AIF-Nr N: Metall-Ultraschallschweißen von flexiblen Flachleiterkabeln

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1 AIF-Nr N: Metall-Ultraschallschweißen von flexiblen Flachleiterkabeln I

2 AIF-Forschungsvorhaben Nr.: N Metall-Ultraschallschweißen von flexiblen Flachleiterkabeln Abschlussbericht durchgeführt am Lehrstuhl für Werkstoffkunde Technische Universität Kaiserslautern Antragsteller: Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. habil. D. Eifler Dr.-Ing. G. Wagner AIF-Nr N: Metall-Ultraschallschweißen von flexiblen Flachleiterkabeln II

3 I. Zusammenfassung Flexible Flachleiter (Flexible Flat Cables, FFC) sind eine Kabeltechnologie, die zur Signal- und Leistungsübertragung eingesetzt wird. Aufgrund ihres flachen Aufbaus, dem geringen Eigengewicht und der daraus folgenden einfachen Möglichkeit zur platzsparenden Verlegung stellen die flexiblen Flachleiterkabel eine Alternative zu konventionellen Kupferrundleitungen, beispielsweise im Automobilbereich, dar. Die Konfektionierung der FFC findet bisher überwiegend durch form- und kraftschlüssige Fügeverfahren statt. Die dabei zur Anwendung kommenden Verbindungsarten, wie Nieten oder Crimpen, erzeugen aber lediglich eine ringförmige Kontaktfläche zwischen den Fügeteilen, so dass für höhere Ströme die elektrische Leitfläche nicht ausreichend ist. Ein stoffschlüssiges Schweißverfahren, wie das Metall-Ultraschallschweißen, das bereits bei Litzenschweißungen für Automobilkabelbäume erfolgreich angewendet wird, stellt daher eine viel versprechende Alternative zum Fügen von FFC dar. Im vorliegenden Forschungsvorhaben AIF-Nr.: N Metall-Ultraschallschweißen von flexiblen Flachleiterkabel wurde daher das Potential des Ultraschallschweißens zum Fügen von Flexiblen Flachleiterkabeln erstmals systematisch untersucht. Es wurden mittels Ultraschallpunkt- und Ultraschalltorsionsschweißen sowohl FFC/Steckverbinder(Kontaktelement)-Verbunde als auch FFC/FFC-Verbunde mit unterschiedlichen FFC-Leiterbahndicken hergestellt. Durch die Verwendung einer statistischen Versuchsplanung konnten die wichtigsten Schweißeinflussgrößen derart aufeinander abgestimmt werden, dass hochwertige Verbunde mit Zugscherkräften von über 9% der Grundfestigkeit des Leiters geschweißt werden konnten. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt galt der Optimierung der Prozessabläufe während des Schweißvorgangs. So wurden zunächst, wie in der industriellen Fertigung gängig, an den Fügestellen abisolierte FFC verwendet. Anschließend wurde die Schweißbarkeit von nicht abisolierten FFC betrachtet. Dabei wurde der Isolator erst während des Fügeprozesses aus der Fügezone verdrängt. Innerhalb des Projektes gelang es durch die Entwicklung eines zweistufigen Schweißprozesses FFC auch ohne vorheriges Abisolieren der Fügezone mit hoher Festigkeit zu verschweißen. Ferner wurden die Fügezonen der erzeugten Verbunde licht- und rasterelektronenmikroskopisch untersucht, um Erkenntnisse über die Schweißflächenausbildung zu erhalten. Es zeigte sich, dass es zur Ausbildung einer großflächigen Schweißzone AIF-Nr N: Metall-Ultraschallschweißen von flexiblen Flachleiterkabeln III

4 zwischen den Fügepartnern kommt, wodurch, wie angestrebt, eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit der Verbindung erreicht werden konnte. Die Ziele des Vorhabens wurden erreicht. Das IGF-Vorhaben Nr N / DVS Nr der Forschungsvereinigung, Forschungsvereinigung für Schweißen und verwandte Verfahren, Aachenerstraße 172, 4233 Düsseldorf, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und Entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. II. Gegenüberstellung der Ergebnisse mit den Zielsetzungen des Forschungsantrags Ziel des Forschungsvorhabens war es, die Grundlagen für eine industrielle Anwendung des Metall-Ultraschallschweißens von FFC zu schaffen. Eine hohe Festigkeit der erzeugten Verbindungen sowie eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit zur Übertragung von Leistungsströmen standen im Vordergrund der Untersuchungen. Als geeignete Verfahrensvarianten wurden das Metall-Ultraschallpunkt- und das Metall-Ultraschalltorsionsschweißen in Betracht gezogen. Die erzielten mechanischen Eigenschaften der erzeugten Verbunde wurden zudem mit konventionell hergestellten Verbunden verglichen. Mit Durchführung des Projektes konnten die für eine erfolgreiche Schweißung geeigneten Prozessfenster bestimmt und für industrielle Anwender bereitgestellt werden. Im Einzelnen sind folgende wesentliche Ergebnisse hervorzuheben: - Sowohl das Metall-Ultraschallpunktschweißen als auch das Metall-Ultraschalltorsionsschweißen eignet sich zur Herstellung von FFC/Kontaktelement-Verbunden und -bzw. 9 -FFC/FFC-Verbunden mit FFC, die einen beidseitig abisolierten Fügebereich aufweisen. Für unterschiedliche Leiterdicken, die in Abstimmung mit den Mitgliedern des Projektbegleitenden Ausschusses als industriell besonders relevant ausgewählt wurden, konnten Parameterkombinationen ermittelt werden, die Zugscherkräfte von mehr als 9% in Bezug auf AIF-Nr N: Metall-Ultraschallschweißen von flexiblen Flachleiterkabeln IV

5 die Leitergrundfestigkeit ermöglichten. Ferner zeigten die Verbunde sehr geringe elektrische Übergangswiderstände. - Einen erheblichen den Gesamtprozess verändernden Einfluss des Isolierungswerkstoffes, der Herstellungsart sowie des Herstellers wurde für FFC mit gleichen geometrischen Abmessungen nicht festgestellt. Eine einfache Übertragung der Ergebnisse in die industrielle Produktvielfalt wird somit möglich. - Durch die Weiterentwicklung der Prozessteuerung der Metall-Ultraschallschweißsysteme gemeinsam mit den im Projektbegleitenden Ausschuss vertretenen Anlagenherstellern ist es gelungen, Schweißverbindungen durch die Isolationsschicht des FFC hindurch zu erzeugen. Durch den realisierten zweistufigen Schweißprozess, bei dem in der ersten Stufe die Matrix mit geringem Druck aus der Fügezone verdrängt wird und im zweiten Schritt bei höherem Druck die Schweißflächenausbildung zügig und ohne Schädigung des Leiters stattfindet, konnten erstmals nicht abisolierte FFC erfolgreich verschweißt werden. Nicht zuletzt durch die sehr intensive und erfolgreiche Zusammenarbeit zwischen dem Lehrstuhl für Werkstoffkunde der TU Kaiserslautern und den Mitgliedern des Projektbegleitenden Ausschusses konnten die im Projektantrag formulierten anspruchsvollen Ziele erreicht werden. Technischer und wissenschaftlicher Nutzen der erzielten Ergebnisse für kmu und deren industrielle Anwendungsmöglichkeit Die Hersteller von flexiblen Flachleiterkabeln, Kabelkonfektionierer sowie Metall- Ultraschallschweißmaschinenhersteller sind vorwiegend im KmU-Bereich angesiedelt und verfügen folglich nur über sehr beschränkte Forschungs- und Analyseeinrichtungen. Die Erkenntnisse, die im Verlauf des Forschungsvorhabens über das Metall- Ultraschallschweißen von flexiblen Flachleiterkabeln erarbeitet wurden, hätten die einzelnen KmU allein nicht erlangen können. Unter Nutzung der im Abschlussbericht dargestellten Ergebnisse können die am Projekt beteiligten Unternehmen die Metall- Ultraschallschweißtechnik zukünftig für die Fertigung von leistungsfähigen FFC-Verbindungen anbieten bzw. verwenden. Die beteiligten Schweißanlagenhersteller ver- AIF-Nr N: Metall-Ultraschallschweißen von flexiblen Flachleiterkabeln V

6 fügen darüber hinaus nun über ein Regelsystem, das ihnen deutliche Vorteile gegenüber anderen Mitbewerbern auf dem Gebiet des Ultraschallschweißens von FFC verschafft. Durch den Einsatz dieser Systeme kann der Bearbeitungsschritt "Freilegen der Fügeflächen" oftmals entfallen, wodurch sowohl Fertigungskosten als auch Personalkosten reduziert werden und das Fügen von FFC durch Metall-Ultraschallschweißsysteme im Vergleich zu anderen Fügetechniken deutlich wirtschaftlicher wird. Durch die auf statistischen Methoden basierenden wissenschaftlichen Untersuchungen konnte zudem die bisher stark empirisch geprägte Realisierung von FFC-Verbunden durch eine klare Entwicklungssystematik ersetzt werden. Neuartige FFC- Verbindungen können auch von kleineren Unternehmen schneller und wirtschaftlicher verwirklicht werden, so dass kurz- bis mittelfristig eine erhebliche Erweiterung der Anwendungsbereiche erwartet werden kann. Gleichzeitig erschließt sich insbesondere für die KmU, die sich bereits mit der Konfektionierung von FFC beschäftigen, eine alternative Fügetechnik, die aufgrund kurzer Schweißzeiten, niedriger Energieeinbringungen und hoher Umweltverträglichkeit zur Reduzierung der Produktionszeiten, beispielsweise von Kabelbäumen, führen kann. Durch die Möglichkeit der Herstellung von FFC-Verbunden mit hohen Festigkeiten und niedrigen elektrischen Widerständen wird die Stellung der flexiblen Flachleitern gegenüber den konventionellen Rundleitern gestärkt, wodurch sich neue Absatzmöglichkeiten der FFC-Hersteller für ihr Produkt ergeben. Die Ergebnisse des Projektes lassen eine erhebliche Ausweitung der Anwendungsfelder für FFC erwarten, so dass eine wirtschaftliche Stärkung der Schweißanlagenhersteller, der FFC-Hersteller und Kabelkonfektionierer erreicht werden kann. Zudem gehen die gewonnen wissenschaftlichen Ergebnisse direkt in die Vorlesungen Schweißtechnik I und II an der TU Kaiserslautern sowie in verschiedene Publikationen ein. AIF-Nr N: Metall-Ultraschallschweißen von flexiblen Flachleiterkabeln VI

7 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Stand der Technik Ultraschallschweißtechnik Einordnung des Verfahrens Prinzip des Metall-Ultraschallschweißens Funktionsweise eines Ultraschallschweißsystems Einflussgrößen beim Ultraschallschweißen Flexible Flachleiter (FFC) FFC-Gruppen Flexible Printed Circuits Flexible Flat Cables Kontaktierung von flexiblen Flachleitern Metall-Ultraschallschweißen von FFC Versuchsaufbau, Versuchsdurchführung und Versuchswerkstoffe Ultraschallschweißsysteme Triggerung mittels elektrischer Durchgangsmessung Versuchswerkstoffe Verwendete FFC Kontaktelemente Fügepaarungen Versuchsdurchführung Statistische Versuchsplanung Versuchstechnik Zugscherversuche Schälversuche Widerstandsmessung Auslagerungsversuche Salzsprühnebeltests Mikroskopie Versuchsergebnisse Verbunde mit beidseitig abisolierten FFC AIF-Nr N: Metall-Ultraschallschweißen von flexiblen Flachleiterkabeln VII

8 Inhaltsverzeichnis Charakterisierung des Schweißprozesses Mechanische Eigenschaften der Verbunde Einfluss der Schweißparameter auf die Zugscherkräfte von... FFC/Kontaktelement-Verbunden Mechanische Eigenschaften von FFC/FFC-Verbunden Verfahrens- und Herstellervergleich Elektrische Eigenschaften der Verbunde Korrosionsbeständigkeit Mikroskopische Untersuchungen Einfluss des Isolierungswerkstoffes Verbunde mit einseitig abisolierten FFC Charakterisierung des Schweißprozesses Einstufiger Schweißprozess Zweistufiger Schweißprozess Mechanische Eigenschaften der Verbunde Mikroskopische Untersuchungen Verbunde mit nicht abisolierten FFC Charakterisierung des Schweißprozesses Einfluss der Koppelfläche auf den Verdrängungsprozess Mechanische Eigenschaften der Verbunde Mechanische Eigenschaften von FFC/Kontaktelement-... Verbunden aus isolierten FFC Mechanische Eigenschaften von FFC/FFC-Verbunden mit... isolierten FFC Elektrische Eigenschaften der Verbunde Korrosionsbeständigkeit Mikroskopische Untersuchungen FFC/Steckverbinder-Verbunde mit beidseitig abisolierten... Leiterbahnen Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Anhang AIF-Nr N: Metall-Ultraschallschweißen von flexiblen Flachleiterkabeln VIII

9 Einleitung 1 Einleitung Derzeit kann im Bereich der Automobil- und Elektroindustrie eine ständig zunehmende Funktionsintegration beobachtet werden [1, 2]. Dies hat einen zahlenmäßigen Anstieg der elektronischen Komponenten und einen gleichzeitigen Rückgang des zur Verfügung stehenden Bauraums zur Folge. Die Forderungen nach Konzepten zur Platz sparenden Verkabelung dieser Komponenten werden daher immer stärker. Bislang werden hierfür in der Automobilindustrie hauptsächlich konventionelle Kupferrundleitungen eingesetzt. Jedoch gestaltet sich deren Verwendung im Kfz-Innenraum, wie beispielsweise im Cockpitbereich oder bei Türmodulen aufgrund des hohen Eigengewichts und Volumens sowie durch die aufwendige Befestigung zunehmend schwieriger. Daher steigt für diese Anwendungen vermehrt der Bedarf an Alternativen zur Signal- und Leistungsübertragung. Eine Technologie, die sich bereits in der Informationstechnologie für die Vernetzung elektronischer Komponenten bewährt hat, stellen die Flexible Flat Cable (FFC) dar [3]. Hierbei handelt es sich um folienisolierte Flachleiter, bei denen mehrere Leiterbahnen parallel in einer Kunststoffschicht eingebettet sind. Die Vorteile, die sich aus der Verwendung der FFC im KFZ-Innenbereich ergeben, bestehen in der möglichen Gewichtsreduzierung sowie in einer einfachen und Platz sparenden Verlegung der Kabelbäume. Zu den zumeist angewendeten formschlüssigen und kraftschlüssigen Fügeverfahren, wie beispielsweise dem Nieten von FFC, stellt das Metall-Ultraschallschweißen eine viel versprechende Alternative dar. Die Vorteile dieses Sonderschweißverfahrens bestehen insbesondere in der geringen Schweißzeit und Energieeinbringung und daraus folgend der geringen thermischen Beanspruchung der Fügeteile sowie der hohen Umweltverträglichkeit [4, 5]. Insbesondere im Hinblick auf das Fügen von FFC lässt die Ausbildung einer großflächigen, stoffschlüssigen Verbindung beim Ultraschallschweißen geringe Übergangswiderstände zwischen den Fügepartnern erwarten. Aufgrund fehlender wissenschaftlicher Untersuchungen hinsichtlich der Anwendbarkeit des Metall-Ultraschallschweißens zum Fügen von FFC findet dieses Verfahren aber bislang nahezu keine Anwendung. Der Lehrstuhl für Werkstoffkunde verfügt über langjährige Erfahrung im Bereich des Ultraschallschweißens von Metall/Metall-, Metall/Keramik- oder auch Metall/Glas- Verbunden. Ferner wurde bereits ein Verfahren zum Ultraschallschweißen von Alu- AIF-Nr N: Metall-Ultraschallschweißen von flexiblen Flachleiterkabeln 1

10 Einleitung miniumlitzen am Lehrstuhl für Werkstoffkunde entwickelt. Aufbauend auf diesen Erfahrungen wurde in dem Forschungsvorhaben AIF-Nr N Metall-Ultraschallschweißen von flexiblen Flachleiterkabel das Potenzial des Metall-Ultraschallschweißens zum Fügen von FFC systematisch untersucht. Hierdurch konnte eine wissenschaftliche Grundlage für den Einsatz dieses Sonderschweißverfahren auf diesem Gebiet geschaffen werden. Es wurden zwei Verbundarten geschweißt und untersucht. Zum einen wurden mit FFC unterschiedlicher Dicke FFC/Kontaktelement-Verbunde hergestellt, wodurch FFC/Stecker-Verbindungen simuliert wurden. Zum anderen wurde das Ultraschallschweißen von FFC/FFC-Verbunde mit einem Überlappwinkel von und von 9 systematisch betrachtet. Dabei kamen zuvor abisolierte und nicht abisolierte FFC zum Einsatz. Durch die Anwendung einer statistischen Versuchsplanung konnten gezielt die Prozessgrößen ermittelt werden, die die höchsten Zugscherfestigkeiten der Verbindungen ermöglichen. Die elektrischen Eigenschaften der Schweißungen wurden ebenfalls untersucht. Die im Abschlussbericht zu dem Forschungsprojekt AIF N (Projektzeitraum vom bis zum ) dargestellten Ergebnisse wurden insbesondere im Hinblick auf eine direkte industrielle Anwendbarkeit ausgewählt. AIF-Nr N: Metall-Ultraschallschweißen von flexiblen Flachleiterkabeln 2

11 Stand der Technik 2 Stand der Technik 2.1 Ultraschallschweißtechnik Der Schall wird im Allgemeinen als Schwingung eines elastischen Mediums definiert [6]. Hierbei wird Bewegungsenergie zwischen den Teilchen übertragen, was bei festen Medien sowohl in Transversal- als auch in Longitudinalwellen erfolgen kann. Im Bezug auf den Frequenzbereich einer Schwingung wird der Schall in drei Bereiche unterteilt: Schwingungen im Bereich zwischen 16 Hz und 2 khz, der über die Hörbarkeitsgrenzen des menschlichen Ohrs definiert ist, werden als Schallwellen, die unterhalb dieses Bereiches als Infraschall bezeichnet. Schwingungen, deren Frequenzbereich zwischen 2 khz und 1 GHz liegt, werden dagegen Ultraschall genannt. Aufgrund seiner hohen Energiedichte und der einfachen technischen Realisierbarkeit, zum Beispiel durch die Nutzung des piezoelektrischen Effekts, eignet sich der Ultraschall für den Einsatz in verschiedenen Anwendungsgebieten, u.a. in dem hier zu betrachtenden Bereich der Fügetechnik [5, 6]. Das Ultraschallschweißen stellt ein stoffschlüssiges Fügeverfahren dar, welches in den Jahren in den USA zur industriellen Anwendbarkeit weiterentwickelt wurde und sich durch eine geringe Wärmeentwicklung und eine geringe Gefügebeeinflussung auszeichnet [5, 7] Einordnung des Verfahrens In der DIN 858 wird das Schweißen der Hauptgruppe Fügen zugeordnet. Die weitere Unterteilung der Fertigungsverfahren in dieser Hauptgruppe erfolgt anhand der Art des Zusammenhalts, wobei das Schweißen zu den stoffschlüssigen Fügeverfahren zählt. Bezüglich der Schweißverfahrensgruppen wird das Ultraschallschweißen dem Fügen durch Bewegung bei den Pressschweißverfahren zugeordnet. Hier wird der Stoffschluss zwischen den Fügepartnern durch Plastifizieren und örtliches Verformen infolge von Druck und Wärme realisiert [8] Prinzip des Metall-Ultraschallschweißens Das Prinzip des Fügens von Werkstoffen mittels Ultraschall beruht auf dem Zusammenwirken einer dynamischen und einer statischen Komponente [5, 9, 1]. Die dynamische Komponente bilden mechanische Schwingungen, die über das Schweißwerkzeug, der so genannten Sonotrode, in die Fügezone eingebracht werden. AIF-Nr N: Metall-Ultraschallschweißen von flexiblen Flachleiterkabeln 3

12 Stand der Technik Gleichzeitig werden mit Hilfe der Schweißkraft, welche die statische Komponente darstellt, die beiden Fügepartner zusammengepresst, wodurch deren Verbindung häufig auch ohne die Verwendung eines Zusatzwerkstoffes im festen Zustand erfolgt. Die Schwingungsrichtung und die Krafteinleitungsrichtung stehen beim Metall-Ultraschallschweißen senkrecht zueinander, wobei die Schwingungsrichtung parallel zur horizontalen Fügeebene liegt. Während des Ultraschallschweißvorgangs finden Werkstoffverformungen statt, durch die zunächst die Oberflächenverunreinigungen der zu fügenden Werkstücke aufgebrochen und entfernt werden. Anschließend kommt es zwischen den nun juvenalen Metalloberflächen zur Schweißflächenausbildung [5-7]. Anhand der Schweißnahtgeometrie lassen sich beim Metall-Ultraschallschweißen die drei Verfahren Punktschweißen, Rollnahtschweißen und Torsionsschweißen unterscheiden Funktionsweise eines Ultraschallschweißsystems Moderne Ultraschallanlagen arbeiten stets nach demselben, im Folgenden am Beispiel einer Ultraschall-Punktschweißanlage, dargestellten Prinzip (Abb. 1). Zur Realisierung der Ultraschallschwingung wandelt zunächst ein Ultraschallgenerator die anliegende Netzspannung von 5 Hz in eine Hochfrequenzwechselspannung mit Frequenzen zwischen 2 und 12 khz um [1, 11]. Ferner registriert der Ultraschallgenerator den unterschiedlichen Energiebedarf während der verschiedenen Schweißphasen und regelt bei Bedarf die Schweißleistung nach. Hierdurch wird über den gesamten Schweißprozess hinweg eine konstante Amplitude, die für eine sichere Schweißverbindung entscheidend ist, sicher gestellt [5]. Der Konverter, der Booster und die Sonotrode bilden das Ultraschallschwingersystem, dessen Eigenfrequenz auf die Frequenz der zu erzeugenden Ultraschallschwingung abgestimmt ist. Im Konverter wird die hochfrequente, elektrische Schwingung mittels des umgekehrten piezoelektrischen Effekts in eine mechanische Schwingung gleicher Frequenz umgewandelt [5, 6, 11]. AIF-Nr N: Metall-Ultraschallschweißen von flexiblen Flachleiterkabeln 4

13 Stand der Technik F US u 5 Hz 5 ca. 2-6 khz ) Ultraschallgenerator 2) Konverter 3) Booster 4) Sonotrode 5) Oberer Fügepartner 6) Unterer Fügepartner 7) Amboss 8) Lagerung / Kraftaufbringung F US : Schweißkraft u : Schwingung Abb. 1: Prinzipieller Aufbau einer Ultraschallpunktschweißanlage Dem Konverter schließt sich der Booster an, der zur Stabilisierung des Schwingungsverhaltens des Schwingersystems und zur Festlegung des nutzbaren Amplitudenbereichs dient. Die Schwingung wird anschließend vom Boosters in das Schweißwerkzeug, die Sonotrode, übertragen, das profilierte Sonotrodenkoppelflächen zur schlupffreien Einbringung der Ultraschallschwingung in die Fügezone aufweist [5, 9]. Die Fügepartner werden für den Schweißvorgang auf dem Amboss positioniert, wobei der direkt auf dem Amboss liegende Fügepartner über eine ebenfalls profilierte Oberfläche fixiert wird, um im Fügebereich die erforderliche Relativbewegung zwischen den Fügepartnern sicherzustellen. Die für den Ultraschallschweißprozess benötigte Kraft wird zumeist pneumatisch über die Lagerung des Ultraschallschwingersystems aufgebracht [11] Einflussgrößen beim Ultraschallschweißen Für einen optimalen Schweißprozess müssen die drei grundlegenden Schweißprozessgrößen Schweißamplitude, Schweißkraft und die eingebrachte Schweißenergie auf die jeweilige Anwendung abgestimmt werden [7]. Die Dauer der Einwirkung der Ultraschallschwingung wird dabei durch die Vorgabe der einzubringenden Schweißenergie festgelegt. Die Ultraschallfrequenz ist bauartbedingt und unveränderlich. Bei der Einstellung der Prozessgrößen muss stets berücksichtigt werden, dass sie nicht von einander unabhängig sind [5]. So bewirkt beispielsweise im Fall eines AIF-Nr N: Metall-Ultraschallschweißen von flexiblen Flachleiterkabeln 5

14 Stand der Technik energiegeregelten Schweißprozesses eine Erhöhung der Schweißamplitude oder der Schweißkraft eine Reduzierung der Schweißzeit. Aufgrund dieser wechselseitigen Beeinflussung muss für eine gegebene Fügeteilpaarung jeweils ein geeigneter Parametersatz ermittelt werden. Zumeist werden die Parameter im Hinblick auf eine maximal erreichbare Festigkeit der Verbindung optimiert. Einen nicht zu beeinflussenden Faktor stellen die zu verschweißenden Werkstoffe dar. Als grundsätzlich gut schweißbar gelten viele Leicht- und Buntmetalle wie Aluminium, Kupfer und Messing, wobei die Ultraschallschweißeignung mit zunehmender Werkstoffhärte abnimmt [8, 9]. Das Schweißergebnis wird auch durch die Oberflächenbeschaffenheit des Werkstoffs beeinflusst [7]. Um eine verlustarme Übertragung der Energie in den Schweißbereich zu gewährleisten, sollte die Oberfläche frei von Verunreinigungen wie Öle oder Fette und nicht zu stark oxidiert sein. Die für FFC typische maximale Dicke einer Leiterbahn mit ca. 5 µm ist ideal für das Metall- Ultraschallschweißen, da Werkstoffe bis zu einer Dicke von 1,5 mm problemlos geschweißt werden können. 2.2 Flexible Flachleiter (FFC) In Produkten der Automobil- und Elektroindustrie wird der zur Verfügung stehende Bauraum immer geringer, da eine stetig wachsende Anzahl von Komponenten in das jeweilige Produkt integriert werden soll [1, 2, 3]. Die Vorteile der FFC gegenüber konventionellen Kupferrundleitungen basieren vor allem auf dem geringen Eigengewicht bei vergleichbarer Leistung und dem geringen Raumbedarf des Kabels [13, 14]. Folienisolierte Flachleiter bestehen aus einen Verbund aus flachen Leiterelementen und umgebenden Isolierungswerkstoffen. Sie werden überwiegend als Verbindungselement zwischen Sensoren, Leiterplatten, Stromquellen und elektrischen Verbrauchern eingesetzt [1, 3, 12]. FFC können beispielsweise für die Verdrahtung der Signalübertragung im Cockpit-, Dach- oder Heckklappenbereich sowie zur Herstellung von Türmodulleitungssätzen eingesetzt werden [3]. Weitere Anwendungsfelder sind in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Kommunikationstechnik und Elektroindustrie zu sehen [2, 3, 13]. Aufgrund unterschiedlicher Herstellungsverfahren, geometrischer Abmessungen und verschiedener Leiter- und Isolierungswerkstoffen befindet sich eine hohe Typenvielfalt von FFC im industriellen Einsatz. AIF-Nr N: Metall-Ultraschallschweißen von flexiblen Flachleiterkabeln 6

15 Stand der Technik FFC-Gruppen Die vorhandenen Arten von folienisolierten Flachleitern lassen sich in die Gruppen Flexible Printed Circuits (FPC) und Flexible Flat Cable (FFC) unterteilen [1, 2], die im Folgenden näher beschrieben werden sollen Flexible Printed Circuits FPC ist die Bezeichnung einer flexiblen strukturierten Folienleiterplatte, die als Rollenware produziert und hauptsächlich zur Verknüpfung von einzelnen Komponenten auf engstem Raum eingesetzt wird [2, 3, 13]. Die Grundlage dieser Art von Flachleiter stellt eine flexible Basisfolie dar, auf der mit Hilfe von Klebstoffen mehrere Leiterbahnen aus Kupferfolie aufgebracht sind. Die Isolierung erfolgt durch eine ebenfalls mit Klebstoff fixierte, flexible Deckfolie oder durch einen Decklack. Die Leiterbahnstruktur wird in der Regel durch subtraktive Verfahren hergestellt, wodurch insbesondere komplexe zweidimensionale Leiterstrukturen abgebildet werden können Flexible Flat Cables Innerhalb eines FFC verlaufen die einzelnen Leiterbahnen ausschließlich parallel zueinander und sind dabei von einem Isolationswerkstoff umgeben [2, 3, 13]. Kabeldicke Isolationsdicke Leiterbreite Rastermaß Leiterdicke Abb. 2: Schematische Darstellung eines Flexible Flat Cables Im Gegensatz zu FPC werden sie zur Verbindung von elektrischen Komponenten über größere Strecken eingesetzt, wobei die Leitungssatzstruktur durch partielles Einschneiden und Umfalten des Folienleiters an die jeweils erforderliche Leitungsführung angepasst werden kann. Abb. 2 zeigt den grundsätzlichen Querschnitt eines Flexible Flat Cables. Die einzelnen Leiterbahnen werden aus Rundlitzen durch einen Walzprozess gefertigt oder werden direkt aus einem dünnen Blech herausgeschnitten [2, 3, 14]. Die AIF-Nr N: Metall-Ultraschallschweißen von flexiblen Flachleiterkabeln 7

16 Stand der Technik Breiten der einzelnen Leiterbahnen können innerhalb eines Flachleiters variieren, wohingegen die Dicke der Leiterbahnen zumeist konstant gehalten wird. Die Breite einer Leiterbahn beträgt standardmäßig zwischen,2 mm und 6,6 mm, die Leiterbahndicke variiert von 35 µm bis 45 µm. Eine weitere wichtige Angabe für ein FFC ist das Rastermaß (Abb. 2), welches bevorzugt mit Abständen im Bereich zwischen,5 mm und 2,54 mm eingesetzt wird [3, 13]. Als Leitermaterialien haben sich lediglich reines Kupfer sowie niedrig legierte Kupferwerkstoffe etabliert [2, 12, 14]. Als Isolationswerkstoff findet eine weitaus höhere Vielfalt an Werkstoffen Anwendung. Zumeist wird Polyimid (PI), Polyester, bleifreies Polyvinylchlorid (PVC) oder Polyethernaphthalat (PEN) eingesetzt. Die Auswahl des jeweiligen Isolationswerkstoffes erfolgt nach den zu erwartenden Anforderungen und dem Preis. Polyimidisolationen zeichnen sich beispielsweise durch eine hohe Temperaturbeständigkeit aus, wohingegen Polyesterisolationen weitaus umweltverträglicher und preisgünstiger sind. In Abhängigkeit von der Art der Einbindung der Leiter in den Isolationswerkstoff lassen sich die beiden Arten Flexible Laminated Cable (FLC) und Flexible Extruded Cable (FEC) unterscheiden. In Abb. 3 werden diese grundlegenden Herstellungsverfahren sowie die entstehenden Kabelsysteme gegenübergestellt. Flexible Laminated Cable (FLC): Flexible Laminated Cables werden durch ein Laminierverfahren hergestellt, bei dem die Anbindung der Isolationsschichten an den Kupferleitern durch beidseitig mit Klebstoff beschichtete Kunststofffolien erfolgt [2, 12, 15]. Die hierfür angewandten Klebstoffe sind vorwiegend Polyimid-, Polyester- sowie modifizierte Epoxidklebstoffe, die sich durch eine hohe Resistenz gegen chemische Einflüsse und durch hervorragende elektrische Isolationseigenschaften auszeichnen. Der Polyimidklebstoff weist zusätzlich eine hohe Temperaturbeständigkeit auf. Die Nachteile der Verwendung von klebstoffbeschichteten Folien bestehen aber in einer inhomogeneren Gesamtkabeldicke sowie in einem aufwendigeren Abisolierungsprozess zum Freilegen der Kontaktflächen, da ansonsten die Gefahr des Verbleibens von die elektrische Leitfähigkeit reduzierenden Klebstoffrückständen im Verbindungsbereich besteht. Ferner können beim Laminierverfahren Hohlräume im Leiterbereich auftreten. AIF-Nr N: Metall-Ultraschallschweißen von flexiblen Flachleiterkabeln 8

17 Stand der Technik Flexible Flat Cable (FFC) Flexible Laminated Cable (FLC) Flexible Extruded Cable (FEC) Herstellverfahren Kupferband Isolationsfolie mit Klebstoff Extruder Kupferband Dosiereinrichtung Wasserkühlbecken Querschnitt FFC Isolationsfolie Klebstoff Kupferleiter Isolationswerkstoff Kupferleiter Abb. 3: Gegenüberstellung der Herstellungsarten von FFC Flexible Extruded Cable (FEC) Bei FEC wird mit Hilfe eines Kunststoffextrusionsverfahrens die Leiterbahn komplett vom aufgeschmolzenen Isolationswerkstoff umschlossen, wodurch eine sehr homogene Isolation mit nur geringer Dickenvariation entsteht. Bei diesem Fertigungsprozess entfällt gegenüber dem Laminierverfahren der Klebstoff, jedoch ist das Fertigungsverfahren durch die gleichzeitig stattfindende Kupferdrahtpositionierung und dem Einschließen dieser Drähte mit Isolationswerkstoff komplexer [12, 15, 16]. Vorteile bei diesem Verfahren sind hingegen die höhere erreichbare Verarbeitungsgeschwindigkeit sowie eine einfache rückstandslose Abisolierung im Kontaktbereich Kontaktierung von flexiblen Flachleitern Zur Verbindung mit Steckersystemen werden die zu realisierenden FFC-Leitungssatzstrukturen durch partielles Einschneiden des Kabels, Umfalten und Fügen einzelner FFC erzeugt. Bisherige etablierte Fügeverfahren wie Nieten und Crimpen erfüllen aber zunehmend nicht mehr die an die Verbindung gestellten Qualitätsansprüche. Besonders nachteilig wirkt sich bei diesen Verfahren die stattfindende Kerbung und Schwächung der Leiterbahnen aus, so dass im Vergleich zu stoffschlüssigen AIF-Nr N: Metall-Ultraschallschweißen von flexiblen Flachleiterkabeln 9

18 Stand der Technik Verfahren eine geringe mechanische Belastbarkeit erreicht wird [12, 13, 16]. Die relativ kleine sich ausbildenden Kontaktzone führt zudem zu einem unerwünscht hohen Übergangswiderstand zwischen den beiden Fügepartnern, so dass keine Leistungsströme übertragen werden können [12]. Die für eine erfolgreiche Kontaktierung bisher erforderliche Abisolierung der FFC im Fügebereich erfolgt zu einem großen Teil durch Laserabisolieren mittels CO 2 -Laser oder Nd:YAG-Laser. Als mechanische Abisoliermethoden werden das Schaben, bei dem die Isolierung mit Hilfe einer Klinge verdrängt wird, sowie das Fräsen und das Schleifen eingesetzt. Nachteilig bei dem Einsatz mechanischer Verfahren sind die relativ starke Leiterbahnschädigung und die verbleibenden Isolationsrückstände [12] Metall-Ultraschallschweißen von FFC Das Metall-Ultraschallschweißen kommt beim Verbinden von flexiblen Flachleitern bisher nur selten zum Einsatz. Um dieses wirtschaftlichen Fügeverfahren auch für FFC industriell nutzbar zu machen, wurde innerhalb dieses Projektes die Ultraschallschweißeignung von FFC systematisch untersucht. Neben der Optimierung der Schweißparameter hinsichtlich der mechanischen und elektrischen Eigenschaften der erzeugten Verbunde wurde erstmals die Ultraschallschweißeignung von zuvor im Fügebereich nicht abisolierter FFC untersucht. AIF-Nr N: Metall-Ultraschallschweißen von flexiblen Flachleiterkabeln 1

19 Versuchsaufbau, Versuchsdurchführung und Versuchswerkstoffe 3 Versuchsaufbau, Versuchsdurchführung und Versuchswerkstoffe 3.1 Ultraschallschweißsysteme Im Projektverlauf wurden in Absprache mit dem Projektbegleitenden Ausschuss folgende Metall-Ultraschallschweißanlagen eingesetzt (Abb. 4): a) 2 khz Ultraschallpunktschweißanlage (Telsonic), P SA = 3 kw b) 35 khz Ultraschallpunktschweißanlage (Schunk), P SA = 5 W c) 2 khz Ultraschalltorsionsschweißanlage (Telsonic), P SA = 5 W d) 2 khz Ultraschalltorsionsschweißanlage (Telsonic), P SA = 1 kw (P = maximale Maschinenausgangsleistung) Abb. 4: Verwendete Metall-Ultraschallschweißanlagen In Abb. 5 sind die Koppelflächen der an den jeweiligen Anlagen verwendeten Sonotroden dargestellt. Bei der 2 khz Ultraschallpunktschweißanlage wurde eine Sonotrode eingesetzt, die eine rechteckige, 25 mm 2 große Koppelfläche aufweist. Die einzelnen Profilerhebungen der 9 -Kreuzriffelung sind pyramidenförmig mit einem Flankenwinkel von 45 und haben eine Ausrichtungen bezogen auf die Längsachse AIF-Nr N: Metall-Ultraschallschweißen von flexiblen Flachleiterkabeln 11

20 Abschlussbericht Versuchsaufbau, Versuchsdurchführung und Versuchswerkstoffe der Sonotrode von. Für die 35 khz Ultraschallpunktschweißanlage wurden zwei unterschiedliche Geometrien der Koppelfläche verwendet. Zum einen eine Koppelfläche mit einer relativ groben Profilierung (A), zum anderen eine kreuzgeriffelte Profilierung mit einem Flankenwinkel von 9 und einer Ausrichtung zur Sonotrodenlängsachse von 45 (B). Bei der 1 kw Ultraschalltorsionsanlage wurde eine ringförmige Koppelfläche, mit pyramidenförmigen Erhebungen, die einen Flankenwinkel von 45 aufweisen, eingesetzt. Die 5 W Ultraschalltorsionsanlage wurde hauptsächlich zum Fügen von FFC mit geringen Leiterbreiten eingesetzt. Daher weist die Sonotrode eine rechteckige auf die Größe der Leiterbreite angepasste Arbeitsfläche auf. Die Profilierung dieser Oberfläche wurde durch einen Sandstrahlprozess hergestellt. Abb. 5: Geometrien und Profile der Koppelflächen der verwendeten Sonotroden Triggerung mittels elektrischer Durchgangsmessung Die Prozesssteuerung der Ultraschallpunkt- und Ultraschalltorsionsschweißanlagen mit einer Ausgangsleistung von jeweils 5 W wurde in Zusammenarbeit mit den im PA beteiligten Schweißanlagenherstellern für das Schweißen von nicht abisolierten FFC derart modifiziert, dass der Umschaltzeitpunkt zwischen zwei unterschiedlichen Parametersätzen über ein externes, digitales Signal festgelegt werden kann. Hierfür wurde ein unter Verwendung der Software LabView erzeugtes TTL(Transistor-TranAIF-Nr N: Metall-Ultraschallschweißen von flexiblen Flachleiterkabeln 12