EP0200014B1 - Verfahren zum abreisssicheren Kontaktieren lackisolierter Drähte - Google Patents
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- H01R43/0207—Ultrasonic-, H.F.-, cold- or impact welding
Definitions
- the invention relates to a method for tearing-proof contacting of insulated wires on contact elements by ultrasonic welding, in particular for use in electronic components.
- the induction coils used are becoming smaller and smaller as part of a progressive miniaturization.
- the winding wires used have an ever smaller diameter, which makes contacting the coil connections more difficult.
- the enamel-insulated coil connections can have a diameter in the range from 30 to 100 11 m (0.03-0.1 mm).
- P 34 33 692.3 such a miniaturized RF choke in chip design is proposed, in which one or more layers of coated, insulated wire must be contacted on plate-shaped contact elements.
- Ultrasonic welding can advantageously be used for contacting, the lacquer insulation layer being equally broken up and the welding effect being achieved due to the mechanical effect of the ultrasound.
- problems arise with diameters of enamel-insulated wires below 0.4 mm, since the wire at the connection point is weakened by the deformation when it is welded on. Since the mechanical requirements can generally not be maintained, an additional cover plate has to be welded on to improve the mechanical strength. The latter is described specifically for laser welding in DE-OS 33 07 773. In the manufacture of HF choke coils, which are either manufactured with connecting wire or more recently with connecting lugs as so-called HF choke chips, this would mean an additional effort, since the cover plates have to be fed in before welding.
- a so-called socket strip for electrical connectors of ribbon cables is known, in which the ends of the wires of the ribbon cable are connected to the respective contact springs by ultrasonic welding.
- the individual wires of the ribbon cable should be able to be brought to the contact springs without being stripped and welded through the insulation.
- the insulated cable end is placed in a trough-shaped bed and the insulating material is squeezed away by the rubbing process caused by ultrasound.
- DE-A-27 57 038 specifies the ultrasonic soldering of such lines, in which the wire end is provided beforehand with a metallic solder.
- the object of the invention is therefore to provide an improved method for contacting thin enamel-insulated wires on a metallic base, in which ultrasonic welding can be used.
- the object is achieved in that in the case of enamelled wires with diameters less than 0.4 mm, in particular less than 100 11 m, the wire is first welded to the contact element in one step by breaking the insulation layer and deforming the cross section, and then the connection area is coated with a drop of a fast curing organic or inorganic adhesive.
- This method preferably uses a thixotropic adhesive which, owing to its dimensional stability, can also be used on vertically oriented surfaces.
- the welding of a lacquer-insulated winding wire with plate-shaped connecting lugs is carried out with wire-wound ceramic, plastic or ferrite cores, which are designed as so-called HF choke chips, the wire ends being placed on one side and welded to the connecting lugs.
- the enameled winding wire is welded to connecting wires of wire-wound ceramic, plastic or ferrite cores, which are designed as HF choke coils, the wire ends of the winding wire being wound around the ends of the connecting wires and welded.
- the connecting wires are advantageous arranged in the end region of the coil cores and welded to the ends of the winding wire, the enveloping adhesive also taking over the mechanical fixing of the connecting wire to the end regions in addition to covering the welding point.
- the advantages of ultrasound welding of enamelled wires such as reliable contacting and the low temperature load, are used and, likewise, the previous disadvantage of low strength is compensated for by the application of the adhesive.
- Such adhesives are easy to handle and can be applied as drops to the weld. After curing, the adhesive is mechanically strong and in particular also resistant to changes in temperature. The volume of the adhesive drop can be selected so that the entire deformation point is enclosed. As a result, the strength of the contact is greater than the wire strength.
- 1 means a metallic base, for example a contact element, on which a paint-insulated wire 2 is to be contacted.
- Ultrasound welding can advantageously be used for this purpose, for which an ultrasound sonotrode with 10 and associated ultrasound anvil with 11 are indicated.
- the insulation layers are broken up by the mechanical effect and the metallic parts are contacted by friction welding with simultaneous deformation.
- a one-component adhesive is used as the adhesive. It is important for the intended use that the adhesive substance is thixotropic, i.e. dimensionally stable, is and hardens quickly. In automated production, a drop of the adhesive can then be applied to the welding point directly after welding, which hardens after passing through UV light after a few seconds, so that there is a shape 4 which encloses the deformed area of the wire 1.
- an RF choke is designated 20.
- Such chokes usually consist of a core 21, which can be made of ceramic, plastic or ferrite, with a single-layer or multi-layer winding 24 made of enamel-insulated round wire.
- a core 21 which can be made of ceramic, plastic or ferrite, with a single-layer or multi-layer winding 24 made of enamel-insulated round wire.
- the transition has been made to the usual one Provide connecting wires for large-area contact elements.
- the core 21 has end faces 22 with cutouts 23, into which connection tabs 25 with a plate-like surface are introduced on the front and rear sides.
- the connecting lugs 25 are bent at their free part so that they can be plugged onto printed circuit boards or the like.
- connection lug 25 must be contacted with the winding wire 24:
- the winding wire 24 is placed diagonally around the connection lug 25 and the end 26 of the winding wire 24 is ultrasonically welded on in the manner described above.
- a drop of the specified adhesive is then applied to the surface of the connection lug 25 .
- An approximately wart-shaped area 27 is formed, which covers the entire deformation area of the ultrasonic welding. After the adhesive has hardened, a mechanically stable connection is achieved.
- an HF choke 30 has a ceramic, plastic or ferrite core 31, on which a wire winding 34 is located. On the end face 32 of the core end, a connecting wire 35 is led out, which can be anchored in the core 31.
- the connecting wire 35 is to be contacted with the winding wire 34.
- the end 36 of the winding wire 34 is wound at the end around the connecting wire 35 and thus welded in the immediate vicinity of the core 31 by ultrasound.
- the entire area of the end face 37 of the core 31 surrounding the two wires 35 and 36 is covered with an organic or inorganic adhesive.
- a grommet shape 37 can form during curing.
- weld is also protected against climatic and corrosive influences.
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum abreißsicheren Kontaktieren isolierter Drähte an Kontaktelementen durch Ultraschallschweißen, insbesondere zur Anwendung bei elektronischen Bauteilen.
- Bei elektrischen Komponenten, wie z.B. bei Relais, Schützen und anderen Bauelementen, werden im Rahmen einer fortschreitenden Miniaturisierung die verwendeten Induktionsspulen immer kleiner. Dies bedeutet, daß die dabei eingesetzten Wikkeldrähte einen immer geringeren Durchmesser haben, wodurch das Kontaktieren der Spulenanschlüsse schwieriger wird. Beispielsweise können die lackisolierten Spulenanschlüsse einen Durchmesser im Bereich von 30 bis 100 11m (0,03 - 0,1 mm) aufweisen. In der älteren deutschen Patentanmeldung P 34 33 692.3 wird eine derartige miniaturisierte HF-Drossel in Chip-Bauweise vorgeschlagen, bei der ein- oder mehrlagig gewickelter, lackisolierter Draht an plättchenförmige Kontaktelemente kontaktiert werden muß.
- Bisher werden lackisolierte Spulenanschlüsse durch manuelles, mechanisiertes oder auch vollautomatisiertes Löten kontaktiert. Speziell für das Verlöten derartiger hochtemperaturfester Lackdrähte sind dabei Temperaturen von ca. 500 °C notwendig. Durch die Wärmestrahlung können die im unmittelbaren Lötbereich liegenden Werkstoffe geschädigt werden.
- Zum Kontaktieren kann vorteilhaft das Ultraschallschweißen eingesetzt werden, wobei durch die mechanische Wirkung des Ultraschalls gleichermaßen die Lackisolationsschicht aufgebrochen und die Verschweißwirkung erreicht werden. Allerdings treten bei Durchmessern von lackisolierten Drähten unter 0,4 mm Probleme auf, da beim Anschwei- βen der Draht an der Verbindungsstelle durch die Verformung geschwächt wird. Da die gestellten mechanischen Forderungen im allgemeinen nicht aufrechterhalten werden können, muß bisher zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit ein zusätzliches Deckplättchen mit aufgeschweißt werden. Letzteres wird speziell für das Laserschweißen in der DE-OS 33 07 773 beschrieben. Bei der Fertigung von HF-Drosselspulen, die entweder mit Anschlußdraht oder auch neuerdings mit Anschlußfahnen als sogenannte HF-Drossel-Chips hergestellt werden, würde dies einen Mehraufwand bedeuten, da die Deckplättchen vor dem Verschweißen zugeführt werden müssen.
- Speziell aus der DE-A-27 28 914 ist eine sogenannte Buchsenleiste für elektrische Steckverbinder von Flachbandkabeln bekannt, bei der die Enden der Adern des Flachbandkabels mit den jeweiligen Kontaktfedern durch Ultraschallschweißung verbunden sind. Dabei sollen die einzelnen Adern des Flachbandkabels unabisoliert an die Kontaktfedem herangeführt und durch die Isolierung hindurch verschweißt werden können. Im einzelnen wird das isolierte Leitungsende in ein rinnenartig gebogenes Bett gelegt und durch den bei Ultraschalleinwirkung erfolgenden Reibvorgang das Isoliermaterial weggequetscht. Als Alternative zum Ultraschallschweißen ist in der DE-A-27 57 038 das Ultraschallöten derartiger Leitungen angegeben, bei dem das Drahtende vorab mit einem metallischen Lötmittel versehen wird.
- Weiterhin sind unterschiedlich aufgebaute Kontaktierungen von Drähten mit elektrischen Anschlußelementen aus der DE-C-11 94 945, der DE-A-19 03 006 und der GB-A-21 02 632 bekannt. Bei diesen Kontaktierungen werden durchweg spezifische Lötverfahren angewandt.
- Lötverfahren sind aber für mit hochwarmfestem Lack isolierte Drähte ungeeignet. Speziell das Ultraschallschweißen wird dann problematisch, wenn der zu kontaktierende Draht einen bestimmten Querschnitt unterschreitet und keine konkav gewölbte Aufnahme vorhanden ist. In der US-A-38 22 465 wird hierzu ausgeführt, daß dünne lackisolierte Drähte nur dann erfolgreich durch Ultraschall auf metallische Unterlagen aufgeschweißt werden können, wenn der Schweißzyklus aus einem Vorimpuls zum Entfernen der Isolierung und den eigentlichen Schweißimpuls zum Herstellen der metallischen Verbindung besteht. Es wird dort speziell in Teilschritten mit variierenden Anpreßkräften und Ultraschallamplituden gearbeitet, was jedoch nicht ohne weiteres in einer automatischen Fertigung für die Massenproduktion von insbesondere elektronischen Bauteilen einsetzbar ist. In der Praxis kann nur ein vergleichsweise unspezifischer Schweißimpuls abgegeben werden.
- Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zum Kontaktieren dünner lackisolierter Drähte auf eine metallische Unterlage anzugeben, bei dem ein Ultraschallschweißen zur Anwendung kommen kann.
- Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei lackisolierten Drähten mit Durchmessern unter 0,4 mm, insbesondere unter 100 11m, zunächst durch Ultraschallschweißung der Draht in einem Schritt unter Aufbrechen der Isolationsschicht und Verformung des Querschnittes auf das Kontaktelement geschweißt wird und daß anschließend der Verbindungsbereich mit einem Tropfen eines schnell härtenden organischen oder anorganischen Klebemittels umhüllt wird.
- Vorzugsweise kommt bei diesem Verfahren ein thixotropes Klebemittel zur Anwendung, das aufgrund seiner Formbeständigkeit auch auf vertikal ausgerichteten Flächen anwendbar ist.
- In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Verschweißung eines lackisolierten Wickeldrahtes mit plättchenförmigen Anschlußfahnen von mit drahtbewickelten Keramik-, Kunststoff- oder Ferritkernen, die als sogenannte HF-Drossel-Chips ausgebildet sind, wobei die Drahtenden einseitig an die Anschlußfahnen gelegt und verschweißt werden.
- In einer anderen Ausgestaltung erfolgt dagegen die Verschweißung eines lackisolierten Wickeldrahtes mit Anschlußdrähten von drahtbewickelten Keramik-, Kunststoff- oder Ferritkernen, die als HF-Drossel-Spulen ausgebildet sind, wobei die Drahtenden des Wickeldrahtes um die Enden der Anschlußdrähte gewickelt und verschweißt werden. Dabei sind vorteilhafterweise die Anschlußdrähte im Stirnbereich der Spulenkerne angeordnet und mit den Enden des Wickeldrahtes verschweißt, wobei das umhüllende Klebemittel zusätzlich zur Abdeckung der Schweißstelle die mechanische Fixierung des Anschlußdrahtes an die Stirnbereiche übernimmt.
- Bei der Erfindung werden die Vorzüge des Ultraschallschweißens von Lackdrähten, wie sichere Kontaktierung und die geringe Temperaurbelastung, genutzt und gleichermaßen der bisherige Nachteil der geringen Festigkeit durch das Aufbringen des Klebemittels kompensiert. Solche Klebemittel sind einfach handhabbar und können als Tropfen auf die Schweißstelle aufgebracht werden. Nach dem Aushärten ist der Kleber mechanisch fest und insbesondere auch temperaturwechselbeständig. Das Volumen des Klebetropfens kann so gewählt werden, daß die gesamte Verformungsstelle umschlossen wird. Im Ergebnis wird dadurch erreicht, daß die Festigkeit der Kontaktierung größer als die Drahtfestigkeit ist.
- Bei der Verwendung des Verfahrens für elektronische Bauteile werden nicht nur die geforderte Verbesserung der mechanischen Stabilität bei gleichzeitiger Fertigungsvereinfachung erzielt; es wird auch erreicht, daß die Schweißstelle des Bauteiles gegen klimatische und korrosive Einflüsse geschützt ist. Die Schweißstelle oder das gesamte Bauteil kann darüber hinaus auch mit mechanisch festen Überzügen ummantelt werden.
- Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben such aus nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen
- FIG 1 a) und b) das Prinzip des Kontaktierungsverfahrens.
- FIG 2 einen neuartigen HF-Drossel-Chip in perspektivischer Darstellung, bei dem die Erfindung verwendet ist und
- FIG 3 eine Schnittdarstellung einer herkömmliche HF-Drossel mit Anschlußdraht unter Verwendung der Erfindung.
- In FIG 1 bedeutet 1 eine metallische Unterlage, beispielsweise ein Kontaktelement, worauf ein lackisolierter Draht 2 kontaktiert werden werden soll. Dafür kann vorteilhaft das Ultraschallschweißen verwendet werden, wofür eine Ultraschallsonotrode mit 10 und zugehöriger Ultraschallamboß mit 11 angedeutet sind. Beim Ultraschallschweißen werden durch die mechanische Wirkung die Isolationsschichten aufgebrochen und durch Reibschweißung die metallischen Teile unter gleichzeitiger Verformung kontaktiert.
- Problematisch ist allerdings das Ultraschallschweißen bei Drähten geringen Durchmesssers, insbesondere unter 0,4 mm, da es hier durch die Verformung zu einem Abscheren des Drahtes kommen kann. Wenn gemäß FIG 1 b nach dem Aufschweißen auf due Kontaktstelle ein Tropfen eines geeigneten Klebemittels aufgebracht wird, läßt sich der gesamte gegen Abscherung gefährdete Bereich schützen und somit eine sichere mechanische Verbindung erreichen.
- Insbesondere für das Ultraschallschweißen von Drähten unter 100 11m Durchmesser ist es wichtig, durch den Andruck der Sonotrode 10 den Draht 1 vorab zu verformen und anschließend den Schall einwirken zu lassen. Dabei werden beispielweise mit einer Ultraschallfrequenz von 40 kHz und Andruckkräften zwischen 2 und 10 N gearbeitet, wobei die Leistungen üblicherweise im Bereich bis zu einigen Watt liegen.
- Als Klebemittel wird beispielsweise ein Einkomponenten klebstoff verwendet. Wichtig für den bestimmungsmäßigen Gebrauch ist dabei, daß die Klebesubstanz thixotrop, d.h. formbeständig, ist und schnell aushärtet. Bei einer automatisierten Fertigung kann dann unmittelbar nach der Schweißung ein Tropfen des Klebemittels punktuell auf die Schweißstelle aufgebracht werden, der bei Durchlauf durch UV-Licht nach wenigen Sekunden aushärtet, so daß sich eine Form 4 ergibt, die den verformten Bereich des Drahtes 1 umschließt.
- In FIG 2 ist eine HF-Drossel mit 20 bezeichnet. Solche Drosseln bestehen üblicherweise aus einem Kern 21, der aus Keramik, Kunststoff oder Ferrit bestehen kann mit eine darauf befindlichen ein-oder mehrlagigen Wicklung 24 aus lackisoliertem Runddraht. Im Rahmen einer Miniaturisierung solcher elektronischer Bauteile (bspw. 3,2mm x 2,5mm x 1,5 mm und 40 jim-Draht für Nenninduktivitäten von 0,068 - 8,2 iLH bei 2 MHz Meßfrequenz) ist man dazu übergegangen, statt der bisher üblichen Anschlußdrähte großflächige Kontaktelemente vorzusehen. Dazu weist der Kern 21 Stirnenden 22 mit Aussparungen 23 auf, in den front- und rückseitig plättchenflächige Anschlußfahnen 25 eingebracht sind. An ihrem freien Teil sind die Anschlußfahnen 25 abgeknickt, so daß sie auf Leiterplatten od. dgl. gesteckt werden können.
- Die Anschlußfahne 25 muß mit dem Wickeldraht 24 kontaktiert werden: Hierzu wird der Wickeldraht 24 diagonal um die Anschlußfahne 25 gelegt und das Ende 26 des Wickeldrahtes 24 in oben beschriebener Weise mittels Ultraschall aufgeschweißt Auf die Fläche der Anschlußfahne 25 wird anschließend ein Tropfen des angegebenen Klebers aufgebracht. Es bildet sich ein in etwa warzenförmiger Bereich 27, der den gesamten Verformungsbereich des Ultraschallschweißens überdeckt. Nach Aushärten des Klebers ist eine mechanisch stabile Verbindung erreicht.
- In FIG 3 weist eine HF-Drossel 30 einen Keramik-, Kunststoff- oder Ferritkern 31 auf, auf dem sich eine Drahtwicklung 34 befindet. Auf der Stirnfläche 32 des Kemendes ist ein Anschlußdraht 35 herausgeführt, der im Kern 31 verankert sein kann.
- Der Anschlußdraht 35 soll mit dem Wickeldraht 34 kontaktiert werden. Dazu wird das Ende 36 des Wickeldrahtes 34 endseitig um den Anschlußdraht 35 gewickelt und damit in unmittelbarer Nähe des Kernes 31 durch Ultraschall verschweißt. Anschlie- βend wird der gesamte, um die beiden Drähte 35 und 36 umlaufende Bereich der Stirnfläche 37 des Kernes 31 mit einem organischen oder anorganischen Klebemittel bedeckt. Beim Aushärten kann sich in etwa eine Tüllenform 37 ausbilden.
- Es hat sich gezeigt, daß durch eine kombinierte Schweiß- und Klebverbindung von dünnen lackisolierten Drähten mit den Kontaktelementen bei den Bauteilen nach FIG 2 und 3 eine Festigkeit erreicht wird, die größer ist als die Drahtfestigkeit. Messungen des Übergangswiderstandes sowie Temperaturwechsel- und weitere elektrische Prüfungen ergaben hinreichend gute Werte.
- Vorteilhaft ist bei den vorstehend beschriebenen Beispielen weiterhin, daß die Schweißstelle auch gegen klimatische und korrosive Einflüsse geschützt ist.
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