DE102016125781A1 - Elektrisches Anschlusselement - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Anschlusselement zum Kontaktieren einer auf einem flächigen Träger befindlichen leitfähigen Struktur mittels eines thermisch-stoffschlüssigen Verbindungsmaterials, wobei auf einer Seite Mittel zum Fixieren eines bevorzugt flexiblen Leiters angeordnet sind sowie weiterhin das Anschlusselement als Lötfuß oder Lötbrücke mit Verbindungsstück ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist mindestens der mit der leitfähigen Struktur zu verbindende Bereich des Lötfußes oder der Lötbrücke aufgefächert ausgebildet und weist mindestens zwei, durch einen Schlitz beabstandete Stege auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Anschlusselement zum Kontaktieren einer auf einem flächigen Träger befindlichen leitfähigen Struktur mittels eines thermisch-stoffschlüssigen Verbindungsmaterials, wobei auf einer Seite Mittel zum Fixieren eines, bevorzugt flexiblen, Leiters angeordnet sind, weiterhin das Anschlusselement als Lötfuß oder Lötbrücke mit Verbindungsbereich ausgebildet ist gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Aus der DE 20 2011 100 906 U1 ist ein elektrisches Anschlusselement zum Kontaktieren einer auf einem flächigen Träger befindlichen leitfähigen Struktur vorbekannt, wobei das Anschlusselement mittels eines thermisch-stoffschlüssigen Verbindungsmaterials, das heißt einem Lot, fixiert wird. Konkret handelt es sich bei der vorbekannten Lösung um elektrische Anschlusselemente für eine Scheibe, insbesondere eine Kraftfahrzeugscheibe. Die Scheibe weist mindestens ein elektrisches Anschlusselement für Fahrzeuge mit elektrisch leitfähigen Strukturen, beispielsweise Heizleiter oder Antennenleiter, auf. Diese elektrisch leitfähigen Strukturen werden über angelötete Anschlusselemente mit der Bordelektronik verbunden. Aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien treten nicht zu vernachlässigende, mechanische Spannungen bei der Herstellung und dem späteren Betrieb auf, welche die Scheiben belasten und einen Bruch der Scheibe oder eine Zerstörung des Kontaktes hervorrufen können.
  • Bisher eingesetzte bleihaltige Mittel weisen eine hohe Duktilität auf, die in der Lage ist, mechanische Spannungen zwischen elektrischem Anschlusselement und Scheibe aufzunehmen bzw. zu kompensieren. Der Einsatz bleihaltiger Lote ist jedoch aus gesundheitlichen und Umweltaspekten seit längerer Zeit nicht mehr zulässig und wird daher vermieden.
  • Da bekannte bleifreie Lote die erwähnte Duktilität nicht oder nur in eingeschränkter Weise besitzen, muss bei der Herstellung und/oder dem späteren Betrieb daher sichergestellt werden, dass auftretende mechanische Spannungen aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten vermieden werden. Diesbezüglich wird in der DE 20 2011 100 906 U1 ein Anschlusselement derart ausgebildet, dass dieses einen Lötfuß darstellt, welcher eine, mindestens angenäherte Form der Zahl 8 oder eine angenäherte Kreisringform besitzt.
  • In einer Ausgestaltung besteht der Lötfuß aus mehreren, ineinandergreifenden oder sich berührenden Kreisringen oder Kreisringsegmenten. Das Anschlusselement selbst besteht bevorzugt aus einer Eisen-Nickel- oder Eisen-Chrom-Legierung oder einer Mischung hieraus.
  • Aus der DE 20 2015 002 764 U1 ist ein weiteres Element zum Kontaktieren einer auf einem flächigen Träger befindlichen leitfähigen Struktur mittels eines thermisch-stoffschlüssigen Verbindungsmaterials vorbekannt. Dieses Kontaktelement soll insbesondere zum Löten mittels elektromagnetischer Induktionserwärmung ausgebildet sein und sicherstellen, dass lokale Überhitzungen beim Lötprozess vermieden werden. Weiterhin soll ein gleichmäßiges Erwärmen der Lötpartner erfolgen.
  • Hierfür kommt ein Kontaktelement zum Einsatz in Form eines Lötfußes aus mindestens zwei, nicht ineinandergreifenden, durch ein Verbindungsflächenstück beabstandeten Kreisflächen, Kreisringen, Kreissegmenten oder ähnlichen Konfigurationen.
  • Weiterhin weist der Lötfuß bevorzugt außerhalb des Verbindungsflächenstückes Vorsprünge zur Bildung eines definierten Lötspaltes auf. Die eigentlichen Mittel zum Fixieren eines Leiters sind an bzw. auf dem Verbindungsflächenstück vorgesehen.
  • Wie bereits dargelegt, wurde aufgrund umweltpolitischer Aspekte der Einsatz von bleihaltigem Lot auch im Bereich der Kontaktierung von Silberdruck auf Autoglasscheiben eingestellt. Diesbezüglich darf ausschließlich bleifreies Lötzinn genutzt werden.
  • Bei einer Lötlegierung, welche Blei enthält, sorgt der Bleianteil dafür, dass die entsprechende Lötverbindung nach dem Erstarren, also im festen Aggregatzustand, weiterhin duktil bleibt. Die Verbindung kann damit durch das Lot Spannungen absorbieren, die durch thermische Ausdehnungen entstehen. Diese Spannungen sind nicht unerheblich, wenn davon ausgegangen wird, dass üblicherweise eingesetzte Kupfermaterialien für die Anschlusselemente sich um ein Vielfaches stärker ausdehnen als das eigentliche Glassubstrat.
  • Um eine Reduzierung der auftretenden Spannungen aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung zu bewerkstelligen, wurde bereits vorgeschlagen, die Anschlusselemente, das heißt die jeweiligen Lötfüße oder Lötbrücken, mit einem solchen Werkstoff zu realisieren, der einen Ausdehnungsquotienten ähnlich desjenigen von Glas besitzt.
  • Eine solche Lösung wirkt sich grundsätzlich positiv auf die Reduzierung der Spannung durch das Lötobjekt aus, schafft jedoch keine Verbesserung, die bedingt ist durch die Ausdehnung des Lotes selbst.
  • Beim Erwärmen des Lotes und dem Überführen in den flüssigen Aggregatzustand dehnt sich das Lot ebenfalls aus. Kühlt sich das Lot nach dem Aufwärmen ab und erreicht Umgebungstemperatur, das heißt es findet ein Wechsel von dem flüssigen in den festen Aggregatzustand statt, entsteht in der Lötstelle eine Zugspannung an der Substratoberfläche. Diese Zone mit Zugspannung schwächt das Substrat, insbesondere ein eingesetztes Glas in diesem Bereich. Damit ist die Widerstandsfähigkeit des Glases geschwächt.
  • Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes elektrisches Anschlusselement zum Kontaktieren einer auf einem flächigen Träger befindlichen leitfähigen Struktur mittels eines thermisch-stoffschlüssigen Verbindungsmaterials, das heißt eines Lotes, anzugeben, welches sicherstellt, dass trotz fehlender Duktilität des Lotes beim Aggregatzustandswechsel und damit im späteren Betrieb auftretende Spannungen, bedingt durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten minimiert werden.
  • Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Merkmalskombination nach Anspruch 1 sowie in Verbindung mit der vorgegangenen Verwendung nach Anspruch 16.
  • Die Unteransprüche stellen mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen dar.
  • Es wird demnach von einem elektrischen Anschlusselement zum Kontaktieren einer auf einem flächigen Träger befindlichen leitfähigen Struktur mittels eines thermisch-stoffschlüssigen Verbindungsmaterials, das heißt eines Lotes, ausgegangen, wobei auf einer Seite des Kontaktelementes Mittel zum Fixieren eines Leiters angeordnet oder anordenbar sind.
  • Weiterhin ist das Anschlusselement als Lötfuß oder als Lötbrücke ausgebildet. Im Falle der Ausbildung als Lötbrücke weist diese einen Verbindungsbereich auf, der einen beim späteren Einsatz des Anschlusselementes definierten Abstand zur Oberfläche des flächigen Trägers oder Substrates aufweist, um dort die notwendigen Kontakte zum elektrischen Anschluss bzw. die Enden entsprechender Kabel zu fixieren bzw. anzubringen. Bei einem einfachen Lötfuß ist ein nicht verlötetes Ende des Lötfußes derjenige Abschnitt, an dem die entsprechende elektrische Kontaktierung erfolgt, beispielsweise durch Verwendung eines Kabelschuhs oder durch sonstiges Verbinden mit einem Anschlusskabel.
  • Erfindungsgemäß ist mindestens der mit der leitfähigen Struktur, zum Beispiel einem leitfähigen Druck auf einer Glasscheibe, zu verbindende Bereich des Lötfußes oder der Lötbrücke aufgefächert ausgebildet. Die Auffächerung besteht in dem Schaffen von mindestens zwei, durch einen Schlitz beabstandeten Stegen.
  • In Ausgestaltung der Erfindung sind in den Schlitz hineinreichende, von den Stegen ausgehende Ausformungen ausgebildet. Diese Ausformungen können der Bildung einer Kontaktfläche für ein Lötwerkzeug dienen.
  • In Weiterbildung der Erfindung weisen die Stege in Richtung ihres freien Endes mindestens eine Ausbauchung auf, welche zur Bildung eines definierten Lötspaltes an der zur leitfähigen Struktur gerichteten Unterseite vorgesehen sind. Diese Ausbauchungen können zum Beispiel durch eine Prägung realisiert werden.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Lötfuß oder die Lötbrücke mit einer Auffächerung versehen, welche drei Stege mit zwei Schlitzen umfasst.
  • Der mittlere Steg kann hier eine Ausformung zum bereits oben erwähnten Zweck der Bildung einer Kontaktfläche eines Lötwerkzeuges besitzen.
  • Bevorzugt ist die Breite der Stege im Bereich zwischen 0,2 - 2 mm, bevorzugt im Bereich zwischen 0,4 - 0,9 mm liegend.
  • Die Materialstärke für den Lötfuß bzw. die Lötbrücke liegt im Bereich zwischen 0,4 und 0,8 mm.
  • Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt darin, dass unter Rückgriff auf die erfindungsgemäße Ausbildung des Lötfußes bzw. der Lötbrücke eine Minimalmenge eines bleifreien Verbindungsmaterials, das heißt des Lotes, einsetzbar ist.
  • Diese minimale Menge liegt in Verbindung mit den angesprochenen Dimensionierungsangaben im Bereich zwischen 2 - 12 mm3, bevorzugt im Bereich zwischen 3 und 6 mm3 bleifreiem Verbindungsmaterials.
  • Der ausgebildete Lötspalt mittels Ausbauchung liegt im Bereich zwischen 0,5 - 0,8 mm, bevorzugt bei 0,7 mm.
  • Das Material des Anschlusselementes besteht bevorzugt aus einer Eisen-Nickel- oder Eisen-Chrom-Legierung oder einer Mischung hieraus. Bevorzugt kommt FeNi48 zur Anwendung.
  • Grundsätzlich ist zu beachten, dass die Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Anschlusselementes und des flächigen Trägers, insbesondere Glas, auf einen Minimalwert einzustellen ist. Unter diesem Aspekt ist bei bekannten Ausdehnungskoeffizienten des Trägermaterials eine geeignete Legierung für den Lötfuß bzw. Lötbrücke auszuwählen.
  • In erfindungsgemäßer Weise ist die Zugspannung zwischen Lötfuß oder Lötbrücke und dem flächigen Träger um mindestens die Hälfte im Vergleich zu nicht gefächerten Ausführungsformen eines Lötfußes oder einer Lötbrücke reduziert.
  • Besonders vorteilhaft kann bei Nutzung der erfindungsgemäßen Anschlusselemente ein Heißluftlöten Anwendung finden.
  • Durch die Spezifizierung der Lotmenge auf einem Minimum wird der Effekt des Ausdehnens und des Zusammenziehens im Vergleich zum Stand der Technik reduziert. Wenn sich das eingesetzte Lot zusammenzieht, kann die mechanische Energie an die Stege der Lötbrücke oder des Lötfußes übergeben werden bzw. sich das Lot zwischen den Stegen ausdehnen und zusammenziehen. Die Zugspannung in Richtung Substrat wird maßgeblich reduziert. Das bevorzugt anzuwendende Heißluftlöten sorgt für eine gleichmäßige Erwärmung aller Komponenten. Letztendlich ist das Substrat bei Nutzung der erfindungsgemäßen Anschlusselemente weniger anfällig für mechanische Beanspruchungen.
  • Überraschenderweise haben ausführliche Tests gezeigt, dass eine Lötbrücke mit mehreren Stegen neben der minimalen Belastung des Substrates eine ausreichende Stromtragfähigkeit und eine hinreichende Abzugskraft besitzen. Diese Vorteile kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn von einer Lötbrücke mit drei Stegen je Lötbrückenseite, der minimierten Lötmenge wie beschrieben und ein Heißluftlöten ausgegangen wird.
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
  • Hierbei zeigen:
    • 1 eine Seitenansicht, eine Draufsicht und eine perspektivische Darstellung einer Lötbrücke in gefächerter Ausführung mit zwei Stegen;
    • 2 eine Seitenansicht, eine Draufsicht und eine perspektivische Darstellung einer Lötbrücke in gefächerter Ausführungsform mit drei Stegen; und
    • 3 eine Draufsicht sowie eine Seitenansicht einer Lötbrücke mit drei Stegen je Seite und beispielhafter, sich besonders vorteilhaft zeigender Bemaßung.
  • Bei den Figuren wird grundsätzlich von elektrischen Anschlusselementen in Form einer Lötbrücke ausgegangen. Derartige Lötbrücken besitzen einen Verbindungsbereich bzw. ein Verbindungsstück 1. Am Verbindungsstück werden nicht gezeigte Anschlussdrähte oder dergleichen Anschlussmittel kontaktiert. Ausgehend von dem Verbindungsstück 1 erstrecken sich beidseitig gefächerte Bereiche 2.
  • Insbesondere die figürlichen Darstellungen perspektivischer Art lassen erkennen, dass sich der gefächerte Bereich auch hinein in einen Übergangsabschnitt 3 bezogen auf das Verbindungsstück 1 mindestens teilweise hineinerstreckt.
  • Durch das Fächern entstehen je nach Ausführungsform zwei (1) oder drei (2) Stege 4.
  • Zwischen den Stegen 4 ist jeweils ein Schlitz 5 vorhanden.
  • Bei einer Ausgestaltung sind in Richtung der freien Enden der Stege 4, in den Schlitz 5 von den Stegen ausgehende Ausformungen 6 ausgebildet.
  • Diese Ausformungen 6 vergrößern die Fläche des Steges 4 im entsprechenden Abschnitt und können als Kontaktfläche für ein Lötwerkzeug genutzt werden.
  • In Richtung der freien Enden der Stege 4 besitzen diese mindestens eine Ausbauchung 7, welche der Bildung eines definierten Spaltes an der zur leitfähigen Struktur (nicht gezeigt) gerichteten Unterseite dienen.
  • Gemäß der Ausführungsform nach 2 besteht die Ausfächerung aus drei Stegen 4 mit zwei Schlitzen 5.
  • Bei der Variante nach 2 besitzt der mittlere der Stege 4 die vorerwähnten Ausformungen, die sich in den jeweiligen Schlitz 5 hineinerstrecken.
  • Ebenso ausgebildet ist die an der Unterseite vorhandene jeweilige Ausbauchung 7 zur Bildung eines definierten Lotspaltes.
  • Wie aus der 3 mit den dortigen beispielhaften Maßangaben entnehmbar, beträgt der definierte Lotspalt bevorzugt 0,7 mm.
  • Die Stegbreite liegt beispielsweise bei 0,9 mm. Die Gesamtlänge der Lötbrücke beträgt 24 mm mit etwa einem 7 mm langen Verbindungsstück. Die Schlitzbreite liegt bei etwa 0,45 mm bei einer Gesamtbreite der Lötbrücke von 4 mm.
  • In den Ausgestaltungen der Erfindung besitzen die freien Enden mindestens eines Steges, beim Beispiel nach 2 des mittleren Steges, einen in Richtung des Schlitzes hineinreichenden Verbreiterungsabschnitt 8.
  • Dieser Verbreiterungsabschnitt 8 verhindert bei der Behandlung und Lieferung der Lötfüße bzw. einer Lötbrücke als Stückgut ein Verhaken der Stege mit der Folge einer leichteren Handhabung beim Aufsetzen auf den entsprechenden Träger mit anschließendem Heißluftlöten.
  • Im Ergebnis der Untersuchung von Spannungen, die beim Prozess des Abkühlens nach ausgeführter Lötung auftreten, hat sich herausgestellt, dass bei einer beispielhaften 24 mm-Brücke ohne Fächerstruktur Kräfte bis im Bereich hinein von 45 MPa auftreten. Kommt hingegen ein erfindungsgemäßes Anschlusselement zum Einsatz, liegen die auftretenden Kräfte im Bereich von kleiner 21 MPa bei einer Löttemperatur von ca. 200 K.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 202011100906 U1 [0002, 0004]
    • DE 202015002764 U1 [0006]

Claims (16)

  1. Elektrisches Anschlusselement zum Kontaktieren einer auf einem flächigen Träger befindlichen leitfähigen Struktur mittels eines thermisch-stoffschlüssigen Verbindungsmaterials, wobei auf einer Seite Mittel zum Fixieren eines, bevorzugt flexiblen, Leiters angeordnet sind, weiterhin das Anschlusselement als Lötfuß oder Lötbrücke mit Verbindungsstück ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der mit der leitfähigen Struktur zu verbindende Bereich des Lötfußes oder der Lötbrücke aufgefächert ausgebildet ist und mindestens zwei durch einen Schlitz (5) beabstandete Stege (4) aufweist.
  2. Elektrisches Anschlusselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Schlitz (5) hineinreichende, von den Stegen (4) ausgehende Ausformungen (6) ausgebildet sind.
  3. Elektrisches Anschlusselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung der freien Enden der Stege (4) diese mindestens eine Ausbauchung (7) aufweisen, welche zur Bildung eines definierten Lotspaltes an der zur leitfähigen Struktur gerichteten Unterseite vorgesehen sind.
  4. Elektrisches Anschlusselement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auffächerung drei Stege (4) mit zwei Schlitzen (5) aufweist.
  5. Elektrisches Anschlusselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Steg (4) eine Ausformung (6) zur Bildung einer Kontaktfläche eines Lötwerkzeuges aufweist.
  6. Elektrisches Anschlusselement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der jeweiligen Stege (4) im Bereich von 0,2 - 2 mm, bevorzugt im Bereich zwischen 0,4 - 0,9 mm liegt.
  7. Elektrisches Anschlusselement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstärke im Bereich zwischen 0,4 und 0,8 mm liegt.
  8. Elektrisches Anschlusselement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Minimalmenge eines bleifreien Verbindungsmaterials eingesetzt ist.
  9. Elektrisches Anschlusselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lotspalt im Bereich von 0,5 - 0,7 mm, bevorzugt bei 0,7 mm liegt.
  10. Elektrisches Anschlusselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des bleifreien Verbindungsmaterials im Bereich zwischen 2 und 12 mm3, bevorzugt im Bereich zwischen 3 und 6 mm3 liegt.
  11. Elektrisches Anschlusselement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement aus einer Eisen-Nickel- oder Eisen-Chrom-Legierung oder einer Mischung hieraus besteht.
  12. Elektrisches Anschlusselement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der flächige Träger Glas ist.
  13. Elektrisches Anschlusselement nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Anschlusselementes und des flächigen Trägers auf einen Minimalwert eingestellt ist.
  14. Elektrisches Anschlusselement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Enden mindestens eines Steges (4) einen in Richtung des Schlitzes (5) hineinreichenden Verbreiterungsabschnitt (8) besitzen.
  15. Elektrisches Anschlusselement nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugspannung zwischen Lötfuß oder Lötbrücke und flächigem Träger um mindestens die Hälfte im Vergleich zur nicht gefächerten Ausführungsform reduziert ist.
  16. Verwendung eines elektrischen Anschlusselementes nach einem der vorangegangenen Ansprüche zur Ausbildung der thermisch-stoffschlüssigen Verbindung mittels Heißluftlöten.
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