EP2188415B1 - Verfahren zur oberflächenbehandlung von aluminium und ein schichtaufbau eines bauteils aus aluminium mit einer elektrischen kontaktierung - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for surface treatment of aluminum and a layer structure of a component made of aluminum, for example for contacting a ultrasonic transducer, according to the generic features of the independent claims 1, 6 and 10.
- ultrasonic transducers with milled or deep-drawn aluminum geometries, in which an electrical contact, in particular a ground contact, the aluminum geometries to the electrical components, such as ultrasonic transducer, must be made, for example, to achieve a reduction in EMC sensitivity .
- an electrical contact in particular a ground contact
- the aluminum geometries to the electrical components, such as ultrasonic transducer must be made, for example, to achieve a reduction in EMC sensitivity
- EMC sensitivity electrostatic pressure
- the automotive technology utraschallbasierende for example from the DE 102 37 721 A1 known environment detection systems with at least one ultrasonic sensor applied, each ultrasonic sensor emits an ultrasonic signal, which is reflected by a possible obstacle and can be received by the same ultrasonic sensor and or by other ultrasonic sensors.
- the ultrasonic signal is generated by means of a glued on the inside of the aluminum geometry piezoceramic as an electrical component.
- the piezokoramik is usually glued to the non teltende Aluminiumoxyd Anlagen the aluminum geometry by means of a non-conductive adhesive, with a Oxide layer on the surface of the aluminum in the short term after a surface cleaning process, for example, etching or mechanical machining, repeatedly forms.
- solders for the necessary production of electrical connections on aluminum, but they have to be soldered with a lot of corrosive flux, which in turn has to be removed by washing. The then necessary cleaning and drying is difficult to handle in an automated production line.
- the aluminum solder is only available as a solder wire and would possibly produce too much solder and thus too much inert mass.
- From the DE 43 17 217 A1 is a method for the pretreatment of aluminum parts known to be welded or glued or provided with a conversion layer and a paint.
- the oxide layer on the aluminum part is first removed with an acidic or alkaline solution.
- the surface is treated with a Ti or Zr-containing solution to form a conversion layer.
- this conversion layer keeps the surface electrical resistance low.
- the invention is based on a method for producing an electrical contacting in which according to the invention advantageously in a first step, an oxide layer on the aluminum surface is removed and in a second step before a new formation of an oxide layer, the surface is sealed with a conversion layer with built-in metal ions ,
- the removal of the oxide layer can be easily accomplished by etching and sealing the surface by a wet chemical route with zirconium or titanium metal ions.
- a lacquer or a comparable insulation or corrosion protection medium can also be applied in a further coating step on the sealed surface.
- the layer structure produced by the method described above on the surface of the aluminum can thus be used in a simple manner for an electrical contacting of a component.
- the component is a piezoceramic component whose ground contact is then electrically contacted with the surface of the component made of aluminum.
- the component has a hollow cylindrical, for example, milled or deep-drawn internal geometry with a membrane as a conclusion, on the inside of an ultrasonic transducer as an electrical component to produce an electrical ground contact can be mechanically fixed to the membrane.
- a component may for example be a component of an ultrasonic sensor for an environment detection system mentioned in the introduction to the description in a parking assistance system in a motor vehicle.
- the production of an electrically conductive coating with simultaneous removal of the oxide layer on aluminum is inexpensive and easily reproducible.
- the surface thus produced allows permanent bonding with an adhesive, conductive adhesive or simple soldering.
- the coating according to the invention can be applied inside and outside, for example, on the membrane. Inside as an electrically conductive surface, as well as corrosion protection and surface for mechanically strong bonding and on the outside as corrosion protection as well as a substrate for painting.
- FIG. 1 Fig. 12 is a sectional view of an aluminum member for forming a diaphragm 1 for an ultrasonic transducer provided with a conversion layer 2 having the inner surface 2a and the outer surface 2b, which conducts conductivity on the inside and at the same time provides anticorrosive and adhesive property improvement preventing formation of new oxidation layers and externally providing corrosion protection with an improvement in the adhesion of a paint layer.
- the conversion layer 2, or 2a, 2b is formed here in that in a first step, an oxide layer on the aluminum surface of the membrane 1 is removed and in a second step before a new formation of an oxide layer, the surface of the membrane 1 with the conversion layer 2, or 2a, 2b, is sealed with incorporated metal ions of zirconium or titanium.
- the removal of the oxide layer in the first step can be done easily by etching and the sealing of the surface can be carried out in a wet-chemical way with the metal ions.
- FIG. 2 It is shown how in the interior of the membrane 1, a piezoceramic component as an ultrasonic transducer 3 by means of a conductive adhesive 4 as a ground contact on the membrane 1 is electrically conductively joined.
- the outer contacting of the ultrasonic transducer 3 is carried out with a contact 5 for the ground connection and a contact 6 for the other potential.
- the ground connection takes place via a conductive surface 7 drawn around via the ultrasound transducer 3, for example with the conductive adhesive 4.
- FIG. 3 shows an alternative of the ground connection of the ultrasonic transducer 3 to the membrane 1 via a Leitkleberraupe 8, which is guided laterally from the conductive surface of the membrane 1 to the ground contact 5 via a conductive ground surface 9 on the ultrasonic transducer 3.
- FIG. 4 For this purpose, a cross section can be seen, which is provided with the same reference numerals.
- FIG. 5 is still shown an alternative electrical connection of the electrically contacted on the membrane 1 ultrasonic transducer 3, in which a Lötstütztician 10 is disposed on the inner surface of the membrane 1, which contacted the ground potential of the on the inner surface of the membrane 1 electrically via the conductive adhesive 4 Ultrasonic transducer 3 is connected and then a contact with the contact 5 can be achieved.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Aluminium und ein Schichtaufbau eines Bauteils aus Aluminium, beispielsweise für eine Kontaktierung eines Ultraschallwandlers, nach den gattungsgemäßen Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1, 6 und 10.
- Beispielsweise werden solche Bauteile mit Membranen für Ultraschallwandler mit gefrästen oder tiefgezogenenen Aluminiumgeometrien verbaut, bei denen ein elektrischer Kontakt, insbesondere ein Massekontakt, der Aluminiumgeometrien zu den elektrischen Bauelementen, wie z.B. Ultraschallwandler, hergestellt werden muss, beispielsweise um eine Reduzierung der EMV-Empfindlichkeit zu erreichen. Es werden in der Kraftfahrzeugtechnik utraschallbasierende, zum Beispiel aus der
DE 102 37 721 A1 bekannte Umfelderkennungssysteme mit mindestens einem Ultraschallsensor angewendet, wobei jeder Ultraschallsensor ein Ultraschallsignal aussendet, welches von einem möglichen Hindernis reflektiert wird und von dem gleichen Ultraschallsensor und oder von weiteren Ultraschallsensoren empfangen werden kann. - Hierbei wird das Ultraschallsignal mittels einer auf der Innenseite der Aluminiumgeometrie aufgeklebten Piezokeramik als elektrisches Bauelement erzeugt. Die Piezokoramik wird dabei in der Regel auf die nichtteltende Aluminiumoxydschicht der Aluminiumgeometrie mittels eines nichtleitenden Klebers aufgeklebt, wobei sich eine Oxidschicht auf der Oberfläche des Aluminiums kurzfristig nach einem Oberflächenreinigungsverfahren, zum Beispiel ätzen oder mechanisch bearbeiten, immer wieder bildet.
- Es gibt für die notwendige Herstellung elektrischer Verbindungen auf Aluminium spezielle Lote, die aber mit viel ätzendem Flussmittel gelötet werden müssen, welches wiederum durch Waschen entfernt werden muss. Das dann notwendige Reinigen und Trocknen ist aber in einer automatisierten Fertigungsstraße schlecht zu handhaben. Außerdem stellt die Lötstelle auf dem schwingungstechnisch sensiblen Membranboden des Ultraschallwandlers, auf dem nur kleine Lotmengen zulässig sind, eine kritische Größe dar, um die Funktion des Ultraschallwandlers nicht zu beeinträchtigen. Das Aluminiumlot gibt es nur als Lotdraht und würde eventuell eine zu große Lotmenge und damit eine zu große träge Masse erzeugen.
- Die bisher üblichen Verfahren zur Masseanbindung solcher Bauelemente weisen eine Reihe von Nachteilen auf. Zum Beispiel durch hohe Lotmengen oder auch durch Temperaturen beim Anlöten einer Litze mit Aluminiumlot an der Membran bzw. beim Widerstandsschweißen oder durch mechanische Beeinträchtigungen beim Verstemmen einer Litze an der Membran, beim Einpressen eines Stiftes in die Membran oder beim Bonden einer Litze an der Membran.
- Aus der
DE 43 17 217 A1 ist ein Verfahren zur Vorbehandlung von Aluminiumteilen bekannt, die verschweißt verklebt oder mit einer Konversionsschicht sowie einem Lack versehen werden sollen. Die Oxidschicht auf dem Aluminiumteil wird zuerst mit einer sauren oder alkalischen Lösung entfernt. Unmittelbar danach wird die Oberfläche mit einer Ti- oder Zr-haltigen Lösung behandelt, um eine Konversionsschicht zu erzeugen. Diese Konversionsschicht hält unter anderem den elektrischen Oberflächenwiderstand niedrig. - Aus der
JP 2007-60340 A - Die Erfindung geht von einem Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Kontaktierung aus, bei dem erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise in einem ersten Schritt eine Oxydschicht auf der Aluminiumoberfläche entfernt wird und in einem zweiten Schritt vor einer Neubildung einer Oxydschicht die Oberfläche mit einer Konversionsschicht mit eingebauten Metallionen versiegelt wird. Die Entfernung der Oxydschicht kann auf einfache Weise durch Ätzen und die Versiegelung der Oberfläche auf nasschemischen Weg mit Metallionen aus Zirkonium oder Titan erfolgen.
- Ergänzend zu den heutigen üblichen Oberflächenvorbereitungsverfahren zum Entfetten, Ätzen oder Dekapieren, beispielsweise um das Lackieren der Aluminiumberfläche vorzubereiten, wird erfindungsgemäß mittels der in Flüssigkeit gelösten Metallionen, wie Titan oder Zirkonium, eine leitende Metallschicht auf dem gereinigten Aluminium angereichert, die zugleich auch mit Sauerstoff schlecht reagiert und das erneute Ausbilden einer Oxydschicht verhindert.
- Auf der versiegelten und leitfähigen Oberfläche sind dann in an sich bekannter Weise mittels eines Leitklebers elektrische Bauelemente kontaktierbar. Andererseits kann aber auch auf der versiegelten Oberfläche ein Lack oder ein vergleichbares Isolations- oder Korrosionsschutzmedium in einem weiteren Beschichtungsschritt aufgebracht werden.
- Bei einem erfindungsgemäßen Bauteil aus Aluminium kann der mit dem vorhergehend beschriebenen Verfahren hergestellte Schichtaufbau auf der Oberfläche des Aluminiums somit auf einfache Weise zu einer elektrischen Kontaktierung eines Bauelements verwendet werden.
- Das Bauelement ist ein piezokeramisches Bauelement, dessen Massekontakt dann mit der Oberfläche des Bauteils aus Aluminium elektrisch kontaktiert ist. Vorzugsweise weist gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform das Bauteil eine hohlzylindrische, beispielsweise gefräste oder tiefgezogene Innengeometrie mit einer Membran als Abschluss auf, auf die innen ein Ultraschallwandler als elektrisches Bauelement unter Herstellung eines elektrischen Massekontaktes zur Membran mechanisch fest aufgebracht werden kann. Ein solches Bauteil kann zum Beispeil ein Bestandteil eines Ultraschallsensors für ein in der Beschreibungseinleitung erwähntes Umfelderkennungssystem bei einem Parkassistenzsystem in einem Kraftfahrzeug sein.
- Gemäß der Erfindung ist somit die Herstellung einer elektrisch leitenden Beschichtung mit gleichzeitigem Abtrag der Oxydschicht auf Aluminium kostengünstig und leicht reproduzierbar. Die so hergestellte Oberfläche ermöglicht eine dauerhafte Klebung mit einem Kleber, Leitkleber oder einfaches Löten. Es sind keine zusätzlichen Fertigungsschritte in der Endmontage notwendig, wobei die erfindungsgemäße Beschichtung innen wie außen beispielsweise auf der Membran aufgebracht werden kann. Innen als elektrisch leitende Fläche, sowie als Korrosionsschutz und Oberfläche zum mechanisch festen Verkleben und außen als Korrosionsschutz sowie als Untergrund für eine Lackierung.
- Ausführungsbeispiel der Erfindung werden anhand der Figuren der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
-
Figur 1 einen Schnitt durch ein Bauteil aus Aluminium zur Bildung einer Membran für einen Ultraschallwandler, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt worden ist, -
Figur 2 einen Schnitt durch ein Bauteil nach derFigur 1 mit einem elektrisch kontaktierten piezokeramischen Bauelement, hier ein Ultraschallwandler, -
Figur 3 einen Schnitt durch ein Bauteil nach derFigur 1 mit einem über eine Leitkleberraupe elektrisch kontaktierten piezokeramischen Ultraschallwandler, -
Figur 4 einen Querschnitt durch das Bauteil nach derFigur 3 und -
Figur 5 einen Schnitt durch ein Bauteil nach derFigur 1 mit einem über eine Verbindung auf der inneren Membranfläche elektrisch kontaktierten piezokeramischen Ultraschallwandler. - Aus
Figur 1 ist Schnitt durch ein Bauteil aus Aluminium zur Bildung einer Membran 1 für einen Ultraschallwandler gezeigt, das mit einer Konversionsschicht 2 mit der inneren Fläche 2a und der äußeren Fläche 2b versehen ist, die innen eine Leitfähigkeit herstellt und gleichzeitig einen Korrosionsschutz und eine Verbesserung der Klebeeigenschften sowie eine Verhinderung einer Neubildung von Oxydationsschichten und außen einen Korrosionsschutz mit einer Verbesserung der Haftung für eine Lackschicht ausbildet. - Die Konversionsschicht 2, bzw. 2a, 2b, ist hier dadurch gebildet, dass in einem ersten Schritt eine Oxydschicht auf der Aluminiumoberfläche der Membran 1 entfernt wird und in einem zweiten Schritt vor einer Neubildung einer Oxydschicht die Oberfläche der Membran 1 mit der Konversionsschicht 2, bzw. 2a, 2b, mit eingebauten Metallionen aus Zirkonium oder Titan versiegelt wird. Die Entfernung der Oxydschicht im ersten Schritt kann auf einfache Weise durch Ätzen und die Versiegelung der Oberfläche kann auf nasschemischen Weg mit den Metallionen erfolgen.
- In
Figur 2 ist gezeigt, wie im Inneren der Membran 1 ein piezokeramisches Bauelement als Ultraschallwandler 3 mittels eines Leitklebers 4 als Massekontakt auf die Membran 1 elektrisch leitend gefügt ist. Die äußere Kontaktierung des Ultraschallwandlers 3 erfolgt mit einem Kontakt 5 für die Masseanbindung und einem Kontakt 6 für das andere Potenzial. Die Masseanbindung erfolgt dabei über eine über den Ultraschallwandler 3 herumgezogene leitende Fläche 7, zum Beispiel mit dem Leitkleber 4. -
Figur 3 zeigt eine Alternative der Masseanbindung des Ultraschallwandlers 3 an die Membran 1 über eine Leitkleberraupe 8, die seitlich von der leitenden Oberfläche der Membran 1 zu dem Massekontakt 5 über eine leitenden Massefläche 9 auf dem Ultraschallwandler 3 geführt ist. AusFigur 4 ist hierzu ein Querschnitt zu entnehmen, der mit den gleichen Bezugszeichen versehen ist. - In
Figur 5 ist noch eine alternative elektrische Verbindung des auf der Membran 1 elektrisch kontaktierten Ultraschallwandlers 3 gezeigt, bei der ein Lötstützpunkt 10 auf der inneren Fläche der Membran 1 angeordnet ist, die mit dem Massepotenzial des auf der inneren Fläche der Membran 1 elektrisch über den Leitkleber 4 kontaktierten Ultraschallwandlers 3 verbunden ist und über den dann eine Kontaktierung mit dem Kontakt 5 erreicht werden kann.
Claims (10)
- Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Kontaktierung zwischen einem Bauteil aus Aluminium und einem piezokeramischen Bauelement, bei dem der Massekontakt des piezokeramischen Bauelements mit der Oberfläche des Bauteils aus Aluminium elektrisch kontaktiert wird, wobei in einem ersten Schritt eine Oxydschicht auf der Aluminiumoberfläche entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Schritt vor einer Neubildung einer Oxydschicht die Oberfläche mit einer Konversionsschicht mit eingebauten Metallionen versiegelt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernung der Oxydschicht durch Ätzen erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versiegelung der Oberfläche auf nasschemischen Weg mit Metallionen aus Zirkonium oder Titan erfolgt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezokeramische Bauelement auf der versiegelten Oberfläche mittels eines Leitklebers (4) kontaktiert wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der versiegelten Oberfläche ein Lack oder ein vergleichbares Isolations- oder Korrosionsschutzmedium in einem weiteren Beschichtungsschritt aufgebracht wird.
- Bauteil aus Aluminium mit einer elektrischen Kontaktierung eines piezokeramischen Bauelements, dessen Massekontakt mit der Oberfläche des Bauteils aus Aluminium elektrisch kontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontaktierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
- Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine hohlzylindrische Innengeometrie mit einer Membran (1) aufweist, auf die innen ein Ultraschallwandler (3) als elektrisches Bauelement unter Herstellung eines elektrischen Massekontaktes (5) zur Membran (1) mechanisch fest aufgebracht ist.
- Bauteil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Massekontakt (5) über eine Leitkleberraupe (8) von der Membran (1) zum Ultraschallwandler (3) geführt ist.
- Bauteil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Massekontakt (5) über einen Lötstützpunkt (10) auf der Membran (1) geführt ist.
- Verwendung eines Bauteil nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil Bestandteil eines Ultraschallsensors für ein Umfelderkennungssystem bei einem Parkassistenzsystem in einem Kraftfahrzeug ist.
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