EP0200014B2 - Verfahren zum abreisssicheren Kontaktieren lackisolierter Drähte - Google Patents

Verfahren zum abreisssicheren Kontaktieren lackisolierter Drähte Download PDF

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EP0200014B2
EP0200014B2 EP86104429A EP86104429A EP0200014B2 EP 0200014 B2 EP0200014 B2 EP 0200014B2 EP 86104429 A EP86104429 A EP 86104429A EP 86104429 A EP86104429 A EP 86104429A EP 0200014 B2 EP0200014 B2 EP 0200014B2
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Gerd Wiegel
Josef Schindler
Wilfried Dipl.-Ing. Scherer (Fh)
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
    • H01F41/04—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets for manufacturing coils
    • H01F41/10—Connecting leads to windings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R4/00—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation
    • H01R4/02—Soldered or welded connections
    • H01R4/026—Soldered or welded connections comprising means for eliminating an insulative layer prior to soldering or welding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R43/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors
    • H01R43/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors for soldered or welded connections
    • H01R43/0207—Ultrasonic-, H.F.-, cold- or impact welding

Definitions

  • the invention relates to a contacting method of enamelled wire with a diameter of less than 100 microns on vertically aligned parts of plate-shaped terminal lugs in wire-wound ceramic, plastic or ferrite cores, which are designed as choke chips.
  • the induction coils used are becoming smaller and smaller as the miniaturization progresses. This means that 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 ⁇ m (0.03 - 0.1 mm).
  • such a miniaturized HF choke in chip design is proposed, in which one or more layers of coated, insulated wire must be contacted on plate-shaped contact elements.
  • lacquer-insulated coil connections have been contacted by manual, mechanized or even fully automated soldering. Temperatures of approx. 500 ° C are necessary especially for soldering such high temperature resistant enamelled wires. The heat radiation can damage the materials in the immediate soldering area.
  • 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 enamelled wires less than 0.4 mm, since the wire weakens at the connection point due to the deformation. Since the mechanical requirements cannot generally 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 RF choke coils, which are either manufactured with connecting wire or more recently with connecting lugs as so-called RF 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 to create a contacting method suitable for microinductivities.
  • the object is achieved in a method of the type mentioned with the features a) to c) of the claim. This method makes it possible to contact microinductivities in an integrated manufacturing process.
  • the advantages of ultrasonic welding of enamelled wires such as reliable contacting and the low temperature load, are used and the previous disadvantage of low strength is also 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 drop of adhesive can be selected so that the entire deformation site 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 a shape 4 results which surrounds 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 enamelled, 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 enamelled, insulated round wire.
  • the core 21 has end faces 22 with recesses 23, into which connection tabs 25 with a platelet 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 welded on using ultrasound in the manner described above.
  • a drop of the specified adhesive is then applied to the surface of the connecting 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.
  • weld is also protected against climatic and corrosive influences.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Kontaktierungsverfahren von lackisolierten Wickeldrähten mit Durchmesser unter 100 µm auf vertikal ausgerichteten Teilen von plättchenförmigen Anschlußfahnen bei drahtbewickelten Keramik-, Kunststoff- oder Ferritkernen, die als Drossel-Chips ausgebildet sind.
  • 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 µm (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 Anschweißen 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 Kontaktfedem 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 ge- wölbte 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 demgegenüber, ein für Mikroinduktivitäten geeignetes Kontaktierungsverfahren zu schaffen.
  • Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen a) bis c) des Patentanspruches gelöst. Mit diesem Verfahren ist die Kontaktierung von Mikroinduktivitäten in einem integrierten Fertigungsvorgang möglich.
  • 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 gewähltwerden, 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 ge- schützt 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 1a) und b) das Prinzip des Kontaktierungsverfahrens.
    • FIG 2 einen neuartigen HF-Drossel-Chip in perspektivischer Darstellung, bei dem die Erfindung verwendet ist und
  • 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 µm 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 wm-Draht für Nenninduktivitäten von 0,068 - 8,2 µH bei 2 MHz Meßfrequenz) ist man dazu übergegangen, statt der bisher üblichen Anschlußdrähte großflächige Kontaktelemente vorzusehen. Dazu weist der Kern 21 Stirnenden 22 mitAussparungen 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.
  • Es hat sich gezeigt, daß durch eine kombinierte Schweiß- und Klebverbindung von dünnen lackisolierten Drähten mit den Kontaktelementen bei den Bauteilen nach FIG 2 eine Festigkeit erreichtwird, 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.

Claims (1)

1. Verfahren zum abreißsicheren Kontaktieren von lackisolierten Wickeldrähten (24) mit Durchmessern unter 100 µm auf vertikal ausgerichteten Teilen von plättchenförmigen Anschlußfahnen (25) bei drahtgewickelten Keramik-, Kunststoff-oder Ferritkernen (21), die als HF-Drossel-Chips (20) ausgebildet sind, mit folgenden Merkmalen:
a) die nicht abisolierten Drahtenden (26) werden an die Anschlußfahnen (25) gelegt,
b) durch Ultraschallschweißung wird jedes Drahtende (26) unter Aufbrechung der Isolationsschicht und Verformung seines Querschnittes auf dem vertikal ausgerichteten Teil der Anschlußfahne (25) geschweißt,
c) der Verbindungsbereich wird mit einem Tropfen (27) schnell härtenden organischen oder anorganischen Klebemittels, das thixotrope Eigenschaften hat, umhüllt.
EP86104429A 1985-04-15 1986-04-01 Verfahren zum abreisssicheren Kontaktieren lackisolierter Drähte Expired - Lifetime EP0200014B2 (de)

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DE19853513435 DE3513435A1 (de) 1985-04-15 1985-04-15 Verfahren zum abreisssicheren kontaktieren lackisolierter draehte, insbesondere zur anwendung bei elektronischen bauteilen
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