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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fügeverfahren zum Fügen eines ersten Fügeteils und eines zweiten Fügeteils, einen Amboss und die Verwendung eines Kontaktmaterials, das seine Steifigkeit in Abhängigkeit von einer Änderungsrate einer auf das Kontaktmaterial ausgeübten mechanischen Spannung ändert, zum Fügen eines ersten Fügeteils und eines zweiten Fügeteils unter Verwendung von Ultraschallwellen.
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Zum Fügen von zwei Fügeteilen sind auf Ultraschall basierende Techniken wie Ultraschallschweißen oder Draht- oder Bandbonden bekannt. Diese Verfahren beruhen auf Ultraschallwellen, die von einem Ultraschallwellengenerator erzeugt, verstärkt und mit einer so genannten „Sonotrode“ in die Fügeteile eingeleitet werden. Insbesondere bewegt die Sonotrode das erste Fügeteil relativ zu einem zweiten Fügeteil, das auf einem Amboss platziert ist.
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Normalerweise stimmen die Oberflächen des Ambosses und des zweiten Fügeteils nicht vollständig überein, was auf eine Krümmung des zweiten Fügeteils und/oder des Ambosses oder auf Unregelmäßigkeiten in den Oberflächen entweder des zweiten Fügeteils oder des Ambosses zurückzuführen ist. Somit besteht zwischen dem Amboss und dem zweiten Fügeteil ein Zwischenraum, der zu einer Verformung des zweiten Fügeteils unter dem Druck der Sonotrode führt. Eine solche Verformung kann zu Rissen im zweiten Fügeteil führen, insbesondere wenn es sich um ein starres Material handelt, wie z.B. ein Substrat einer Leistungseinheit.
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US 2015/0306701 A1 beschreibt eine Vorrichtung mit einem Widerlager für die Anordnung eines Substrats. Das Widerlager weist ein erstes und ein zweites Teilwiderlager auf, wobei das zweite Teilwiderlager ein elastischer Formkörper mit einem Elastizitätsmodul zwischen 10 und 500 N/mm
2 ist, der eine Dämpfwirkung auf eine Schweißverbindung hat. Somit werden eine pneumatische Ansaugeinrichtung und eine Klemmvorrichtung benötigt, um einen zu verschweißenden Gegenstand kraftschlüssig auf der Oberfläche des zweiten Teilwiderlagers zu halten.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zur Vermeidung von Materialbeschädigungen während eines Ultraschall-Fügeprozesses vorzusehen.
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Dieses Problem wird durch den Gegenstand der beliegenden Ansprüche gelöst.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Fügeverfahren zum Fügen eines ersten Fügeteils und eines zweiten Fügeteils. Das Verfahren umfasst Platzieren des zweiten Fügeteils auf einem Kontaktmaterial, das seine Steifigkeit in Abhängigkeit von einer Änderungsrate einer auf das Kontaktmaterial ausgeübten mechanischen Spannung ändert, Platzieren des ersten Fügeteils auf dem zweiten Fügeteil und Ausüben mechanischer Spannung auf das Kontaktmaterial durch Bewegen des ersten Fügeteils relativ zum zweiten Fügeteil.
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Das vorliegend offenbarte Verfahren basiert auf dem Prinzip, dass ein spezielles Kontaktmaterial verwendet wird, um eine Verbindung mit einem zweiten Fügeteil herzustellen. Dieses Kontaktmaterial ist „dynamisch“, d.h. es ändert seine Steifigkeit in Abhängigkeit von einer Änderungsrate einer auf das Kontaktmaterial ausgeübten mechanischen Spannung. Mit anderen Worten, das Kontaktmaterial hat die Eigenschaft, dass es umso steifer wird, je höher die Änderungsrate der auf das Kontaktmaterial ausgeübten mechanischen Spannung ist. Wird also eine konstante Kraft auf das Kontaktmaterial ausgeübt, so ändert das Kontaktmaterial seine Steifigkeit nicht und bleibt elastisch, während bei einer sich ändernden Kraft, wie z.B. einer alternierenden Schwingbewegung einer Sonotrode, die auf die Fügeteile ausgeübt und von diesen in das Kontaktmaterial übertragen wird, das Kontaktmaterial steif wird, d.h. steifer als wenn keine Kraft oder eine konstante Kraft auf das Kontaktmaterial ausgeübt wird.
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Die Eigenschaften des Kontaktmaterials, das bei dem vorliegend beschriebenen Verfahren verwendet wird, bewirken, dass sich das Kontaktmaterial allgemein in einem gummiartigen oder visko-flüssigen Zustand befindet. Somit kann sich das Kontaktmaterial unter konstantem oder langsam, insbesondere allmählich wechselndem Druck an die Form eines jeweiligen zweiten Fügeteils, das am Kontaktmaterial angebracht ist, anpassen, so dass zwischen dem zweiten Fügeteil und dem Kontaktmaterial kein Raum verbleibt. Nachdem das zweite Fügeteil langsam an dem Kontaktmaterial angebracht oder auf diesem platziert wurde, befindet sich das Kontaktmaterial somit in engem und kontinuierlichem Kontakt mit dem zweiten Fügeteil.
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Wird auf das Kontaktmaterial eine Kraft mit einer hohen Änderungsrate ausgeübt, d.h. einer Änderungsrate, die über einem Schwellenwert liegt, wird das Kontaktmaterial steif, d.h. steifer als im gummiartigen oder visko-flüssigen Zustand. Dies bedeutet, dass eine Verformung des zweiten Fügeteils unter der aufgebrachten Kraft, die zu einer Rissbildung des zweiten Fügeteils führen kann, verhindert wird. Ferner hat das versteifte Kontaktmaterial keine dämpfende Wirkung auf einen Fügeprozess des ersten Fügeteils und des zweiten Fügeteils, da keine Energie in das Kontaktmaterial verloren geht.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die mechanische Spannung auf das Kontaktmaterial durch eine Sonotrode ausgeübt, die das erste Fügeteil relativ zum zweiten Fügeteil durch Ultraschallwellen bewegt, die durch einen Ultraschallgenerator in die Sonotrode eingekoppelt werden.
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Da sich das Kontaktmaterial unter einer hohen Spannungsänderungsrate versteift, versteift sich das Kontaktmaterial stark, sobald eine Bewegung des ersten Fügeteils durch Ultraschallwellen induziert wird. Die Bewegung des ersten Fügeteils wird auf das zweite Fügeteil übertragen und vom zweiten Fügeteil auf das Kontaktmaterial übertragen. Das Kontaktmaterial wird hart, insbesondere so hart wie ein Amboss gemäß Stand der Technik, sobald Ultraschallwellen in das Kontaktmaterial eingekoppelt werden.
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In einer anderen Ausführungsform wird das Kontaktmaterial auf einem Amboss oder einem Teil eines Ambosses platziert.
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Das Kontaktmaterial kann Teil eines Ambosses als Oberflächenschicht einer Kontaktfläche zum Kontaktieren eines zu haltenden Materials sein. Das Kontaktmaterial kann als Kissen in einer Ausnehmung in der Oberflächenschicht des Ambosses bereitgestellt sein oder selbst eine Oberflächenschicht bilden, die an einer Basis des Ambosses angebracht ist.
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Alternativ kann das Kontaktmaterial auf einem Amboss bereitgestellt sein, indem ein Kissen oder eine Schicht aus dem Kontaktmaterial auf einer Kontaktfläche eines Ambosses platziert wird. Somit kann durch Verwenden eines zusätzlichen oder separaten Kontaktmaterials jeder beliebige Amboss für die Durchführung des vorliegend beschriebenen Verfahrens verwendet werden.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform wird das zweite Fügeteil mit einer allmählichen Kraft auf das Kontaktmaterial aufgesetzt, so dass das Kontaktmaterial jeglichen Raum zwischen dem zweiten Fügeteil und dem Kontaktmaterial ausfüllen kann.
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Durch die Anwendung einer allmählichen Kraft, die sich mit einer konstanten, niedrigen Rate ändert, wird das Kontaktmaterial in seinem gummiartigen oder visko-flüssigen Zustand gehalten. Somit wird das Kontaktmaterial verformt und dadurch an die Oberfläche eines zweiten Fügeteils angepasst, das mit dem Kontaktmaterial in Kontakt gebracht wird.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst das Kontaktmaterial eine nicht-newtonsche Flüssigkeit, so dass das Kontaktmaterial reversibel steifer wird, je höher die Frequenz der auf das Kontaktmaterial ausgeübten mechanischen Spannung ist.
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Die nicht-newtonsche Flüssigkeit kann in einem Gel oder einer Tasche aus einem flüssigkeitsdichten Material gebunden sein.
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Nach einer anderen Ausführungsform ist das Kontaktmaterial ein schersteifendes Gel. Insbesondere kann es sich bei dem Kontaktmaterial um ein sogenanntes „Silly Putty“-Gel oder ein anderes Material handeln, dessen Elastizitätsmodul oder Viskosität sich mit zunehmenden äußeren Belastungsraten ändert.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Amboss zur Verwendung in einem Fügeverfahren zum Fügen eines ersten Fügeteils und eines zweiten Fügeteils unter Verwendung von Ultraschallwellen, wobei der Amboss ein Kontaktmaterial umfasst, das seine Steifigkeit in Abhängigkeit von einer Änderungsrate einer auf das Kontaktmaterial ausgeübten mechanischen Spannung ändert.
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Der vorliegend offenbarte Amboss basiert auf dem Kontaktmaterial, das in Bezug auf das vorliegend offenbarte Fügeverfahren beschrieben ist. Das Kontaktmaterial kann auf einer Kontaktfläche des Ambosses als Kissen oder Schicht aus dem Kontaktmaterial bereitgestellt sein. Somit kann das Kontaktmaterial reversibel an einer Basis des Ambosses angebracht werden, so dass das Kontaktmaterial beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Betriebsbedingungen gewechselt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Kontaktmaterial um ein schersteifendes Gel, wie beispielsweise sogenanntes „Silly Putty“ oder ein eine nichtnewtonsche Flüssigkeit umfassendes Material.
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Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines Kontaktmaterials, das seine Steifigkeit in Abhängigkeit von einer Änderungsrate einer auf das Kontaktmaterial ausgeübten mechanischen Spannung ändert, in einem Fügeverfahren zum Fügen eines ersten Fügeteils und eines zweiten Fügeteils unter Verwendung von Ultraschallwellen, wobei es sich bei dem Fügeverfahren um Ultraschallbonden oder Ultraschallschweißen handeln kann.
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Figurenliste
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine Ausführungsform eines Fügeverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung,
- 2 eine Ausführungsform eines Ambosses gemäß der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Zunächst versteht es sich für einen Fachmann, dass diese Ausführungsformen nur dazu dienen, die technischen Grundsätze der vorliegenden Offenbarung zu erläutern, und nicht dazu gedacht sind, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken. Wenngleich beispielsweise die folgenden Ausführungsformen in Verbindung mit einer Vorrichtung erläutert werden, ist dies nicht einschränkend. Die technischen Lösungen der vorliegenden Offenbarung sind auch auf andere Einrichtungen anwendbar. Eine solche Änderung des Anwendungsgegenstandes weicht nicht vom Grundgedanken und Umfang der vorliegenden Offenbarung ab.
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Darüber hinaus ist zu beachten, dass in der Beschreibung der vorliegenden Offenbarung die Ausdrücke „anordnen“, „installieren“, „verbinden“ und „Verbindung“ in einem weiten Sinne zu verstehen sind, sofern sie nicht eindeutig anderweitig spezifiziert und definiert sind; so kann es sich bei der Verbindung beispielsweise um eine feste Verbindung oder auch eine lösbare Verbindung oder eine integrale Verbindung handeln; es kann sich um eine mechanische Verbindung oder eine elektrische Verbindung handeln; es kann sich um eine direkte Verbindung oder eine indirekte Verbindung handeln, die über ein Zwischenmedium implementiert wird, oder es kann sich um eine interne Kommunikation zwischen zwei Elementen handeln. Für den Fachmann ist die Bedeutung der vorstehend genannten Ausdrücke in der vorliegenden Offenbarung je nach Situation zu verstehen.
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In 1 ist ein Fügeverfahren 100 zum Fügen eines ersten Fügeteils 101 und eines zweiten Fügeteils 103 gezeigt.
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Das Verfahren 100 umfasst einen ersten Platzierschritt 105, bei dem das zweite Fügeteil 103 auf einem Kontaktmaterial 107 platziert wird, das seine Steifigkeit in Abhängigkeit von einer Änderungsrate einer auf das Kontaktmaterial 107 ausgeübten mechanischen Spannung ändert, wie beispielsweise ein schersteifendes Gel.
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In einem zweiten Platzierschritt 109 wird das erste Fügeteil 101 auf dem zweiten Fügeteil platziert. Natürlich kann der zweite Platzierschritt vor dem ersten Platzierschritt durchgeführt werden, so dass das erste Fügeteil 101 auf dem zweiten Fügeteil 103 platziert wird, bevor das zweite Fügeteil 103 auf dem Kontaktmaterial 107 platziert wird. Somit wird eine Kombination aus dem ersten Fügeteil 101 und dem zweiten Fügeteil 103 auf dem Kontaktmaterial 107 platziert.
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Ferner wird das zweite Fügeteil 103 mit einer geringen und konstanten oder allmählich ansteigenden Kraft, die von einer Sonotrode 113 ausgeübt wird, bewegt und in das Kontaktmaterial 107 gedrückt. Dementsprechend passt sich das Kontaktmaterial 107 an die Form des zweiten Fügeteils 103 an, so dass kein Raum zwischen dem zweiten Fügeteil 103 und dem Kontaktmaterial 107 verbleibt. Somit stützt das Kontaktmaterial 107 das zweite Fügeteil 103 perfekt ab, wenn das Kontaktmaterial steif wird.
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In einem Fügeschritt 111 wird auf das erste Fügeteil 101 eine mechanische Spannung ausgeübt, indem das erste Fügeteil 101 relativ zum zweiten Fügeteil 103 bewegt wird, wie durch Pfeil 115 angezeigt. Da diese mechanische Spannung durch das zweite Fügeteil 103 auf das Kontaktmaterial 107 übertragen wird, versteift sich das Kontaktmaterial 107, und eine Bewegung des zweiten Fügeteils 103 wird durch das versteifte Kontaktmaterial 107 blockiert. Schließlich werden das erste Fügeteil 101 und das zweite Fügeteil 103 in einem Ultraschallschweißprozess miteinander verschweißt.
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Da zwischen dem zweiten Fügeteil 103 und dem Kontaktmaterial 107 kein Raum vorhanden ist, kann das zweite Fügetei1103, bei dem es sich beispielsweise um ein Substrat eines Leistungsmoduls handeln kann, während des Schweißprozesses nicht verformt werden und nicht brechen.
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Wie in 1 gezeigt, kann das Kontaktmaterial 107 nur in einem Bereich 117 steif werden, der durch den Ultraschallschweißprozess belastet wird.
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In 2 ist ein Amboss 200 gezeigt. Der Amboss 200 umfasst eine Basis 201 und eine Kontaktfläche 203 zum Halten eines Fügeteils, wie beispielsweise des zweiten Fügeteils 103 gemäß 1.
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Auf der Kontaktfläche 203 ist ein Kontaktmaterial wie beispielsweise das Kontaktmaterial 107 gemäß 1 bereitgestellt, das seine Steifigkeit in Abhängigkeit von einer Änderungsrate einer auf das Kontaktmaterial 107 ausgeübten mechanischen Spannung ändert. Das Kontaktmaterial 107 wird also umso steifer, je höher die Änderungsrate einer auf das Kontaktmaterial 107 ausgeübten mechanischen Spannung ist.
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Das Kontaktmaterial 107 ist als Kissen bereitgestellt, das das zweite Fügeteil 103 in einer konstanten Bewegung in Vorbereitung auf einen Ultraschallschweißprozess aufnimmt, bei dem das Kontaktmaterial 107 unter dem Einfluss der Ultraschallwellen steif, insbesondere hart wird.
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Bei dem Kontaktmaterial 107 handelt es sich beispielsweise um ein Gel. Das Kontaktmaterial 107 umfasst bevorzugt ein schersteifendes Material wie beispielsweise ein Scherverfestigungsflüssigkeits- (shear thickening fluid, STF-) System oder ein Scherversteifungsgel- (shear stiffening gel, SSG-) System.
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Ein STF ist eine nicht-newtonsche Suspensionsflüssigkeit, die durch Dispergieren von Mikro- und Nanopartikeln in einem polaren Medium wie Ethylenglykol oder Polyethylenglykol erhalten wird.
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In STF-Systemen gibt es grundsätzlich drei Arten von dispergierten Partikeln: anorganische Mineralpartikel (wie SiO2, CaCO3 oder TiO2), variable Partikel (wie Maisstärkepartikel) und schließlich synthetische Polymerpartikel (wie Polyvinylalkohol (PVA), Polystyrol-Acrylnitril (PS-AN) und Polystyrol-Ethylacrylat (PSt-EA)).
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Ein scherverfestigendes Gel (SSG) kann eine gelartige Polymermischung ohne Lösungsmittel umfassen. Beispiele hierfür sind ein Borsiloxan-Polymersilikonkautschuk mit niedrigem Vernetzungsgrad, der häufig unter Verwendung von Polysiloxan-Dimethylsilikonöl oder Hydroxysilikonöl, Borsäure und Benzoylperoxid (BPO) bei hoher Temperatur synthetisiert wird.
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Bisher wurden die technischen Lösungen der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit den in den beiliegenden Zeichnungen gezeigten bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, jedoch versteht es sich für einen Fachmann, dass der Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung natürlich nicht auf diese konkreten Ausführungsformen eingeschränkt ist. Ohne vom Grundgedanken der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, kann der Fachmann an den relevanten technischen Merkmalen gleichwertige Änderungen oder Ersetzungen vornehmen, und die technischen Lösungen fallen auch nach diesen Änderungen oder Ersetzungen in den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Fügeverfahren
- 101
- erstes Fügeteil
- 103
- zweites Fügeteil
- 105
- erster Platzierschritt
- 107
- Kontaktmaterial
- 109
- zweiter Platzierschritt
- 111
- Fügeschritt
- 113
- Sonotrode
- 115
- Pfeil
- 117
- Bereich
- 200
- Amboss
- 201
- Basis
- 203
- Kontaktfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2015/0306701 A1 [0004]
