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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Anordnung und ein System zum Herstellen einer elektronischen Anordnung.
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Zum Herstellen einer elektronischen Anordnung aus mehreren einzelnen Komponenten können unterschiedliche Techniken angewandt werden.
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Ein Verfahren zum elektronischen Kontaktieren eines Batterieblocks ist aus der Druckschrift
DE 10 2018 121 696 A1 bekannt.
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Die Druckschrift
EP 2 663 070 A1 beschreibt eine Bildsensor-Baugruppe für eine Kamera sowie ein Verfahren und ein Biegewerkzeug zu dessen Herstellung.
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Ein Batteriemodul und ein Verfahren zu seiner Herstellung sind aus der Druckschrift
US 2019/0363318 A1 bekannt.
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Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe, einzelne Komponenten für eine elektronische Anordnung für eine Herstellung dieser elektronischen Anordnung zu konditionieren.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und ein System mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen des Verfahrens und des Systems gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung hervor.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Herstellen einer elektronischen Anordnung vorgesehen, die zumindest ein Bauteil aufweist bzw. umfasst, das wiederum eine Stromschiene aufweist bzw. umfasst. Dabei ist diese Stromschiene des Bauteils in zwei Abschnitte unterteilt. Dabei ist ein erster Abschnitt der Stromschiene blank bzw. von außen frei zugänglich. Ein zweiter Abschnitt der Stromschiene ist im Unterschied hierzu von bzw. mit Kunststoff umhüllt bzw. in Kunststoff eingebettet. Üblicherweise ist das Bauteil von Kunststoff umhüllt bzw. umschlossen, wobei der erste Abschnitt der Stromschiene außerhalb des Kunststoffs des Bauteils angeordnet ist. Bei dem Verfahren wird für den ersten Abschnitt der Stromschiene an einer definierten Stelle eine Sollknickstelle zum Ausrichten der Stromschiene vorgesehen. Dabei wird der erste Abschnitt der Stromschiene an der definierten Stelle mit einem Laserstrahl erwärmt, wobei eine Streckgrenze der Stromschiene, d. h. zumindest des ersten Abschnitts der Stromschiene, an der definierten Stelle reduziert wird. Dabei wird der erste Abschnitt der Stromschiene an der erwärmten und/oder noch warmen definierten Stelle verformbar, wobei an der erwärmten und/oder noch warmen definierten Stelle die vorgesehene Sollknickstelle bereitgestellt und/oder erzeugt wird.
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Die definierte Stelle und die daraus durch Erwärmen gebildete Sollknickstelle weist einen minimalen Sicherheitsabstand zu dem Kunststoff auf, wobei der Kunststoff aufgrund dieses Sicherheitsabstands beim Erwärmen der definierten Stelle hinsichtlich seiner Beschaffenheit unverändert bleibt. Es ist vorgesehen, dass der erste Abschnitt der Stromschiene an der definierten Stelle und/oder Sollknickstelle plastifiziert und somit leicht verformbar, bspw. biegbar und/oder knickbar, wird.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird der erste Abschnitt der Stromschiene an der Sollknickstelle relativ zu einem weiteren Bauteil der Anordnung bzw. für die Anordnung durch Verformen ausgerichtet und relativ zu diesem positioniert, wobei eine Beschaffenheit des Kunststoffs jenes erstgenannten Bauteils, das die Stromschiene aufweist, durch ein derartiges Verformen des ersten Abschnitts der Stromschiene unverändert bleibt. In Ausgestaltung ist es möglich, dass der erste Abschnitt der Stromschiene mit dem weiteren Bauteil in Kontakt gebracht und mit diesem verbunden, bspw. verschweißt, wird. Die definierte Stelle und die daraus gebildete Sollknickstelle sind üblicherweise linienförmig, bspw. gerade.
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Das Verfahren kann für eine elektronische Anordnung durchgeführt werden, die lediglich eine Stromschiene aufweist, wobei für diese eine Stromschiene die Sollknickstelle oder mehrere Sollknickstellen erzeugt werden. Es ist ebenfalls möglich, das Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Anordnung durchzuführen, die mehrere, bspw. zwei, Stromschienen als Komponenten von mehreren, bspw. von zwei Bauteilen, aufweist, wobei für jede Stromschiene an einem blanken bzw. von außen frei zugänglichen Abschnitt eine Sollknickstelle erzeugt wird. Ein blanker Abschnitt einer jeweils aus Metall gebildeten Stromschiene ist abisoliert, wobei das Metall einen direkten Kontakt zu der Umgebung hat. Die Stromschienen werden an den Sollknickstellen relativ zueinander ausgerichtet und/oder positioniert, wobei die Stromschienen nach geeigneter Ausrichtung miteinander verbunden werden können.
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Die Stromschiene ist aus einem elektronisch leitfähigen und üblicherweise duktilen Material, in der Regel aus einem Metall. Dabei ist es möglich, dass das Verfahren für eine Stromschiene aus Kupfer durchgeführt wird.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die definierte Stelle im Rahmen üblicher Toleranzen bspw. auf eine Temperatur von mindestens 300 °C also genau auf 300 °C oder auf eine höhere Temperatur, erwärmt und dadurch plastifiziert wird. Die vorgesehene Temperatur von bspw. 300 °C wird im Rahmen üblicher Montage- bzw. Fertigungsbedingungen eingestellt und/oder erreicht.
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In Ausgestaltung des Verfahrens wird die Stromschiene zum Herstellen der mindestens einen Sollknickstelle an der erwärmten definierten Stelle je nach Definition geknickt oder gebogen und somit verformt. Mit dem Verfahren wird ein kontrolliertes Biegen und/oder Knicken der Stromschiene durchgeführt.
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Das für die elektronische Anordnung vorgesehene Bauteil mit der Stromschiene, die an der Sollknickstelle plastisch verformt wird bzw. zu verformen ist, ist bis auf den ersten Abschnitt der Stromschiene von einer Gussmasse aus Kunststoff bzw. einer Moldmasse umschlossen. Das Bauteil weist neben der Stromschiene weitere Komponenten auf, die ebenfalls von dem Kunststoff umschlossen sind, wobei der Kunststoff ein feuchtigkeitsdichtes Gehäuse für diese weiteren Komponenten und den zweiten Abschnitt der Stromschiene bildet. Das Bauteil kann bspw. als Kondensator, als Spule, als elektrische Schaltung oder sonstiges elektronisches Bauteil ausgebildet sein. Es ist möglich, dass das Bauteil mehrere Stromschienen mit ersten Abschnitten aufweist, die blank bzw. frei und von außen frei zugänglich sind. Dabei ist es möglich, für jeden ersten Abschnitt einer jeweiligen Stromschiene dieses elektronischen Bauteils jeweils eine Ausführungsform des vorgestellten Verfahrens durchzuführen.
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Es ist vorgesehen, dass die Stromschiene zum Bereitstellen der Sollknickstelle durch den Laserstrahl entlang einer Linie, bspw. einer Geraden, erwärmt und im noch erwärmten plastifizierten Zustand entlang der Linie geknickt und/oder gebogen wird. Der Laserstrahl wird auf die definierte Stelle gerichtet und entlang dieser bewegt. Dabei ist sowohl im erwärmten Zustand als auch nach Abkühlen der Sollknickstelle auf Raumtemperatur eine Reduzierung der Streckgrenze gegeben.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Stromschiene mit mindestens einem weiteren Bauteil für die elektronische Anordnung, bspw. für eine elektronische Schaltung, verbunden, wobei das mindestens eine weitere Bauteil ebenfalls als Stromschiene ausgebildet sein bzw. eine Stromschiene umfassen kann. Es ist möglich, dass die elektronische Anordnung als Leitungsmodul oder als Pulswechselrichter und das Bauteil als Chip oder als Leiterplatte ausgebildet sind.
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Das vorgestellte Verfahren wird zum Herstellen der elektronischen Schaltung als elektronische Anordnung mit einer elektronischen Verbindung für diese Anordnung durchgeführt.
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Im Rahmen des Verfahrens ist es möglich, dass die Stromschiene mit einer weiteren metallischen Komponente für die elektronische Anordnung verschweißt wird. Dabei ist in Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, dass die Stromschiene entlang der definierten Stelle durch einen ersten Laserstrahl, der von dem Laser erzeugt wird, erwärmt wird, wobei die Stromschiene danach entlang der definierten Stelle verformt wird, wobei die Sollknickstelle erzeugt wird. Weiterhin werden der Laser und die Stromschiene relativ zueinander bewegt, wobei ein Fokus des Lasers ausgehend von der erwärmten definierten Stelle bzw. Sollknickstelle zu einer weiteren Stelle bzw. Position des ersten Abschnitts der Stromschiene, bspw. an ein Ende des ersten Abschnitts der Stromschiene, bewegt wird, das von der aus Kunststoff, bspw. aus Plastik, gebildeten Hülle für das Bauteil abgewandt ist. Dann wird von dem Laser ein weiterer Laserstrahl erzeugt, mit dem die Stromschiene mit dem weiteren Bauteil an der weiteren Stelle des ersten Abschnitts verschweißt wird.
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Dabei ist es möglich, dass eine Energiedichte des Laserstrahls erhöht wird, wobei durch den Laserstrahl zum Erzeugen der Sollknickstelle eine Temperatur in dem ersten Abschnitt der Stromschiene erzeugt wird, die geringer als eine Temperatur des weiteren Laserstrahls ist, mit dem der erste Abschnitt der Stromschiene mit dem weiteren Bauteil verschweißt wird. Entsprechend ist die Temperatur des weiteren Laserstrahls zum Verschweißen der Stromschiene mit dem weiteren Bauteil höher als jene Temperatur, die von jenem bzw. ersten Laserstrahl ist, mit der die Sollknickstelle der Stromschiene erzeugt wird.
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Das erfindungsgemäße System ist zum Herstellen einer elektronischen Anordnung ausgebildet, wobei diese elektronische Anordnung ein Bauteil mit einer Stromschiene aufweist. Dabei ist ein erster Abschnitt der Stromschiene blank bzw. abisoliert, wohingegen ein zweiter Abschnitt der Stromschiene von bzw. mit Kunststoff umhüllt und/oder umschlossen ist, wobei für den ersten Abschnitt der Stromschiene an einer definierten Stelle eine Sollknickstelle zum Ausrichten der Stromschiene vorgesehen ist bzw. wird und/oder vorzusehen ist. Das System weist einen Laser auf. Dabei ist der Laser dazu ausgebildet, einen Laserstrahl zu erzeugen, auf die definierte Stelle zu fokussieren bzw. auszurichten und den ersten Abschnitt der Stromschiene an der definierten Stelle mit dem Laserstrahl zu erwärmen und eine Streckgrenze der Stromschiene an der definierten Stelle zu reduzieren. Dabei ist der Laserstrahl dazu ausgebildet, den ersten Abschnitt der Stromschiene an der erwärmten definierten Stelle verformbar zu machen, üblicherweise um die Streckgrenze zu reduzieren und zu plastifizieren, und somit an der erwärmten definierten Stelle die vorgesehene Sollknickstelle bereitzustellen. Die Streckgrenze ist hier im erwärmten Zustand an der Stelle bzw. Sollknickstelle reduziert. Auch nach Abkühlung der Stelle bzw. Sollknickstelle, üblicherweise auf Raumtemperatur, ist und/oder bleibt die Streckgrenze der Sollknickstelle reduziert.
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Ein Verformungswerkzeug als weitere Komponente des Systems ist dazu ausgebildet, den ersten Abschnitt der Stromschiene an der erwärmen und/oder noch warmen definierten Stelle zu verformen, bspw. zu knicken und/oder zu biegen, und an der erwärmten und/oder noch warmen definierten Stelle die vorgesehene Sollknickstelle bereitzustellen und/oder zu erzeugen, wobei diese Sollknickstelle aus der erwärmten definierten Stelle bereitstellbar ist.
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Es ist vorgesehen, dass eine Ausführungsform des voranstehend vorgestellten Verfahrens mit einer Ausführungsform des vorgestellten Systems durchgeführt wird, durchzuführen ist bzw. durchführbar ist.
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In möglicher Ausgestaltung weist das System nur einen bzw. einen einzigen Laser auf, der einerseits dazu ausgebildet ist, den ersten Abschnitt der Stromschiene an der definierten Stelle bzw. an einer ersten Stelle mit dem voranstehend beschriebenen Laserstrahl bzw. mit einem ersten Laserstrahl zu erwärmen. Derselbe Laser ist weiterhin andererseits dazu ausgebildet, nach Verformen der Sollknickstelle und nach Ausrichten des ersten Abschnitts der Stromschiene relativ zu einem weiteren Bauteil, den ersten Abschnitt der Stromschiene und das weitere Bauteil mit einem weiteren bzw. zweiten Laserstrahl an einer weiteren bzw. zweiten Stelle bzw. Position zu erhitzen und den ersten Abschnitt der Stromschiene an der weiteren Stelle mit dem weiteren bzw. zweiten Bauteil zu verschweißen und dabei zwischen dem ersten Abschnitt der Stromschiene und dem weiteren Bauteil eine feste stromleitende Verbindung zu bilden.
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Hierbei ist es in Ausgestaltung möglich, dass das System einen Roboter aufweist, der dazu ausgebildet ist, den Laser und die Stromschiene relativ zueinander automatisch zu bewegen, wobei zunächst der üblicherweise erste Laserstrahl auf die definierte Stelle des ersten Abschnitts der Stromschiene fokussiert wird, wobei der erste Abschnitt an der definierten Stelle erwärmt und somit die Streckgrenze reduziert wird. Danach wird der Laser abgeschaltet und ausgehend von der definierten ersten Stelle bzw. der daraus resultierenden Sollknickstelle relativ zu dem ersten Abschnitt der Stromschiene bewegt, wobei danach der üblicherweise zweite Laserstrahl auf die üblicherweise zweite Stelle bzw. Position fokussiert wird, an der der erste Abschnitt der Stromschiene und das weitere Bauteil miteinander zu verschweißen sind, wobei der erste Abschnitt und das weitere Bauteil an der zweiten Stelle bzw. Position im Vergleich zu der ersten definierten Stelle erhitzt werden, wobei eine Temperatur, die von dem ersten Laserstrahl an der ersten definierten Stelle erzeugt wird, geringer als jene Temperatur ist, die von dem zweiten Laserstrahl an der zweiten Stelle bzw. Position erzeugt wird.
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Das Verformungswerkzeug, bspw. ein Biegewerkzeug und/oder Knickwerkzeug, ist dazu ausgebildet, die mindestens eine erwärmte und/oder noch warme definierte Stelle zu verformen, bspw. zu biegen und/oder zu knicken, wobei die Stromschiene an, bspw. entlang, der definierten Stelle von dem mindestens einen Verformungswerkzeug gebogen und/oder geknickt wird.
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Mit dem Verfahren und/oder dem System wird die Streckgrenze der Stromschiene in, an und/oder entlang der definierten Stelle reduziert. Die definierte Stelle wird mit dem Laserstrahl lokal erwärmt und dabei die Streckgrenze reduziert, wobei ein Fügevorgang für die Stromschiene optimiert wird. Außerdem ist es mit dem Verfahren und/oder dem System möglich, dass der Kunststoff, der das Bauteil umhüllt und aus dem der erste Abschnitt der Stromschiene herausragt, beim Verformen des ersten Abschnitts entlang der Sollknickstelle nicht oder allenfalls nur geringfügig mechanisch belastet wird und somit unverändert, unbeschädigt und/oder unversehrt bleibt. Dabei wird eine Belastung für eine Geometrie des Kunststoffs beim Verformen der Stromschiene minimiert.
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Die mit dem Verfahren hergestellte elektronische Anordnung ist bspw. als Halbleiter-Leistungsmodul mit mindestens einem Zwischenkreiskondensator als Bauteil ausgebildet. Diese Anordnung ist in Ausgestaltung als Komponente eines Fahrzeugs, bspw. eines Kraftfahrzeugs, ausgebildet und in diesem angeordnet, anzuordnen bzw. anordenbar. Dabei stellt eine Verbindung aus zwei Bauteilen, die beide über die Stromschiene verbunden werden, eine sogenannte Kommutierungszelle eines Inverters als Teil der Anordnung dar. Dieser Inverter, der die Stromschiene aufweist, versorgt eine Elektromaschine in einem Hybridfahrzeug oder in einem Elektrofahrzeug mit elektronischer Energie bzw. mit Leistung. Je nach Definition ist die Anordnung, die mit dem Verfahren herstellbar bzw. herzustellen ist, als ein derartiger Inverter ausgebildet. Es ist jedoch auch möglich, das vorgestellte Verfahren auf unterschiedliche leistungselektronische Anordnungen, bspw. Schaltungen und/oder Verbindungen, zu übertragen und derartige leistungselektronische Schaltungen mit dem Verfahren herzustellen, wobei eine entsprechende Verbindungstechnik gemäß dem vorgestellten Verfahren für Komponenten der Anordnung verwendet wird.
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Es ist ebenfalls möglich, dass die elektronische Anordnung als Leistungsmodul und/oder als Pulswechselrichter ausgebildet ist. Das Bauteil mit der an der definierten Stelle zu erwärmenden und zu verformenden Stromschiene ist bspw. als Chip oder als Leiterplatte ausgebildet.
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Außerdem ist es möglich, eine Stromschiene oder mehrere Stromschienen mit einem jeweiligen Laserstrahl lokal zu erwärmen. Hierbei wird für die Stromschiene an der bestimmten definierten Stelle deren Streckgrenze temperaturinduziert reduziert. Diese definierte Stelle kann dann geknickt werden. Dies ermöglicht eine streckgrenzenreduzierte definierte Stelle und/oder Sollknickstelle durch eine vergleichsweise geringe, in Ausgestaltung unübliche Längs- und Querschwächung des ersten Abschnitts der Stromschiene und weiterhin eine homogenere und/oder signifikant reduzierte Beanspruchung des Kunststoffs, der das Bauteil bis auf den ersten Abschnitt der Stromschiene umschließt, wenn die an der definierten Stelle erwärmte Stromschiene verformt wird. Somit kann u. a. einem möglichen Versagen der Stromschiene, wenn sie in der Anordnung installiert ist und/oder wenn sich die Anordnung mit der Stromschiene in Betrieb befindet, gezielt vorgebeugt werden.
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Die Stromschiene oder mehrere Stromschienen wird bzw. werden an vorgegebenen definierten Stellen bzw. Positionen erwärmt, wobei eine zum Verformen der Stromschiene erforderliche Kraft verringert wird, wobei weiterhin eine mechanische Beeinflussung des Kunststoffs an und/oder auf dem Bauteil verringert wird. Außerdem ist es möglich, dass Spannungen, die in einem Leistungsmodul bzw. in einem Powermodul mit einem Kondensator bei deren Betrieb bzw. bei dessen Betrieb auftreten, sehr stark verringert werden. Dies führt zu einer einfacheren und günstigeren Fertigung bzw. Montage, ohne die typischerweise zu befürchtende Rissbildung und Delamination zwischen der Stromschiene und dem Kunststoff, bspw. einem Kunststoff-Mold, der den zweiten Abschnitt der Stromschiene umhüllt bzw. umschließt.
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Im Gegensatz zu anderen Vorgehensweisen, wie bspw. eine Einarbeitung von Sollknickstellen durch mechanischen Abtrag von Kupfer, wird mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren durch Einsatz des Laserstrahls eine Streckgrenzenreduzierung des ersten Abschnitts der Stromschiene ermöglicht, wobei weiterhin zum Herstellen der Anordnung erforderliche Montagekräfte reduziert werden, ohne dass hierfür ein effektiver Querschnitt bzw. eine effektive Dicke der Stromschiene, die bspw. aus Kupfer besteht, reduziert wird, wobei kritische Beanspruchungszustände in dem Kunststoff-Mold, der den zweiten Abschnitt der Stromschiene umschließt, vermieden werden.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung schematisch und ausführlich beschrieben.
- 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems zum Durchführen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 2 zeigt ein erstes Diagramm.
- 3 zeigt ein zweites Diagramm.
- 4 zeigt Beispiele für Stromschienen, für die weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt werden.
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Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleichen Bezugszeichen sind dieselben Komponenten zugeordnet.
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Die 1a und 1b zeigen in schematischer Darstellung ein erstes Bauteil 5, das als eine Komponente eine Stromschiene 2 aufweist. Dabei ist das erste Bauteil 5 von einem Kunststoff 4 teilweise und somit nicht vollständig umhüllt. Dabei ist die Stromschiene 2 in zwei Abschnitte 12a, 12b unterteilt, wobei ein zweiter Abschnitt 12b dieser Stromschiene 2 von dem Kunststoff 4 umhüllt bzw. umschlossen ist. Dagegen ist ein erster Abschnitt 12a außerhalb des Kunststoffs 4 angeordnet und somit blank bzw. von außen frei zugänglich, wobei der erste Abschnitt 12a hier aus dem Kunststoff 4 herausragt.
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Bei der ersten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass aus den beiden Bauteilen 5, 13 eine elektronische Anordnung hergestellt wird. Dabei wird die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems verwendet, die als Komponenten einen Laser 6 und ein Verformungswerkzeug 14 aufweist.
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Bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hier von dem Laser 6 ein erster Laserstrahl 8 erzeugt und auf eine definierte Stelle 10 des ersten Abschnitts 12a der Stromschiene 2 gerichtet, wobei diese definierte Stelle 10 von dem ersten Laserstrahl 8 auf eine Temperatur von ca. 300 °C erwärmt wird.
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Danach wird, wie anhand von 1b schematisch dargestellt, der erste Abschnitt 12a der Stromschiene 2 mit dem Verformungswerkzeug 14 verformt, gemäß einer Darstellung in 1b nach unten gebogen, d. h. die Stromschiene 2 wird entlang der noch warmen definierten Stelle 10, die nun eine Sollknickstelle 11 darstellt, je nach Definition geknickt und/oder gebogen. Dabei gerät ein Ende des ersten Abschnitts 12a der Stromschiene 2 mit dem zweiten Bauteil 13 in Kontakt. Durch Erwärmen des ersten Abschnitts 12a der Stromschiene 2 an der definierten Stelle 10 mit dem ersten Laserstrahl 8 wird die Streckgrenze des Materials an der definierten Stelle 10 reduziert und die Sollknickstelle 11 bereitgestellt, wobei der erste Abschnitt 12a an der Sollknickstelle 11 geknickt und somit verformt bleibt.
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Nun ist es möglich, die Stromschiene 2 mit dem zweiten Bauteil 13 zu verbinden. Dabei ist vorgesehen, dass das Ende des ersten Abschnitts 12a mit dem zweiten Bauteil 13 durch den Laser 6 erhitzt wird, wobei das Ende des ersten Abschnitts 12a mit dem zweiten Bauteil 13 verschweißt wird. Dabei ist bei der hier vorgestellten Ausführungsform des Verfahrens vorgesehen, dass die definierte Stelle 10 des ersten Abschnitts 12a mit dem ersten Laserstrahl 8 auf eine erste Temperatur bzw. eine Temperatur mit einem ersten Wert erwärmt wird. Weiterhin werden das Ende des ersten Abschnitts 12a und das zweite Bauteil 13 mit dem bzw. durch den zweiten Laserstrahl 16 auf eine zweite Temperatur erhitzt bzw. auf eine Temperatur mit einem zweiten Wert erhitzt, wobei die zweite Temperatur bzw. der zweite Wert der Temperatur größer bzw. höher als die erste Temperatur bzw. der erste Wert der Temperatur ist.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist hier vorgesehen, dass beide Laserstrahlen 8 und 16 von demselben Laser 6 erzeugt werden, wobei der zweite Laserstrahl 16 eine höhere Intensität und/oder Energiedichte als der erste Laserstrahl 8 aufweist. Ferner wird der erste Laserstrahl 8 während einer ersten Zeitspanne auf die definierte Stelle 10 gerichtet bzw. fokussiert. Außerdem wird der zweite Laserstrahl 16 während einer zweiten Zeitspanne auf das Ende des ersten Abschnitts 12a und das zweite Bauteil 13 gerichtet bzw. fokussiert. Dabei ist die zweite Zeitspanne länger als die erste Zeitspanne. Ein jeweils erzeugter Laserstrahl 8, 16 wird über einen kurzzeitigen Puls bereitgestellt, dessen Länge jeweils einen Bruchteil einer Sekunde umfasst. Dabei ist es möglich, dass ein Puls für den ersten Laserstrahl 8 kürzer als ein Puls für den zweiten Laserstrahl 16 ist.
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Die anhand der 1a und 1b dargestellte Stromschiene 2 ist als Teil eines elektronischen Leistungsmoduls als Beispiel für eine elektronische Anordnung ausgebildet. Bei Durchführung der Ausführungsform des Verfahrens ist u. a. eine gleichmäßige Verteilung von Fügekräften auf die Stromschiene 2 möglich. Durch Drücken, bspw. Nachdrücken, des ersten Abschnitts 12a der Stromschiene 2 mit dem Verformungswerkzeug 14 ist es u. a. möglich, den ersten Abschnitt 12a der Stromschiene 2 relativ zu dem zweiten Bauteil 13 auszurichten und/oder zu positionieren und sein Ende mit dem zweiten Bauteil 13 durch Verschweißen zu kontaktieren.
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In weiterer Ausgestaltung des Systems ist es möglich, dass dieses einen nicht weiter dargestellten Roboter aufweist, der dazu ausgebildet ist, eine Position des Lasers 6 relativ zu dem ersten Abschnitt 12a der Stromschiene 2 und dem zweiten Bauteil 13 zu verändern, wobei der Laser 6 und die Stromschiene 2 sowie das zweite Bauteil 13 mit dem Roboter relativ zueinander bewegt werden.
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In weiterer Ausgestaltung ist es möglich, dass das zweite Bauteil 13, bspw. eine Komponente diesen zweiten Bauteils 13, die bei Ausführung des Verfahrens mit dem ersten Abschnitt 12a der Stromschiene 2 verbunden wird, ebenfalls als Stromschiene ausgebildet ist. Es ist möglich, dass das erste Bauteil 5 als Kondensator, bspw. als Zwischenkreiskondensator, für die elektronische Anordnung ausgebildet ist. Dabei sind sämtliche elektronischen Komponenten eines derartigen Bauteils 5 bis auf den ersten Abschnitt 12a der Stromschiene 2 von dem Kunststoff 4 umhüllt und somit durch den Kunststoff 4 nach außen isoliert. Der erste Abschnitt 12a der Stromschiene 2 ist als Komponente des elektronischen Bauteils 5 ausgebildet bzw. zu bezeichnen. Es ist möglich, dass das erste Bauteil 5 noch mindestens eine weitere Stromschiene 2 aufweist, die wiederum einen ersten Abschnitt 12a aufweist, der blank und außerhalb des Kunststoffs 4 angeordnet ist. Mindestens eine weitere derartige Stromschiene 2 kann bei Durchführung der Ausführungsform des Verfahrens mit einem weiteren Bauteil 13 durch Verschwei-ßen verbunden werden. Weiterhin sind die Komponenten des ersten Bauteils 5 mit Ausnahme des ersten Abschnitts 12a der Stromschiene 2 in eine Vergussmasse aus Kunststoff eingebettet. Mit dem Verfahren können Spannungen, die ansonsten in dem bspw. als Vergussmasse bzw. Moldmasse ausgebildeten Kunststoff 4 beim Biegen einer daraus herausragenden Stromschiene 2 auftreten, zumindest reduziert und ggf. vermieden werden.
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Die elektronische Anordnung, für die die Bauteile 5, 13 vorgesehen sind, ist bspw. als sogenanntes hartschaltendes Halbbrücken-Modul oder dreiphasiges Modul für einen Inverter ausgebildet, das die Stromschiene 2 als elektrischen Kontakt aufweist. Dabei wird der erste Abschnitt 12a der Stromschiene 2 direkt mit dem zweiten Bauteil 13 verbunden. In Ausgestaltung ist es möglich, auch zwei Stromschienen 2 in zwei Schritten relativ zueinander auszurichten, zu fügen und zu verschweißen. Dabei wird in dem ersten Schritt eine gleichmäßig verteilte Fügekraft auf eine jeweilige Stromschiene 2 aufgebracht. In einem zweiten Schritt werden die Stromschienen 2 als Anschlüsse dieser elektronischen Anordnung durch Nachdrücken der jeweiligen Stromschiene 2 miteinander verbunden. Dabei werden die Stromschienen 2 durch Verformen von jeweiligen definierten Stellen 10 und durch Erzeugen von jeweiligen Sollknickstellen 11 zunächst relativ zueinander ausgerichtet und miteinander verschweißt. Dabei bleibt eine Beschaffenheit des Kunststoffs 4, aus dem der erste Abschnitt 12a der Stromschiene 2 ragt, unverändert. Bei dem Verfahren ist es möglich, den ersten Abschnitt 12a der Stromschiene 2, d. h. dessen Ende, mit dem zweiten Bauteil 13 automatisch zu fügen.
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Bei dem vorgestellten Verfahren ist es möglich, den ersten Abschnitt 12a der Stromschiene 2 durch Vorsehen der definierte Stelle 10 unter Erzeugung der Sollknickstelle 11 kontrolliert zu biegen bzw. zu knicken und ansonsten bei einem Fügevorgang auftretende Spannungen in einem Guss aus Kunststoff 4 des bspw. als Kondensator ausgebildeten ersten Bauteils 5 und/oder an einer entsprechenden Moldmasse zu vermeiden. Somit können Rissbildungen und ein Abplatzen von Kunststoff 4 an dem ersten Bauteil 5 vermieden werden, wodurch wiederum ein Ausfall der Anordnung vermieden werden kann. Durch Vermeidung von Rissbildungen wird weiterhin ein Eindringen von Feuchtigkeit in das erste Bauteil 5 vermieden und somit eine Lebensdauer der Anordnung verlängert, da hierdurch auch Schädigungen vermieden werden können.
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Das erste Bauteil 5 kann bspw. als Chip ausgebildet sein, der die Stromschiene 2 umfasst, wobei der Kunststoff 4 lediglich den Chip und den zweiten Abschnitt 12b der Stromschiene 2 umschließt. Bei Durchführung der Ausführungsform des Verfahrens wird eine Kraft, die zum Biegen des ersten Abschnitts 12a der Stromschiene 2 erforderlich ist, reduziert. Daraus ergibt sich, dass der Kunststoff 4 nicht verformt wird und keiner Delaminierung bzw. Delamination unterworfen ist.
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Das Diagramm aus 2 umfasst eine Abszisse 20, entlang der eine Temperatur aufgetragen ist. Außerdem umfasst dieses Diagramm eine Ordinate 22 für Werte eines Drucks, entlang der einerseits ein E-Modul bzw. Elastizitätsmodul und andererseits eine Streckgrenze für eine Stromschiene aus laserstrahlschweißbarem Kupfer aufgetragen sind. Dabei deutet in diesem Diagramm eine gestrichelte Linie 24 eine Temperatur von 300 °C an. Eine erste Kurve 26, hier eine Gerade, zeigt an, dass der Elastizitätsmodul der Stromschiene temperaturunabhängig einen konstanten Wert von 127 GPa (Gigapascal) aufweist. Durch eine zweite und dritte Kurve 28a, 28b sind hier Werte für die Streckgrenze der Stromschiene angegeben. Dabei ist hier vorgesehen, dass die zweite Kurve 28a die Streckgrenze für eine unbehandelte Stromschiene und die dritte Kurve 28b die Streckgrenze für eine Stromschiene anzeigt, die gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens entlang einer definierten Stelle mit einem Laserstrahl auf eine Temperatur von mindestens 300 °C erwärmt wird, wobei für diese Stromschiene eine Sollknickstelle gebildet wird, entlang der die Stromschiene verformt wird bzw. werden kann. Wie ein Vergleich der beiden Kurven 28a, 28b andeutet, wird die Streckgrenze der Stromschiene durch das Erwärmen, je nach Menge an eingebrachter Wärmeenergie, ausgehend von 180 MPa auf 120 MPa oder auf 70 MPa reduziert, wobei die Streckgrenze für die erwärmte Stromschiene im Gegensatz zu der unbehandelten Stromschiene absinkt.
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Das Diagramm aus 3 umfasst eine Abszisse 40, entlang der die Zeit aufgetragen ist. Entlang einer Ordinate 42 dieses Diagramms sind skalare Werte für eine sogenannte nodale Temperatur und somit für eine Temperaturverteilung in einer Stromschiene aufgetragen, wenn im Rahmen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens diese Stromschiene entlang einer definierten Stelle mit einem Laserstrahl erwärmt und dabei eine Sollknickstelle bereitgestellt wird. In diesem Diagramm sind vier Kurven 44a, 44b, 44c, 44d, 44e dargestellt, die sich abhängig von einer Menge an Wärmeenergie ergeben, die von dem Laserstrahl in die Stromschiene eingebracht wird. Hierbei ergibt sich eine erste Kurve 44a bei einer großen Menge an Wärmeenergie, wobei die vorgesehene Menge an Wärmeenergie für weitere Kurven 44b, 44c, 44d abnimmt. Aufgrund einer minimalen Menge an Wärmeenergie ergibt sich hier eine letzte Kurve 44e.
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Dabei stellt das Diagramm beispielhaft einen simulierten Temperatureintrag des Lasers an der Oberfläche dar, wobei dieser Temperatureintrag in unterschiedlichen Tiefen der Stromschiene als Werkstück gemessen wird. Durch Anpassung eines Eintrags an Energie bzw. Wärmeenergie, bspw. aufgrund einer Robotervorschubgeschwindigkeit, gemäß der der Laser relativ zu der Stromschiene bewegt wird, aufgrund einer Leistung des Lasers, einer Wellenlänge des Laserstrahls usw. ist es möglich, dass die Temperatur an der definierten Stelle der Stromschiene bei der Ausführungsform des Verfahrens bei einer hohen Geschwindigkeit, mit der der Laser relativ zu der Stromschiene bewegt wird, kurz vor einem Knicken entlang der zu erzeugenden Sollknickstelle lokal auf über 300 °C geheizt werden kann, wobei die Streckgrenze in der Sollknickstelle reduziert wird.
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4 zeigt in schematischer Darstellung drei baugleiche Stromschienen 50a, 50b, 50c, wobei jeweils eine Stromschiene 50a, 50b, 50c als Komponente eines elektronischen Bauteils 56a, 56b, 56c ausgebildet ist, das hier, abgesehen von einem ersten Abschnitt der Stromschiene 50a, 50b, 50c, von einem Kunststoff 52a, 52b, 52c umschlossen ist. Hierbei ist vorgesehen, dass jeweils der erste Abschnitt der Stromschiene 50a, 50b, 50c blank bzw. freigelegt und ein zweiter Abschnitt dieser Stromschiene 50a, 50b, 50c von dem Kunststoff 52a, 52b, 52c umhüllt ist.
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Weiterhin ist für jeweils eine Stromschiene 50a, 50b, 50c und den Kunststoff 52a, 52b, 52c eines jeweiligen Bauteils 56a, 56b, 56c ein Zustand 58a, 58b, 58c angedeutet ist, wenn der erste Abschnitt der Stromschiene 50a, 50b, 50c zur Durchführung eines Fügevorgangs ausgerichtet und verformt wird.
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Dabei weist eine erste Stromschiene 50a ursprünglich eine Streckgrenze von 180 MPa auf. Bei einer Vorgehensweise, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird die erste Stromschiene 50a unbehandelt direkt gebogen, wobei sich hierbei eine Biegung 53 ergibt. Dabei werden vier Stellen des Kunststoffs 52a jeweils zu 100 % mechanisch beansprucht.
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Für die beiden weiteren in 4 schematisch dargestellten Stromschienen 50b, 50c, d. h. für eine zweite Stromschiene 50b und eine dritte Stromschiene 50c, wird jeweils eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt. Dabei wird für jede dieser beiden Stromschienen 50b, 50c an dem ersten Abschnitt der jeweiligen Stromschiene 50b, 50c außerhalb des Kunststoffs 52b, 52c eine Sollknickstelle 54b, 54c vorgesehen. Hierbei wird die jeweilige Stromschiene 50b, 50c entlang der definierten Stelle durch einen bzw. mit einem Laserstrahl, der von einem nicht weiter dargestellten Laser erzeugt wird, erwärmt. Weiterhin wird die jeweils erwärmte definierte Stelle, d. h. die so gebildete Sollknickstelle 54b, 54c, mit einem nicht weiter dargestellten Verformungswerkzeug verformt, d. h. geknickt.
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Hierbei wird in die definierte Stelle des ersten Abschnitts der zweiten Stromschiene 50b mit dem Laserstrahl eine erste Menge an Wärmeenergie eingebracht. Weiterhin wird in die definierte Stelle des ersten Abschnitts der dritten Stromschiene 50c mit dem Laserstrahl eine zweite Menge an Wärmeenergie eingebracht, wobei hierbei die Menge an Wärmeenergie, die in die definierte Stelle der dritten Stromschiene 50c eingebracht wird, größer als jene Menge an Wärmeenergie ist, die in die definierte Stelle der zweiten Stromschiene 50b eingebracht wird. Daraus ergibt sich, dass eine Streckgrenze der zweiten Stromschiene 50b auf 120 MPa reduziert wird. Weiterhin wird eine Streckgrenze der dritten Stromschiene 50c auf 70 MPa reduziert. Hieraus ergibt sich weiterhin, dass ein Kunststoff 52b, 52c eines jeweiligen Bauteils 56b, 56c, das die zweite bzw. dritte Stromschiene 50b, 50c aufweist, bei einem Verformen der Stromschiene 50b, 50c nur geringer oder gar nicht mechanisch belastet wird. Dabei wird eine Beanspruchung der hier gezeigten Stellen des jeweiligen Bauteils auf 53 %, 87 % und 79 % reduziert. Im Falle des dritten Bauteils 56c, das die dritte Stromschiene 50c aufweist, werden mechanische Beanspruchungen an Stellen des Kunststoffs 52c auf 49 %, 52 %, 62 % und 69 % reduziert.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Stromschiene
- 4
- Kunststoff
- 5
- Bauteil
- 6
- Laser
- 8
- Laserstrahl
- 10
- definierte Stelle
- 11
- Sollknickstelle
- 12a, 12b
- Abschnitt
- 13
- Bauteil
- 14
- Verformungswerkzeug
- 16
- Laserstrahl
- 20
- Abszisse
- 22
- Ordinate
- 24
- Linie
- 26
- Kurve
- 28a, 28b
- Kurve
- 40
- Abszisse
- 42
- Ordinate
- 44a, 44b, 44c, 44d, 44e
- Kurve
- 50a, 50b, 50c
- Stromschiene
- 52a, 52b, 52c
- Kunststoff
- 53
- Biegung
- 54b, 54c
- Sollknickstelle
- 56a, 56b, 56c
- Bauteil
- 58a, 58b, 58c
- Zustand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018121696 A1 [0003]
- EP 2663070 A1 [0004]
- US 2019/0363318 A1 [0005]
