DE19618104A1 - Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem ummantelten Kupferdraht und einem elektrischen Leiter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elek­ trisch leitenden Verbindung zwischen einem sogenannten Kupfer­ lackdraht und einem elektrischen Leiter. Die Verbindung wird dadurch hergestellt, daß auf den Leiter im Bereich der späteren Verbindungsstelle eine elektrisch leitende Masse geeigneter Schmelz- oder Erweichungstemperatur, beispielsweise eine Lot- oder Leitpaste, aufgetragen wird. Die Verbindung zum Kupferlack­ draht erfolgt mit Hilfe thermischer oder thermisch induzierter Verfahren, die zum Aufschmelzen des den Kupferdraht umgebenden Isolierlacks führen.

Unter Kupferlackdraht soll hier ein Kupferdraht mit einer elek­ trisch isolierenden Ummantelung aus Kunststoff verstanden wer­ den. Derartige Drähte sind allgemein bekannt und werden in gro­ ßen Mengen zu geringen Kosten hergestellt. Sie werden häufig unter Einsatz verschiedener Wickeltechniken, z. B. der Flyer-Technik oder Verfahren mit rotierendem Spulenkern, zu Indukti­ onsspulen verarbeitet und als solche weiterverwendet. Die ge­ wickelten Spulen werden dann mit anderen Leitern verbunden. Die Herstellung der elektrisch leitenden Verbindung zu einem weite­ ren Leiter, beispielsweise Metallfolien, elektrischen Bauteilen wie IC- oder SMD-Bauteilen, Leiterplatten usw., ist in der Re­ gel sehr mühsam und zeitraubend und verteuert so die Anbringung der Induktionsspulen trotz der geringen Kosten für die Grundma­ terialien erheblich. Besonders aufwendig ist hierbei die Ver­ bindungstechnik für relativ großflächige Spulen ohne Wickelkern und nur wenigen Windungen, d. h. solche, in denen das gesamte Wickelsystem sehr instabil ist.

Bisher werden in der Regel folgende Verfahren zur Herstellung elektrisch leitender Verbindungen zwischen einem Kupferlack­ draht und einem elektrischen Leiter eingesetzt: Ein häufig ver­ wendetes Verfahren bedient sich der Thermokompressionsmethode, wofür gegebenenfalls die Kunststoff-Ummantelung an den Enden des Kupferdrahtes zunächst entfernt wird (thermisch/mechanisch, chemisch) und eventuell noch eine Vorverzinnung der Draht enden erfolgt. Das Verfahren benötigt hohe Temperaturen, die neben dem großen Energieverbrauch auch zu einem schnellen Verschleiß der Schweißelektroden führen. Die Schweißelemente müssen daher häufig ausgetauscht werden, was zur Verteuerung des Verfahrens beiträgt, und ständige Prozeßkontrollen sind erforderlich.

Ein weiteres Verfahren bedient sich des Ultraschalls zur Her­ stellung einer leitenden Verbindung zwischen Kupferlackdraht und einem elektrischen Leiter. Teilweise kann diese Technik oh­ ne Abisolierung des Drahtes angewendet werden, jedoch läßt die Haftfestigkeit der erzielten Verbindungen vor allem auf lange Sicht zu wünschen übrig.

Aufgabe der Erfindung war es, ein einfaches, zuverlässi­ ges und kostengünstiges Verfahren zu schaffen, mit dem eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einem Kupferlackdraht und einem elektrischen Leiter hergestellt werden kann.

Dies gelingt mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1. Weitere Ausge­ staltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die elektrisch lei­ tende Verbindung zwischen dem mit einem isolierenden Kunststoff ummantelten Kupferdraht und einem elektrischen Leiter dadurch hergestellt, daß auf den Leiter dort, wo die Verbindung zustan­ de kommen soll, eine elektrisch leitfähige Masse aufgetragen wird. Die Masse kann mit Druckluft zudosiert (Dispense­ verfahren), aufgedruckt, mittels Folienauftrag oder mit Hilfe von Schablonen aufgebracht werden. Als Druckverfahren bietet sich beispielsweise der Siebdruck an. Bei der Herstellung meh­ rerer elektrisch leitender Verbindungen auf einem Leiter werden zweckmäßig alle Verbindungsstellen in einem Schritt mit elek­ trisch leitender Masse versehen. Die Menge der elektrisch lei­ tenden Masse wird so bemessen, daß sie zur Erzielung einer fe­ sten Verbindung mit dem Kupferdraht ausreicht.

Als elektrisch leitfähige Masse eignen sich übliche Lot- oder Leitpasten, oder Leitkleber (isotrope und anisotrope), die in flüssiger oder Folienform aufgebracht werden können. Zinnlote sind besonders geeignet. Zweckmäßig besitzen sie einen Schmelz- oder Erweichungspunkt im Bereich von 100-220°C. Der Mindest­ schmelzpunkt richtet sich nach den übrigen im System verwende­ ten Materialien und der während der weiteren Fertigungsschritte eingesetzten Temperatur. Er sollte so gewählt werden, daß Be­ schädigungen der Verbindung zwischen Kupferdraht und Leiter durch Temperatureinwirkung bei der Weiterverarbeitung ausge­ schlossen sind. Bevorzugt liegt der Schmelz- oder Erweichungs­ punkt der elektrisch leitenden Masse zwischen 150 und 190°C, insbesondere zwischen 160 und 185°C.

Die Wahl der elektrisch leitenden Masse richtet sich zweckmäßig nach der Art des verwendeten ummantelten Kupferdrahtes. Umge­ kehrt kann selbstverständlich auch der Kupferdraht der zu ver­ wendenden elektrisch leitenden Masse entsprechend ausgewählt werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn elektrisch leitende Masse und der den Kupferdraht ummantelnde Kunststoff etwa im selben Temperaturbereich schmelzen oder erweichen, wobei der Kunststoffmantel vorzugsweise bei etwas geringerer Temperatur als die elektrisch leitende Masse schmilzt oder erweicht.

Bevorzugte Schmelz- oder Erweichungstemperaturen des den Kup­ ferdraht ummantelnden Kunststoffes liegen dementsprechend eben­ falls zwischen 100 und 220°C mit besonders bevorzugten Berei­ chen von 150-190°C und insbesondere 160-185°C. Vom Stand­ punkt der Energieeinsparung ist es grundsätzlich bevorzugt, ei­ nen Kunststoff mit dem unter den praktischen Bedingungen nied­ rigstmöglichen Schmelz- oder Erweichungspunkt zu verwenden.

Zur Herstellung der elektrisch leitenden Verbindung wird der ummantelte Kupferdraht auf die auf den elektrischen Leiter auf­ gebrachte elektrisch leitende Masse aufgelegt. Dann wird der Verbindungsstelle mit Hilfe eines thermischen oder eines ther­ misch unterstützten Verfahrens Energie zugeführt, die zu einer Temperaturerhöhung im Bereich der Verbindungsstelle führt und elektrisch leitende Masse und die Kunststoffummantelung um den Kupferdraht zum Erweichen oder Schmelzen bringt. Das Erweichen oder Schmelzen des Kunststoffmantels führt dazu, daß der Kup­ ferdraht im Bereich der Verbindungsstelle abisoliert wird und über die elektrisch leitende Masse eine leitende Verbindung zum Leiter gebildet wird. Ein vorheriges Abisolieren des Kupfer­ drahtes erübrigt sich also.

Die Zufuhr der Energie zu den Verbindungsstellen erfolgt mit Hilfe thermischer oder thermisch unterstützter Verfahren, die dem Fachmann grundsätzlich bekannt sind. Beispielhaft können Induktions- oder Widerstandsschweißverfahren, insbesondere Punkt-, Gap- oder Spaltschweißverfahren, Löt-, Thermokompressi­ ons- oder Thermosonicverfahren genannt werden. Die Erzeugung von Wärme durch IR- oder Laserbestrahlung oder die Zufuhr von Heißluft ist ebenfalls möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung lei­ tender Verbindungen auf besonders einfache und kostengünstige Weise. Es eignet sich sowohl zur Herstellung elektrischer Ver­ bindungen zu ummantelten Kupferdrähten in Verlegetechnik oder auch zu Induktionsspulen, die aus ummantelten Kupferdrähten hergestellt sind. Die elektrische Verbindung kann beispielswei­ se zu metallischen Anschlußrahmen (Leadframes), auf Träger auf­ gezogene Schaltungslayouts (Leiterplatten, Leadframefolien usw.) oder zu elektrischen Bauteilen, wie IC- oder SMD-Bausteinen, erfolgen.

Die Erfindung soll nun anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen

Fig. 1 schematisch eine Anordnung, wie sie bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt wer­ den kann, und

Fig. 2 bis 5 schematisch weitere Anordnungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt einen Kupferdraht 1, der von einem Kunststoffman­ tel 2 umschlossen ist. Der Kupferdraht soll mit einem elektri­ schen Leiter 3 elektrisch verbunden werden. Der elektrische Leiter 3 ist auf einem Träger 4, beispielsweise einer thermo­ plastischen Folie, angeordnet. Erfindungsgemäß wird auf den Leiter im Bereich der späteren Verbindungsstelle eine elek­ trisch leitende Masse 5 aufgetragen. Wie eingangs erwähnt, kann es sich bei der Masse 5 um eine Leit- oder Lotpaste, eine Leit­ folie oder einen Leitkleber handeln. Auf die elektrisch leiten­ de Masse 5 wird der ummantelte Kupferdraht aufgelegt, im ge­ zeigten Fall mit einem seiner Enden. Nun wird der Verbindungs­ stelle mit Hilfe thermischer oder thermisch unterstützter Ver­ fahren Energie zugeführt (hier mit 6 schematisch angedeutet). Die Energie ist zweckmäßig so bemessen, daß die Temperatur im Bereich der Verbindungsstelle um etwa 40-60°C über der Tem­ peratur liegt, bei der ein Schmelzen oder Erweichen sowohl der elektrisch leitenden Masse als auch des den Kupferdraht umman­ telnden Kunststoffes erreichbar ist. Durch das Aufschmelzen des Kunststoffmantels wird der Kupferdraht 1 im Bereich der Verbin­ dungsstelle abisoliert, so daß der freigelegte Kupferdraht in direkten Kontakt zur elektrisch leitenden Masse 5 tritt und da­ mit eine elektrisch leitende Verbindung zu Leiter 3 zustande kommt.

Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Anordnung zur Durchführung des er­ findungsgemäßen Verfahrens. Zusätzlich zu den bereits in Fig. 1 gezeigten Komponenten wird hier von der dem elektrischen Leiter 3 gegenüberliegenden Seite ein temperaturstabiler Isolator 7 auf den ummantelten Kupferdraht aufgesetzt. Der Ausdruck "temperaturstabil" meint hier einen Werkstoff, der unter der Einwirkung der zur Herstellung der leitenden Verbindung zuge­ führten Energie weder schmilzt, erweicht noch sich zersetzt. Beispielsweise kann es sich um Folien aus hochschmelzendem Kunststoff handeln, wie Polyimidfolie oder ähnliches. Der Iso­ lator 7 verhindert ein Verrutschen des Kupferdrahtes während der Herstellung der Verbindung, verhindert ein Heraustreten der elektrisch leitenden Masse 5 und dient zudem als mechanischer Schutz der hergestellten Verbindung.

Anstelle des Isolators kann auf den Kupferdraht auch ein weite­ rer elektrischer Leiter aufgesetzt werden.

Fig. 3 und 4 zeigen weitere erfindungsgemäße Anordnungen, die den gleichen Zweck erfüllen wie die in Fig. 2 abgebildete.

Statt des einzeln aufgesetzten Isolators 7 wird in der Anord­ nung der Fig. 3 der Träger, der als Unterlage des Leiters 3 dient, um den Kupferdraht herum nach oben gezogen und von oben auf den Kupferdraht heruntergedrückt. Der gekrempte Träger 8, der zweckmäßig aus einem temperaturstabilen Material besteht, schließt also Kupferdraht, elektrisch leitende Masse und Leiter 3 von drei Seiten ein.

Fig. 4 entspricht der zweiten Variante der Fig. 2, bei der ein elektrisch leitender Träger von oben auf den ummantelten Kup­ ferdraht aufgesetzt wird. Anstelle des nichtleitenden Trägers in Fig. 3 wird in der Anordnung der Fig. 4 der elektrische Lei­ ter 9 um den Kupferdraht herumgezogen und von oben auf diesen aufgelegt.

Fig. 5 zeigt eine weitere mögliche Anordnung und Ausgestaltung der zu verbindenden Komponenten. Hier soll der Kupferdraht 1 mit einem selbsttragenden elektrischen Leiter 3 verbunden wer­ den. Der Leiter 3 kann beispielsweise ein metallischer An­ schlußrahmen (Leadframe) sein. Im Bereich der Verbindungsstelle ist die elektrisch leitende Masse 5 aufgetragen. Der ummantelte Kupferdraht ist auf einen Träger 4 aufgelegt, der im Bereich der Verbindungsstelle eine Ausnehmung 10 aufweist, deren Größe im wesentlichen der Fläche entspricht, die die elektrisch lei­ tende Masse 5 bedeckt. Zur Herstellung der leitenden Verbindung werden Träger 4 und Kupferdraht auf den Leiter 3 abgesenkt, so daß die Ausnehmung 10 die elektrisch leitende Masse 5 um­ schließt und der ummantelte Kupferdraht auf ihr aufliegt. Die Verbindung wird auf die bereits beschriebene Weise hergestellt, im gezeigten Fall dadurch, daß Energie von zwei Seiten zuge­ führt wird. Durch die spezielle Ausgestaltung des Trägers wird dabei ein seitliches Austreten der elektrisch leitenden Masse weitgehend vermieden.

Bei allen gezeigten Anordnung kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf besonders einfache und kostengünstige Weise eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Kupferdraht 1 und elek­ trischem Leiter 3 hergestellt werden, ohne daß die Ummantelung 2 zuerst vom Kupferdraht entfernt werden müßte. Die erzielte Verbindung ist stabil und insbesondere durch die in Fig. 2 bis 4 gezeigten Ausgestaltungen zusätzlich mechanisch gegen Beschä­ digungen geschützt.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Ver­ bindung zwischen einem Kupferdraht (1) mit elektrisch isolie­ render Kunststoff-Ummantelung (2) und einem elektrischen Leiter (3), dadurch gekennzeichnet, daß auf den elektrischen Leiter (3) im Bereich der späteren Verbindungsstelle eine elektrisch leitende Masse (5) aufge­ bracht, der ummantelte Kupferdraht auf die elektrisch leitende Masse aufgelegt und der Verbindungsstelle mit Hilfe eines ther­ mischen oder thermisch unterstützten Verfahrens (6) Energie derart zugeführt wird, daß die Kunststoff-Ummantelung (2) und die elektrische Masse (5) schmelzen oder erweichen und ein elektrischer Kontakt zwischen Kupferdraht und elektrisch lei­ tender Masse entsteht.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1 zur Herstellung einer elek­ trisch leitenden Verbindung zwischen einer aus ummanteltem Kup­ ferdraht (1, 2) gebildeten Induktionsspule und einem elektri­ schen Leiter (3).

3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter (3) ein metallischer Anschlußrah­ men, ein auf einen Träger aufgebrachtes Schaltungslayout oder ein elektrisches Bauteil, beispielsweise ein IC- oder SMD-Bau­ stein, ist.

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf den ummantelten Kupferdraht (1, 2) von der dem elektri­ schen Leiter (3) gegenüberliegenden Seite ein temperaturstabi­ ler Isolator (7) oder ein weiterer elektrischer Leiter aufge­ setzt wird.

5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter (9) und/oder der Träger (8), auf den der elektrische Leiter (3) aufgebracht ist, um den ummantelten Kupferdraht (1, 2) herum gekrempt wird.

6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Masse (5) eine Leit- oder Lotpaste, ein Leitkleber oder eine Leitfolie ist.

7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Masse (5) eine Schmelz- oder Er­ weichungstemperatur im Bereich von 100-220°C, vorzugs­ weise 150-190°C und insbesondere 160-185°C, besitzt.

8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kupferdraht (1) verwendet wird, dessen Kunststoff-Um­ mantelung (2) einen Schmelz- oder Erweichungspunkt im Bereich von 100-220°C, vorzugsweise 150-190°C und insbeson­ dere 160-185°C, besitzt.

9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie mit Hilfe von Induktions- oder Widerstands­ schweißverfahren, insbesondere Punkt-, Gap- oder Spaltschweiß­ verfahren, Löt-, Thermokompressions- oder Thermosonicverfah­ ren, durch IR- oder Laserbestrahlung oder durch Einblasen von Heißluft zugeführt wird.

10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie dem Verbund aus ummanteltem Kupferdraht (1, 2), elektrisch leitender Masse (5) und elektrischem Leiter (3, 9) von einer oder von zwei Seiten zugeführt wird.