DE102018200105A1

DE102018200105A1 - Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Laserbondverbindung sowie Laserbondverbindung

Info

Publication number: DE102018200105A1
Application number: DE102018200105.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Alves Goncalves Do Curral; Ronny Wolf; Friedhelm Guenter; Emilia Schwindt; Bernd Jahrsdoerfer; Andreas Heider; Nathanael Eisenreich; Christoph Bantel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-01-05
Filing date: 2018-01-05
Publication date: 2019-07-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Laserbondverbindung, wobei in einem ersten Verfahrensschritt ein Bondelement (1) bereitgestellt wird, wobei das Bondelement (1) aus einem ersten Material (11) ausgebildet ist sowie eine Beschichtung (2) aus einem zweiten Material (21) aufweist und in einem zweiten Verfahrensschritt ein aus einem dritten Material (31) ausgebildetes Kontaktelement (3) bereitgestellt wird, und in einem dritten Verfahrensschritt das Bondelement (1) und das Kontaktelement (3) unter Einwirkung eines Lasers (5) gefügt unmittelbar miteinander verbunden werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Laserbondverbindung nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Laserbondverbindung.
Die Druckschrift US 9 452 490 B2 offenbart ein Verfahren zur Verbindung zweier Metalle.
Offenbarung der Erfindung
Ein Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Laserbondverbindung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs bietet den Vorteil, dass ein Bondelement und ein Kontaktelement ohne die Notwendigkeit eines weiteren zwischen dem Bondelement und dem Kontaktelement angeordneten Zwischenelements unmittelbar bzw. direkt gefügt miteinander verbunden werden können.
Dazu wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Laserbondverbindung zur Verfügung gestellt.
Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt ein Bondelement bereitgestellt. Das Bondelement ist dabei aus einem ersten Material ausgebildet und weist eine Beschichtung aus einem zweiten Material auf.
Dabei wird in einem zweiten Verfahrensschritt ein Kontaktelement bereitgestellt. Das Kontaktelement ist dabei aus einem dritten Material ausgebildet.
Dabei werden in einem dritten Verfahrensschritt das Bondelement und das Kontaktelement unter Einwirkung eines Lasers gefügt unmittelbar miteinander verbunden.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegeben Vorrichtungen möglich.
Hierzu sei an dieser Stelle bemerkt, dass unter einer Laserbondverbindung eine mittels Laserbondens ausgebildete Verbindung bezeichnet sein soll, wobei es sich bei dem Laserbonden um ein Kombinationsverfahren handelt, bei welchem die Verbindung mittels eines Laserfügeprozesses bzw. eines Laserschweißprozesses ausgebildet wird.
Somit unterscheidet sich das Laserbonden beispielsweise von einem Ultraschallbonden, bei welchem die Verbindung mittels eines Ultraschallfügeprozesses ausgebildet wird.
Somit ergeben sich bei einem mittels Laserbondens ausgeführten Verfahren weiterhin verschiedene und neue Anwendungsmöglichkeiten.
Dabei soll unter einer direkten Verbindung des Bondselements und des Kontaktelements miteinander verstanden sein, dass diese unmittelbar ohne ein weiteres Zwischenelement miteinander verbunden sind, was noch beschrieben wird.
An dieser Stelle sei hierzu bemerkt, dass das erste Material und das zweite Material vorzugsweise voneinander verschiedene Materialien sein sollen.
Es ist dabei zweckmäßig, wenn das zweite Material der Beschichtung einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als das erste Material des Bondelements.
Dadurch ist es mit dem beschriebenen Verfahren im Unterschied zu aus dem Stand der Technik bekannten Laserbondverfahren möglich, eine Diffusionsverbindung auszubilden.
Insgesamt kann dabei auch die mittels des Lasers zur Verbindung des Bondelements und des Kontaktelements miteinander eingebrachte Laserenergie geringer gewählt werden als bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, so dass die Fügezone insgesamt weniger Energie und insbesondere weniger erzeugte Wärme aufzunehmen hat.
Dadurch kann insbesondere auf ein zwischen dem Bondelement und dem Kontaktelement angeordnetes als Bondpad bezeichnetes Zwischenelement verzichtet werden, ohne dass Schädigungen beispielsweise an dem Kontaktelement aufgrund der eingebrachten Laserenergie entstehen.
Insbesondere bei der Verbindung des Bondelements mit einem als Überwachungssystem bzw. als Schaltungsträger ausgebildeten Kontaktelement bietet dies den Vorteil einer unmittelbaren bzw. direkten Kontaktierung.
An dieser Stelle sei bemerkt, dass durch den Verzicht auf als Bondpads bezeichnete Zwischenelemente auch eine Kosteneinsparung möglich ist, und weiterhin auch auf eine Bestückung bspw. des Überwachungssystems mit einer Mehrzahl an Bondpads verzichtet werden kann.
Von Vorteil ist es, wenn das erste Material des Bondelements ausgewählt wird als Aluminium, Kupfer oder Nickel.
Somit kann ein aus einem metallischen Werkstoff ausgebildetes Bondelement mit einer ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit zur Verfügung gestellt werden. Beispielsweise kann ein solches Bondelement zur Kontaktierung und/oder zur Verschaltung von elektrischen Komponenten eines Batteriemoduls, wie beispielsweise von Spannungsabgriffen von Batteriezellen oder Leiterplatten, eingesetzt werden.
Weiterhin ist es auch zweckmäßig, wenn das dritte Material ausgewählt wird als Aluminium, Kupfer oder Nickel.
Somit kann ein aus einem metallischen Werkstoff ausgebildetes Kontaktelement mit einer ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit zur Verfügung gestellt werden. Beispielsweise kann ein solches Kontaktelement ein Kontaktelement eines Batteriemoduls, wie beispielsweise ein Spannungsabgriff einer Batteriezelle, oder auch ein Kontaktelement einer Leiterplatte sein, wie beispielsweise eine Leiterbahn eines Schaltungsträgers.
Des Weiteren ist es auch von Vorteil, wenn das zweite Material der Beschichtung ausgewählt wird als Zinn oder eine Zinn enthaltende Legierung.
Somit ist es möglich, eine Beschichtung des Bondelements zur Verfügung zu stellen, welche aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet ist und weiterhin einen vergleichbar niedrigeren Schmelzpunkt aufweist.
Dadurch ist es möglich, in dem dritten Verfahrensschritt mittels des Lasers die Beschichtung des Bondelements, welche bevorzugt aus Zinn oder einer Zinn enthaltenden Legierung ausgebildet ist, mit einem vergleichbar geringeren Energieeintrag solange zu erwärmen, bis die Beschichtung aufschmilzt.
Dabei kann das geschmolzene Material der Beschichtung anschließend sowohl das Bondelement als auch das Kontaktelement benetzen.
Nach Wegnahme der Lasereinwirkung und somit der Energieeinwirkung erstarrt das geschmolzene Material der Beschichtung wieder, wodurch eine Diffusionsverbindung zwischen dem Bondelement und dem Kontaktelement ausgebildet ist.
Somit ist eine elektrisch leitende und unmittelbare Verbindung zwischen dem Kontaktelement und dem Bondelement ausgebildet.
Eine solche Verbindung soll an dieser Stelle als Diffusionsverbindung bezeichnet sein.
Vorteilhafterweise weist das Bondelement eine senkrecht zu einer Längsrichtung des Bondelements angeordnete Querschnittsfläche auf.
Dabei weist die Querschnittsfläche des Bondelements eine quadratische, rechteckige oder runde Form auf.
Somit ist es möglich, unterschiedliche Ausführungsformen eines Bondelements, welche an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden können, zur Verfügung zu stellen.
Es ist auch vorteilhaft, wenn das Bondelement eine senkrecht zu einer Längsrichtung des Bondelements angeordnete Breite aufweist.
Dabei weist die Breite des Bondelements einen Wert kleiner als 5 cm auf. Bevorzugt weist die Breite des Bondelements einen Wert kleiner als 1 cm auf. Insbesondere weist die Breite des Bondelements einen Wert kleiner als 0,5 cm auf.
Beispielsweise kann die Breite des Bondelements einen Wert von 0,1 cm aufweisen.
Dabei ist es beispielsweise mit größeren Querschnittsflächen bzw. mit größeren Breiten möglich, bei dem Einsatz eines Bondelements in einem Batteriemodul eine ausreichende Leitung des elektrischen Stroms zur Verfügung zu stellen.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist das in dem zweiten Verfahrensschritt bereitgestellte Kontaktelement ein Spannungsabgriff einer Batteriezelle eines Batteriemoduls oder ein Überwachungssystem eines Batteriemoduls oder einer Leistungselektronik.
Dabei sollen unter einem Überwachungssystem eines Batteriemoduls beispielsweise Schaltungsträger oder Leiterplatten, wie Leiterplatten aus Niedertemperatur-Einbrand-Keramiken oder auch Hochtemperatur-Einbrand-Keramiken verstanden sein.
Somit ist es beispielsweise zum einen möglich, Batteriezellen eines Batteriemoduls elektrisch leitend seriell und/oder parallel miteinander zu verbinden. Weiterhin ist es beispielsweise zum anderen möglich, eine Batteriezelle elektrisch leitend mit dem Überwachungssystem des Batteriemoduls zu verbinden.
Insgesamt ist es mit einem erfindungsgemäßen Verfahren dabei möglich, Batteriezellen eines Batteriemoduls elektrisch zu kontaktieren und/oder einzelne Batteriezellen eines Batteriemoduls elektrisch leitend miteinander zu verbinden, wodurch die Batteriezellen auf flexible Weise zu einem Batteriemodul mit einer Mehrzahl an elektrisch leitend verbundenen Batteriezellen verschaltet sein können.
An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass solche Bondelemente bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer oder Nickel, ausgebildet sind und bevorzugt eine Breite aufweisen, welche eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit zur Verfügung stellt.
Insbesondere weist dabei das in dem ersten Verfahrensschritt bereitgestellte Bondelement ein erstes Ende und ein zweites Ende auf.
Weiterhin kann dabei das erste Ende mit dem Spannungsabgriff einer Batteriezelle gefügt verbunden werden und das zweite Ende mit dem Spannungsabgriff einer weiteren Batteriezelle gefügt verbunden werden.
Somit ist eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Batteriezelle und der weiteren Batteriezelle möglich.
Weiterhin kann dabei das erste Ende mit dem Spannungsabgriff einer Batteriezelle gefügt verbunden werden und das zweite Ende mit dem Überwachungssystem des Batteriemoduls gefügt verbunden werden.
Somit ist eine elektrische Kontaktierung der Batteriezelle möglich.
Dabei kann das Bondelement bspw. als Endlosmaterial zur Verfügung gestellt werden und bevorzugt auf einer Spule aufgewickelt sein.
Vorteilhafterweise wird in einem fünften Verfahrensschritt nach der Herstellung einer Verbindung des Bondelements mit dem Kontaktelement das Bondelement an einer nicht mit dem Kontaktelement verbundenen Stelle durchtrennt. Somit ist es möglich, das Bondelement aus einem Endlosmaterial zur Verfügung zu stellen.
Ferner betrifft die Erfindung auch eine stoffschlüssige Laserbondverbindung, welche insbesondere nach einem eben beschriebenen Verfahren hergestellt ist und somit auch alle vorteilhaften Weiterbildungen des Verfahrens umfassen kann. Die stoffschlüssige Laserbondverbindung umfasst dabei ein Bondelement, welches aus einem ersten Material ausgebildet ist und eine Beschichtung aus einem zweiten Material aufweist sowie ein Kontaktelement, welches aus einem dritten Material ausgebildet ist, wobei das Bondelement und das Kontaktelement, insbesondere unter Ausbildung einer Diffusionsverbindung, unmittelbar gefügt miteinander verbunden sind.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt:

1 schematisch eine Laserbondverbindung gemäß dem Stand der Technik und
2 schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Laserbondverbindung.

Die 1 zeigt schematisch eine Laserbondverbindung gemäß dem Stand der Technik.
Dabei ist in der 1 ein Ausschnitt eines Batteriemoduls 100 gemäß dem Stand der Technik gezeigt.
Das Batteriemodul 100 weist dabei eine Mehrzahl an Zellverbindern 200 auf, welche ausgebildet sind, nicht zu erkennende Spannungsabgriffe von Batteriezellen des Batteriemoduls 100 elektrisch leitend seriell und/oder parallel miteinander zu verschalten, was in der 1 so auch nicht zu erkennen ist.
Des Weiteren weist das Batteriemodul 100 ein Überwachungssystem 300 auf, welches beispielsweise eine Leiterplatte 310 des Batteriemoduls 100 sein kann.
Dabei ist aus der 1 zu erkennen, dass das Batteriemodul 100 weiterhin ein Bondelement 400 aufweist, welches elektrisch leitend mit einem Zellverbinder 200 verbunden ist und weiterhin elektrisch leitend mit dem Überwachungssystem 300 des Batteriemoduls 100 verbunden ist.
Zwischen dem Bondelement 400 und dem Überwachungssystem 300 ist ein als Bondpad bezeichnetes Zwischenelement 500 angeordnet.
Das Zwischenelement 500 ist dabei bei der Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik daher angeordnet, weil das Überwachungssystem 300 keine ausreichende Materialstärke für ein Laserbondverfahren aufweist, so dass das als Bondpad bezeichnete Zwischenelement 500 eine erforderliche Materialstärke zur Verfügung stellt.
Mit anderen Worten ausgedrückt, benötigt das Kontaktelement bspw. in Form des Überwachungssystems 300 eine ausreichende Materialstärke, welche bevorzugt auch größer als die Materialstärke des Bondelements 400 sein sollte.
Die 2 zeigt schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Laserbondverbindung.
Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt ein Bondelement 1 bereitgestellt. Das Bondelement 1 ist dabei aus einem ersten Material 11 ausgebildet und weist weiterhin eine Beschichtung 2 aus einem zweiten Material 21 auf.
Dabei weist das zweite Material 21 der Beschichtung 2 bevorzugt einen niedrigeren Schmelzpunkt auf als das erste Material 11 des Bondelements 1.
Dabei kann das erste Material 11 des Bondelements 1 ausgewählt sein als Aluminium, Kupfer oder Nickel.
Dabei kann das zweite Material 21 der Beschichtung 2 ausgewählt sein als Zinn oder ein Zinn enthaltende Legierung.
Dabei wird in einem zweiten Verfahrensschritt ein Kontaktelement 3 bereitgestellt.
Das Kontaktelement 3 ist dabei aus einem dritten Material 31 ausgebildet.
Dabei kann das Kontaktelement 3 beispielsweise ein Spannungsabgriff 32 einer nicht zu erkennenden Batteriezelle eines Batteriemoduls sein.
Dabei kann das Kontaktelement 3 beispielsweise auch ein Überwachungssystem 33 eines Batteriemoduls sein.
Dabei werden in einem dritten Verfahrensschritt das Kontaktelement 3 und das Bondelement 1 unter Einwirkung eines Lasers 4 gefügt unmittelbar miteinander verbunden.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die 2 somit die Ausführung des dritten Verfahrensschritts zeigt.
Des Weiteren ist in der 2 gezeigt, dass eine Vorrichtung 5 ausgebildet ist, den dritten Verfahrensschritt durchzuführen.
Des Weiteren ist in der 2 zu erkennen, dass das Bondelement 1 ein erstes Ende 61 aufweist und ein zweites Ende 62, welches in der 2 nicht zu erkennen ist, aufweist.
Dabei kann das erste Ende 61 mit dem Spannungsabgriff 32 einer Batteriezelle gefügt verbunden werden und das zweite Ende 62 kann mit dem Spannungsabgriff 32 einer weiteren Batteriezelle gefügt verbunden werden, was in der 2 nicht zu erkennen ist.
Dabei kann das erste Ende 61 mit dem Spannungsabgriff 32 einer Batteriezelle gefügt verbunden werden und das zweite Ende 62 kann mit dem Überwachungssystem 33 eines Batteriemoduls gefügt verbunden werden, was in der 2 nicht zu erkennen ist.
Des Weiteren ist in der 2 angedeutet, dass das Bondelement 1 zwischen dem ersten Ende 61 und dem zweiten Ende 62 einen auch als „Loop“ bezeichneten bogenförmig ausgebildeten Zwischenbereich 7 aufweist.
Insgesamt wird das Laserbondverfahren dabei bevorzugt in der Art ausgebildet, dass das Bondelement 1 als Endlosmaterial zur Verfügung gestellt wird. Anschließend wird eine erste gefügt ausgebildete Verbindung zwischen dem ersten Ende 61 des Bondelements 1 und einem ersten Kontaktelement 3 ausgebildet wird.
Anschließend wird ein als „Loop“ bezeichneter bogenförmig ausgebildeter Zwischenbereich 7 ausgebildet.
Anschließend wird eine zweite gefügt ausgebildete Verbindung zwischen dem zweiten Ende 62 des Bondelements 1 und einem von dem ersten Kontaktelement verschiedenen zweiten Kontaktelement 7 ausgebildet.
Anschließend wird das Bondelement 1 an einer nicht mit dem zweiten Kontaktelement 7 verbundenen Stelle durchtrennt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9452490 B2 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Laserbondverbindung, wobei in einem ersten Verfahrensschritt ein Bondelement (1) bereitgestellt wird, wobei das Bondelement (1) aus einem ersten Material (11) ausgebildet ist sowie eine Beschichtung (2) aus einem zweiten Material (21) aufweist und in einem zweiten Verfahrensschritt ein aus einem dritten Material (31) ausgebildetes Kontaktelement (3) bereitgestellt wird, und in einem dritten Verfahrensschritt das Bondelement (1) und das Kontaktelement (3) unter Einwirkung eines Lasers (5) gefügt unmittelbar miteinander verbunden werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material (21) der Beschichtung (2) einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als das erste Material (11) des Bondelements (1).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material (11) des Bondelements (1) ausgewählt wird als Aluminium, Kupfer oder Nickel.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material (21) der Beschichtung (2) ausgewählt wird als Zinn oder eine Zinn enthaltende Legierung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bondelement (1) eine senkrecht zu einer Längsrichtung des Bondelements (1) angeordnete Querschnittsfläche aufweist, wobei die Querschnittsfläche des Bondelements (1) eine quadratische, rechteckige oder runde Form aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bondelement (1) eine senkrecht zu einer Längsrichtung des Bondelements (1) angeordnete Breite aufweist, wobei die Breite des Bondelementes (1) einen Wert kleiner als 5 cm aufweist, bevorzugt einen Wert kleiner als 1 cm, und insbesondere einen Wert kleiner als 0,5 cm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem zweiten Verfahrensschritt bereitgestellte Kontaktelement (3) ein Spannungsabgriff (32) einer Batteriezelle eines Batteriemoduls oder ein Überwachungssystem (33) eines Batteriemoduls ist oder eine Leistungselektronik ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem ersten Verfahrensschritt bereitgestellte Bondelement (1) ein erstes Ende (61) und ein zweites Ende (62) aufweist, wobei das erste Ende (61) mit dem Spannungsabgriff (32) einer Batteriezelle gefügt verbunden wird und das zweite Ende (62) mit dem Spannungsabgriff (32) einer weiteren Batteriezelle gefügt verbunden wird oder wobei das erste Ende (61) mit dem Spannungsabgriff (32) einer Batteriezelle gefügt verbunden wird und das zweite Ende (62) mit dem Überwachungssystem (33) des Batteriemoduls verbunden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vierten Verfahrensschritt nach Herstellung einer Verbindung des Bondelements (1) mit dem Kontaktelement (3) das Bondelement (1) an einer nicht mit dem Kontaktelement (3) verbundenen Stelle durchtrennt wird.
Stoffschlüssige Laserbondverbindung mit einem Bondelement (1), welches aus einem ersten Material (11) ausgebildet ist und eine Beschichtung (2) aus einem zweiten Material (21) aufweist sowie mit einem Kontaktelement (3), welches aus einem dritten Material (31) ausgebildet ist, wobei das Bondelement (1) und das Kontaktelement (3), insbesondere unter Ausbildung einer Diffusionsverbindung, unmittelbar gefügt miteinander verbunden sind.