-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer elektrisch leitenden Verbindung nach dem Anspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine Baugruppe, die nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
-
In der Leistungselektronik werden zumindest für Masseverbindungen üblicherweise keine direkten Verbindungen zwischen Aluminium und Kupfer bei Hochstromanwendungen (gemeint sind hierbei Ströme zwischen 100A und 1000A) verwendet. Dies rührt daher, dass sich aufgrund von Alterungsprozessen bei einer derartigen Verbindung zwischen den beiden der Stromführung dienenden Bauteilen Oxidationsschichten bilden können, die den Widerstand erhöhen und somit die Funktionalität der elektrischen Verbindung über die Lebensdauer betrachtet einschränken können.
-
Weiterhin ist es bekannt, bei Steuergeräten für Hochstromanwendungen, wie sie beispielsweise als Steuergeräte in Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen eingesetzt werden, das Gehäuse aus einem Aluminiumguss auszubilden. Will man jetzt beispielsweise eine Masseverbindung zwischen Leistungsbauteilen und dem aus dem Aluminiumguss bestehenden Gehäuse herstellen, so werden typischerweise Verbindungsstücke oder Zwischenstücke eingesetzt, die durch geeigneten unmittelbaren Kontakt zwischen den Partnern selbst bei einer angesprochenen Oxidbildung stets eine hinreichend gute Stromführung bzw. Masseanbindung ermöglichen. Zwar ist es an sich bekannt, durch das Aufbringen einer galvanischen Schicht auf ein Bauteil dessen Funktionseigenschaften im Sinne beispielsweise einer bessern Stromführung bzw. der Vermeidung der Bildung von Oxidschichten zu verbessern, das Erzeugen einer entsprechenden galvanischen Schicht ist jedoch bei einem Steuergerät an dessen gesamter Oberfläche üblicherweise nicht möglich bzw. aus wirtschaftlichen Gründen zu teuer.
-
Zuletzt ist es aus dem Stand der Technik allgemein bekannt, im 3D-Druckverfahren elektrisch leitende Schichten auf einem Bauteil aufzubringen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ausbilden einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen zwei Bauteilen derart auszubilden, dass die elektrische Verbindung bei wirtschaftlicher Herstellbarkeit über die Lebensdauer betrachtet eine zuverlässige Funktion aufweist. Unter einer zuverlässigen Funktion wird im Rahmen der Erfindung insbesondere ein über die Lebensdauer der Verbindung betrachtet zumindest näherungsweise gleichbleibend großer Übergangswiderstand zwischen den Bauteilen verstanden. Insbesondere soll es das Verfahren ermöglichen, auf zusätzliche spezielle Verbindungselemente bzw. Zwischenelemente wie beim Stand der Technik verzichten zu können.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zum Ausbilden einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen zwei Bauteilen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, lediglich im unmittelbaren Verbindungsbereich zwischen den beiden Bauteilen, in der die elektrisch leitende Verbindung ausgebildet ist, eine metallische Funktionsschicht durch ein 3D-Druckverfahren aufzubringen. Das erfindungsgemäße Verfahren hat insbesondere den Vorteil, dass ein derartiges 3D-Druckverfahren dadurch, dass es lediglich in dem relevanten Verbindungsbereich zwischen den beiden Bauteilen angewandt wird, zum einen relativ wenig Material benötigt und zum anderen dadurch, dass das Verfahren zur Ausführung relativ wenig Zeit benötigt auch wirtschaftlich vorteilhaft anwendbar ist.
-
Mit Blick auf die unterschiedlichen denkbaren Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird unter einer Funktionsschicht im Rahmen der Erfindung eine Schicht verstanden, die dazu dient, die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Bauteilen zu verbessern bzw. zu optimieren, unabhängig davon, auf welche Art und Weise die beiden Bauteile miteinander verbunden werden.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ausbilden einer elektrisch leitenden Verbindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
-
Um die beiden die elektrisch leitende Verbindung ausbildenden Bauteile auf besonders einfache Art und Weise miteinander zu verbinden, ist es von Vorteil, wenn die beiden Bauteile im Verbindungsbereich durch ein mechanisches Verbindungsmittel, insbesondere in Form einer Schraube, miteinander verbunden werden. Ein derartiges mechanisches Verbindungsmittel hat darüber hinaus den besonderen Vorteil, dass die Verbindung auch nachträglich auf besonders einfache Art und Weise gelöst und wiederhergestellt werden kann.
-
In alternativer Ausgestaltung des Verfahrens ist es jedoch auch möglich, dass die beiden Bauteile im Verbindungsbereich durch eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere durch Schweißen, miteinander verbunden werden. Die metallische Funktionsschicht dient in diesem Fall insbesondere der Ausbildung einer besonders zuverlässigen Schweißverbindung bzw. ermöglicht es, in Abhängigkeit von den durch die Schweißverbindung miteinander zu verbindenden Fügepartnern, eine derartige Schweißverbindung, welche ohne eine metallische Funktionsschicht nicht ausbildbar ist, erst ausbilden zu können.
-
Insbesondere findet das erfindungsgemäße Verfahren Verwendung bei Bauteilen, bei denen das Bauteil, auf das die Funktionsschicht aufgebracht wird, zur Bildung einer Oxidschicht neigt und insbesondere aus Aluminium, Zink, Magnesium sowie jeweils Legierungen davon besteht.
-
In Verbindung mit dem zuletzt genannten Bauteil, auf das die Funktionsschicht aufgebracht wird, kann es insbesondere vorgesehen sein, dass das andere Bauteil aus Stahl, Kupfer, Bronze oder Messing besteht. Dadurch wird insbesondere ein besonders geringer elektrischer Widerstand bei der Stromführung ermöglicht.
-
Wie oben bereits erläutert, ist die metallische Funktionsschicht bzw. das Material, aus dem eine derartige metallische Funktionsschicht besteht, sowohl abhängig von dem Material der an der elektrischen Verbindung teilnehmenden Bauteile als auch von der jeweiligen Verbindungstechnik. Charakteristisch ist jedoch, dass die metallische Funktionsschicht eine intermetallische Phase, eine oxidationsunempfindliche Schicht, eine Sperrschicht oder Kombinationen davon ausbildet.
-
Es ist jedoch auch möglich, dass bei der Verbindung zwischen den beiden Bauteilen im Schweißverfahren die metallische Funktionsschicht die Verschweißbarkeit der Bauteile verbessert bzw. diese erst ermöglicht. Insbesondere dient in diesem Fall die metallische Funktionsschicht dazu, das Grundmaterial des Bauteils, auf dem die metallische Funktionsschicht aufgebracht wird, im Verbindungsbereich zu verändern, oder aber dazu, dass das Material der Funktionsschicht das Material der Schmelze beim Ausbilden der Schweißverbindung verändert. Insbesondere kann dabei auch die Bildung von unerwünschten intermetallischen Phasen reduziert werden, um die Neigung zur Versprödung derartiger Schweißstellen zu reduzieren.
-
Als geeignete Materialien zur Ausbildung der metallischen Funktionsschicht finden bevorzugt Silber, Zinn, Kupfer, Zink, Eisen, Nickel, Gold, Platin, Magnesium oder Blei sowie deren Legierungen Verwendung.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass durch die metallische Funktionsschicht gleichzeitig eine zusätzliche Formschlussverbindung zwischen den Bauteilen hergestellt wird. Dadurch wird die Verbindung bzw. Festigkeit zwischen den Bauteilen zusätzlich verbessert.
-
Bevorzugt findet das erfindungsgemäße Verfahren Verwendung bei der Ausbildung elektrischer Verbindungen in Schalt- oder Steuergeräten, insbesondere in einem Kraftfahrzeug. Gedacht ist hierbei insbesondere an Masseverbindungen oder Hochstromverbindungen.
-
Die Erfindung umfasst auch eine Baugruppe, die nach einem soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Die Baugruppe zeichnet sich dadurch aus, dass das Bauteil, auf das die metallische Funktionsschicht aufgebracht ist, ein Gehäuse eines Steuergeräts und das andere Bauteil ein elektrisches Verbindungselement, beispielsweise in Form einer Stromschiene, eines Stanzgitters oder ähnliches ist.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
-
Diese zeigt in der einzigen Figur einen vereinfachten Längsschnitt durch ein Steuergerät unter Verwendung zweier erfindungsgemäßer elektrischer Verbindungen.
-
In der einzigen Figur ist ein aus Aluminium bestehendes, insbesondere im Druckgussverfahren hergestelltes Gehäuse 10 eines Steuergeräts 100 dargestellt, wie es typischerweise als Bestandteil in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Elektro- oder Hybrid-Fahrzeug dient. Das Steuergerät 100 ist insbesondere Bestandteil einer Leistungselektronik, beispielsweise zur Stromführung zwischen einem Energiespeicher (Batterie) und einem Elektromotor.
-
Das im offenen Zustand gezeigte Gehäuse 10 weist einen Innenraum 11 auf, in dem beispielhaft ein Schaltungsträger 12 in Form eines Substrats 13 bzw. einer Leiterplatte angeordnet ist. Weiterhin gehen vom Bodenbereich 14 des Gehäuses 10 beispielhaft zwei domartige Erhöhungen 15 aus. In beiden domartigen Erhöhungen 15 ist jeweils in einem Sackloch ein Gewinde 16 zur Aufnahme einer Befestigungsschraube 17, 18 ausgebildet.
-
Aus elektrischen Gründen ist es erforderlich, den Schaltungsträger 12 bzw. das Substrat mit elektrischer Masse bzw. dem Gehäuse 10 des Steuergeräts 100 in einem Verbindungsbereich 19 zu verbinden. Hierzu dient im Bereich der einen Befestigungsschraube 17 ein in etwa hülsenförmiges, beispielsweise aus Kupfer bestehendes Stromverbindungselement 20, das in elektrisch leitendem Kontakt mit der Oberseite des Schaltungsträgers 12 bzw. dem Substrat 13 angeordnet ist. Die der Erhöhung 15 zugewandte Stirnfläche 21 des Stromverbindungselements 20 ist in Anlagekontakt mit der Erhöhung 15 angeordnet, wobei die Befestigungsschraube 17 das Stromverbindungselement 20 in Richtung der Erhebung 15 presst. Wesentlich ist, dass auf der dem Stromverbindungselement 20 zugewandten Seite der Erhebung 15, d.h. an der dem Bodenbereich 14 abgewandten Seite der Erhebung 15 eine metallische Funktionsschicht 25 im 3D-Druckverfahren aufgebracht ist. Die Funktionsschicht 25 ist somit lediglich im Verbindungsbereich 19 angeordnet.
-
Weiterhin ist der Schaltungsträger 12 bzw. das Substrat 13 mittels einer beispielhaft aus Kupfer bestehenden Stromschiene 26 mit der (anderen) Erhebung 15 in einem weiteren Verbindungsbereich 19 elektrisch leitend verbunden. Hierzu weist die Stromschiene 26 im Bereich der Erhebung 15 eine Durchgangsöffnung 27 auf, die von der anderen Befestigungsschraube 18 durchsetzt ist, wobei die Befestigungsschraube 18 die Stromschiene 26 ebenfalls in Richtung der Erhebung 15 presst bzw. drückt. Auch bei dieser Erhebung 15 ist auf der der Stromschiene 26 zugewandten Seite auf der Erhebung 15 eine metallische Funktionsschicht 25 im 3D-Druckverfahren aufgebracht. Darüber hinaus ist die Stromschiene 26 mit der Oberseite des Schaltungsträgers 12 bzw. des Substrats 13 auf geeignete Art und Weise, beispielsweise durch eine Schweiß- oder Lötverbindung, elektrisch leitend verbunden.
-
Das Aufbringen der Funktionsschicht 25 im 3D-Druckverfahren erfolgt mit Blick auf das jeweilige Bauteil bzw. Gehäuse 10. Insbesondere kann die metallische Funktionsschicht 25 im Laserumschmelzverfahren, durch ein Lichtbogenverfahren, ein Flammverfahren oder ähnlichem mit dem Grundmaterial (Aluminium) des Gehäuses 10 verbunden werden. Die typische Schichtdicke der Funktionsschicht 25 beträgt zwischen 10µm und 1000µm.
-
Das soweit beschriebene Verfahren bzw. das Gehäuse 10 sowie die an der elektrischen Verbindung teilnehmenden Bauteile können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt oder modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Verbindung zwischen dem Stromverbindungselement 20 und/oder der Stromschiene 26 unter Verzicht auf die Befestigungsschraube 17, 18 durch eine stoffschlüssige Verbindung wie Schweißen erfolgt und/oder dass die Funktionsschicht 25 zusätzlich an dem Stromverbindungselement 20 bzw. der Stromschiene 26 aufgebracht wird.
