WO2021089406A1 - Verfahren zum fügen einer thermoplastischen folie mit einem metallischen bauteil - Google Patents

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thermoplastic film
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Frank BRINKMEIER
Michael Lakenbrink
Thomas Wiese
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HELLA GmbH & Co. KGaA
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    • H05K2201/2072—Anchoring, i.e. one structure gripping into another

Definitions

  • thermoplastic film to a metallic component
  • the present invention relates to a method for joining a thermoplastic film to a metallic component.
  • thermoplastic films are used as so-called scarf device carrier films, on the top of which metallic conductor track structures have been printed, vapor-deposited or electrodeposited. These conductor tracks are used to make electrical contact, in particular with a light source, and can be used both to provide the necessary supply voltage and to forward control signals.
  • the underside of the circuit carrier film is flatly connected to a metallic heat sink, which is used to remove the waste heat generated by the light source and lines during operation of the light module.
  • the circuit carrier film is usually connected to the surface of the heat sink by means of an adhesive.
  • an adhesive Such a joining method has procedural disadvantages and also leads to a limitation of the functionality of the joint connection with regard to heat dissipation.
  • the use of adhesive, especially liquid, is always to be seen as a potential starting point for contamination of the overall process, and the adhesive and the associated application technology also represent a cost factor.
  • the adhesive layer has a disadvantageous effect on the functionality of the assembly in that it forms an additional thermal resistance between tween the thermoplastic film and the heat sink, whereby the thermal conductivity of the assembly is undesirably reduced.
  • US 2005/0079373 A1 discloses a method for adhesive-free joining of a plastic component with a component made of a different material, for example egg nem metal, which is based on activating the joining surface of the plastic component by means of high-energy irradiation and thus the build-up of a chemical To enable binding with the other component.
  • the disadvantage of this method is the need to perform it under clean room conditions in order to prevent contamination and thus saturation of the activated joint surface.
  • the US 4,022,648 A discloses a method for adhesive-free joining of a thermoplastic component with a, for example, metallic substrate, including a combination of heating the thermoplastic component in an arrangement on the substrate and simultaneous application of an electrical potential difference between the component and the substrate is proposed.
  • the post-published DE 102019 106260.8 discloses a method for making a joint in a lighting device of a vehicle between egg ner metal component and a light-technically effective plastic component, in particular a reflector, a light guide body, a thick-walled optics or a primary optics, the joining surface of the metal component having a microstructure Has undercuts and wherein the plastic component is thermally softened and pressed into the microstructure, so that after cooling and solidification of the plastic component there is a connection with the metal component.
  • thermoplastic film to a metallic component, which is particularly suitable for connecting a circuit carrier film to a heat sink as part of a light module.
  • thermoplastic film on the joining surface of the metallic component
  • thermoplastic film by heating to a temperature above half the glass transition temperature of the thermoplastic film
  • thermoplastic film Obtaining a positive connection between the thermoplastic film and the metallic component after the thermoplastic film has cooled down.
  • the invention is based on the idea of using the softening of the thermoplastic's material with the supply of heat in order to press part of the film into a suitably dimensioned surface structure on the joining surface of the metallic component, so that the film is in the state of being one after cooling and solidification positive interlocking with the surface structure is present.
  • Thermoplastics are amorphous or semi-crystalline plastics whose essential structural element consists of few or unbranched carbon chains. They are characterized by a thermoplastic aggregate state in which the material is soft and no longer dimensionally stable. The transition to this thermoplastic state takes place when a material-specific glass transition temperature is exceeded, below which the thermoplastic is in a solid or thermoelastic state.
  • thermoplastic In the thermoplastic regime, the material is not yet flowable, so that when the method according to the invention is carried out, the underside of the thermoplastic film can be pressed into the metallic surface structure while maintaining the structural integrity of the upper side of the film.
  • the film As a circuit carrier, this means that on the Conductor tracks or other MEMS components deposited on the top of the film are not impaired by the joining process.
  • thermoplastic foils include, for example, acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polyamides (PA), polylactate (PLA), polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene (PE) , Polypropylene (PP), polystyrene (PS), polyetheretherketone (PEEK) or polyvinylchloride (PVC) are possible.
  • ABS acrylonitrile butadiene styrene
  • PA polyamides
  • PLA polylactate
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • PC polycarbonate
  • PET polyethylene terephthalate
  • PET polyethylene
  • PE polyethylene
  • PE Polypropylene
  • PS polystyrene
  • PEEK polyetheretherketone
  • PVC polyvinylchloride
  • the micro- and / or nanostructures introduced into the joining surface of the metallic component can, for example, be in the form of groove-like depressions in a straight or meandering shape or have a more complex topography, for example a combination of cavities and surface elevations.
  • the dimensions of the surface structures are preferably adapted to the deformability of the specific thermoplastic material of the film. Nanostructuring can in particular ensure a targeted change in the surface energy and thereby influence the degree of wetting of the metal surface with the softened thermoplastic.
  • thermoplastic film with a metallic component can be created for many applications, in particular for the connection of a circuit carrier film with a heat sink as part of a light module.
  • micro- and / or nano-structuring of the joining surface increases the effective interface between the foil and the metal body, so that particularly rapid heat dissipation is made possible from the foil into the metal body.
  • undercuts are made in the joining surface of the metallic component when the microstructures and / or nanostructures are introduced.
  • Geometric undercuts can be enclosed by the softened thermoplastic material, so that after the thermoplastic has solidified, a form-fitting connection is formed along the plane normal direction of the joining surface.
  • Such Undercuts can be in the form of steps or bulges in a cavity, for example.
  • the introduction of the microstructures and / or nanostructures into the joining surface of the metallic component is preferably carried out by means of an electrochemical method or by means of a laser material processing method or by means of a mechanical method.
  • electrochemical removal are suitable for the introduction of complex surface structures in metallic conductive workpieces with accuracies in the micrometer range.
  • Modern methods of laser material processing and photonics can be used for higher manufacturing precision down to the nanometer range.
  • Mechanical processes represent inexpensive alternatives, with structures with undercuts being able to be implemented, for example, by means of a combination of milling and hamming.
  • the heating of the thermoplastic film is carried out by means of laser radiation or by means of infrared radiation or by means of convective heat supply or by means of inductive or contacting heating of the metallic construction part.
  • the use of a laser source offers the particular advantage of controlled local heating, for example in order to only build up a joint connection in sections.
  • the laser radiation can either be absorbed directly by the thermoplastic film or by the metallic joining partner located underneath, so that the film is advantageously heated indirectly in the area of its underside facing the joining surface of the metal body, while the upper side of the film is on which possibly conductor tracks or other electronic components can be included, is thermally less stressed. This is also achieved by inductive or contact-based heating of the metallic component.
  • the convective supply of heat can be generated, for example, by means of hot air blowers which are directed at the thermoplastic film and / or at the metallic component.
  • the heated thermoplastic film is preferably pressed onto the joining surface of the metallic component by means of negative pressure and / or by means of mechanical means Pressure carried out.
  • the metallic component is accommodated in a mask, such as a film thermoforming machine, and the thermoplastic film is placed on the mask so that when the mask is evacuated, the film is pressed onto the joining surface on the metallic component.
  • a suitably shaped stamp can be used to mechanically press on the film.
  • thermoplastic film and / or the metallic component are actively cooled during and / or following the pressing of the heated thermoplastic film onto the joining surface of the metallic component.
  • the active cooling can be implemented, for example, by means of a fan or by Peltier elements that are in contact with the metal component. Active cooling reduces the process time of the process step and reduces the thermal load for any electronic elements arranged on the upper side of the film.
  • the invention also relates to a method for joining a first thermoplastic film with a metallic component and a second thermoplastic film with the first thermoplastic film, at least the following process steps being included:
  • thermoplastic film serves as a connecting element, which forms a form-fitting connection on the underside with the structured joining surface of the metallic component and integrally with the second film on the top, which is designed in particular as a circuit carrier film is connected becomes. It is necessary that both films are made from the same thermoplastic or from two thermoplastics that are compatible with regard to their glass transition temperatures and mutual crosslinkability.
  • This extended joining method is particularly advantageous when a circuit carrier film with particularly sensitive electronic elements is used and potentially occurring local deformations of the upper side of the film when pressed into the surface structure of the joining surface must be avoided.
  • the invention relates to a light module for a motor vehicle lighting device at least comprising a lighting means, a metallic heat sink and a thermoplastic circuit carrier film, wherein the circuit carrier film has conductor tracks for electrical contacting of the illuminant, characterized in that the circuit carrier film is connected to the heat sink, the connection is produced by means of an embodiment of the aforementioned joining method.
  • FIG. 1 a shows a view of a heat sink as part of a light module according to the invention
  • 1 b shows a view of a light module according to the invention
  • Fig. 2 shows a cross section of Fig. 1b
  • FIGS. 1a and 1b show perspective views of components of a light module 6 according to the invention
  • FIG. 2 shows a corresponding cross-sectional view along the section line AA.
  • the essential components of the light module 6 are the heat sink 200 as a metallic component 2, the circuit carrier film 100 based on the thermoplastic film 1 and the lighting means 5, the latter being shown only in FIGS. 1b and 2.
  • the heat sink 200 is made, for example, of an aluminum, magnesium or copper alloy and comprises a plurality of cooling fins and a plate attached to it for receiving the illuminant 5 to be cooled.
  • the joining surface 20 for connection to the circuit carrier foil 1 lies on this plate.
  • the microstructures 21 running in a straight line parallel to one another have been introduced into the joining surface 20.
  • the circuit carrier film 100 has on its upper side a multiplicity of metallic conductor tracks 101 for contacting the luminous means 5 electrically connected to it, the luminous means 5 including, in addition to a light source, further electronic peripherals for control and / or sensors.
  • the circuit carrier film 100 covers the area of the joining surface 20 provided with the microstructures 21.
  • the microstructures represent groove-like depressions and, in the course of the joining method according to the invention, are filled by part of the thermoplastic film 1, which in the softened, thermoplastic state has been pressed into it.
  • FIGS. 3a and 3b show enlarged detailed views of the image section B of FIG. 2, with FIGS. 3a and 3b being understood as mutually alternative embodiments of the connection of the circuit carrier film 100 to the heat sink 200.
  • the microstructures 21 introduced into the joining surface 20 of the metallic component 2 have a peg-shaped cross-section with a dome-shaped widening at the end, as a result of which undercuts 22 are formed.
  • a form-fitting connection 3 with the me-metallic component 2 is thus formed in the horizontal and vertical directions. This connection 3 is temperature resistant up to repeated exceeding of the glass transition temperature of the thermoplastic used.
  • the circuit carrier film 100 has been joined directly in a form-fitting connection 3 to the heat sink 200, whereas in the embodiment shown in FIG. 3b, the thermoplastic film 1 a, as an additional connection element, establishes the form-fit connection 3 and, in subsequent process steps, the material connection 4 with the thermoplastic film 1b of the circuit carrier film 100 was produced.
  • the latter variant serves to protect the conductor tracks 101 or other components fixedly arranged on the upper side of the circuit carrier film 100 from potential damage during the establishment of the form-fitting connection 3.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen einer thermoplastischen Folie (1) mit einem metallischen Bauteil (2) wenigstens umfassend die folgenden Verfahrensschritte: - Bereitstellen des metallischen Bauteils (2) mit einer Fügefläche (20), - Einbringen von Mikrostrukturen (21) und/oder Nanostrukturen in die Fügefläche (20) des metallischen Bauteils (2), - Anordnen der thermoplastischen Folie (1) auf der Fügefläche (20) des metallischen Bauteils (2), - Erweichen der thermoplastischen Folie (1) durch Erwärmen auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur der thermoplastischen Folie (1), - Andrücken der erweichten thermoplastischen Folie (1) auf die Fügefläche (20) des metallischen Bauteils (2), derart, dass ein Teil der erweichten thermoplastischen Folie (1) in die Mikrostrukturen (21) und/oder Nanostrukturen in der Fügefläche (20) des metallischen Bauteils (2) eindringt, und - Erhalt einer formschlüssigen Verbindung (3) der thermoplastischen Folie (1) mit dem metallischen Bauteil (2) nach Erkalten der thermoplastischen Folie (1).

Description

Verfahren zum Fügen einer thermoplastischen Folie mit einem metallischen Bauteil
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Fügen einer thermoplastischen Folie mit einem metallischen Bauteil.
STAND DER TECHNIK
Fügeverbindungen zwischen Folien aus thermoplastischen Kunststoffen und metalli schen Bauteilen befinden sich beispielsweise in Lichtmodulen von Kraftfahrzeugbe leuchtungseinrichtungen. Dort werden thermoplastische Folien als sogenannte Schal tungsträgerfolien verwendet, auf deren Oberseite metallische Leiterbahnstrukturen aufgedruckt, aufgedampft oder galvanisch abgeschieden worden sind. Diese Leiter bahnen dienen zur elektrischen Kontaktierung insbesondere eines Leuchtmittels und können sowohl zur Bereitstellung der notwendigen Versorgungsspannung als auch zur Weiterleitung von Steuersignalen genutzt werden. Die Unterseite der Schaltungs trägerfolie wird flächig mit einem metallischen Kühlkörper verbunden, welcher der Ab fuhr der im Betrieb des Lichtmoduls entstehenden Abwärme von Leuchtmittel und Zu leitungen dient.
In Lichtmodulen nach dem Stand der Technik wird die Schaltungsträgerfolie üblicher weise mittels Klebstoff mit der Oberfläche des Kühlkörpers verbunden. Ein solches Fügeverfahren weist prozesstechnische Nachteile auf und führt zudem zu einer Be schränkung der Funktionalität der Fügeverbindung hinsichtlich der Wärmeableitung. So ist die Verwendung von, insbesondere flüssigem, Klebstoff immer als ein potentiel ler Ausgangspunkt für Kontaminationen des Gesamtprozesses anzusehen, und zu dem stellen der Klebstoff und die zugehörige Applikationstechnik auch einen Kosten faktor dar. Hinsichtlich der Funktionalität der Baugruppe besteht eine nachteilige Wir kung der Klebstoffschicht darin, dass sie einen zusätzlichen Wärmewiderstand zwi schen der thermoplastischen Folie und dem Kühlkörper bildet, wodurch der Wärme leitwert der Baugruppe unerwünschterweise herabgesetzt wird. Die US 2005/0079373 A1 offenbart ein Verfahren zum klebstofffreien Fügen eines Kunststoff-Bauteils mit einem Bauteil aus einem anderen Material, beispielsweise ei nem Metall, welches darauf beruht, die Fügefläche des Kunststoff-Bauteils mittels hochenergetischer Bestrahlung zu aktivieren und somit den Aufbau einer chemischen Bindung mit dem anderen Bauteil zu ermöglichen. Nachteilig an diesem Verfahren ist die Notwendigkeit einer Durchführung unter Reinraum-Bedingungen, um eine Konta mination und damit Absättigung der aktivierten Fügefläche zu verhindern.
Die US 4,022,648 A offenbart ein Verfahren zum klebstofffreien Fügen eines thermo plastischen Bauteils mit einem beispielsweise metallischen Substrat, wozu eine Kom bination aus Erwärmung des thermoplastischen Bauteils in Anordnung auf dem Sub strat und gleichzeitigem Anlegen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen Bau teil und Substrat vorgeschlagen wird.
Die nachveröffentlichte DE 102019 106260.8 offenbart ein Verfahren zur Fierstellung einer Fügeverbindung in einer Beleuchtungseinrichtung eines Fahrzeugs zwischen ei ner Metallkomponente und einem lichttechnisch wirksamen Kunststoffbauteil, insbe sondere einem Reflektor, einem Lichtleitkörper, einer Dickwandoptik oder einer Pri märoptik, wobei die Fügefläche der Metallkomponente eine Mikrostruktur mit Hinter schneidungen aufweist und wobei das Kunststoffbauteil thermisch erweicht und in die Mikrostruktur eingepresst wird, so dass nach Erkalten und Verfestigung des Kunst stoffbauteils eine Verbindung mit der Metallkomponente vorliegt.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Fügen einer thermoplastischen Folie mit einem metallischen Bauteil vorzuschlagen, welches insbe sondere geeignet ist für die Verbindung einer Schaltungsträgerfolie mit einem Kühlkör per als Bestandteile eines Lichtmoduls.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des An spruches 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Verfahren wenigstens die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- Bereitstellen des metallischen Bauteils mit einer Fügefläche,
- Einbringen von Mikrostrukturen und/oder Nanostrukturen in die Fügefläche des me tallischen Bauteils,
- Anordnen der thermoplastischen Folie auf der Fügefläche des metallischen Bauteils,
- Erweichen der thermoplastischen Folie durch Erwärmen auf eine Temperatur ober halb der Glasübergangstemperatur der thermoplastischen Folie,
- Andrücken der erweichten thermoplastischen Folie auf die Fügefläche des metalli schen Bauteils, derart, dass ein Teil der erweichten thermoplastischen Folie in die Mikrostrukturen und/oder Nanostrukturen in der Fügefläche des metallischen Bauteils eindringt, und
- Erhalt einer formschlüssigen Verbindung der thermoplastischen Folie mit dem metal lischen Bauteil nach Erkalten der thermoplastischen Folie.
Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, die Erweichung des thermoplasti schen Werkstoffs unter Wärmezufuhr zu nutzen, um einen Teil der Folie in eine geeig net dimensionierte Oberflächenstruktur auf der Fügefläche des metallischen Bauteils einzupressen, so dass die Folie nach Erkalten und Verfestigung im Zustand einer formschlüssigen Verklammerung mit der Oberflächenstruktur vorliegt. Thermoplaste sind amorphe oder teilkristalline Kunststoffe, deren wesentliches Strukturelement in wenig oder nicht verzweigten Kohlenstoffketten besteht. Sie zeichnen sich durch ei nen thermoplastischen Aggregatzustand aus, in welchem der Werkstoff weich und nicht mehr formstabil vorliegt. Der Übergang in diesen thermoplastischen Zustand vollzieht sich mit Überschreiten einer werkstoffspezifischen Glasübergangstemperatur, unterhalb welcher sich der Thermoplast in einem festen oder thermoelastischen Zu stand befindet. Im thermoplastischen Regime ist der Werkstoff noch nicht fließfähig, so dass bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Einpressen der Unterseite der thermoplastischen Folie in die metallische Oberflächenstruktur erfolgen kann unter Beibehaltung der strukturellen Integrität der Folienoberseite. Im Hinblick auf die Anwendung der Folie als Schaltungsträger bedeutet dies, dass auf der Oberseite der Folie abgeschiedene Leiterbahnen oder sonstige MEMS Bauteile durch den Fügevorgang nicht beeinträchtigt werden. Als Werkstoffe für thermoplastische Fo lien kommen beispielsweise Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyamide (PA), Po- lylactat (PLA), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylentereph- thalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyetheretherke ton (PEEK) oder Polyvinylchlorid (PVC) infrage.
Die in die Fügefläche des metallischen Bauteils eingebrachten Mikro- und/oder Nano- strukturen können beispielsweise als rillenartige Vertiefungen in geradliniger oder mä anderförmiger Form vorliegen oder eine komplexere Topographie aufweisen, bei spielsweise eine Kombination aus Kavitäten und Oberflächenerhebungen. Die Abmes sungen der Oberflächenstrukturen sind dabei vorzugsweise an die Verformbarkeit des konkreten thermoplastischen Werkstoffs der Folie angepasst. Eine Nanostrukturierung kann insbesondere für eine gezielte Veränderung der Oberflächenenergie sorgen, und dadurch Einfluss auf den Benetzungsgrad der Metalloberfläche mit dem erweichten Thermoplast nehmen.
Mit dem erfindungsgemäßen Fügeverfahren kann somit trotz vorteilhaftem Verzicht auf einen Klebstoff eine für viele Anwendungszwecke ausreichend belastbare und dauerhafte Verbindung einer thermoplastischen Folie mit einem metallischen Bauteil geschaffen werden, insbesondere für die Verbindung einer Schaltungsträgerfolie mit einem Kühlkörper als Bestandteile eines Lichtmoduls. Zudem wird dabei durch die Mikro- und/oder Nanostrukturierung der Fügefläche die effektive Grenzfläche zwi schen Folie und Metallkörper vergrößert, so dass eine besonders schnelle Wärmeab leitung von der Folie in den Metallkörper ermöglicht wird.
In vorteilhafter Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden beim Einbringen der Mikrostrukturen und/oder Nanostrukturen Hinterschneidungen in die Fügefläche des metallischen Bauteils eingebracht. Geometrische Hinterschneidungen können von dem erweichten thermoplastischen Material umschlossen werden, so dass nach Verfestigung des Thermoplasten eine formschlüssige Verbindung entlang der Ebenennormalenrichtung der Fügefläche gebildet ist. Derartige Hinterschneidungen können beispielsweise in Form von Stufen oder Ausbeulungen einer Kavität vorliegen.
Vorzugsweise wird das Einbringen der Mikrostrukturen und/oder Nanostrukturen in die Fügefläche des metallischen Bauteils mittels eines elektrochemischen Verfahrens o- der mittels eines Verfahrens der Lasermaterialbearbeitung oder mittels eines mecha nischen Verfahrens durchgeführt. Beispielsweise sind Verfahren des elektrochemi schen Abtragens geeignet für das Einbringen komplexer Oberflächenstrukturen in me tallisch leitfähige Werkstücke mit Genauigkeiten im Mikrometerbereich. Für höhere Fertigungspräzision bis in den Nanometerbereich können moderne Verfahren der La sermaterialbearbeitung und Photonik eingesetzt werden. Mechanische Verfahren stel len kostengünstige Alternativen dar, wobei beispielsweise mittels einer Kombination von Fräsen und Hämmern auch Strukturen mit Hinterschneidungen realisierbar sind.
In vorteilhafter Ausführung wird das Erwärmen der thermoplastischen Folie mittels La serbestrahlung oder mittels Infrarotbestrahlung oder mittels konvektiver Wärmezufuhr oder mittels einer induktiven oder kontaktierenden Erwärmung des metallischen Bau teils durchgeführt. Die Verwendung einer Laserquelle bietet insbesondere den Vorteil einer kontrolliert lokalen Erwärmung beispielsweise um eine Fügeverbindung nur ab schnittsweise aufzubauen. Dabei kann die Laserstrahlung entweder direkt von der thermoplastischen Folie absorbiert werden, oder aber von dem darunter befindlichen metallischen Fügepartner, so dass es vorteilhaft zu einer indirekten Erwärmung der Folie im Bereich ihrer der Fügefläche des Metallkörpers zugewandten Unterseite kommt, während die Oberseite der Folie, auf welcher gegebenenfalls Leiterbahnen o- der weitere elektronische Bauelemente aufgenommen sein können, thermisch weni ger belastet wird. Dies wird auch durch eine induktive oder kontaktierende Erwärmung des metallischen Bauteils erreicht. Die konvektive Wärmezufuhr kann beispielsweise mittels Heißluftgebläsen erzeugt werden, welche auf die thermoplastische Folie und/o der auf das metallische Bauteil gerichtet sind.
Vorzugsweise wird das Andrücken der erwärmten thermoplastischen Folie auf die Fü gefläche des metallischen Bauteils mittels Unterdrück und/oder mittels mechanischem Druck durchgeführt. Beispielsweise ist das metallische Bauteil in einer Maske, etwa einer Folientiefzugmaschine, aufgenommen und die thermoplastische Folie wird auf der Maske platziert, so dass bei einer Evakuierung der Maske die Folie auf die Füge fläche am metallischen Bauteil gepresst wird. Alternativ oder zusätzlich kann bei spielsweise ein geeignet geformter Stempel zum mechanischen Aufdrücken der Folie verwendet werden.
Mit weiterem Vorteil werden während und/oder im Anschluss an das Andrücken der erwärmten thermoplastischen Folie auf die Fügefläche des metallischen Bauteils die thermoplastische Folie und/oder das metallische Bauteil aktiv gekühlt. Die aktive Küh lung kann beispielsweise mittels eines Gebläses oder durch mit dem Metallbauteil in Kontakt stehenden Peltier-Elementen realisiert sein. Eine aktive Kühlung reduziert die Prozesszeit des Verfahrensschrittes und reduziert die thermische Last für etwaig auf der Oberseite der Folie angeordnete elektronische Elemente.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Fügen einer ersten thermoplas tischen Folie mit einem metallischen Bauteil und einer zweiten thermoplastischen Fo lie mit der ersten thermoplastischen Folie, wobei wenigstens die folgenden Verfah rensschritte umfasst sind:
- Fügen der ersten Folie mit dem Bauteil mittels einer Ausführungsform des vorge nannten Verfahrens,
- Anordnen der zweiten Folie auf der ersten Folie,
- Erweichen der ersten Folie und der zweiten Folie durch Erwärmen auf eine Tempe ratur oberhalb der Glasübergangstemperatur der Folien,
- Andrücken der erweichten zweiten Folie auf die erweichte erste Folie, und
- Erhalt einer stoffschlüssigen Verbindung der zweiten Folie mit der ersten Folie nach Erkalten der Folien.
Dieses Verfahren stellt also eine Erweiterung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar, indem eine weitere thermoplastische Folie als Verbindungselement dient, welches un terseitig eine formschlüssige Verbindung mit der strukturierten Fügefläche des metalli schen Bauteils ausbildet und stoffschlüssig mit der oberseitig angeordneten zweiten Folie, welche insbesondere als eine Schaltungsträgerfolie ausgebildet ist, verbunden wird. Dabei ist es notwendig, dass beide Folien aus demselben thermoplastischen Kunststoff gefertigt sind bzw. aus zwei in Hinblick auf ihre Glasübergangstemperatu ren und gegenseitige Vernetzbarkeit kompatiblen Thermoplasten. Dieses erweiterte Fügeverfahren ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine Schaltungsträgerfolie mit besonders sensiblen elektronischen Elementen eingesetzt wird und potentiell auftre tende lokale Verformungen der Folienoberseite beim Einpressen in die Oberflächen struktur der Fügefläche vermieden werden müssen.
Zudem betrifft die Erfindung ein Lichtmodul für eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrich tung wenigstens umfassend ein Leuchtmittel, einen metallischen Kühlkörper und eine thermoplastische Schaltungsträgerfolie, wobei die Schaltungsträgerfolie Leiterbahnen zur elektrischen Kontaktierung des Leuchtmittels aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsträgerfolie mit dem Kühlkörper verbunden ist, wobei die Verbin dung mittels einer Ausführungsform der vorgenannten Fügeverfahren hergestellt ist.
BEVORZUGTES AUSFUHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 a eine Ansicht eines Kühlkörpers als Bestandteil eines erfindungsgemäßen Lichtmoduls,
Fig. 1 b eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Lichtmoduls,
Fig. 2 einen Querschnitt der Fig. 1b, und
Fig. 3a, b erfindungsgemäße Verbindungen als vergrößerte Ausschnitte der Fig. 2.
Die Figuren 1a und 1b zeigen perspektivische Ansichten von Bestandteilen eines er findungsgemäßen Lichtmoduls 6, die Fig. 2 zeigt eine entsprechende Querschnittsan sicht entlang der Schnittlinie AA. Die wesentlichen Bestandteile des Lichtmoduls 6 sind der Kühlkörper 200 als metallisches Bauteil 2, die Schaltungsträgerfolie 100 basierend auf der thermoplastischen Folie 1 sowie das Leuchtmittel 5, wobei Letztere lediglich in den Figuren 1b und 2 dargestellt sind.
Der Kühlkörper 200 ist beispielsweise aus einer Aluminium-, Magnesium- oder Kupfer- Legierung gefertigt und umfasst eine Mehrzahl von Kühlrippen sowie eine daran ange ordnete Platte zur Aufnahme des zu kühlenden Leuchtmittels 5. Auf dieser Platte liegt die Fügefläche 20 zur Verbindung mit der Schaltungsträgerfolie 1. Im Rahmen des er findungsgemäßen Fügeverfahrens sind in die Fügefläche 20 die geradlinig parallel zu einander verlaufenden Mikrostrukturen 21 eingebracht worden.
Die Schaltungsträgerfolie 100 weist auf ihrer Oberseite eine Vielzahl von metallischen Leiterbahnen 101 zur Kontaktierung des damit elektrisch verbundenen Leuchtmittels 5 auf, wobei das Leuchtmittel 5 neben einer Lichtquelle weitere elektronische Peripherie zur Steuerung und/oder Sensoren umfasst.
Die Schaltungsträgerfolie 100 überdeckt den mit den Mikrostrukturen 21 versehenen Bereich der Fügefläche 20. In der Querschnittsansicht der Fig. 2 ist ersichtlich, dass die Mikrostrukturen rillenartige Vertiefungen darstellen und im Zuge des erfindungsge mäßen Fügeverfahrens durch einen Teil der thermoplastischen Folie 1 ausgefüllt sind, welche im erweichten, thermoplastischen Zustand hineingedrückt worden ist.
Die Figuren 3a und 3b zeigen vergrößerte Detailansichten des Bildausschnitts B der Fig. 2. wobei die Figuren 3a und 3b als zueinander alternative Ausführungsformen der Anbindung der Schaltungsträgerfolie 100 an den Kühlkörper 200 zu verstehen sind.
Die in die Fügefläche 20 des metallischen Bauteils 2 eingebrachten Mikrostrukturen 21 weisen einen zapfenförmigen Querschnitt mit endseitiger, kalottenförmiger Aufwei tung auf, wodurch Hinterschneidungen 22 gebildet werden. Durch die in die Mikro strukturen 21 eingedrungenen Teile der thermoplastischen Folie 1 bzw. 1a ist somit eine in horizontaler und vertikaler Richtung formschlüssige Verbindung 3 mit dem me tallischen Bauteil 2 gebildet. Diese Verbindung 3 ist temperaturbeständig bis zum abermaligen Überschreiten der Glasübergangstemperatur des verwendeten thermo plastischen Kunststoffs.
In der Fig. 3a ist die Schaltungsträgerfolie 100 direkt in formschlüssige Verbindung 3 mit dem Kühlkörper 200 gefügt worden, wohingegen in der in Fig. 3b dargestellten Ausführungsform die thermoplastische Folie 1a als zusätzliches Verbindungselement die formschlüssige Verbindung 3 aufbaut und in nachfolgenden Verfahrensschritten die stoffschlüssige Verbindung 4 mit der thermoplastischen Folie 1b der Schaltungs trägerfolie 100 hergestellt wurde. Letztere Variante dient dem Schutz der Leiterbah nen 101 oder sonstiger auf der Oberseite der Schaltungsträgerfolie 100 fest angeord neter Bauelemente vor potentieller Beschädigung beim Aufbau der formschlüssigen Verbindung 3.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angege bene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denk bar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung o- der den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiven Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste
1, 1a, 1b thermoplastische Folie 100 Schaltungsträgerfolie 101 Leiterbahn 2 metallisches Bauteil
20 Fügefläche
21 Mikrostruktur
22 Hinterschneidung
200 Kühlkörper
3 formschlüssige Verbindung
4 stoffschlüssige Verbindung
5 Leuchtmittel
6 Lichtmodul A Schnittlinie B Bildausschnitt

Claims

Verfahren zum Fügen einer thermoplastischen Folie mit einem metallischen Bauteil Patentansprüche
1. Verfahren zum Fügen einer thermoplastischen Folie (1 ) mit einem metalli schen Bauteil (2) wenigstens umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
- Bereitstellen des metallischen Bauteils (2) mit einer Fügefläche (20),
- Einbringen von Mikrostrukturen (21) und/oder Nanostrukturen in die Fügefläche (20) des metallischen Bauteils (2),
- Anordnen der thermoplastischen Folie (1 ) auf der Fügefläche (20) des metallischen Bauteils (2),
- Erweichen der thermoplastischen Folie (1 ) durch Erwärmen auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur der thermoplas tischen Folie (1),
- Andrücken der erweichten thermoplastischen Folie (1 ) auf die Füge fläche (20) des metallischen Bauteils (2), derart, dass ein Teil der er weichten thermoplastischen Folie (1) in die Mikrostrukturen (21) und/oder Nanostrukturen in der Fügefläche (20) des metallischen Bauteils (2) eindringt, und
- Erhalt einer formschlüssigen Verbindung (3) der thermoplastischen Folie (1) mit dem metallischen Bauteil (2) nach Erkalten der thermo plastischen Folie (1).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einbrin gen der Mikrostrukturen (21) und/oder Nanostrukturen Flinterschneidungen (22) in die Fügefläche (20) des metallischen Bauteils (2) eingebracht wer den.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Mikrostrukturen (21) und/oder Nanostrukturen in die Fügeflä che (20) des metallischen Bauteils (2) mittels eines elektrochemischen Verfahrens oder mittels eines Verfahrens der Lasermaterialbearbeitung o- der mittels eines mechanischen Verfahrens durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen der thermoplastischen Folie (1) mittels La serbestrahlung oder mittels Infrarotbestrahlung oder mittels konvektiver Wärmezufuhr oder mittels einer induktiven oder kontaktierenden Erwär mung des metallischen Bauteils (2) durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Andrücken der erwärmten thermoplastischen Folie (1) auf die Fügefläche (20) des metallischen Bauteils (2) mittels Unterdrück und/oder mittels mechanischem Druck durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während und/oder im Anschluss an das Andrücken der er wärmten thermoplastischen Folie (1) auf die Fügefläche (20) des metalli schen Bauteils (2) die thermoplastische Folie (1) und/oder das metallische Bauteil (2) aktiv gekühlt werden.
7. Verfahren zum Fügen einer ersten thermoplastischen Folie (1a) mit einem metallischen Bauteil (2) und einer zweiten thermoplastischen Folie (1b) mit der ersten thermoplastischen Folie (1a) wenigstens umfassend die folgen den Verfahrensschritte:
- Fügen der ersten Folie (1a) mit dem Bauteil (2) mittels eines Verfah rens nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
- Anordnen der zweiten Folie (1b) auf der ersten Folie (1a),
- Erweichen der ersten Folie (1b) und der zweiten Folie (1a) durch Er wärmen auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur der Folien (1a, 1b),
- Andrücken der erweichten zweiten Folie (1b) auf die erweichte erste Folie (1a), und - Erhalt einer stoffschlüssigen Verbindung (4) der zweiten Folie (1b) mit der ersten Folie (1a) nach Erkalten der Folien (1a, 1 b).
8. Lichtmodul (6) für eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung wenigstens umfassend ein Leuchtmittel (5), einen metallischen Kühlkörper (200) und eine thermoplastische Schaltungsträgerfolie (100), wobei die Schaltungsträ gerfolie (100) Leiterbahnen (101) zur elektrischen Kontaktierung des Leuchtmittels (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungs trägerfolie (100) mit dem Kühlkörper (200) verbunden ist, wobei die Verbin dung (3) mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 her gestellt ist.
PCT/EP2020/080410 2019-11-04 2020-10-29 Verfahren zum fügen einer thermoplastischen folie mit einem metallischen bauteil WO2021089406A1 (de)

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