DE4039527C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Herstel­ lung bewickelter elektrischer Bauelemente durch Kontaktieren dün­ ner isolierter Drähte an Anschlußelementen mittels Laserschweißen.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem die Laser­ schweißung indirekt durch Bestrahlung eines auf den Draht aufge­ legten Plättchens vorgenommen wird, ist aus der DE-OS 33 07 773 bekannt.

Bei elektrischen Komponenten, wie z. B. bei Relais, Spulen, Über­ tragern und anderen Bauelementen, werden im Rahmen einer fort­ schreitenden Miniaturisierung die verwendeten Induktionsspulen immer kleiner. Dies bedeutet, daß die dabei eingesetzen Wickel­ drähte einen immer geringeren Durchmesser haben, wodurch das Kontaktieren der Spulenanschlüsse schwieriger wird. Beispiels­ weise können die lackisolierten Spulenanschlüsse einen Durch­ messer im Bereich von 30 bis 100 µm (0,03-0,1 mm) aufweisen.

Bisher werden lackisolierte Wickeldrähte üblicherweise durch Widerstands-, Ultraschall- oder Laserschweißen an Spulenanschlüs­ se kontaktiert. Die Erweichung von Draht und Anschluß beim Schweißvorgang ist dabei eine Funktion der Temperatur, die durch Energiezufuhr, Wärmekapazität und Wärmeableitung bedingt ist. Die verschiedenen Schweißverfahren unterscheiden sich vor allem in der Energiezufuhr zu Draht und Anschluß. Wärmekapazität und Wärmeableitung von Draht und Anschluß sind dagegen in erster Näherung unabhängig vom Schweißverfahren und beim Wickeldraht jeweils kleiner als beim Anschluß.

Beim Widerstandsschweißen, bei dem beide Elektroden den Wickel­ draht kontaktieren, erfolgt die Wärmeerzeugung im Wickeldraht und nicht im Anschluß auf den die Wärme durch Wärmeleitung über­ tragen wird. Die zeitlich frühere Erwärmung des Wickeldrahts im Vergleich zum Anschluß ist deshalb durch frühere Energiezufuhr zum Wickeldraht, niedrigere Wärmekapazität und geringere Wärme­ ableitung bedingt. Die frühere Erwärmung und damit frühere Erwei­ chung des Wickeldrahts und der Anpreßdruck der Elektroden führen dann zu starker Verformung des Wickeldrahts bei geringer Verfor­ mung des Anschlusses. Außerdem müssen beim Widerstandsschweißen die Elektroden bei miniaturisierten Bauelementen, wie bei den SMD-Spulen, so kleine Abmessungen aufweisen, daß ihre Standzeit für die automatisierte Fertigung zu klein ist. Ferner stört die Verschmutzung der Elektroden durch vom Wickeldraht stammende Lackreste.

Beim Ultraschallschweißen erzeugt der Sonotrodendruck nicht nur den Schweißdruck, sondern er bedingt gleichzeitig die Reibung, die die Wärme erzeugt. Durch die geringere Wärmekapazität und die geringere Wärmeableitung erweicht der Draht früher als der Anschluß. Die auf den erweichten Draht einwirkende Ultraschall­ schwingung verformt den Wickeldraht noch stärker als das Wider­ standsschweißen. Beim Ultraschallschweißen von lackisolierten Drähten unter 0,4 mm Durchmesser wird zur mechanischen Verstär­ kung der Schweißstelle ein zusätzliches Deckplättchen aufge­ schweißt (Sandwichtechnik) oder die Schweißstelle mit Kleber ab­ gedeckt (vgl. EP-PS 02 00 014). Die mechanische Verstärkung der Schweißstelle ist erforderlich, da der Draht beim Schweißen stark verformt wird und seine mechanische Stabilität dadurch abnimmt. Die elektrische Zuverlässigkeit der Wickelkontaktierung wird durch die Verformung ebenfalls verringert.

Beim Laserschweißen ist aus der DE-OS 33 07 773 bekannt, daß Kupferfeinstlackdraht sich nicht unmittelbar auf das Anschlußele­ ment schweißen läßt. Bei direkter Bestrahlung des Wickeldrahts durch den Laserstrahl müßte der Draht auch die Energie aufneh­ men, die für das Anschmelzen des Anschlusses erforderlich ist. Dabei schmilzt oder verdampft aber der Draht, bevor der Anschluß erweicht, so daß keine brauchbare Wickelkontaktierung resul­ tiert. Um dies zu vermeiden, wird die Laserenergie nicht direkt der Fügezone zugeführt, sondern der Oberfläche eines den Draht und den Anschluß abdeckenden Plättchens (Sandwichtechnik). Beim Laserschweißen mit Sandwichtechnik erweicht erst das Deckmate­ rial, dann der Wickeldraht und schließlich der zu kontaktierende Teil des Anschlusses. Das Deckmaterial wird aufgeschmolzen, fließt über den Draht zum Anschlußkontakt löst den Draht voll auf und bildet eine Schweißbrücke zwischen Draht und Anschluß. Für die Kontaktierung ist, analog zu einer Lötverbindung, die Grenzfläche zwischen Schmelze und nicht aufgeschmolzenem Draht entscheidend. Da sich der Draht - unerwünschterweise - voll auflöst, hat die Grenzfläche ungefähr die Größe des Drahtquer­ schnitts. An dieser Grenzfläche besteht die Gefahr der Versprö­ dung und der Erhöhung des elektrischen Widerstands infolge von Sauerstoffanreicherung, Porenbildung, unzureichender Rekristal­ lisation usw. Die relativ kleine Grenzfläche ergibt eine gerin­ gere mechanische und elektrische Stabilität der Laserschweiß­ verbindung im Vergleich zu einer Lötverbindung, bei der der Draht mit unverändertem Querschnitt ins Lot eingebettet wird.

Eine Darstellung der Laserstrahl-Schweiß­ verfahren mit der zugehörigen Problematik ist auch in der Zeitschrift Feinwerk­ technik und Meßtechnik 92 (1984) 7, Seiten 363 bis 366 gegeben.

Zur Problematik des Laserschweißens gehört auch, daß der Lack von lötbaren Kupferlackdrähten (z. B. auf Polyurethan-Basis) die Schweißung nicht erschwert oder sogar begünstigt, indem er wie ein Flußmittel wirkt, daß der Lack von schwer verzinnbaren Kup­ ferlackdrähten (z. B. auf Polyamid-Basis), die für die SMD-Spu­ len erforderlich sind, dagegen zu schlechten Schweißergebnissen führt. Schließlich übt die Laserstrahlung, im Gegensatz zum Wi­ derstands- und Ultraschallschweißen, keinen mechanischen Druck auf die Schweißpartner aus. Die Schweißpartner müssen sich aber berühren, da ein Spalt zwischen den Schweißpartnern die Schweißergebnisse verschlechtert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ver bessertes Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das insbesondere zu einer hochtemperaturfesten Kontaktierung mit verbesserter mechanischer und elektrischer Stabilität durch verringerte Drahtverformung führt, sowie zu verkleinerten Abmessungen von ohne Sandwichtechnik durch unmittelbare Verbin­ dung von Draht und Anschlußelementen hergestellten Bauelementen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß nur das An­ schlußelement durch direkte Laserbestrahlung an der zur Ver­ schweißung vorgesehenen Stelle zu einer Schweißlinse aufgeschmol­ zen wird, in die, sobald die Schweißlinse soweit abgekühlt ist, daß der Draht anschließend nur oberflächlich anschmilzt, der Draht eingebettet wird.

Bei der Energiezufuhr durch direkte Laserbestrahlung wird das aufgeschmolzene Anschlußmaterial weit über den Schmelzpunkt hin­ aus erwärmt. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die in der Schmelze gespeicherte Energie ausreichend ist, um, indirekt und ohne weitere direkte oder indirekte Laserbestrah­ lung, das relativ wenige Drahtmaterial soweit zu erhitzen, wie es für den Schweißvorgang notwendig ist. Dies eröffnet die Mög­ lichkeit, den Draht beim Schweißen dadurch nicht aufzuschmelzen, daß der nicht erwärmte Draht in die Schmelze des Anschlußmate­ rials erst dann eingetaucht wird, wenn die Schmelze durch Wär­ meableitung soviel Energie verloren hat, daß die in der Schmelze verbleibende Energie nur noch ausreicht, den Draht oberflächlich anzuschmelzen.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich im Zuge fortlaufenden, insbesondere still­ standslosen Bewickelns von Wickelträgern elektrischer Bauele­ mente dadurch, daß der isolierte Wickeldraht in die auf dem je­ weiligen Anschlußelement des Wickelträgers erzeugte Schweißlinse hineingewickelt und dabei durch den Wickelzug in die zur Schweiß­ verbindung erstarrende Schmelze gedrückt wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen­ stand zusätzlicher Ansprüche.

Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der für das Laserschweißver­ fahren nach dem herkömmlichen Stand der Technik erforderlichen Teile;

Fig. 2 und 3 schematische Darstellungen zweier Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 4 eine schematische Seitenansicht mehrerer miteinander durch Doppelanschlußelemente verbundenen Wickelträger;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung spezieller im erfindungs­ gemäßen Verfahren verwendeter Wickelträger - und Anschluß­ elementformen.

In Fig. 1 ist die aus dem Stand der Technik bekannte Sandwichtech­ nik beim Schweißen mittels eines Laserstrahls 2 dargestellt. Wie in Fig. 1 angedeutet, ist dabei vorgesehen, daß ein Deckplättchen 4 den Draht 1 auf die vorgesehene Schweißstelle des Anschlußele­ ments 3 niederdrückt. Beim bekannten Verfahren kann der Draht 1 auch statt durch ein separates Deckplättchen 4 beispielsweise durch überlappendes, als Abdeckung dienendes, Material des An­ schlußelements der direkten Bestrahlung entzogen werden. Dies erfordert in jedem Fall zusätzliche Arbeitsgänge und führt zu größeren Abmessungen des kontaktierten Bauelements.

In Fig. 2 ist ein konvexer Teil 5 der Anschlußoberfläche 6 eines Anschlußelements 3 dargestellt, während in Fig. 3 eine Schnitt­ fläche 8 eines Anschlußelements 3 dargestellt ist. Es ist vor­ teilhaft, eine Schweißlinse 7 durch den Laserstrahl 2 entweder in einem konvexen Teil 5 oder an einer Schnittfläche 8 des je­ weiligen Anschlußelementes 3, wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, zu erzeugen, so daß der Schweißdruck beispielsweise durch die vom Wickelzug auf einen Wickeldraht ausgeübten Kräfte, statt wie bisher üblich durch Stempel und mechanischen Andruck, erzeugt wird.

Das erfindungsgemäße Laserschweißverfahren ermöglicht auch die Schweißung eines schwer verzinnbaren und wärmebeständigen Kup­ ferfeinstlackdrahtes. Die Energie, die für das Aufschmelzen bzw. Verkohlen des Drahtlacks erforderlich ist, wird dem Lack in der Fügezone nicht aus dem Draht, sondern aus der Schweißlinse zuge­ führt. Die für die Qualität der Kontaktierung kritische Entfer­ nung der Lackisolierung kann deshalb mit definierter Energiezu­ fuhr erfolgen. Hinzu kommt, daß der oben erwähnte Schweißdruck die Spaltbildung reduziert und den Durchbruch durch die verkohl­ ten Reste der schwer verzinnbaren Drahtlackierung, der für eine elektrisch stabile Schweißverbindung erforderlich ist, begün­ stigt. Ein genereller Vorteil des erfindungsgemäßen Schweißver­ fahrens besteht auch darin, daß die nur angeschmolzene Draht­ oberfläche die kritische Grenzfläche zwischen Draht und Schmelze vergrößert. Die Energiezufuhr kann im übrigen unproblematisch beispielsweise durch einen gepulsten Festkörperlaser (Nd-Glas- oder Nd-YAG-Laser) erfolgen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann im Zuge fortlaufenden Be­ wickelns von Wickelträgern elektrischer Bauelemente angewendet werden, bei dem die Wickelträger in Folge und schrittweise mit­ tels einer Transporteinrichtung einer Wickelvorrichtung zuge­ führt, bewickelt und weiterbefördert werden und bei dem der Draht jedes Wickels jeweils an den Anschlußelementen der Wickelträger festgeschweißt und der Wickeldraht zwischen aufeinanderfolgenden elektrischen Bauelementen aufgetrennt wird. Ein derartiges Wickel­ verfahren ist an sich bereits aus der DE-OS 35 18 651 bekannt. Der isolierte Wickeldraht wird in diesem Fall in die auf dem jeweiligen Anschlußelement erzeugte Schweißlinse hineingewickelt und dabei durch den Wickelzug in die zur Schweißverbindung er­ starrende Schmelze gedrückt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Zeitspanne zwischen dem Erzeugen der Schweißlinse und dem Hinein­ wickeln des Wickeldrahtes in die erstarrende Schmelze durch die den Wickelvorgang bestimmenden Parameter (z. B. Wickelbeginn, Wickellänge, Wickelgeschwindigkeit usw.) in Abhängigkeit insbe­ sondere vom Drahtdurchmesser und von der Drahtlackierung so ein­ gestellt wird, daß der Wickeldraht nur anschmilzt, aber nicht aufschmilzt. Durch die Wahl der geometrischen Lage der Schweiß­ linsen auf den Anschlußelementen ist zudem eine einfache Varia­ tion der Wickeldrahtlänge und damit ein unproblematisches Ein­ stellen eines entsprechenden Induktionsnennwertes einer elektri­ schen Spule möglich. Dies hilft, die von den Kunden geforderten Toleranzen zu erfüllen.

Zur Veranschaulichung der Kontaktierung im Zuge fortlaufenden Wickelns von Wickelträgern sind in Fig. 4 jeweils stirnseitig an zwei benachbarten Wickelträgern 9 rechteckigen Querschnitts be­ festigte, U-förmig ausgebildete Doppelanschlußelemente 10 darge­ stellt, die während der Arbeitsgänge Wickeln, Umspritzen usw. als Systemträger für die Wickelträger 9 dienen. Danach werden die Doppelanschlußelemente 10 in der Mitte in zu verschiedenen Wickelträgern 9 gehörende Anschlußelemente auseinandergetrennt. Auf den zur Oberseite der Wickelträger 9 weisenden aber über diese herausragenden Schnittflächen der beiden U-Schenkel der Doppelanschlußelemente 10 ist jeweils eine nach dem erfindungs­ gemäßen Verfahren erzeugte Schweißlinse 11 und 12 angedeutet. Bei der Herstellung resultiert also letztlich eine bewickelte Spule, deren Wickeldraht jeweils an den über den Trägerkörper hinausragenden beiden Anschlußteilen direkt ohne Deckplättchen oder dergleichen durch Laserbestrahlung festgeschweißt ist.

Verglichen mit dem in der DE-OS 35 18 651 vorgeschlagenen Ver­ fahren, das ein (mehrfach beschichtetes) hochwertiges metalli­ sches Trägerband mit im Winkel dazu angeformten Armen als zu­ sätzlichen Systemträger vorsieht, ist bei der erfindungsgemäßen Herstellung von oberflächenmontierbaren Spulen ohne Systemträger eine Einsparung von Anschlußmaterial möglich, die etwa 20% der Materialkosten des Bauelements entspricht. Beim stillstandslosen Bewickeln können die Trägerkörper 9 allerdings im Gegensatz zur DE-OS 35 18 651 nicht durch den Flugkreis des Wickelfingers hin­ durch in Wickelposition gebracht werden. Statt dessen befinden sich die Wickelträger 9 in der Achse senkrecht und mittig zum Flugkreis und werden auch durch Transport in Richtung dieser Achse in Wickelposition gebracht, wobei die Wickelträger 9 unbe­ wickelt durch die Achse der Vorratsrolle für den Wickeldraht transportiert werden.

Die Doppelanschlußelemente 10 müssen mit den Wickelträgern 9 vor dem Wickeln beispielsweise mittels Kleber miteinander verbunden werden. Bis zum Kleberaushärten müßten erstere deshalb in Klebe­ position gehalten werden, was durch spezielle Haltevorrichtungen geschehen kann. Diese können jedoch das Erscheinungsbild und die Lötbarkeit der Oberfläche der Anschlußelemente verschlechtern. Es bietet sich deshalb im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfah­ rens die vorteilhafte Verwendung eines in Fig. 5 dargestellten Doppelanschlußelements 15 an, dessen beide U-Schenkel fenster­ artige Ausnehmungen 16 aufweisen, die die entsprechend geformten Stirnseiten 14 der benachbarten Wickelträger 13 aufnehmen, wobei das Doppelanschlußelement 15 mittels Kleber an den Wickelträgern 13 befestigt und während des Kleberaushärtens von den von einer Transportvorrichtung gehaltenen Wickelträgern 13 getragen wird. Etwaige Zusatzhalterungen erübrigen sich damit und insgesamt ergibt sich ein leichteres Handling bei der Herstellung der bewickelten Bauelemente.

Claims (8)

1. Verfahren zur automatisierten Herstellung bewickelter elek­ trischer Bauelemente durch Kontaktieren dünner isolierter Drähte an Anschlußelementen mittels Laserschweißen, dadurch gekennzeichnet, daß nur das Anschlußelement (3, 10, 15) durch direkte Laserbestrahlung (2) an der zur Verschweißung vorgesehenen Stelle zu einer Schweiß­ linse (7, 11, 12) aufgeschmolzen wird, in die, sobald die Schweißlinse (7, 11, 12) soweit abgekühlt ist, daß der Draht (1) anschließend nur oberflächlich anschmilzt, der Draht (1) eingebettet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines schwer verzinnbaren und wärmebeständigen Kupferfeinstlackdrahtes.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißlinse (7, 11, 12) in einem konvexen Teil (5) oder an einer Schnittfläche (8) des jeweiligen Anschlußelementes (3, 10, 15) erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuge fortlaufenden, insbesondere stillstandslosen Bewik­ kelns von Wickelträgern (9) elektrischer Bauelemente die Wickel­ träger (9) in Folge und schrittweise mittels einer Transport­ einrichtung einer Wickelvorrichtung zugeführt, bewickelt und weiterbefördert werden, daß der Draht jedes Wickels jeweils an den Doppel-Anschlußelementen (10, 15) der Wickelträger (9, 13) festgeschweißt und der Wickeldraht zwischen aufeinanderfolgenden elektrischen Bauelementen aufgetrennt wird, und daß der isolierte Wickeldraht in die auf dem jeweiligen Anschlußelement (10) erzeugte Schweiß­ linse (11, 12) hineingewickelt und dabei durch den Wickelzug in die zur Schweißverbindung erstarrende Schmelze gedrückt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitspanne zwischen dem Erzeugen der Schweißlinse (11, 12) und dem Hineinwickeln des Wickeldrahtes in die erstarrende Schmelze durch die den Wickelvorgang bestimmenden Parameter so eingestellt wird, daß der Wickeldraht nur oberflächlich an­ schmilzt.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß über die Wahl der geometrischen Lage der Schweißlinsen (11, 12) auf den Doppel-Anschlußelementen (10, 15) eine unterschiedliche Wickel­ drahtlänge und ein entsprechender Induktionsnennwert einer elek­ trischen Spule eingestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, gekennzeichnet durch die Verwendung von jeweils stirnseitig an zwei benachbarten Wickelträgern (9, 13) rechteckigen Querschnitts befestigten, U-förmig ausgebildeten Doppelanschluß­ elementen (10, 15) als Systemträger für die Wickelträger (9, 13) wobei auf den zur Oberseite der Wickelträger (9, 13) weisenden, aber über diese hinausragenden Schnittflächen der beiden U-Schenkel je­ weils eine Schweißlinse (11, 12) erzeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Doppelanschlußelements (15), dessen beide U-Schenkel fenster­ artige Ausnehmungen (16) aufweisen, die die entsprechend ge­ formten Stirnseiten (14) der benachbarten Wickelträger (13) aufnehmen, wobei das Doppelanschlußelement (15) mittels Kleber an den Wickelträgern (13) befestigt und während des Kleberaus­ härtens von den von einer Transportvorrichtung gehaltenen Wickelträgern (13) getragen wird.