DE102017001014A1 - Verfahren und System zur Prüfung einer elektrischen Verbindung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Prüfverfahren und ein Prüfsystem zur Prüfung einer elektrischen Verbindung an einer Kontaktfläche (24) zwischen einem ersten elektrischen Leiter (20) und einem zweiten elektrischen Leiter (22). Dabei umfasst das Verfahren insbesondere: Einspeisen eines konstanten, elektrischen Prüfstroms Izwischen dem ersten elektrischen Leiter (20) und dem zweiten elektrischen Leiter (22) durch die zu prüfende elektrische Verbindung (10); Erfassen einer zwei-dimensionalen, elektrischen Potentialverteilung ϕ an einer ersten Messoberfläche (26) des ersten elektrischen Leiters (20) und/oder an einer zweiten Messoberfläche (28) des zweiten elektrischen Leiters (22); Ermitteln einer Stromdichteverteilungdurch die Kontaktfläche (24) und/oder einer Leitwertdichteverteilung an der Kontaktfläche (24) aus der erfassten zwei-dimensionalen, elektrischen Potentialverteilung Φ ; Vergleichen der ermittelten Stromdichteverteilungbzw. Leitwertdichteverteilung mit Referenzwerten; und Bewerten der elektrischen Verbindung anhand des Vergleichs.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft die zerstörungsfreie Prüfung und Analyse von elektrischen Verbindungen, insbesondere von Schweißverbindungen.
• Die Prüfung und Analyse elektrischer, dauerhafter bzw. unlösbarer Verbindungen, z.B. auf Basis von Ultraschallschweißen oder anderer Verfahren, ist sowohl für die Entwicklung und Optimierung der Verbindungsprozesse wie auch für die Qualitätssicherung in der Fertigung extrem wichtig. Die hierfür eingesetzten Analyseverfahren sollten vor allem im Hinblick auf die Anwendung in der Qualitätssicherung laufender Fertigungsprozesse möglichst nicht destruktiv sein, aber dennoch belastbare Ergebnisse liefern und sollten unempfindlich gegen Einflüsse anderer, insbesondere veränderlicher Produktions- und Strukturparameter sein. Für den industriellen Einsatz sollte ferner der Aufwand für eine Analyse moderat und die Messzeit möglichst kurz sein, um die Kosten für die Analyse selbst gering zu halten und außerdem schnell auf eventuelle systematische Produktionsfehler reagieren und korrigierend eingreifen zu können.
• Wichtigstes Kriterium ist in der Regel, wo (d.h. räumlich) und in welcher Qualität (z.B. elektrische Leitfähigkeit, insbesondere Flächenleitwert) der Kontakt zwischen mehreren (z.B. zwei) zu verbindenden Leitern jeweils hergestellt werden konnte. Am Beispiel einer flächigen Ultraschallverschweißung, aber nicht darauf beschränkt, wäre dies insbesondere die Verteilung der elektrischen Verbindung, z.B. anhand einer Leitwertflächendichte, über die Grenzfläche zwischen den Medien, also den zu verbindenden Leitern.
• Ein einfaches Verfahren zur Charakterisierung einer elektrischen Verbindung ist die Widerstandsmessung über die Vierdrahtmethode (Vierpunktmessung). Damit lässt sich ein Gesamtwiderstand über einen bestimmten Bereich (z.B. eine elektrische Verbindung) recht genau bestimmen. Verfahren, welche eine Potentialmessung und/oder eine daraus abgeleitete Widerstandsbestimmung als Grundlage haben, sind beispielsweise bekannt aus den Patentveröffentlichungen US 1 440 470 A , US 2 142 619 A und US 4 887 025 A . Das Augenmerk dieser Verfahren liegt dabei insbesondere auf einer Bestimmung eines Potentialunterschieds zwischen den zu verbindenden Leitern bzw. dem gesamten elektrischen Widerstand der elektrischen Verbindung als Qualitätskriterium. Auch Verfahren zur Impedanzmessung basieren auf diesem Prinzip und ergeben damit eine Aussage über die Qualität der elektrischen Verbindung als Ganzes.
• Weiter beschreibt die Patentschrift US 4 368 422 A eine Möglichkeit, den Durchmesser eines Schweißpunkts aus Potentialmessungen an einzelnen, in Reihe liegenden Punkten abzuleiten. Soweit es sich um runde (rotationssymmetrische) Schweißpunkte, die außerdem nicht so nahe beisammen liegen, dass sie sich bezüglich der Potentialverteilung gegenseitig beeinflussen, bietet diese Möglichkeit eine nützliche Bewertung der Qualität von Schweißpunkten, beispielsweise durch einen Vergleich des gemessenen Durchmessers eines Schweißpunktes mit einem Solldurchmesser.
• Andere elektrische Verfahren nutzen das Reflexionsverhalten als Funktion von den Leitungsimpedanzen aus, um auf diese Weise räumliche Aussagen machen zu können (z.B. bei der Prüfung von Koaxialkabeln oder deren Verbindungen). Ferner gibt es die Möglichkeit, über induzierte Wirbelströme Fehlstellen zu lokalisieren (z.B. Gerhard Mook et al. in „Electromagnetic Imaging Using Probe Arrays", Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 57(2011)3, 227-236). Damit können für größere elektrische Verbindungsstrukturen Aussagen über eventuelle Qualitätsmängel getroffen werden.
• Weiterhin gibt es relevante bildgebende nichtelektrische Verfahren. Das Ultraschallverfahren (Sonografie) arbeitet mit dem von der akustischen Impedanz abhängigen Reflexionsverhalten und nutzt aus, dass dieses sich bei intermetallischen Materialverbindungen anders verhält als bei nur aneinandergrenzenden Materialien. Die Kernspintomographie (MRT) beruht auf der Vermessung der Kernspinresonanz und kann so Materialart und -Verteilung bestimmen. Die Röntgentomografie schließlich basiert auf dem unterschiedlichen Absorptionsverhalten der Materialien. Alle tomografischen Verfahren nutzen extensive bildgebende Algorithmen, die jeweiligen Ausführungen können sehr unterschiedlich sein. Während Röntgen- und Kernspintomografie für Einzeluntersuchungen eingesetzt werden, ist ihr regelmäßiger Einsatz beispielsweise in der Qualitätsüberwachung einer laufenden Produktion meist zu aufwändig und kostspielig. Die Sonografie ist apparativ weniger aufwendig, benötigt aber eine Adaption der Proben, um ein definiertes akustisches Umfeld zu schaffen. Allen Tomografieverfahren ist überdies gemein, dass sie nicht direkt die gesuchte elektrische Größe bestimmen, sondern dies indirekt über andere physikalische Eigenschaften versuchen.
• Des Weiteren gibt es viele destruktive Verfahren, die teilweise eine exzellente Analyse der Kontakte, insbesondere auch ihrer metallurgisch-chemischen Eigenschaften, erlauben. Da diese aber eben dem Anspruch nicht genügen, das Testobjekt nicht zu verändern, werden sie hier nicht weiter detailliert.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache und damit kostengünstige aber gleichzeitig schnelle und zuverlässige Überprüfung elektrischer Verbindungen zwischen elektrischen Leitern zu ermöglichen, um das Risiko von Ausfällen oder einer schnellen Degradation der elektrischen Verbindung zuverlässig zu reduzieren. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Somit bietet die Erfindung in einem Aspekt ein Verfahren zur Prüfung einer elektrischen Verbindung an einer Kontaktfläche zwischen einem ersten elektrischen Leiter und einem zweiten elektrischen Leiter. Die elektrische Verbindung kann beispielsweise durch flächiges Ultraschallschweißen erzeugt worden sein. Erfindungsgemäß erfolgt dabei zunächst zumindest ein erstes Einspeisen eines zumindest während des Prüfvorgangs vorzugsweise im Wesentlichen konstanten, (ersten) elektrischen Prüfstroms I_P1 zwischen dem ersten elektrischen Leiter und dem zweiten elektrischen Leiter durch die zu prüfende elektrische Verbindung, insbesondere durch die Kontaktfläche. Als Prüfstrom kann dabei entweder ein vorgegebenen bzw. bekannter Gleichstrom oder auch ein vorgegebenen bzw. bekannter Wechselstrom eingespeist werden. Vorzugsweise wird der (erste) Prüfstrom derart in den ersten oder zweiten Leiter eingeleitet und aus dem zweiten bzw. ersten Leiter wieder ausgeleitet, dass er durch die elektrische Verbindung so verläuft wie dies im beabsichtigten Betrieb der elektrischen Verbindung zu erwarten ist. Dazu wird der Prüfstrom vorzugsweise weit genug abseits von der Verbindungsstelle eingespeist, um beispielsweise eventuelle lokale Einflüsse zur Stromeinspeisung verwendeter Kontaktnadeln oder -klemmen auf den Stromverlauf im Bereich der elektrischen Verbindungstelle gering zu halten.
• Während des Einspeisens des ersten Prüfstroms erfolgt ein Erfassen einer zweidimensionalen, elektrischen Potentialverteilung ϕ an einer ersten Messoberfläche des ersten elektrischen Leiters und/oder an einer zweiten Messoberfläche des zweiten elektrischen Leiters. Auf Basis der Kenntnis der Geometrie der elektrischen Verbindung sowie der elektrischen/dielektrischen Eigenschaften des ersten und des zweiten Leiters und der Kenntnis des eingespeisten (ersten) Prüfstroms wird aus der erfassten zwei-dimensionalen, elektrischen Potentialverteilung ϕ eine Stromdichteverteilung $\overrightarrow{J}$

  

  durch die Kontaktfläche und/oder eine Leitwertdichteverteilung an der Kontaktfläche ermittelt bzw. errechnet. Nachdem analytische Lösungen nur in Spezialfällen existieren, erfolgt diese Berechnung numerisch.
• Die Erfindung geht also davon aus, dass die elektrischen/dielektrischen Eigenschaften im Umfeld der Kontaktfläche, also insbesondere innerhalb des ersten und zweiten elektrischen Leiters gut bekannt sind, und dass aus einer Beobachtung der elektrischen Potentialverteilung an einer Messoberfläche ortsaufgelöste, also lokale Aussagen über die elektrischen Eigenschaften der Kontaktfläche bzw. an der Kontaktfläche selbst getroffen werden können. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung stellte sich insbesondere heraus, dass diese elektrischen Eigenschaften insbesondere in Form einer lokalen Stromdichteverteilung und/oder in Form einer lokalen Leitwertdichteverteilung durch die bzw. in der Kontaktfläche hinsichtlich der Qualität und Haltbarkeit der elektrischen Verbindung besonders aussagekräftig sind und insbesondere eine sehr zuverlässige Beurteilung der langfristigen Funktion und Haltbarkeit einer elektrischen Verbindung ermöglichen.
• Als Stromdichteverteilung wird dabei vorzugsweise eine zwei-dimensionale Verteilung der zur Kontaktfläche senkrechten Komponente des Stromdichtevektors, also die lokal durch die Kontaktfläche hindurch fließende Stromdichte ermittelt. Die Erfindung erkannte, dass diese lokale Stromdichte und/oder die lokale Leitwertdichte eine mit vergleichsweise wenig technologischem Aufwand ermittelbare Größe ist, die in der Praxis aber eine wesentlich verlässlichere Aussagekraft über die langfristige Haltbarkeit einer elektrischen Verbindung hat als beispielsweise ein gesamter Leitwert der elektrischen Verbindung. So kann beispielsweise selbst bei einem guten gesamten Leitwert der elektrischen Verbindung eine ungünstige Stromdichte- oder Leitwertdichteverteilung zu einer schnellen Degradation führen, wenn beispielsweise lokale Spitzen in der Stromdichte im normalen Betrieb zu einer lokal stärkeren Erwärmung in der elektrischen Verbindung und damit dauerhaft lokal zu einer Materialveränderung führen. Vor allem wenn es sich um flächige, elektrische Verbindungen handelt, stellte sich die Kenntnis über die zwei-dimensionale Verteilung der Stromdichte und/oder des Leitwerts an der Kontaktfläche als sehr aussagekräftige Information heraus.
• Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, wie sie z.B. aus US 1 440 470 A , US 2 142 619 A und US 4 887 025 A bekannt sind, liefert die vorliegende Erfindung Informationen über die räumliche Verteilung der Widerstände bzw. Leitwerte und Stromdichten. Diese Größen werden erfindungsmäßig über die Messung der elektrischen Potenziale an einer oder mehreren äußeren Grenzflächen der verbundenen und bestromten Leiter und eine sich daran anschließende Stromdichte- und Potenzialfeldberechnung bestimmt werden, womit eine direkte Prüfung und Analyse der elektrischen Verbindung insbesondere bezüglich der in der geplanten Anwendung und für die Haltbarkeit relevanten elektrischen Größen möglich wird. Anders als mit dem in US 4 368 422 A beschriebenen Verfahren lassen sich mit der vorliegenden Erfindung insbesondere auch elektrische Verbindungen mit unregelmäßig geformten Kontaktflächen zuverlässig prüfen.
• Um die Qualität der elektrischen Verbindung noch zuverlässiger beurteilen zu können, wird die ermittelte Stromdichteverteilung bzw. die ermittelte Leitwertdichteverteilung vorzugsweise mit Referenzwerten verglichen. Dabei dient als Referenz (Referenzwerte) insbesondere eine Stromdichteverteilung bzw. Leitwertdichteverteilung in einer idealen elektrischen Verbindung (Sollverbindung) derselben Struktur.
• Als ideale, elektrische Verbindung (Sollverbindung) wird dabei insbesondere eine elektrische Verbindung derselben Geometrie mit denselben Materialien bezeichnet, welche vorgegebenen Qualitätsanforderungen entspricht. Dies kann beispielsweise eine reale, elektrische Verbindung sein, die beispielsweise auch mit anderen, möglicherweise auch technisch aufwändigeren Methoden auf ihre Qualität untersucht und für gut befunden wurde. Dabei kann für diese „Muster“-Verbindung die als Referenz dienende Stromdichteverteilung bzw. Leitwertdichteverteilung analog zum erfindungsgemäßen Vorgehen ermittelt werden, d.h. auf Grundlage eines erfassten/gemessenen zwei-dimensionalen Potentialverteilung an einer Messoberfläche eines elektrischen Leiters der „Muster“-Verbindung. Dabei muss die Messoberfläche der „Muster“-Verbindung in Form, Größe und Position nicht notwendigerweise der Messoberfläche der zu prüfenden Verbindungen übereinstimmen, da erfindungsgemäß eine Bewertung der elektrischen Verbindung ohnehin nicht direkt anhand der erfassten zwei-dimensionalen, elektrischen Potentialverteilung erfolgt, sondern anhand der daraus ermittelten Stromdichteverteilung und/oder Potentialverteilung an der Kontaktfläche zwischen dem ersten und zweiten elektrischen Leiter, also im Inneren der elektrischen Verbindung.
• Als ideale, elektrische Verbindung (Sollverbindung) kann alternativ auch ein rein rechnerisches Modell der elektrischen Verbindung derselben Geometrie mit denselben Materialien genutzt werden. Dazu erfolgt vorzugsweise eine numerische Berechnung der Stromdichteverteilung bzw. Leitwertdichteverteilung an der Kontaktfläche beispielsweise mittels FEM-Simulation (Finite-Elemente-Methode).
• Anhand des Vergleichs der realen Strom- bzw. Leitwertdichteverteilung an der Kontaktfläche der zu prüfenden elektrischen Verbindung mit entsprechenden Referenzwerten einer Sollverbindung erfolgt vorzugsweise eine Bewertung der elektrischen Verbindung. Insbesondere können damit zu prüfende elektrische Verbindung in zwei Kategorien „bestanden“ und „nicht bestanden“ eingeteilt werden, je nachdem, ob Abweichungen der realen Verbindung innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegen oder nicht. Außerdem lassen sich durch einen systematischen Vergleich der zwei-dimensionalen Stromdichteverteilung bzw. Leitwertdichteverteilung von realen Verbindungen mit entsprechenden Referenzwerten (Sollwerten) systematische Fehler bzw. Schwächen der elektrischen Verbindung besser aufdecken und korrigieren als mit herkömmlichen Prüfverfahren, welche beispielsweise auf Grundlage eines einzigen, gesamten Leiterwerts einer elektrischen Verbindung (z.B. Vier-Kontakt-Methode) arbeiten, bevor die realen elektrischen Verbindungen die Toleranzwerte verlassen und verworfen werden müssen. In einer Serienproduktion elektrischer Verbindungen kann damit ein Ausschuss vermieden oder deutlich reduziert werden, indem beispielsweise entsprechende Parameter einer Schweißeinrichtung rechtzeitig und zielgerichtet nachjustiert werden können.
• Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ist es je nach gewünschter Anwendung insbesondere auch möglich, eine qualitative und/oder eine quantitative Bewertung der elektrischen Verbindung vorzunehmen. So können beispielsweise vorab Kriterien festgelegt werden, deren Einhaltung zur Unterscheidung zwischen „Test bestanden“ oder „Test nicht bestanden“ herangezogen werden, um somit beispielsweise eine qualitative Bewertung der elektrischen Verbindung zu erreichen. Alternativ oder zusätzlich kann in einem erfindungsgemäßen Verfahren auch eine quantitative Bewertung der elektrischen Verbindung erfolgen, welche vorzugsweise in (insbesondere zwei-dimensionalen oder besonders bevorzugt sogar dreidimensionalen) ortsaufgelösten Aussagen beispielsweise über die Strom- bzw. Leitwertdichteverteilung und/oder über ein Maß der Abweichung von Idealwerten beispielsweise der Strom- bzw. Leitwertdichteverteilung resultiert.
• Vorzugsweise erfolgt das Erfassen der zwei-dimensionalen, elektrischen Potentialverteilung an der Oberfläche (Messoberfläche) der elektrischen Verbindung durch Messen des lokalen elektrischen Potentials an einer Vielzahl von (diskreten) Punkten eines Punktrasters. Das Punktraster kann dabei durch eine regelmäßige oder unregelmäßige Verteilung von Messpunkte gebildet werden, wobei an jedem Messpunkt ein Potentialsensor das elektrische Potential erfasst, während der Prüfstrom fließt. Vorzugsweise umfasst die Vielzahl von Punkten des Punktrasters zumindest etwa 5 Punkte, insbesondere zumindest etwa 10 Punkte, weiter bevorzugt zumindest etwa 20 Punkte, noch mehr bevorzugt zumindest etwa 50 Punkte, am meisten bevorzugt zumindest etwa 100 Punkte umfasst.
• In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Erfassen des lokalen elektrischen Potentials an der Vielzahl von Punkten des Punktrasters im Wesentlichen gleichzeitig. Hierzu kann beispielsweise ein Messkopf mit einer Vielzahl von rasterartig angeordneten Sensorspitzen (Messfühlern) zum Einsatz kommen. Dadurch ist eine sehr zuverlässige Prüfung der elektrischen Verbindung in sehr kurzer Zeit möglich. Alternativ dazu kann das Erfassen des lokalen elektrischen Potentials an der Vielzahl von Punkte des Punktrasters auch nacheinander erfolgen, indem ein Potentialsensor (Messfühler) die einzelnen Punkte an der Messoberfläche nacheinander anfährt. Es ist auch möglich, eine Untergruppe der Punkte des Punktrasters (z.B. zeilenweise) gleichzeitig zu vermessen und die Messfläche damit nacheinander (z.B. spaltenweise) abzurastern.
• Vorzugsweise legt der erste elektrische Leiter und/oder der zweite elektrische Leiter in einem an die elektrische Verbindung angrenzenden Leitungsbereich durch seinen Verlauf eine Hauptstromrichtung fest, die im Wesentlichen parallel zur Kontaktfläche liegt. Insbesondere in diesem Fall überlappen der erste und der zweite elektrische Leiter somit im Bereich der elektrischen Verbindungsstelle entlang der Hauptstromrichtung zumindest teilweise und bilden insbesondere dort den (zu prüfenden) elektrischen Kontakt zwischen den beiden Leitern durch die Kontaktfläche.
• Besonders bevorzugt liegt die erste Messoberfläche und/oder die zweite Messoberfläche im Wesentlichen parallel zur Kontaktfläche zwischen dem ersten elektrischen Leiter und dem zweiten elektrischen Leiter. „Im Wesentlichen parallel“ bedeutet in diesem Fall, dass kleine Abweichungen von der Parallelität beispielsweise aufgrund von fertigungstechnischen Toleranzen insbesondere bei einem Schweißvorgang erlaubt sein sollen. Insbesondere ist damit eine Abweichung von der Parallelität (Variation des Abstandes zwischen der entsprechenden Messoberfläche und der Kontaktfläche) über die gesamte Messoberfläche von nicht mehr als etwa 40%, vorzugsweise von nicht mehr als etwa 20%, noch mehr bevorzugt von nicht mehr als etwa 10%, am meisten bevorzugt von nicht mehr als etwa 5% gemeint.
• Vorzugsweise ist der Abstand der ersten und/oder zweiten Messoberfläche von der Kontaktfläche nicht größer als eine Länge der Kontaktfläche in Hauptstromrichtung, vorzugsweise nicht größer als etwas 50% dieser Länge, noch mehr bevorzugt nicht größer als etwa 20% dieser Länge, am meisten bevorzugt nicht größer als etwa 10% dieser Länge. Gerade bei einer möglichst guten Parallelität der Messoberfläche zur Kontaktfläche und insbesondere bei einem relative kleinen Abstand der Messoberfläche zur Kontaktfläche bzw. bei einer entsprechend großen (insbesondere langen Messoberfläche) ist das erfindungsgemäße Prüfverfahren besonders verlässlich und effizient. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf derartige Geometrien beschränkt.
• Vorzugsweise weist die erste Messoberfläche und/oder zweite Messoberfläche im Wesentlichen dieselbe Größe (und Form) auf wie die Kontaktfläche. „Im Wesentlichen“ heißt hier vorzugsweise, dass die Abweichung insbesondere nicht größer als etwa 50%, vorzugsweise nicht größer als etwa 20%, noch mehr bevorzugt nicht größer als etwa 10%, am meisten bevorzugt nicht größer als etwa 5% ist.
• Insbesondere zur Untersuchung von elektrischen Verbindungen mit unregelmäßig geformten Kontaktflächen bietet die vorliegende Erfindung vorzugsweise die Möglichkeit zumindest einer weiteren Stromdichte- bzw. Leitwertanalyse auf Basis einer weiteren (zweiten) Messung einer elektrischen Potentialverteilung an der Messoberfläche während eines Einspeisens eines anderen (zweiten) Prüfstroms, welches sich im Verlauf den dem ersten Prüfstrom zumindest teilweise unterscheidet. Insbesondere umfasst das Verfahren somit vorzugsweise nach dem Erfassen der zwei-dimensionalen, elektrischen Potentialverteilung außerdem: Einspeisen eines weiteren (zweiten) Prüfstroms I_P2 durch die Kontaktfläche derart, dass sich ein Strompfad des weiteren Prüfstroms Ip₂ von einem Strompfad des (ersten) elektrischen Prüfstroms I_P (bzw. I_P1) zumindest teilweise unterscheidet; und Erfassen einer weiteren zwei-dimensionalen, elektrischen Potentialverteilung an der ersten und/oder zweiten Messoberfläche. Insbesondere kann der zweite Prüfstrom im Wesentlichen quer zum ersten Prüfstrom bzw. quer zur (während des regulären Betriebs der elektrischen Verbindung vorherrschenden) Hauptstromrichtung eingespeist werden. Es ist insbesondere auch mögliche den zweiten Prüfstrom über eine Stromkontakt im Bereich der zumindest einen Messoberfläche einzuspeisen.
• In einem weiteren Aspekt bietet die Erfindung ein entsprechendes Prüfsystem für eine elektrische Verbindung an einer Kontaktfläche zwischen einem ersten elektrischen Leiter und einem zweiten elektrischen Leiter, umfassend:
• - eine Stromeinspeiseeinrichtung zum Einspeisen eines (vorzugsweise zumindest während des Prüfvorgangs im Wesentlichen konstanten) elektrischen Prüfstroms I_P zwischen dem ersten elektrischen Leiter und dem zweiten elektrischen Leiter durch die zu prüfende elektrische Verbindung (insbesondere durch die Kontaktfläche);
• - eine Potentialerfassungseinrichtung zum Erfassen einer zwei-dimensionalen, elektrischen Potentialverteilung ϕ an einer ersten Messoberfläche des ersten elektrischen Leiters und/oder an einer zweiten Messoberfläche des zweiten elektrischen Leiters;
• - ein Berechnungsmodul zum Ermitteln einer Stromdichteverteilung $\overrightarrow{J}$
  
  durch die Kontaktfläche und/oder einer Leitwertdichteverteilung an der Kontaktfläche aus der erfassten zwei-dimensionalen, elektrischen Potentialverteilung ϕ;
• - ein Vergleichsmodul zum Vergleichen der ermittelten Stromdichteverteilung $\overrightarrow{J}$
  
  bzw. Leitwertdichteverteilung mit Referenzwerten; und
• - ein Bewertungsmodul zum Bewerten der elektrischen Verbindung anhand des Vergleichs.
• Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße System ausgelegt ein erfindungsgemäßes Prüfverfahren insbesondere gemäß einer der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen auszuführen.
• Zusammenfassend bietet die Erfindung somit insbesondere eine Vermessung und nachfolgenden Auswertung der Potenzialverteilung auf den Oberflächen der zu untersuchenden stromdurchflossenen verschweißten Leiter mittels eines auf den elektrotechnischen Grundlagen beruhenden Algorithmus, mit welchem auf die Potenzial- und Stromdichteverteilung innerhalb der Leiter, insbesondere in der Umgebung der zu untersuchenden Verbindung, zurückgerechnet werden kann, womit dann die räumliche Verteilung der Übergangsleitwerte, also der Leitwertflächendichte auf der Kontaktfläche, bestimmt werden kann. Das angestrebte Ergebnis ist also insbesondere eine zwei- oder dreidimensionale Karte der Übergangsleitwerte direkt in der Kontaktfläche bzw. -ebene. Beides - räumliche Verteilung und Verortung in der Kontaktfläche - stellen ein Novum dar.
• Weitere, insbesondere bevorzugte Aspekte und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsformen mit Verweis auf die beigefügten Figuren beschrieben. Dabei zeigen:
• 1 Ansicht einer beispielhaften Verbindung und ihrer Vermessung (drei Ansichten)
• 2: Beispiel eines gemessenen Potenzialfeldes einer beispielhaften Verbindung gemäß 1.
• 3 Veranschaulichung der Stromdichte (Pfeile/Pfeildicke) für eine ideale Verbindung (FEM-Berechnung) für ein Beispiel gemäß 1
• 4 Veranschaulichung der Stromdichteverteilung in z-Richtung für a) eine ideale Verbindung (FEM-Simulation), b) die erfindungsgemäße Berechnung einer idealen Verdingung und c) einer realen Verbindung exemplarisch gemäß dem Beispiel aus 1.
• 5 Bei verändertem Stromfluss a) zeigt die resultierende Stromdichteverteilung b) alle Verbindungskanten der Probe auf.
• 6 Berechneter dreidimensionaler Verlauf a) des Potentials und b) der Stromdichte in z-Richtung. Grundlage der Berechnung ist die in 2 gezeigte Potentialkurve gemäß der beispielhaften Verbindung aus 1.
• 7 Berechnete Stromdichteverteilungen für runde und eckige Kontaktpunkte verschiedener Größen gemäß 1.
• 8 Berechnete Stromdichteverteilungen für benachbarte Kontaktpunkte (auch unterschiedlicher Größen) gemäß 1.
• 9: Berechnete Stromdichteverteilungen für komplexere Kontaktpunkte gemäß 1.
• 10: Beispiele für Stromdichteverteilungen im Querschnitt von Kontaktierungen mit unterschiedlichen Übergangswiderständen für einen idealen Kontakt bzw. eine Referenz (durchgezogene Linie), hohe Übergangswiderstände (gestrichelte und gepunktete Linie).
• 11: Beispiele für Kontaktbereiche unterschiedlicher Größe (11A) und zugehörige Stromdichte im Querschnitt (11B).
• 12: Beispiele für verschieden geformte Kontaktflächen.
• Beispielhaft sei eine elektrische Verbindungsstelle 10 in Form einer flächigen Ultraschallverschweißung zwischen zwei Leitern gemäß 1 betrachtet. 1 zeigt drei unterschiedliche perspektivische Darstellungen der elektrischen Verbindungsstelle 10 zwischen den beiden Leitern. Dabei sind ein erster elektrischer Leiter 20 und ein zweiter elektrischer Leiter 22 an einer Kontaktfläche 24 insbesondere durch flächiges Ultraschallschweißen elektrisch leitfähig miteinander verbunden. Die Materialien der beiden elektrischen Leiter 20, 22 können gleich oder verschieden sein. In der dargestellten Ausführungsform weisen der erste elektrische Leiter 20 und der zweite elektrische Leiter 22 zumindest abschnittsweise eine Längserstreckungsrichtung auf, welche abseits der Kontaktfläche 24, also außerhalb der Verbindungsstelle 10, im Wesentlichen die Flussrichtung eines elektrischen Stroms / festlegt. In der Darstellung von 1 (siehe z.B. oberste dargestellte Perspektive) ist diese Richtung als y-Richtung in einem beispielhaften, kartesischen Koordinatensystem bezeichnet. Außerhalb der Verbindungsstelle 10 fließt der elektrische Strom also im Wesentlichen in y-Richtung (Hauptstromrichtung).
• In der dargestellten Ausführungsform liegt die Kontaktfläche 24 im Wesentlichen in einer Ebene parallel zur Hauptstromrichtung (x-y-Ebene). Die beiden elektrischen Leiter 20, 22 überlappen also in Hauptstromrichtung im Bereich der Verbindungstelle 10. Gerade für diese Art einer elektrischen Verbindung zwischen zwei Leitern, bei denen die Leiter in Hauptstromrichtung zumindest teilweise einander überlappen und der Überlappungsbereich als elektrische Verbindungsstelle 10 ausgebildet ist, eignet sich das erfindungsgemäße Prüfverfahren besonders gut. Dies gilt vor allem wenn die Kontaktfläche 24 im Wesentlichen parallel zur Hauptstromrichtung liegt.
• Insbesondere im Bereich der Verbindungsstelle 10, weist die elektrische Stromdichte aber auch eine z-Komponente auf, welche den elektrischen Strom durch die Kontaktfläche 24 zwischen den beiden elektrischen Leitern 20, 22 darstellt. Im Endeffekt fließt der gesamte elektrische Strom I auch durch die Kontaktfläche 24, wobei im Falle einer guten Schweißverbindung an der Verbindungstelle 10 die elektrische Stromdichte über die gesamte Kontaktfläche 24 hinweg möglichst keine starken, lokalen Stromspitzen aufweist, sondern zumindest teilweise über die Kontaktfläche 24 oder Bereiche davon verteilt ist. Die genaue Verteilung der Stromdichte für eine ideal Verbindungsstelle 10, also eine ideal widerstandsarme Kontaktfläche 24 bzw. eine Kontaktfläche 24 mit ausreichend homogener elektrischer Leitfähigkeit, hängt unter anderem von der Geometrie der elektrischen Leiter 20, 22 und der Kontaktfläche 24 ab. Je nach Geometrie wird die Stromdichte nicht notwendigerweise homogen über die gesamte Kontaktfläche 24 verteilt sein, auch wenn die elektrische Leitfähigkeit an der Kontaktfläche 24 homogen ist, sondern kann durchaus z.B. an Rändern der Kontaktfläche 24 höher sein als etwa in der Mitte der Kontaktfläche 24. Im Endeffekt ist aber eine gute Annäherung der realen Stromdichteverteilung einer zu untersuchenden Verbindungsstelle 10 an die in einer idealen Verbindungsstelle zu erwartende Stromdichteverteilung auch ein sehr gutes Kriterium für die Qualität und Haltbarkeit dieser elektrischen Verbindungstelle 10.
• Um die elektrische Verbindung im Bereich der Verbindungsstelle 10 zu prüfen wird insbesondere ein elektrischer Prüfstrom I_P eingeleitet, welcher vorzugsweise so groß gewählt wird, dass dadurch (zumindest im Falle der Annahme einer guten elektrischen Verbindung zwischen den beiden Leitern) keine wesentliche Temperaturerhöhung im Bereich der Verbindungsstelle 10 auftritt bzw. zu erwarten ist. Der Prüfstrom I_P kann beispielsweise ein Gleichstrom (DC) oder ein Wechselstrom (AC) sein.
• Die Vermessung des räumlichen Potenzialverlaufes erfolgt über zumindest einen Teil der zugänglichen Außenflächen der bestromten elektrisch verbundenen Leiter, deren elektrische Verbindung zu untersuchen ist. Dies kann z.B. sequentiell und vorzugsweise automatisiert über eine bewegliche Kontaktnadel erfolgen, mit welcher über ein gegebenes, möglichst feines räumliches Raster die Potenziale auf der Oberfläche vermessen werden, oder aber auch durch z.B. parallel über ein entsprechendes Kontaktnadelfeld. Anschließend erfolgt insbesondere eine Berechnung des dreidimensionalen Verlaufs des Potenzials und der Stromdichte innerhalb der Leiter, insbesondere um die Kontaktstelle.
• In 1 sind eine erste Messoberfläche 26 als eine Oberfläche des ersten elektrischen Leiters 20 und eine zweite Messoberfläche 28 als eine Oberfläche des zweiten elektrischen Leiters 22 gekennzeichnet. Ja nach Ausführungsform müssen nicht beide Oberflächen der elektrischen Leiter 20, 22 als Messoberflächen zur Verfügung stehen. Insbesondere könnte eine der beiden Flächen beispielsweise durch ein Trägersubstrat oder eine Isolierung bedeckt sein, insbesondere falls die elektrischen Leiter nicht vollständig oder teilweise freitragend ausgebildet sind, sondern auf einem Trägersubstrat angeordnet sind. In einer bevorzugten Ausführungsform ist es auch ausreichend, eine der beiden Oberflächen der elektrischen Leiter 20, 22 im Bereich der Verbindungsstelle 10 als Messoberfläche 26, 28 zur Verfügung zu haben.
• Auf dieser zumindest einen Messoberfläche 26, 28 wird eine zwei-dimensionale, elektrische Potentialverteilung gemessen, während die Verbindungsstelle 10 vom Prüfstrom I_P durchflossen wird. Dazu wird ein entsprechender Messkopf zur Verfügung gestellt, welcher lokal an der Messoberfläche das elektrische Potential bzw. eine elektrische Potentialdifferenz zwischen dem lokalen, elektrischen Potential an der Messoberfläche und einen elektrischen Referenzpotential misst. Die Messung des lokalen elektrischen Potential bzw. einer elektrischen Potentialdifferenz kann in bekannter Weise beispielsweise durch direkten (d.h. ohmschen) elektrischen Kontakt mit dem ersten bzw. zweiten elektrischen Leiter an der entsprechenden Messoberfläche oder durch lokale kapazitive Kopplung an den ersten bzw. zweiten elektrischen Leiter an der entsprechenden Messoberfläche erreicht werden.
• In 1 (oben) ist zur Veranschaulichung der Oberfläche des zweiten elektrischen Leiters 22 als (zweite) Messoberfläche 28 schematisch ein Raster einer Vielzahl von Messpunkten dargestellt. Zum Erfassen der zwei-dimensionalen Potentialverteilung wird vorzugsweise an jedem dieser Messpunkte das lokale elektrische Potential bzw. die entsprechende Potentialdifferenz relativ zum Referenzpotential gemessen. Die Vielzahl von Messpunkten kann dabei ein regelmäßiges (z.B. periodisches) Raster oder eine unregelmäßige (aber bekannte) Anordnung bilden. Vorzugsweise sind die Messpunkte weitgehend gleichmäßig über die Messoberfläche verteilt. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann aber auch in Bereichen, in denen ein höherer Anteil einer Stromdichte-Komponente durch die Kontaktfläche 24 und/oder eine größere Anfälligkeit für Defekte der elektrischen Verbindung (z.B. Randbereiche der Verbindungsstelle 10) zu erwarten ist, die räumliche Dichte der Messpunkte größer sein als in anderen Bereichen.
• In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Messpunkte der zumindest einen Messoberfläche 26, 28 vorzugsweise bei gleichbleibendem Prüfstrom I_P nacheinander untersucht, d.h. ein lokaler Messfühler (z.B. Kontaktnadel) des Messkopfes rastert die Messoberfläche ab. Damit kann mit sehr einfachen Mitteln eines lokalen Potentialmessfühlers eine zwei-dimensionale elektrische Potentialverteilung recht genau erfasst werden.
• In einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden die Messpunkte der zumindest einen Messoberfläche 26, 28 gleichzeitig untersucht. Dazu weist der Messkopf in dieser Ausführungsform vorzugsweise eine Vielzahl von lokalen Messfühlern (z.B. eine Vielzahl von Kontaktnadeln insbesondere entsprechend der Anzahl an Messpunkten) auf. Damit kann in sehr kurzer Zeit eine zwei-dimensionale elektrische Potentialverteilung recht genau erfasst werden.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Messkopf mit einer Vielzahl von Messfühlern benutzt, welche vorzugsweise nur einen Bruchteil der Vielzahl an Messpunkten gleichzeitig abdecken kann. Dieser Messkopf wird dann vorzugsweise mehrfach nacheinander an unterschiedlichen Positionen der zumindest einen Messoberfläche eingesetzt, um dort lokal an jeweils einer Untergruppe der Vielzahl von Messpunkten das elektrische Potential zu erfassen, während der Prüfstrom I_P vorzugsweise konstant bleibt. Damit kann mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand in vergleichsweise kurzer Zeit eine zwei-dimensionale elektrische Potentialverteilung recht genau erfasst werden.
• Also Referenzpotential für insbesondere das lokale elektrische Potential an einem beliebigen, aber während der Messung unveränderten Punkt (Referenzpunkt) auf der zumindest einen Messoberfläche 26, 28 dienen. Aber auch ein anderes Referenzpotential, dessen Wert relativ zum Potential der Messpunkte während der Messung unverändert bleibt oder dessen Änderung zumindest bekannt ist, könnte als Referenzpotential dienen.
• 2 veranschaulicht anhand eines Beispiels einer gemessenen Potenziaiverteilung ein mögliches Messergebnis. Insbesondere sind in 2 in dem in 1 dargestellten x-y-z-Koordinatensystem Äquipotentiallinien der an der zweiten Messoberfläche 28 erfassten elektrischen Potentialverteilung dargestellt. Insbesondere ist darin zu erkennen, dass in der überprüften elektrischen Verbindung das elektrische Potential über die Breite der Verbindung (x-Richtung) weitgehend konstant bleibt, während in Längsrichtung, also parallel zur Hauptstromrichtung, sich das elektrische Potential erwartungsgemäß ändert.
• Ausgehend von dieser Messung der elektrischen Potentialverteilung an der zweiten Messoberfläche 28 wird nun ein drei-dimensionaler Verlauf des Potentials und der Stromdichte innerhalb der beiden elektrischen Leiter 20, 22, insbesondere um die Verbindungsstelle 10 berechnet. Dabei gilt: $$\begin{array}{cccc}\nabla \cdot \overrightarrow{D}=\rho ,& \overrightarrow{D}=\epsilon \overrightarrow{E},& \overrightarrow{J}=\sigma \overrightarrow{E},& \overrightarrow{E}=\nabla \varphi \end{array}$$

  

  mit der elektrischen Flussdichte $\overrightarrow{D},$

  

  der elektrischen Feldstärke $\overrightarrow{E},$

  

  der Permittivität ε , der spezifische Leitfähigkeit σ, der Ladungsdichte p und dem elektrischen Potenzial ϕ. Setzt man homogene Medien voraus, innerhalb derer jeweils die spezifische Leitfähigkeit konstant ist, so verschwindet dort die Raumladung. Ebenso ist vorzugsweise die Permittivität jeweils konstant, und man erhält: $$\begin{array}{c}\nabla \cdot \overrightarrow{D}=\nabla \cdot \left(\epsilon \overrightarrow{E}\right)=\epsilon \nabla \cdot \overrightarrow{E}+\overrightarrow{E}\nabla \epsilon =\epsilon \nabla \cdot \overrightarrow{E}=\rho =0\\ \to \nabla \cdot \overrightarrow{E}=0\to \nabla \left(\nabla \varphi \right)=\mathrm{\Delta }\varphi \mathrm{=0}\end{array}$$

  
• Eine Lösung von (2) führt auf die Potenzialverteilung ϕ und, wegen $$\overrightarrow{J}=\sigma \overrightarrow{E}=\sigma \nabla \varphi$$

  

  auf die Stromdichte $\overrightarrow{J}.$

  

  Die Lösung von (2) wird von Randbedingungen bestimmt, welche vorzugsweise wie folgt festgelegt werden:
1. i) Das elektrische Potenzial an den vermessenen Oberflächen (Messoberflächen) ist durch die Messwerte gegeben,
2. ii) der Anteil der Stromdichte senkrecht zu den äußeren Oberflächen der elektrischen Leiter verschwindet,
3. iii) der Anteil der Stromdichten senkrecht zur Kontaktfläche 24 ist in beiden elektrischen Leitern 20 und 22 gleich,
4. iv) für eine definierte Fläche ist die Stromdichte über den Strom gegeben; insbesondere entspricht das Integral der Stromdichte senkrecht zu jeder Fläche innerhalb der Verbindungsstelle über diese Fläche, welche in allen Richtungen zu den seitlichen Ränder beider elektrischer Leiter reicht, dem Prüfstrom I_P.
• In der Randbedingung iv) ist die Stromdichte für die Lösung von (2) noch nicht ausreichend definiert, da ihre räumliche Verteilung über die Fläche noch frei ist. Für die erfindungsrelevante Lösung darf aber z.B. in einem ausreichenden Abstand von der Verbindung eine homogene Stromdichte-verteilung senkrecht über einen gegeben Querschnitt angenommen werden. Es sei betont, dass dies ein exemplarischer Ansatz ist. In komplexeren Geometrien sind auch andere Beschreibungen der Randbedingung iv) möglich.
• Zur Veranschaulichung stellt Fig. 3 für das bereits in 1 vorgestellte Beispiel einer flächigen Verbindung die Stromdichte für eine ideale elektrische Verbindung dar, d.h. einer Verbindung mit verschwindendem Übergangswiderstand (aus FEM-Berechnung). Deutlich ist links und rechts in geringem Abstand zur Verbindungstelle 10 eine in guter Näherung homogene Stromdichte erkennbar. Der Stromübergang vom ersten elektrischen Leiter 20 auf den zweiten elektrischen Leiter 22, also durch die Kontaktfläche 24, findet hauptsächlich in der Nähe der Verbindungskanten statt, dort wo sich der Stomfluss auf den größeren Querschnitt aufweitet (linker Rand der Verbindungsstelle) bzw. auf den geringeren Querschnitt einengt (rechter Rand der Verbindungsstelle). Im mittleren Bereich der Verbindungsstelle fließt der Prüfstrom weitgehend parallel zur Kontaktfäche 24, so dass dort die Komponente der Stromdichte durch die Kontaktfläche 24 klein ist.
• 4A zeigt eine resultierende Stromdichteverteilung durch die Kontaktfläche (d.h. z-Komponente des Stromdichtevektors) aus der FEM-Methode. Dabei sind die Linien konstanter Stromdichte dargestellt. Während die z-Komponente des Stromdichtevektors in der Nähe der Mitte der Kontaktfläche (y = 0) fast null ist, nimmt der Betrag zu den Rändern der Kontaktfläche (y = +/- 5mm) hin zu. Diese Stromdichteverteilung entspricht einem idealen flächigen Kontakt. Die Verbindungskanten in Flussrichtung zeigen wie erwartet die höchste Stromdichte.
• Aus der FEM-Methode von 4A kann auch eine simulierte Potentialverteilung an der Messoberfläche bzw. den Messoberflächen entnommen werden. Wird nun diese simulierte Potentialverteilung genutzt, um in einem erfindungsgemäßen Prüfverfahren für die Ermittlung der Stromdichteverteilung anstelle einer real gemessenen Potentialverteilung verwendet zu werden, so ergibt sich als ermittelte Stromdichteverteilung beispielsweise die in 4B dargestellt Stromdichteverteilung, welche erwartungsgemäß zu der in 4A dargestellten Stromdichteverteilung vergleichbare Verläufe aufweist. Somit liefern Simulation und erfindungsgemäße Berechnung vergleichbare Ergebnisse. Wird nun ein realer Kontakt einer Verbindung gemäß 1 untersucht, für welchen das reale Eingangspotential die Verteilung aus 2 aufweist, so zeigt 4C die erfindungsgemäß berechnete Stromdichteverteilung dieses realen Kontakts. Dabei wurde in 4C ein anderer Nullpunkte des x-y-z-Koordinatensystems gewählt. Die geplante Größe des Verbindungsstelle stimmt aber im Wesentlichen überein.
• Davon ausgehend, dass auch im realen Kontakt die höchste Stromdichte die Verbindungskanten in Flussrichtung anzeigt, lässt sich die Form der wirksamen Kontaktfläche identifizieren. Es ist deutlich zu sehen, dass der elektrische Kontakt nicht über die gesamte Kontaktfläche ausgeformt ist. Beispielsweise scheint im Bereich von etwa y = 8,5 mm ein Rand der wirksamen Kontaktfläche aufzutreten. Dies lässt darauf schließen, dass die Kontaktfläche zwischen y = 8,5 mm und y = 10 mm nicht gut verschweißt ist.
• Im Allgemeinen ist die Implementierung der vorliegenden Erfindung insbesondere hinsichtlich des Vergleichs der ermittelten Daten der konkreten elektrischen Verbindung mit Referenzwerten auf unterschiedliche Weise möglich. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt der Vergleich der ermittelten Stromdichteverteilung direkt mit einer als Referenzwerte in einer Datenbank hinterlegten Stromdichteverteilung einer guten bzw. idealen bzw. fehlerfreien elektrischen Verbindung. Dabei können die Referenzwerte der Stromdichteverteilung aus Messwerten an einer realen und evtl. durch andere Verfahren als ausreichend gut befundenen elektrischen Verbindung bereitgestellt und in der Datenbank direkt hinterlegt (gespeichert) sein. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei den Referenzwerten um simulierte Werte der Stromdichteverteilung auf Basis eines Modells der elektrischen Verbindung. Alternativ erfolgt der Vergleich der ermittelten Stromdichteverteilung mit Referenzwerten indirekt, indem nicht direkt eine Abweichung der realen, lokalen Stromdichte von einer idealen lokalen Stromdichte ermittelt wird, sondern aus der realen lokalen Stromdichte beispielsweise eine lokale elektrische Leitfähigkeit an einer Kontaktfläche zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Leiter ermittelt und diese dann mit einem Referenzwert (Sollwert) der elektrischen Leitfähigkeit verglichen wird.
• In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt ein Vergleich mit einer Referenz über die Bestimmung einer Qualitätskenngröße K, welche beispielsweise als Mittelwert bzw. in Abhängigkeit vom Mittelwert der quadratischen Abweichung der realen Stromdichte von der idealen Stromdichte über alle Bewertungspunkte bestimmt wird. Beispielsweise kann die Qualitätskenngröße bestimmt werden über: $$K=\sqrt{\frac{1}{N}{\displaystyle {\sum }_{i=1}^N{\left(\left|\frac{J_{P,i}-J_{R,i}}{J_{R,max}}\right|\cdot 100\right)}^2}}$$

  
• mit i = Index der Berechnungspunkte auf dem untersuchten Messfeld,
• N = Gesamtzahl der Berechnungspunkte,
• J_R,i = Stromdichte der Referenz im jeweiligen Berechnungspunkt i,
• J_R,max = maximale Stromdichte der Referenz,
• J_P,i = Stromdichte der untersuchten Probe im jeweiligen Berechnungspunkt i.
• 10 zeigt beispielhaft Querschnitte der Stromdichteverteilung entlang der y-Achse für verschiedene Verbindungen. Einen idealen Verlauf gibt in diesem Beispiel die durchgezogene Linie wieder (Referenz). Die beiden anderen Verläufe entsprechen Kontaktierung mit höheren Übergangswiderständen. Für dieses genannte Beispiel würde für die Qualitätskenngrößen K der nicht idealen Verläufe folgen:
• K_{gestrichelt,2D} = 4.6%
• K_gepunktet,2D=10.4%
• Je kleiner K ist, desto idealer ist der Kurvenverlauf. Die Bestimmung von K kann eindimensional oder auch zweidimensional für die gesamte Fläche erfolgen. Hierbei kann auch ein einzuhaltender Grenzwert definiert werden (zum Beispiel 5%).
• Ein weiteres Beispiel für eine Vergleichsmöglichkeit wäre über die Ausdehnung der Kontaktflächen gegeben. 11A zeigt Kontaktbereiche unterschiedlicher Ausdehnung. Dabei repräsentiert die weiße Fläche das Messfeld, die gepunktete Fläche den Kontaktbereich der Referenz und die gestreifte Fläche den Kontaktbereich der zu untersuchenden Probe. 11B zeigt zu diesem Beispiel gehörende Stromdichteverläufe entlang der y-Achse. Über die Ausdehnung der Kontaktfläche in y-Richtung kann durch den Vergleich mit einer Referenz ebenfalls wie im Beispiel vorher eine Qualitätskenngröße G_y bestimmt werden. Auch hier kann die Bestimmung eindimensional oder zweidimensional erfolgen. Für den zweidimensionalen Fall z.B. analog zu Formel (4) oder für den eindimensionalen Fall z.B. gemäß: $$G_y=\left|\frac{Y_P-Y_R}{Y_R}\right|=5\%\left(\text{zum Beispiel}\right)$$

  
• mit Y_R = Kontaktlänge in y-Richtung der Referenz
• Y_P = Kontaktlänge in y-Richtung der untersuchten Probe.
• Analog kann für die x-Richtung und die Bestimmung eines Qualitätskenngröße G_X vorgegangen werden.
• Ein weiteres Beispiel wäre der direkte Vergleich der Kontaktflächen. 12A und 12B zeigt beispielhaft verschieden geformte Kontaktflächen. Wiederum repräsentiert die weiße Fläche das Messfeld, die gepunktete Fläche den Kontaktbereich der Referenz und die gestreifte Fläche den Kontaktbereich der zu untersuchenden Probe. Auch hier lässt sich eine Qualitätskenngröße G_F definieren. Z. B. wie folgt: $$G_F=\left|\frac{F_P-F_R}{F_R}\right|=5\%\left(\text{zum Beispiel}\right)$$

  
• Mit F_R = Kontaktfläche der Referenz und
• F_P = Kontaktfläche der untersuchten Probe.
• Dies alles sind nur Beispiele für einen Vergleich mit Referenzen. Weitere Möglichkeiten sind denkbar.
• Eine noch genauere Analyse der wirksamen Kontaktfläche und damit der Qualität der elektrischen Verbindungsstelle ist möglich, wenn der Prüfstrom für einen weiteren (zusätzlichen) Prüfschritt mit einer oder mehreren anderen Stromrichtungen, z.B. quer zur Hauptstromrichtung, also in x-Richtung eingeprägt wird, um dann erneut die zwei-dimensionale Potentialverteilung an der zumindest einen Messoberfläche zu erfassen. Dies ist schematisch in 5A veranschaulicht. Dabei wird der Prüfstrom an einem der beiden elektrischen Leiter 20, 22 ein- und am anderen der beiden elektrischen Leiter 20, 22 wieder ausgekoppelt. 5B zeigt die dabei aus der an Messoberfläche 28 erfassten elektrischen Potentialverteilung ermittelte Stromdichteverteilung an der Kontaktfläche 24. Damit lassen sich alle Kanten der wirksamen Kontaktfläche sichtbar machen und somit auch die Abmessungen der wirksamen Verbindungsstelle bestimmen.
• 6 zeigt die dreidimensionalen Potential- (6A) und Stromdichte-Verläufe (6B) exemplarisch für den zweiten elektrischen Leiter 22, berechnet anhand der in 2 gezeigten Potentialverteilung. Gezeigt ist jeweils der Verlauf für die einzelnen Ebenen beginnend bei der Messoberfläche 28 (z = 0) bis hin zur Kontaktfläche 24 (z = 0.6 mm).
• Mit dem erfindungsgemäßen Prüfverfahren lassen sich sehr effizient neben flächigen Verbindungen auch einzelne Verbindungspunkte untersuchen bzw. prüfen. 7 zeigt Beispiele für runde und eckige Verbindungspunkte verschiedener Größen gemäß dem Modell aus 1. Die Grundlage dieses und der folgenden Beispiele sind anhand von FEM-Simulationen erzeugte Potentialkurven. Diese wurden für die weiteren erfindungsgemäßen Berechnungen verwendet. Abhängig von der Geometrie des Probekörpers, der Verbindungsstelle und des dadurch vorgegeben Messstroms lassen sich Verbindungsstellen auch vollständig und nicht nur an den Verbindungskanten erfassen.
• Weiter lassen sich auch benachbarte Verbindungspunkte (auch unterschiedlicher Größe) nachweisen, wie beispielsweise in 8 veranschaulicht. Auch komplexe Verbindungspunkte können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sehr effizient geprüft werden (z.B. 9).
• Für die Auswertung, also die Analyse der elektrischen Verbindung, sind insbesondere zwei Verfahren besonders vorteilhaft:
1. a) Analyse über die Stromdichteverteilung senkrecht zur Kontaktebene: Zunächst ist daraus direkt die äußere Abmessung der wirksamen Verbindung ableitbar, also z.B. die Lage, Form und Ausdehnung des Schweißpunktes. Auch benachbarte oder unterbrochene Schweißpunkte lassen sich nachweisen. Weiterhin kann durch Vergleich mit einer theoretischen Idealverteilung, z.B. über eine FEM-Simulation generiert, oder der Verteilung eines validierten Gutteiles (eines golden Samples) eine qualitative räumliche Verbindungsanalyse durchgeführt werden. Derartige Stromdichteverteilungen sind beispielhaft gezeigt in 4-9.
2. b) Analyse über die Leitwertdichteverteilung an der Kontaktfläche. Nachdem analytische Lösungen für Algorithmen zur Analyse der Leitwertdichteverteilungen aus gemessenen Potentialverteilungen nur für sehr einfache Geometrien und Randbedinungen möglich sind, welche aber in bevorzugten Anwendungsgebieten der vorliegenden Erfindung in der Regel nicht gegen sind, werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise numerische Lösungen verwendet, von denen zwei besonders bevorzugte im Folgenden beschrieben werden:
   • - Berechnungsverfahren auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM). Hierbei werden stets die konkreten Randbedingungen der jeweiligen Geometrie der Verbindungsstelle berücksichtigt (bspw. Ladungserhaltung usw.).
   • - Unter der Annahme, dass das Potenzial über eine zweifach differenzierbare Funktion f(r), z.B. ein mehrdimensionales Polynom, in guter Näherung dargestellt werden kann, lassen sich Ausdrücke für die Randbedingungen ableiten, welche die Bestimmung der Parameter von f(r) ermöglichen. Da die Funktion f(r) per Definition keine exakte Lösung darstellt, erfolgt die Parametrierung vorzugsweise mittels Best-Fit Methoden. Der Vorteil dieser Methode liegt darin, dass mit einer derartig gefundenen Lösung sich sehr einfach die beschriebenen Auswertungen, also Stromdichteverteilung und Potenzialfeld im Kontaktbereich, ergeben.
• Eine weiter bevorzugte Variante des obigen Verfahrens ist, dass nicht über das gesamte gemessene Potenzialfeld eine derartige Funktion parametriert wird, sondern lediglich über einen Teilbereich. Dieser kann dann über den zu untersuchenden Raum, z.B. über der Kontaktfläche 24, verschoben werden. Vorteil ist dabei, dass die Anzahl der Parameter für f(r) geringer gehalten werden kann, auch wenn man damit einen ungünstigen Einfluss von Randeffekten in Kauf nehmen muss. Im Einzelfall ist das Vorgehen insbesondere der Geometrie anzupassen.
• Eine grundsätzliche Eigenschaft des Verfahrens ist, dass Übergangswiderstände dort mit höherer Genauigkeit ermittelt werden können, wo sich aus dem eingekoppelten Prüfstrom eine höhere Stromdichte senkrecht zur Kontaktfläche ergibt. So zeigt z.B. die Simulation gemäß Fig. 4 und 5B, dass im inneren Bereich der Verschweißung die Genauigkeit sehr viel geringer sein wird als an den Rändern. Dieser Umstand ist zunächst positiv, da das Messverfahren somit dort am genauesten ist, wo hohe Stromdichten herrschen, mithin wo es relevant ist, eventuelle Fehler des wirksamen Kontaktes aufzudecken, um einen Schaden oder eine zu schnelle Degradation der gesamten Verbindung zu vermeiden bzw. früh genug zu erkennen.
• Sollen aber auch die anderen Bereiche genauer untersucht werden, so wird vorzugsweise die Stromdichteverteilung dadurch aktiv verändert, dass die Position der Einkopplung eines Prüfstroms verändert wird, beispielsweise aber nicht beschränkt auf:
• - Einprägen von anderen Stromflüssen, z.B. durch Setzen von Elektroden an den Rändern der Leiter (beispielhaft gezeigt in 5),
• - Setzen von stromführenden Hilfselektroden auf den Oberflächen,
• - Applikation von starken Magnetfeldern und
• - Kombination der oben genannten Maßnahmen.
• Zusammenfassend kann die Erfindung je nach Ausführungsform einen oder mehrere der folgenden Vorteile und Verbesserungen erreichen. Auch wenn eine Auswertung der zwei-dimensionalen Potentialverteilung mittels eines numerischen Algorithmus gemäß der vorliegenden Erfindung auf den ersten Blick sehr aufwändig erscheinen mag, so bietet die einmal softwaretechnisch implementierte Auswertung nachfolgend eine wesentliche Verbesserung der Zuverlässigkeit bei der Prüfung und Beurteilung elektrischer Verbindungen bei einem vergleichsweise moderaten Messaufwand im Einzelfall. Die vorliegende Erfindung eignet sich somit besonders gut für die Qualitätsüberwachung in einem laufenden Produktionsbetrieb und ist insbesondere nicht auf die Entwicklung von Prototypen für elektrische Verbindungen beschränkt. Insbesondere ist vorteilhaft, dass
• - die elektrischen Eigenschaften direkt vermessen werden, also nicht über andere physikalische Eigenschaften bestimmt werden müssen,
• - der messtechnische Aufwand moderat ist und auf gängiger Messtechnik aufbaut,
• - es sich um ein bildgebendes Verfahren handelt, also einem Verfahren zur bisher nicht möglichen räumlichen Bestimmung von nicht physisch zugänglichen Übergangswiderständen, mit der damit verbundenen bedeutend höheren Analysetiefe,
• - sich zusätzlich Größe und Form der Verbindungsstelle bestimmen lassen, was bisher mit elektrischen Verfahren nicht exakt möglich war,
• - als Nebeneffekt sich auch Stromdichteanalysen machen lassen, womit Leiterform- und Materialoptimierungen möglich sind,
• - es hinsichtlich der Auswertung um ein sehr schnelles Verfahren handelt, die Messzeit also nur durch die Messtechnik begrenzt ist und letztere durch Parallelisierung verkürzt werden kann,
• - es in keiner Weise destruktiv ist,
• - Proben leicht und schnell adaptiert werden können,
• - in einer vereinfachten Form somit auch das Potenzial für End-of-Line Prüfungen besteht und
• - andererseits im Laborbereich sehr präzise Messungen möglich sind.
• Bezugszeichenliste

10

elektrische Verbindung

20

erster elektrischer Leiter

22

zweiter elektrischer Leiter

24

Kontaktfläche

26

erste Messoberfläche

28

zweite Messoberfläche

• 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
• US 1440470 A [0004, 0014]
• US 2142619 A [0004, 0014]
• US 4887025 A [0004, 0014]
• US 4368422 A [0005, 0014]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• Gerhard Mook et al. in „Electromagnetic Imaging Using Probe Arrays“, Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 57(2011)3, 227-236 [0006]

Claims (12)

1. Verfahren zur Prüfung einer elektrischen Verbindung (10) an einer Kontaktfläche (24) zwischen einem ersten elektrischen Leiter (20) und einem zweiten elektrischen Leiter (22), umfassend: - Einspeisen eines elektrischen Prüfstroms I_P zwischen dem ersten elektrischen Leiter (20) und dem zweiten elektrischen Leiter (22) durch die zu prüfende elektrische Verbindung (10); - Erfassen einer zwei-dimensionalen, elektrischen Potentialverteilung ϕ an einer ersten Messoberfläche (26) des ersten elektrischen Leiters (20) und/oder an einer zweiten Messoberfläche (28) des zweiten elektrischen Leiters (22); - Ermitteln einer Stromdichteverteilung $\overrightarrow{J}$

   

   durch die Kontaktfläche (24) und/oder einer Leitwertdichteverteilung an der Kontaktfläche (24) aus der erfassten zweidimensionalen, elektrischen Potentialverteilung ϕ; - Vergleichen der ermittelten Stromdichteverteilung $\overrightarrow{J}$

   

   bzw. Leitwertdichteverteilung mit Referenzwerten; und - Bewerten der elektrischen Verbindung anhand des Vergleichs.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erfassen der zwei-dimensionalen, elektrischen Potentialverteilung an der Oberfläche der elektrischen Verbindung durch Messen des lokalen elektrischen Potentials an einer Vielzahl von Punkten eines Punktrasters erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Erfassen des lokalen elektrischen Potentials an der Vielzahl von Punkten des Punktrasters gleichzeitig erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Vielzahl von Punkten des Punktrasters zumindest etwa 5 Punkte, vorzugsweise zumindest etwa 10 Punkte, weiter bevorzugt zumindest etwa 20 Punkte, noch mehr bevorzugt zumindest etwa 50 Punkte, am meisten bevorzugt zumindest etwa 100 Punkte umfasst.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der erste elektrische Leiter (20) und/oder der zweite elektrische Leiter (22) in einem an die elektrische Verbindung angrenzenden Leitungsbereich eine Hauptstromrichtung festlegt, die im Wesentlichen parallel zur Kontaktfläche (24) liegt.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die erste Messoberfläche (26) und/oder die zweite Messoberfläche (28) im Wesentlichen parallel zur Kontaktfläche (24) zwischen dem ersten elektrischen Leiter (20) und dem zweiten elektrischen Leiter (22) liegt bzw. liegen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Abstand der ersten und/oder zweiten Messoberfläche von der Kontaktfläche nicht größer als eine Länge der Kontaktfläche, vorzugsweise nicht größer als etwas 50% dieser Länge, noch mehr bevorzugt nicht größer als etwa 20% dieser Länge, am meisten bevorzugt nicht größer als etwa 10% dieser Länge ist.
8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die erste Messoberfläche (26) und/oder zweite Messoberfläche (28) im Wesentlichen dieselbe Größe aufweist wie die Kontaktfläche (24).
9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei als Referenzwerte Werte einer Stromdichteverteilung bereitgestellt werden, die durch Messung an einer idealen Verbindungsstelle ermittelt wurden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei als Referenzwerte Werte einer Stromdichteverteilung bereitgestellt werden, die durch Simulation einer idealen Verbindungsstelle insbesondere mittels Finite-Elemente-Methode ermittelt wurden.
11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, welches nach dem Erfassen der zwei-dimensionalen, elektrischen Potentialverteilung außerdem umfasst: - Einspeisen eines weiteren Prüfstroms I_P2 durch die Kontaktfläche derart, dass sich ein Strompfad des weiteren Prüfstroms I_P2 von einem Strompfad des elektrischen Prüfstroms I_P zumindest teilweise unterscheidet; und - Erfassen einer weiteren zwei-dimensionalen, elektrischen Potentialverteilung an der ersten und/oder zweiten Messoberfläche.
12. Prüfsystem für eine elektrische Verbindung (10) an einer Kontaktfläche (24) zwischen einem ersten elektrischen Leiter (20) und einem zweiten elektrischen Leiter (22), umfassend: - eine Stromeinspeiseeinrichtung zum Einspeisen eines elektrischen Prüfstroms I_P zwischen dem ersten elektrischen Leiter (20) und dem zweiten elektrischen Leiter (22) durch die zu prüfende elektrische Verbindung (10); - eine Potentialerfassungseinrichtung zum Erfassen einer zwei-dimensionalen, elektrischen Potentialverteilung ϕ an einer ersten Messoberfläche (26) des ersten elektrischen Leiters (20) und/oder an einer zweiten Messoberfläche (28) des zweiten elektrischen Leiters (22); - ein Berechnungsmodul zum Ermitteln einer Stromdichteverteilung $\overrightarrow{J}$

    

    durch die Kontaktfläche (24) und/oder einer Leitwertdichteverteilung an der Kontaktfläche (24) aus der erfassten zwei-dimensionalen, elektrischen Potentialverteilung ϕ; - ein Vergleichsmodul zum Vergleichen der ermittelten Stromdichteverteilung $\overrightarrow{J}$

    

    bzw. Leitwertdichteverteilung mit Referenzwerten; und - ein Bewertungsmodul zum Bewerten der elektrischen Verbindung anhand des Vergleichs.

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