WO2021013570A1 - FERTIGUNGSVERFAHREN ZUM VERSCHWEIßEN EINES KUPFERLEITERS MIT EINEM WERKSTÜCK, WERKSTÜCK UND FAHRZEUG - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a manufacturing method for welding a copper conductor to a workpiece on a contact element for electrical purposes
  • the invention also relates to the workpiece with a weld seam, the weld seam having a welding depth greater than or equal to 100 ⁇ m.
  • the invention also relates to a vehicle with the workpiece according to the invention.
  • Thermal conductivity of copper means a sufficient heat input for welding or at least for melting. Upon reaching the
  • the object of the present invention is to improve a manufacturing method for welding between components, which each comprise a copper material.
  • the invention relates to a manufacturing method for welding a copper conductor to an electrical contact element of a workpiece for electrical purposes
  • the contact element comprises a copper alloy.
  • the method begins with a mechanical contact between the copper conductor and the contact element of the workpiece at a joint of the contact element.
  • the copper conductor is arranged on the contact element or the copper conductor is arranged on the
  • the copper conductor is then welded to the contact element of the workpiece by means of a focused laser beam, for example by lap welding or by welding a butt joint.
  • the laser beam has a wavelength less than or equal to 0.6 pm.
  • the laser beam advantageously has a wavelength of green light in the visible spectral range, for example a wavelength of 0.515 ⁇ m.
  • the welding advantageously produces a weld seam with a welding depth greater than or equal to 100 ⁇ m.
  • the method according to the invention advantageously increases the absorption of the radiation in copper strongly, since copper absorbs wavelengths below 0.6 pm more strongly. This can advantageously splash during the
  • the copper alloy of the contact element comprises the
  • Workpiece and / or the copper conductor at least one alloy element, wherein the alloy element is designed to reduce the formation of hydrogen pores by welding or to increase the solubility of hydrogen in solid copper and / or to reduce the solubility of hydrogen in liquid copper.
  • the alloy element is advantageously titanium and / or silicon and / or aluminum. This advantageously results in a after welding Volume fraction of hydrogen pores in the weld seam of less than 10%, particularly preferably a volume fraction of hydrogen pores in the weld seam of less than 2% results.
  • the film and / or the powder and / or the roll-clad semi-finished product and / or the wire has at least one chemical element, the film and / or the powder and / or the roll-clad semi-finished product and / or the wire each with the chemical element in addition is set up to reduce the formation of hydrogen pores by welding
  • the foil and / or the powder and / or the roll-clad semi-finished product and / or the wire comprises, in particular, titanium and / or silicon and / or aluminum as a chemical element. Then the film and / or the powder and / or the
  • the provided copper conductor is mechanically contacted with the contact element by means of the foil and / or the powder and / or the roll-clad semi-finished product and / or the wire, whereby the foil and / or the powder and / or the roll-clad semi-finished product and / or after the mechanical contact, the wire is arranged in the area of the joint between the contact element and the copper conductor.
  • This configuration has the advantage that, after the welding or welding, a volume fraction of hydrogen pores in the weld seam of less than 10% results, particularly preferably a volume fraction of
  • the copper conductor and / or the contact element of the workpiece has a coating which has at least the chemical element.
  • the coating with the element is designed to reduce the formation of hydrogen pores as a result of welding or to increase the solubility of hydrogen in solid copper and / or to reduce the solubility of hydrogen in liquid copper.
  • the coating comprises, in particular, titanium and / or silicon and / or aluminum as a chemical element.
  • an ambient atmosphere at the joint has a reduced humidity during the welding.
  • the humidity of the ambient atmosphere is preferably less than or equal to 10%.
  • the air humidity is preferably less than or equal to 5%. This embodiment advantageously results in a volume fraction of after welding
  • Volume fraction of hydrogen pores in the weld seam is particularly dependent on the first copper alloy.
  • the ambient atmosphere at the joint includes an inert gas during the welding, preferably the inert gas includes nitrogen, argon and / or helium.
  • the inert gas includes nitrogen, argon and / or helium.
  • Volume fraction of hydrogen pores in the weld seam is particularly dependent on the first copper alloy.
  • the invention also relates to a workpiece.
  • the workpiece is in particular an electrical assembly, a printed circuit board or an LTCC substrate.
  • the workpiece has an electrical contact element, the contact element comprising a copper alloy. This contact element is with a copper conductor for electrical
  • the welding depth of the weld seam is greater than or equal to 100 ⁇ m. Furthermore, the weld seam has a proportion of hydrogen pores less than or equal to 10%, in particular the weld seam comprises a proportion of hydrogen pores less than or equal to 4%.
  • the workpiece according to the invention advantageously has high strength at the weld point. Furthermore, the electrical contact
  • the weld seam has a volume fraction of hydrogen pores less than or equal to 2%;
  • Weld seam no hydrogen pores. This advantageously increases the strength of the electrical contact or the weld seam.
  • a film and / or a powder and / or a roll-clad semi-finished product and / or a wire which has at least one chemical element, is arranged at least partially around the area of the joint.
  • the element is designed to reduce the formation of hydrogen pores as a result of welding or to increase the solubility of hydrogen in solid copper and / or to reduce the solubility of hydrogen in liquid copper.
  • the foil and / or the powder and / or the roll-clad semi-finished product and / or the wire advantageously comprises titanium and / or silicon and / or aluminum as the chemical element.
  • the weld seam has a particularly small number of pores or a particularly low volume fraction of hydrogen porosity, in particular less than or equal to 10%, which advantageously increases the strength of the electrical contact through the weld seam.
  • the invention also relates to a vehicle with the workpiece according to the invention.
  • FIG 1 Workpiece with copper conductor as joining partner
  • FIG. 1 Weld seam according to the method in air atmosphere
  • a workpiece 100 and a copper conductor 120 are shown as joining partners for making electrical contact with a contact element 110 of the workpiece.
  • the copper conductor 120 comprises a second copper alloy 121.
  • the workpiece 100 is preferably an electrical or electronic assembly, for example power electronics, a circuit board, an LTCC ceramic, a coated one
  • the workpiece 100 comprises the contact element 110, the contact element 110 having a first copper alloy 111.
  • the first copper alloy 111 and the second copper alloy 121 are advantageously the same. Alternatively, the first copper alloy 111 and the second copper alloy 121 may differ from each other in terms of a material composition.
  • the contact element 110 has a cross section with a height 152 of preferably 10 ⁇ m to 10 mm, and in particular in the range of approximately 100 ⁇ m.
  • the copper conductor 120 also has a cross section with a height 151 of at least preferably 10 ⁇ m to 10 mm, and in particular in the range of approximately 100 ⁇ m.
  • the contact element 110 is set up, for example, to be mechanically and electrically contacted at a joint 130 or a joining surface or on a contact surface of the contact element 110 with the copper conductor 120.
  • the workpiece 100 with the contact element 110 and the copper conductor 120 is through after a mechanical contact 330 in the area of a joint 130 between the contact element 110 and the copper conductor 120 of the contact element 110 and after a welding 340 according to the invention of the contact element 110 with the copper conductor 120 Lap welding shown.
  • the one weld could also be made in any other form, for example the weld 140 could be arranged in the butt joint.
  • the weld seam 140 is arranged between the contact element 110 and the copper conductor 120 and fixes the copper conductor 120 on the contact element 110
  • Weld seam 140 advantageously comprises a height 151 of copper conductor 120 completely. According to the invention, the welding depth 160 of the weld seam 140 is at least 100 ⁇ m. Electrical currents between the copper conductor 120 and the contact element 110 flow essentially through the weld seam 140
  • the strength of the weld seam 140 from FIG. 1c is good, since the weld seam 140 has only one Has a volume fraction of pores of less than 5%, in particular the weld seam 140 does not comprise any porosity.
  • the weld 140 from FIG. 1b results, for example, when a method according to the invention for welding the contact element to the copper conductor is carried out in an argon atmosphere and / or with the arrangement of an alloy element and / or a chemical element, the alloy element and / or the chemical element is set up to increase a hydrogen solubility of solid copper or a formation of hydrogen pores 200 during a
  • the electrical resistance of the weld seam between the contact element 110 and the copper conductor 110 is relatively low because of the low or nonexistent porosity. This contact between the copper conductor 120 and the contact element 110 results
  • the mechanical strength of the weld seam 140 is advantageously high because of the low volume fraction of less than or equal to 10%.
  • Figure lc shows a cross section A-A ‘from Figure lb for easier understanding.
  • the illustration of FIG. 1c is rotated by 90 ° compared to FIG. 1b.
  • the contact element 110 can protrude beyond the surface 180 of the workpiece 100 (not shown).
  • FIG. 2 shows a cross section A-A ‘of the workpiece 100 with the contact element 110 and the copper conductor 120 according to FIG. 1c after a welding process with green laser radiation under an air atmosphere. The high one is noticeable
  • the pores 200 are filled with gaseous hydrogen, which can form in the weld seam when the weld melt solidifies after the weld 440.
  • the hydrogen pores 200 result in a low strength of the weld seam 140.
  • FIG. 3 a diagram of a hydrogen solubility 301 of a copper alloy as a function of the temperature T is shown.
  • the diagram shown in Figure 3 is based on a copper alloy which does not have an additional alloy element for reducing the formation of hydrogen pores 200 during a Has welding process or a weld 440 (compare with Figure 5).
  • a melt of the copper alloy is enriched with hydrogen during a welding process.
  • the hydrogen enriched in the melt by the welding process suddenly precipitates in gaseous form and the undesired formation of hydrogen pores 200 in the weld seam 140, which in particular reduce the strength of the weld seam 140 (see also FIG. 2).
  • FIG. 4 shows a flow diagram of the method as a block diagram.
  • the method begins with a provision 401 of a workpiece 100 with an electrical contact element 110 and a provision 402 of a copper conductor 120.
  • the electrical contact element 110 comprises a first copper alloy 111.
  • the electrical contact element 110 provided can furthermore optionally have a coating which comprises a chemical element . This chemical element is designed to increase the hydrogen solubility of solid copper
  • the provided copper conductor 120 comprises a second copper alloy 112.
  • the provided electrical contact element 120 can optionally have a coating which comprises a chemical element. This chemical element is set up to increase the hydrogen solubility of solid copper or at least to reduce the formation of hydrogen pores by welding.
  • the first and / or second copper alloy 111, 121 can optionally have at least one alloy element which is designed to increase the hydrogen solubility of solid copper
  • the alloy element comprises in particular titanium and / or silicon and / or aluminum.
  • a film and / or a powder and / or a roll-clad semi-finished product and / or a wire is provided 410, which has at least one chemical element, this chemical element being designed to increase the hydrogen solubility of solid copper or a formation of hydrogen pores 200 by a
  • the chemical element includes, in particular, titanium and / or silicon and / or aluminum.
  • the film and / or the powder and / or the roll-clad semi-finished product and / or the wire is arranged directly at the joint 130 of the contact element 110.
  • the contact element 110 and the copper conductor 120 are joined to one another. In other words, mechanical contact is made 430 between the
  • Contacting 430 takes place by means of the film arranged at the joint 130 and / or the powder and / or the roll-clad semi-finished product and / or the wire.
  • the copper conductor 120 and the contact element 110 are then welded to one another in step 440 by means of a focused laser beam.
  • the laser beam has a wavelength less than or equal to 0.6 ⁇ m.
  • the laser beam preferably has a green wavelength of approximately 0.515 ⁇ m.
  • the average power of the laser beam is in particular about 0.1 to 5 kW.
  • Welding 440 takes place with the formation of a steam channel in the melt or with the formation of a so-called keyhole. Furthermore,
  • a weld seam 140 with a welding depth 160 greater than or equal to 100 ⁇ m is produced in the weld 440. It can be provided that the weld 440 at the joint 130 takes place in an atmosphere with reduced air humidity and / or under an inert gas atmosphere. In other words, in these optional configurations, the weld seam 140 is produced during the weld 440 under an artificial atmosphere, that is to say not under normal ambient air. The reduced humidity of the atmosphere in the area of the joint 130 or in the area of the generated
  • weld seam 140 is preferably less than or equal to 10%.
  • the air humidity is particularly preferably less than or equal to 5%.
  • FIG. 5 shows a diagram of the temperature dependency of the hydrogen solubility in a copper alloy different from FIG. 3, this copper alloy having an optional alloy element.
  • the hydrogen solubility of the first and / or second copper alloy 111, 121 in the solid state can be increased by the optional alloy element.
  • the water solubility of the first and / or second copper alloy 111, 121 in the liquid state is reduced by the optional alloy element.
  • Alloy element in the first and / or second copper alloy 111, 121 is thus set up to prevent the formation of hydrogen pores 200 during a
  • FIG. 6 shows a workpiece 100 with a contact element corresponding to the view of FIG. 1b, the contact element making mechanical and electrical contact with a copper conductor.
  • a foil 600 was arranged in step 420.
  • the film has melted in the area of the weld seam 140. Unmelted parts of the foil 600 are arranged around the weld seam 140 between the contact element 110 and the copper conductor 120.
  • the film 600 comprises, in particular, a chemical material or a chemical element which is set up to increase the hydrogen solubility of solid copper.
  • a coating of the contact element 110 or a coating of the copper conductor 120 can be provided, the coating comprising the chemical material or the chemical element which is set up to increase the hydrogen solubility of solid copper.
  • the film 600 and / or the coating comprise in particular titanium and / or silicon.

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Abstract

Fertigungsverfahren zum Verschweißen eines Kupferleiters (120) mit einem elektrischen Kontaktelement (110) eines Werkstücks (100) zur elektrischen Kontaktierung, wobei das Kontaktelement (110) eine erste Kupferlegierung (111) umfasst, aufweisend folgende Verfahrensschritte: Mechanische Kontaktierung (430) zwischen dem Kupferleiter (120) und dem Kontaktelement (110) an einer Fügestelle (130) des Kontaktelementes (110), wobei eine Verschweißung (440) des Kupferleiters (120) mit dem Kontaktelement (120) mittels eines fokussierten Laserstrahls erfolgt, wobei der Laserstrahl eine Wellenlänge kleiner oder gleich 0,6 µm aufweist und eine Schweißnaht (140) mit einer Einschweißtiefe (160) größer oder gleich 100 µm erzeugt wird.

Description

Beschreibung
Titel
Fertigungsverfahren zum Verschweißen eines Kupferleiters mit einem
Werkstück, Werkstück und Fahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fertigungsverfahren zum Verschweißen eines Kupferleiters mit einem Werkstück an einem Kontaktelement zur elektrischen
Kontaktierung. Die Erfindung betrifft auch das Werkstück mit einer Schweißnaht, wobei die Schweißnaht eine Einschweißtiefe größer oder gleich 100 pm aufweist. Die
Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Werkstück.
Stand der Technik
Eine zu beobachtende zunehmende Elektrifizierung des öffentlichen und privaten Personenverkehrs erfordert neue Techniken zur Fertigung elektrischer Baugruppen. Beispielsweise werden in vielen elektronischen Baugruppen der beschriebenen Anwendungsbereiche elektrische Leiter, umfassend eine Kupferlegierung, mit einer hohen Stromtragfähigkeit in Kombination mit einer ausreichenden Festigkeit benötigt. Laserstrahlschweißen beziehungsweise ein Schweißen mittels eines Laserstrahls hat sich als flexibles Verfahren in der industriellen Fertigung etabliert. Die geringe
Absorption von Laserstrahlung typischer Schweißlaser mit ungefähr 1 pm Wellenlänge durch Kupfer erfordert allerdings eine hohe Intensität am Bauteil um überhaupt einen Schweißprozess realisieren zu können. Zusätzlich erschwert eine hohe
Wärmeleitfähigkeit von Kupfer einen zum Schweißen beziehungsweise zumindest zum Schmelzen ausreichenden Wärmeeintrag erheblich. Mit Erreichen der
Schmelztemperatur steigt die Absorption der Laserstrahlung von lpm Wellenlänge von Kupfer sprungartig um einen Faktor 2-3 an, die Wärmeleitfähigkeit hingegen fällt ungefähr um einen Faktor 2 ab. Dies führt zu einem starken Anstieg eines
Energieeintrags verbunden mit einer plötzlichen Ausbildung eines Dampfkanals (Keyhole) mit großem Aspektverhältnis (Verhältnis Keyhole-Tiefe zu Keyhole- Durchmesser), wobei Wasserstoffporen resultieren können, welche die Festigkeit der Schweißnaht reduzieren. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Fertigungsverfahren zum Verschweißen zwischen Komponenten, welche jeweils einen Kupferwerkstoff umfassen, zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend der unabhängigen Ansprüche 1, 7 und 10 gelöst.
Die Erfindung betrifft ein Fertigungsverfahren zum Verschweißen eines Kupferleiters mit einem elektrischen Kontaktelement eines Werkstücks zur elektrischen
Kontaktierung, insbesondere zur elektrischen Kontaktierung des Werkstücks. Das Kontaktelement umfasst eine Kupferlegierung. Das Verfahren beginnt mit einer mechanischen Kontaktierung zwischen dem Kupferleiter und dem Kontaktelement des Werkstückes an einer Fügestelle des Kontaktelementes. Mit anderen Worten wird der Kupferleiter an dem Kontaktelement angeordnet bzw. der Kupferleiter an das
Kontaktelement gefügt. Anschließend wird der Kupferleiter mit dem Kontaktelement des Werkstückes mittels eines fokussierten Laserstrahls verschweißt, beispielsweise im Überlappschweißen oder durch Schweißen eines Stumpfstoßes. Der Laserstrahl weist eine Wellenlänge kleiner oder gleich 0,6 pm auf. Vorteilhafterweise weist der Laserstrahl eine Wellenlänge von grünem Licht im sichtbaren Spektralbereich auf, beispielsweise eine Wellenlänge von 0,515 pm. Durch das Verschweißen wird vorteilhafterweise eine Schweißnaht mit einer Einschweißtiefe größer oder gleich 100 pm erzeugt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren steigt vorteilhafterweise die Absorption der Strahlung in Kupfer stark an, da Kupfer Wellenlängen unterhalb 0,6 pm stärker absorbiert. Dadurch können vorteilhafterweise Spritzer während der
Verschweißung vermieden werden.
In einer Ausgestaltung umfasst die Kupferlegierung des Kontaktelements des
Werkstückes und/oder des Kupferleiters wenigstens ein Legierungselement, wobei das Legierungselement dazu eingerichtet ist, eine Ausbildung von Wasserstoffporen durch das Verschweißen zu reduzieren beziehungsweise die Löslichkeit von Wasserstoff in festem Kupfer zu erhöhen und/oder die Löslichkeit von Wasserstoff in flüssigem Kupfer zu reduzieren. Das Legierungselement ist vorteilhafterweise Titan und/oder Silizium und/oder Aluminium. Dadurch resultiert vorteilhafterweise nach dem Verschweißen ein Volumenanteil von Wasserstoffporen in der Schweißnaht von kleiner 10%, besonders bevorzugt resultiert ein Volumenanteil von Wasserstoffporen in der Schweißnaht kleiner 2 %.
In einer weiteren Ausgestaltung wird im Verfahren vor der mechanischen
Kontaktierung eine Folie und/oder ein Pulver und/oder ein walzplattiertes Halbzeug und/oder ein Draht bereitgestellt. Die Folie und/oder das Pulver und/oder das walzplattiertes Halbzeug und/oder der Draht weist wenigstens ein chemisches Element auf, wobei die Folie und/oder das Pulver und/oder das walzplattiertes Halbzeug und/oder der Draht jeweils mit dem chemischen Element dazu eingerichtet ist, eine Ausbildung von Wasserstoffporen durch das Verschweißen zu reduzieren
beziehungsweise die Löslichkeit von Wasserstoff in festem Kupfer zu erhöhen und/oder die Löslichkeit von Wasserstoff in flüssigem Kupfer zu reduzieren. Die Folie und/oder das Pulver und/oder das walzplattiertes Halbzeug und/oder der Draht umfasst als chemisches Element insbesondere Titan und/oder Silizium und/oder Aluminium. Anschließend wird die Folie und/oder das Pulver und/oder das
walzplattiertes Halbzeug und/oder der Draht unmittelbar an der Fügestelle des
Kontaktelementes angeordnet. Die mechanische Kontaktierung des bereitgestellten Kupferleiters mit dem Kontaktelement erfolgt in dieser weiteren Ausgestaltung mittels der Folie und/oder des Pulvers und/oder des walzplattierten Halbzeugs und/oder des Drahts, wodurch die Folie und/oder das Pulver und/oder das walzplattiertes Halbzeug und/oder der Draht nach der mechanischen Kontaktierung im Bereich der Fügestelle zwischen dem Kontaktelement und dem Kupferleiter angeordnet ist. Durch diese Ausgestaltung entsteht der Vorteil, dass nach dem Verschweißen beziehungsweise der Verschweißung ein Volumenanteil von Wasserstoffporen in der Schweißnaht von kleiner 10% resultiert, besonders bevorzugt resultiert ein Volumenanteil von
Wasserstoffporen in der Schweißnaht kleiner 2 %.
In einer Ausführung der Erfindung weist der Kupferleiter und/oder das Kontaktelement des Werkstückes eine Beschichtung auf, welche wenigstens das chemisches Element aufweist. Die Beschichtung mit dem Element ist dazu eingerichtet, eine Ausbildung von Wasserstoffporen durch das Verschweißen zu reduzieren beziehungsweise die Löslichkeit von Wasserstoff in festem Kupfer zu erhöhen und/oder die Löslichkeit von Wasserstoff in flüssigem Kupfer zu reduzieren. Die Beschichtung umfasst dabei als chemisches Element insbesondere Titan und/oder Silizium und/oder Aluminium. Durch diese Ausführung resultiert nach dem Verschweißen vorteilhafterweise ein Volumenanteil von Wasserstoffporen in der Schweißnaht von kleiner 10%, besonders bevorzugt resultiert ein Volumenanteil von Wasserstoffporen in der Schweißnaht kleiner 2 %.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass eine Umgebungsatmosphäre an der Fügestelle während der Verschweißung eine reduzierte Luftfeuchtigkeit aufweist. Vorzugsweise beträgt die Luftfeuchtigkeit der Umgebungsatmosphäre kleiner oder gleich 10%.
Bevorzugt beträgt die Luftfeuchtigkeit kleiner oder gleich 5 %. Durch diese Ausführung resultiert vorteilhafterweise nach der Verschweißung ein Volumenanteil von
Wasserstoffporen in der Schweißnaht von kleiner 4 %, wobei der resultierende
Volumenanteil von Wasserstoffporen in der Schweißnaht insbesondere abhängig von der ersten Kupferlegierung ist.
In einer alternativen Ausgestaltung umfasst die Umgebungsatmosphäre an der Fügestelle während der Verschweißung ein Inertgas, bevorzugt umfasst das Inertgas Stickstoff, Argon und/oder Helium. Durch diese Ausführung resultiert vorteilhafterweise nach der Verschweißung ein Volumenanteil von Wasserstoffporen in der Schweißnaht von kleiner 10 %, besonders bevorzugt resultiert ein Volumenanteil von
Wasserstoffporen in der Schweißnaht kleiner 2 %, wobei der resultierende
Volumenanteil von Wasserstoffporen in der Schweißnaht insbesondere abhängig von der ersten Kupferlegierung ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Werkstück. Das Werkstück ist insbesondere eine elektrische Baugruppe, eine Leiterplatte oder ein LTCC-Substrat. Das Werkstück weist ein elektrisches Kontaktelement auf, wobei das Kontaktelement eine Kupferlegierung umfasst. Dieses Kontaktelement ist mit einem Kupferleiter zur elektrischen
Kontaktierung stoffschlüssig verschweißt, wobei insbesondere eine Schweißnaht zwischen dem Kontaktelement und dem Kupferleiter erzeugt wurde. Eine
Einschweißtiefe der Schweißnaht beträgt größer oder gleich 100 pm. Des Weiteren weist die Schweißnaht einen Anteil von Wasserstoffporen kleiner oder gleich 10 % auf, insbesondere umfasst die Schweißnaht einen Anteil von Wasserstoffporen kleiner oder gleich 4 %. Das erfindungsgemäße Werkstück weist vorteilhafterweise eine hohe Festigkeit an der Schweißstelle auf. Ferner weist der elektrische Kontakt
vorteilhafterweise eine Hochstromfähigkeit auf. In einer Weiterführung des Werkstücks weist die Schweißnaht einen Volumenanteil von Wasserstoffporen kleiner oder gleich 2 % auf, insbesondere umfasst die
Schweißnaht keine Wasserstoff poren. Dadurch ist vorteilhafterweise die Festigkeit der elektrischen Kontaktierung beziehungsweise der Schweißnaht erhöht.
In einer weiteren Ausgestaltung des Werkstücks ist zumindest teilweise um den Bereich der Fügestelle eine Folie und/oder ein Pulver und/oder ein walzplattiertes Halbzeug und/oder ein Draht zwischen dem Kontaktelement und dem Kupferleiter angeordnet, welche wenigstens ein chemisches Element aufweist. Das Element ist dazu eingerichtet, eine Ausbildung von Wasserstoffporen durch das Verschweißen zu reduzieren beziehungsweise die Löslichkeit von Wasserstoff in festem Kupfer zu erhöhen und/oder die Löslichkeit von Wasserstoff in flüssigem Kupfer zu reduzieren. Vorteilhafterweise umfasst die Folie und/oder das Pulver und/oder das walzplattierte Halbzeug und/oder der Draht als chemisches Element Titan und/oder Silizium und/oder Aluminium. Dadurch weist die Schweißnaht eine besonders geringe Anzahl an Poren beziehungsweise einen besonders niedrigen Volumenanteil an einer Wasserstoffporosität auf, insbesondere kleiner oder gleich 10%, was vorteilhafterweise die Festigkeit der elektrischen Kontaktierung durch die Schweißnaht erhöht.
Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Werkstück.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen mit Bezug zu den Figuren.
Figur 1: Werkstück mit Kupferleiter als Fügepartner
Figur 2: Schweißnaht nach dem Verfahren in Luft- Atmosphäre
Figur 3: Diagramm zur Temperaturabhängigkeit der Wasserstofflöslichkeit in Kupfer
Figur 4: Ablaufdiagramm des Verfahrens
Figur 5: Diagramm zur Temperaturabhängigkeit der Wasserstofflöslichkeit in
bestimmten Kupferlegierungen
Figur 6: Werkstück mit Kupferleiter und Folie Ausführungsbeispiele
In Figur la ist ein Werkstück 100 und ein Kupferleiter 120 als Fügepartner zur elektrischen Kontaktierung eines Kontaktelementes 110 des Werkstückes dargestellt. Der Kupferleiter 120 umfasst eine zweite Kupferlegierung 121. Vorzugsweise ist das Werkstück 100 eine elektrische bzw. elektronische Baugruppe, beispielsweise eine Leistungselektronik, eine Leiterplatte, eine LTCC-Keramik, ein beschichtetes
Kunststoff- oder Keramiksubstrat oder ein Motor- oder Batteriesteuergerät oder eine Batterie oder eine Brennstoffzelle. Das Werkstück 100 umfasst das Kontaktelement 110, wobei das Kontaktelement 110 eine erste Kupferlegierung 111 aufweist. Die erste Kupferlegierung 111 und die zweite Kupferlegierung 121 sind vorteilhafterweise gleich. Alternativ können sich die erste Kupferlegierung 111 und die zweite Kupferlegierung 121 voneinander bezüglich einer Materialzusammensetzung unterscheiden. Das Kontaktelement 110 weist einen Querschnitt mit einer Höhe 152 von bevorzugt 10 pm bis 10 mm, und insbesondere im Bereich von ca. 100 pm auf. Auch der Kupferleiter 120 weist einen Querschnitt mit einer Höhe 151 von mindestens bevorzugt 10 pm bis 10 mm, und insbesondere im Bereich von ca. 100 pm auf. Das Kontaktelement 110 ist beispielsweise dazu eingerichtet, an einer Fügestelle 130 beziehungsweise an einer Fügefläche beziehungsweise an einer Kontaktfläche des Kontaktelementes 110 mit dem Kupferleiter 120 mechanisch und elektrisch kontaktiert zu werden.
In Figur lb ist das Werkstück 100 mit dem Kontaktelement 110 und dem Kupferleiter 120 nach einer mechanischen Kontaktierung 330 im Bereich einer Fügestelle 130 zwischen dem Kontaktelement 110 und dem Kupferleiter 120 des Kontaktelementes 110 und nach einer erfindungsgemäßen Verschweißung 340 des Kontaktelementes 110 mit dem Kupferleiter 120 durch Überlappschweißen dargestellt. Alternativ könnte die eine Verschweißung auch in jeder beliebigen anderen Form geführt sein, beispielsweise könnte die Schweißnaht 140 im Stumpfstoß angeordnet sein. Die Schweißnaht 140 ist zwischen dem Kontaktelement 110 und dem Kupferleiter 120 angeordnet und fixiert den Kupferleiter 120 an dem Kontaktelement 110. Die
Schweißnaht 140 umfasst vorteilhafterweise eine Höhe 151 des Kupferleiters 120 vollständig. Die Einschweißtiefe 160 der Schweißnaht 140 beträgt erfindungsgemäß mindestens 100 pm. Elektrische Ströme zwischen dem Kupferleiter 120 und dem Kontaktelement 110 fließen im Wesentlichen durch die Schweißnaht 140. Die
Festigkeit der Schweißnaht 140 aus Figur lc ist gut, da die Schweißnaht 140 nur einen Volumenanteil an Poren von kleiner 5% aufweist, insbesondere umfasst die Schweißnaht 140 keine Porosität. Die Schweißnaht 140 aus Figur lb resultiert beispielsweise, wenn ein erfindungsgemäße Verfahren zum Verschweißen des Kontaktelementes mit dem Kupferleiter in einer Argon-Atmosphäre und/oder unter Anordnung eines Legierungselementes und/oder eines chemischen Elementes durchgeführt wird, wobei das Legierungselement und/oder das chemische Element dazu eingerichtet ist, eine Wasserstofflöslichkeit von festem Kupfer zu erhöhen beziehungsweise eine Ausbildung von Wasserstoffporen 200 während einer
Verschweißung 440 zu reduzieren oder zu verhindern. Der elektrische Widerstand der Schwei ßnahtzwischen dem Kontaktelement 110 und dem Kupferleiter 110 ist wegen der niedrigen oder nicht vorhandenen Porosität relativ niedrig. Durch diesen Kontakt zwischen dem Kupferleiter 120 und dem Kontaktelement 110 resultiert
vorteilhafterweise eine elektrische Kontaktierung mit einem niedrigen elektrischen Widerstand zur Strom- bzw. Energieversorgung und/oder zur Strom- bzw.
Energieabführung und/oder zur Ableitung von Steuerströmen und/oder Steuersignalen. Die mechanische Festigkeit der Schweißnaht 140 ist wegen der geringem geringen Volumenanteil von kleiner oder gleich 10% vorteilhafterweise hoch.
In Figur lc zeigt zum leichteren Verständnis einen Querschnitt A-A‘ aus Figur lb. Mit anderen Worten ist die Darstellung von Figur lc gegenüber Figur lb um 90° gedreht. Das Kontaktelement 110 kann in alternativen Ausgestaltungen der Erfindung über die Oberfläche 180 des Werkstückes 100 hinausragen (nicht dargestellt).
In Figur 2 ist ein Querschnitt A-A‘ des Werkstück 100 mit dem Kontaktelement 110 und dem Kupferleiter 120 entsprechend Figur lc nach einem Schweißverfahren mit einer grünen Laserstrahlung unter Luft- Atmosphäre dargestellt. Auffällig ist der hohe
Volumenanteil der Schweißnaht 140 an kleinen und großen Poren 200
beziehungsweise Wasserstoffporen. Die Poren 200 sind mit gasförmigem Wasserstoff gefüllt, welches sich beim Erstarren der Schweißschmelze nach der Verschweißung 440 in der Schweißnaht ausbilden kann. Die Wasserstoffporen 200 resultieren in einer niedrigen Festigkeit der Schweißnaht 140.
In Figur 3 ist ein Diagramm einer Wasserstofflöslichkeit 301 einer Kupferlegierung in Abhängigkeit von der Temperatur T dargestellt. Das in Figur 3 dargestellte Diagramm basiert auf einer Kupferlegierung, welche kein zusätzliches Legierungselement zur Reduktion einer Ausbildung von Wasserstoffporen 200 während eines Schweißprozesses beziehungsweise einer Verschweißung 440 aufweist (vergleiche mit Figur 5). Aufgrund einer hohen Löslichkeit 301 von Wasserstoff in dieser flüssigen Kupferlegierung reichert sich eine Schmelze der Kupferlegierung während eines Schweißprozesses mit Wasserstoff an. Beim Erstarren der Schmelze resultiert eine sprungartige Abnahme (ca. Faktor 3) der Wasserstofflöslichkeit 301 mit Erreichen der Erstarrungstemperatur 310 beziehungsweise der Schmelztemperatur. Der in der Schmelze durch den Schweißprozess angereicherte Wasserstoff fällt dabei plötzlich gasförmig aus und es kommt zur ungewünschten Bildung von Wasserstoffporen 200 in der Schweißnaht 140, welche insbesondere die Festigkeit der Schweißnaht 140 erniedrigen (siehe auch Figur 2).
In Figur 4 ist ein Ablaufdiagramm des Verfahrens als Blockschaltbild dargestellt. Das Verfahren beginnt mit einer Bereitstellung 401 eines Werkstückes 100 mit einem elektrischen Kontaktelement 110 sowie einer Bereitstellung 402 eines Kupferleiters 120. Das elektrische Kontaktelement 110 umfasst eine erste Kupferlegierung 111. Das bereitgestellte elektrischen Kontaktelement 110 kann ferner optional eine Beschichtung aufweisen, welche ein chemisches Element umfasst. Dieses chemische Element ist dazu eingerichtet, die Wasserstofflöslichkeit von festem Kupfer zu erhöhen
beziehungsweise eine Ausbildung von Wasserstoffporen 200 durch eine
Verschweißung zumindest zu reduzieren. Der bereitgestellte Kupferleiter 120 umfasst eine zweite Kupferlegierung 112. Das bereitgestellte elektrischen Kontaktelement 120 kann optional eine Beschichtung aufweisen, welche ein chemisches Element umfasst. Dieses chemische Element ist dazu eingerichtet, die Wasserstofflöslichkeit von festem Kupfer zu erhöhen beziehungsweise eine Ausbildung von Wasserstoffporen durch eine Verschweißung zumindest zu reduzieren. Die erste und/oder zweite Kupferlegierung 111, 121 kann optional wenigstens ein Legierungselement aufweisen, welches dazu eingerichtet ist, die Wasserstofflöslichkeit von festem Kupfer zu erhöhen
beziehungsweise eine Ausbildung von Wasserstoffporen 200 während einer
Verschweißung zumindest zu reduzieren oder zu verhindern. Das Legierungselement umfasst insbesondere Titan und/oder Silizium und/oder Aluminium. Anschließend erfolgt in einem optionalen Verfahrensschritt eine Bereitstellung 410 einer Folie und/oder eines Pulvers und/oder eines walzplattierten Halbzeugs und/oder eines Drahts, welche wenigstens ein chemisches Element aufweist, wobei dieses chemische Element dazu eingerichtet ist, die Wasserstofflöslichkeit von festem Kupfer zu erhöhen beziehungsweise eine Ausbildung von Wasserstoffporen 200 durch eine
Verschweißung zu reduzieren. Das chemische Element umfasst insbesondere Titan und/oder Silizium und/oder Aluminium. In einem weiteren optionalen Schritt 420 wird die Folie und/oder das Pulver und/oder das walzplattierte Halbzeug und/oder der Draht unmittelbar an der Fügestelle 130 des Kontaktelementes 110 angeordnet. Im Schritt 430 werden das Kontaktelement 110 und der Kupferleiter 120 aneinandergefügt. Mit anderen Worten erfolgt eine mechanische Kontaktierung 430 zwischen dem
Kupferleiter 120 und dem Kontaktelement 110 an einer Fügestelle 130 des
Kontaktelementes 110. Es ist optional vorgesehen, dass die mechanische
Kontaktierung 430 mittels der an der Fügestelle 130 angeordneten Folie und/oder des Pulvers und/oder des walzplattierten Halbzeugs und/oder des Drahts erfolgt.
Anschließend werden der Kupferleiter 120 und das Kontaktelement 110 im Schritt 440 mittels eines fokussierten Laserstrahls miteinander verschweißt. Der Laserstrahl weist bei dieser Verschweißung 440 eine Wellenlänge kleiner oder gleich 0,6 pm auf.
Vorzugsweise weist der Laserstrahl eine grüne Wellenlänge von ca. 0,515 pm auf. Die mittlere Leistung des Laserstrahls beträgt insbesondere ca. 0,1 bis 5 kW. Die
Verschweißung 440 erfolgt unter Ausbildung eines Dampfkanals in der Schmelze beziehungsweise mit Ausbildung eines sogenannten Keyholes. Ferner wird
erfindungsgemäß bei der Verschweißung 440 eine Schweißnaht 140 mit einer Einschweißtiefe 160 größer oder gleich 100 pm erzeugt. Es kann vorgesehen sein, dass die Verschweißung 440 an der Fügestelle 130 in einer Atmosphäre mit einer reduzierten Luftfeuchtigkeit und/oder unter einer Inertgas-Atmosphäre erfolgt. Mit anderen Worten wird in diesen optionalen Ausgestaltungen die Schweißnaht 140 während der Verschweißung 440 unter einer künstlichen Atmosphäre, das heißt nicht unter normaler Umgebungsluft, erzeugt. Die reduzierte Luftfeuchtigkeit der Atmosphäre im Bereich der Fügestelle 130 beziehungsweise im Bereich der erzeugten
Schweißnaht 140 beträgt während der Verschweißung 440 bevorzugt kleiner oder gleich 10%. Besonders bevorzugt beträgt die Luftfeuchtigkeit kleiner oder gleich 5 %.
In Figur 5 ist ein Diagramm zur Temperaturabhängigkeit der Wasserstofflöslichkeit in einer gegenüber Fig. 3 anderen Kupferlegierung schematisch dargestellt, wobei diese Kupferlegierung ein optionales Legierungselement aufweist. Die Wasserstofflöslichkeit der ersten und/oder zweiten Kupferlegierung 111, 121 im festen Zustand kann durch das optionale Legierungselement erhöht. Alternativ oder zusätzlich wird durch das optionale Legierungselement die Wasserlöslichkeit der ersten und/oder zweiten Kupferlegierung 111, 121 im flüssigen Zustand reduziert. Durch die Veränderung der Wasserstofflöslichkeit der ersten und/oder zweiten Kupferlegierung 111, 121 kann am Schmelzpunkt bzw. am Erstarrungspunkt während des Abkühlens nach dem Verschweißen 440 eine Ausbildung von Wasserstoffporen durch eine Ausfällung von Wasserstoff verhindert oder insbesondere reduziert werden. Das optionale
Legierungselement in der ersten und/oder zweiten Kupferlegierung 111, 121 ist somit dazu eingerichtet, eine Ausbildung von Wasserstoffporen 200 während einer
Verschweißung zu reduzieren oder zu verhindern.
In Figur 6 ist ein Werkstück 100 mit einem Kontaktelement entsprechend der Ansicht von Figur lb dargestellt, wobei das Kontaktelement mechanisch und elektrisch einen Kupferleiter kontaktiert. Vor der Verschweißung 440 zwischen dem Kontaktelement 110 und dem Kupferleiter 120 wurde im Schritt 420 eine Folie 600 angeordnet. Die Folie ist im Bereich der Schweißnaht 140 aufgeschmolzen. Um die Schweißnaht 140 herum sind nicht geschmolzene Teile der Folie 600 zwischen dem Kontaktelement 110 und dem Kupferleiter 120 angeordnet. Die Folie 600 umfasst insbesondere ein chemisches Material beziehungsweise ein chemisches Element, welches dazu eingerichtet ist, die Wasserstofflöslichkeit von festem Kupfer zu erhöhen. Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, statt der Folie 600 eine Beschichtung des Kontaktelements 110 oder eine Beschichtung des Kupferleiters 120 vorzusehen, wobei die Beschichtung das chemisches Material beziehungsweise das chemisches Element umfasst, welches dazu eingerichtet ist, die Wasserstofflöslichkeit von festem Kupfer zu erhöhen. Die Folie 600 und/oder die Beschichtung umfassen insbesondere Titan und/oder Silizium.

Claims

Ansprüche
1. Fertigungsverfahren zum Verschweißen eines Kupferleiters (120) mit einem
elektrischen Kontaktelement (110) eines Werkstücks (100) zur elektrischen
Kontaktierung, wobei das Kontaktelement (110) eine erste Kupferlegierung (111) umfasst, aufweisend folgende Verfahrensschritte
• Mechanische Kontaktierung (430) zwischen dem Kupferleiter (120) und dem Kontaktelement (110) an einer Fügestelle (130) des Kontaktelementes (110), dadurch gekennzeichnet, dass folgender Schritt durchgeführt wird
• Verschweißung (440) des Kupferleiters (120) mit dem Kontaktelement (120) mittels eines fokussierten Laserstrahls, wobei der Laserstrahl eine Wellenlänge kleiner oder gleich 0,6 pm aufweist und eine Schweißnaht (140) mit einer Einschweißtiefe (160) größer oder gleich 100 pm erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Kupferlegierung (111) des
Kontaktelements (110) des Werkstückes (100) und/oder die zweite Kupferlegierung (121) des Kupferleiters (120) wenigstens ein Legierungselement umfasst, wobei das Legierungselement dazu eingerichtet ist, eine Löslichkeit von Wasserstoff in festem Kupfer zu erhöhen.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor der mechanischen Kontaktierung folgende Schritte durchgeführt werden
• Bereitstellung (410) einer Folie (600) und/oder eines Pulvers und/oder eines walzplattierten Halbzeugs und/oder eines Drahts, welche wenigstens ein chemisches Element aufweist, wobei die Folie (600) und/oder das Pulver und/oder das walzplattiertes Halbzeug und/oder der Draht mit dem chemischen Element dazu eingerichtet ist, eine Löslichkeit von Wasserstoff in festem Kupfer zu erhöhen, und
• Anordnung (420) der Folie (600) und/oder des Pulvers und/oder des
walzplattierten Halbzeugs und/oder des Drahts unmittelbar an der Fügestelle (130) des Kontaktelementes (110), wobei
• die mechanische Kontaktierung (430) des Kupferleiters (120) mit dem
Kontaktelement (110) mittels der Folie (600) und/oder des Pulvers und/oder des walzplattierten Halbzeugs und/oder des Drahts erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kupferleiter (120) und/oder das Kontaktelement (110) des Werkstückes (100) eine Beschichtung aufweisen, welche wenigstens ein chemisches Element aufweist, wobei die
Beschichtung mit dem chemischen Element dazu eingerichtet ist, eine Löslichkeit von Wasserstoff in festem Kupfer zu erhöhen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Umgebungsatmosphäre an der Fügestelle (130) während der Verschweißung (440) eine reduzierte Luftfeuchtigkeit aufweist, insbesondere beträgt die Luftfeuchtigkeit der Umgebungsatmosphäre kleiner oder gleich 10%, bevorzugt beträgt die Luftfeuchtigkeit kleiner oder gleich 5 %.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Umgebungsatmosphäre an der Fügestelle (130) während der Verschweißung (440) ein Inertgas umfasst.
7. Werkstück (100), aufweisend ein elektrisches Kontaktelement (110), wobei das
Kontaktelement (110) eine erste Kupferlegierung (111) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (110) mit einem Kupferleiter (120) zur elektrischen Kontaktierung stoffschlüssig verschweißt ist, wobei eine Schweißnaht (140) eine Einschweißtiefe (160) größer oder gleich 100 pm aufweist und die Schweißnaht (140) einen
Volumenanteil von Wasserstoffporen (200) kleiner oder gleich 10 % aufweist.
8. Werkstück nach Anspruch 7, wobei die Schweißnaht (140) einen Volumenanteil von Wasserstoffporen (200) kleiner oder gleich 4 % aufweist, insbesondere umfasst die Schweißnaht (140) einen Volumenanteil von Wasserstoffporen (200) kleiner oder gleich 4 % oder keine Wasserstoffporen (200).
9. Werkstück nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei zumindest teilweise um einen Bereich einer Fügestelle (130) eine Folie (600) und/oder ein Pulver und/oder ein walzplattierten Halbzeugs und/oder ein Drahts zwischen dem Kontaktelement (110) und dem Kupferleiter (120) angeordnet ist, welche wenigstens ein chemisches Element aufweist, insbesondere Titan und/oder Silizium und/oder Aluminium.
10. Fahrzeug mit einem Werkstück (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021201938A1 (de) 2021-03-01 2022-09-01 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren und Vorrichtung zum Fügen zweier Bauteile
DE102021214719A1 (de) * 2021-12-20 2023-06-22 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Kontaktierung in einer elektrischen Maschine

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120100390A1 (en) * 2010-10-20 2012-04-26 Hitachi Wire And Rod Ltd Weldment and method of manufacturing the same
DE102014116283A1 (de) * 2014-11-07 2016-05-12 Webasto SE Verfahren zum Bearbeiten eines ersten Bauelements und eines zweiten Bauelements sowie Vorrichtung
WO2017190042A1 (en) * 2016-04-29 2017-11-02 Nuburu, Inc Visible laser welding of electronic packaging, automotive electrics, battery and other components
US20180236605A1 (en) * 2017-01-31 2018-08-23 Nuburu Inc. Methods and Systems for Welding Copper Using Blue Laser

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2144284A1 (de) * 2008-07-11 2010-01-13 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum Herstellen eines Anschlusskontaktes an einem Halbleiterbauelement für die Leistungselektronik und elektronisches Bauteil mit einem auf diese Weise an einem Halblei-terbauelement hergestellten Anschlusskontakt
DE102012007304B4 (de) * 2012-04-13 2014-12-18 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Verfahren zum Regeln einer Einschweißtiefe
DE102016108656A1 (de) * 2016-05-11 2017-11-16 Danfoss Silicon Power Gmbh Leistungselektronische Baugruppe mit vibrationsfreier Kontaktierung
DE102016222759A1 (de) * 2016-11-18 2018-06-07 Zf Friedrichshafen Ag Verfahren zum Erzeugen einer Schweißverbindung zwischen einem Endstück eines Drahts und einer Auflagefläche, Schweißverbindung und Elektromotor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120100390A1 (en) * 2010-10-20 2012-04-26 Hitachi Wire And Rod Ltd Weldment and method of manufacturing the same
DE102014116283A1 (de) * 2014-11-07 2016-05-12 Webasto SE Verfahren zum Bearbeiten eines ersten Bauelements und eines zweiten Bauelements sowie Vorrichtung
WO2017190042A1 (en) * 2016-04-29 2017-11-02 Nuburu, Inc Visible laser welding of electronic packaging, automotive electrics, battery and other components
US20180236605A1 (en) * 2017-01-31 2018-08-23 Nuburu Inc. Methods and Systems for Welding Copper Using Blue Laser

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