zweite Schaltungskomponente. Ferner umfasst die Schaltungsanordnung zumindest ein zuvor beschriebenes Kontaktelement. Dabei ist der erste Kontaktbereich des Kontaktelements über eine stoffschlüssige Verbindung, insb. eine Ultraschallschweiß- oder Lötverbindung, mit der ersten Schaltungskomponente elektrisch leitend und mechanisch stabil verbunden. Der zweite Kontaktbereich des Kontaktelements ist über eine kraftschlüssige Verbindung, insb. eine Einpressverbindung (Press-fit Verbindung), mit der zweiten Schaltungskomponente elektrisch leitend und mechanisch stabil verbunden.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kupferband zur Herstellung einer Vielzahl von zuvor beschriebenen Kontaktelementen bereitgestellt. Dabei umfasst das Kupferband einen ersten länglichen Streifen aus einem ersten Kupfermaterial und einen zweiten länglichen Streifen aus einem zweiten Kupfermaterial. Das Kupferband weist ferner eine stoffschlüssige Verbindung auf, die sich in Längsrichtung des ersten und des zweiten Streifens erstreckt. Über die stoffschlüssige Verbindung sind der erste und der zweite Streifen miteinander stoffschlüssig, elektrisch leitend und mechanisch stabil verbunden. Vorzugsweise ist die stoffschlüssige Verbindung als eine elektronenstrahlgeschweißte Verbindung ausgebildet.
Aus einem derartigen Kupferband können die zuvor beschriebenen Kontaktelemente mit einer einfachen Stanzmaschine in einem einfachen Stanzvorgang ausgestanzt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben beschriebenen Kontaktelements sind, soweit im Übrigen auf die oben genannte Schaltungsanordnung, das oben genannte Kupferband übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung bzw. des Kupferbandes anzusehen.
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Schaltungsanordnung mit einem Kontaktelement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht;
2 einen Abschnitt eines Kupferbandes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Draufsicht.
Zunächst wird auf 1 verwiesen, in der ein Abschnitt einer Schaltungsanordnung SA schematisch dargestellt ist.
Die Schaltungsanordnung SA umfasst einen Schaltungsträger ST1, der in dieser Ausführungsform als Keramiksubstrat ausgebildet ist. Auf einer Oberfläche OF1 des Schaltungsträgers ST1 ist eine Leiterbahn LB zur Stromübertragung angeordnet, die eine erste Schaltungskomponente der Schaltungsanordnung SA ausgebildet.
Auf einer dem Schaltungsträger ST1 abgewandten Oberfläche OF2 der Leiterbahn LB ist ein Leistungshalbleiterbauelement LH, wie z. B. Leistungstransistor, angeordnet, der über eine Lötverbindung LV mit der Leiterbahn LB mechanisch und elektrisch leitend verbunden ist.
Auf der gleichen Oberfläche OF2 der Leiterbahn LB und neben dem Leistungshalbleiterbauelement LH ist ferner ein Kontaktelement KE angeordnet.
Das Kontaktelement KE ist L-förmig ausgebildet und weist einen ersten Kontaktbereich B1 und einen zweiten Kontaktbereich B2 auf, die zueinander senkrecht liegen. Dabei sind der erste und der zweite Kontaktbereich B1, B2 über eine elektronenstrahlgeschweißte Verbindung EV miteinander stoffschlüssig, elektrisch leitend und mechanisch stabil verbunden, die sich an der Biegekante des Kontaktelements KE zwischen den beiden Kontaktbereichen B1, B2 befindet.
Der erste Kontaktbereich B1 liegt auf der Oberfläche OF2 der Leiterbahn LB und ist über eine ultraschallgeschweißte Verbindung UV mit der Leiterbahn LB mechanisch und elektrisch leitend verbunden.
Der erste Kontaktbereich B1 besteht aus E-Kupfer (Cu-ETP) und weist eine niedrige Materialhärte kleiner als 100HV (Vickershärte) auf.
Die niedrige Materialhärte bei dem ersten Kontaktbereich B1 verringert die Gefahr einer Delamination (Enthaftung, Ablösen) der Leiterbahn LB von dem Schaltungsträger ST1 bzw. eines Materialbruchs bei dem Schaltungsträger ST1.
Der zweite Kontaktbereich B2 ist in Form von einem Einpressstift ausgebildet und ist in eine metallisierte Durchkontaktierung DK eines weiteren Schaltungsträgers ST2 eingesteckt, der eine zweite Schaltungskomponente der Schaltungsanordnung SA ausbildet.
Dabei bildet der zweite Kontaktbereich B2 mit einer Metallisierung MT an der Innenwand der Durchkontaktierung DK eine kraftschlüssige Einpressverbindung PV (Press-fit-Verbindung) aus.
Der zweite Kontaktbereich B2 besteht aus einer Zinnbronze CuSn6 mit Zinn in einem Gewichtsanteil von ca. 6 und weist eine hohe Materialhärte grösser als 130 HV (Vickershärte) auf.
Die hohe Materialhärte bei dem zweiten Kontaktbereich B2 ermöglicht eine stabile Einpressverbindung PV zwischen dem Kontaktelement KE und dem Schaltungsträger ST2.
Nun wird auf 2 verwiesen, in der ein Abschnitt eines Kupferbandes KB zur Herstellung einer Vielzahl von in 1 dargestellten Kontaktelementen KE schematisch dargestellt.
Das Kupferband KB ist als ein langes und schmales Band ausgebildet und umfasst einen ersten länglichen Streifen SR1 aus dem zuvor genannten ersten Kupfermaterial, also E-Kupfer (Cu-ETP). Ferner umfasst das Kupferband KB einen zweiten länglichen Streifen SR2 aus dem zuvor genannten zweiten Kupfermaterial, nämlich der Zinnbronze CuSn6.
Dabei sind der erste und der zweite Streifen SR1, SR2 über eine elektronenstrahlgeschweißte Verbindung EV stoffschlüssig verbunden, die sich in Längsrichtung LR des ersten und des zweiten Streifens SR1, SR2 erstreckt.
Aus diesem Kupferband KB werden die Kontaktelemente KE eins nach dem Anderen in dessen Längsrichtung LR ausgestanzt, wobei die aus dem Bereich des ersten Streifens SR1 gestanzten Abschnitte die jeweiligen ersten Kontaktbereiche B1 der Kontaktelemente KE und die aus dem Bereich des zweiten Streifens SR2 gestanzten Abschnitte die jeweiligen zweiten Kontaktbereiche B2 der Kontaktelemente KE ausbilden.
Anschließend werden die ausgestanzten Kontaktelemente KE an der elektronenstrahlgeschweißten Verbindung EV L-förmig gebogen.
Damit können die Kontaktelemente KE in einfachen Fertigungsschritten als Massenware kostengünstig hergestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm DIN EN 1976/98 [0023]

Claims

Kontaktelement (KE) für elektrische Verbindung, umfassend – einen ersten Kontaktbereich (B1) aus einem ersten Kupfermaterial zur elektrischen Verbindung zu einer ersten Schaltungskomponente (LB), – einen zweiten Kontaktbereich (B2) aus einem zweiten Kupfermaterial zur elektrischen Verbindung zu einer zweiten Schaltungskomponente (ST2), – wobei der erste (B1) und der zweite (B2) Kontaktbereich unterschiedliche Materialhärten aufweisen, und über eine stoffschlüssige Verbindung (EV) miteinander verbunden sind.
Kontaktelement (KE) nach Anspruch 1, wobei das erste Kupfermaterial eine Materialhärte von bis 110 HV, insbesondere bis 100 HV, vorzugsweise bis 95 HV, aufweist.
Kontaktelement (KE) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Kupfermaterial ein zähgepoltes Elektrolytkupfer (Cu-ETP) ist.
Kontaktelement (KE) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das zweite Kupfermaterial eine Materialhärte von 130 HV bis 300 HV, insbesondere von 170 HV bis 200 HV, aufweist.
Kontaktelement (KE) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das zweite Kupfermaterial Zinn enthält.
Kontaktelement (KE) nach Anspruch 5, wobei das zweite Kupfermaterial Zinn mit einem Gewichtsprozentanteil von 0,15 bis 9, insbesondere von 5 bis 7, enthält.
Kontaktelement (KE) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste (B1) und der zweite (B2) Kontaktbereich über eine elektronenstrahlgeschweißte Verbindung (EV) miteinander elektrisch leitend und mechanisch verbunden sind.
Schaltungsanordnung (SA), umfassend – eine erste Schaltungskomponente (LB), – eine zweite Schaltungskomponente (ST2), – ein Kontaktelement (KE) nach einem der vorangehenden Ansprüche, – wobei der erste Kontaktbereich (B1) des Kontaktelements (KE) über eine stoffschlüssige Verbindung (UV), insb. eine Ultraschallschweiß- oder Lötverbindung, mit der ersten Schaltungskomponente (LB) und der zweite Kontaktbereich (B2) des Kontaktelements (KE) über eine kraftschlüssige Verbindung (PV), insb. eine Einpressverbindung, mit der zweiten Schaltungskomponente (ST2) elektrisch leitend und mechanisch stabil verbunden sind.
Kupferband (KB) zur Herstellung einer Vielzahl von Kontaktelementen (KE) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend – einen ersten länglichen Streifen (SR1) aus dem ersten Kupfermaterial, – einen zweiten länglichen Streifen (SR2) aus dem zweiten Kupfermaterial, – eine elektronenstrahlgeschweißte Verbindung (EV), die sich in Längsrichtung (LR) des ersten (SR1) und des zweiten (SR2) Streifens erstreckt, und über die der erste (SR1) und der zweite (SR2) Streifen stoffschlüssig verbunden sind.