Schlussbericht. der Forschungsstelle(n) Hahn-Schickard-Institut für Mikroaufbautechnik HSG-IMAT. zu dem über die

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1 Schlussbericht der Forschungsstelle(n) Hahn-Schickard-Institut für Mikroaufbautechnik HSG-IMAT zu dem über die im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages geförderten Vorhaben N Untersuchungen zur Kontaktierung von MID mittels Widerstandsschweißen (Bewilligungszeitraum: ) der AiF-Forschungsvereinigung Hahn-Schickard-Gesellschaft Stuttgart, Ort, Datum Peter Buckmüller Name und Unterschrift des/der Projektleiter(s) an der/den Forschungsstelle(n) 0910

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung Einleitung Grundlagen zum Widerstandsschweißen Experimentelles Vorgehen Auswahl der Fügepartner Substratseitige Fügepartner Anschlussseitige Fügepartner Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung Charakterisierung von Widerstandsschweißverbindungen Bestimmung der Scherkraft Definition der Ausfallart Bestimmung des Einsinkweges der Elektroden Statistische Versuchsplanung Zuverlässigkeitsuntersuchungen Beschleunigte Umwelttests Vibrationstests Ergebnisse zum Widerstandsschweißen von MID Kompaktieren von Kupferlitzen Untersuchung zum Widerstandsspaltschweißen mit Litzen zur Bestimmung der relevanten Schweißparameter Untersuchung zum Einfluss der Litzenposition auf die Schweißverbindung Betrachtung der Wegabschaltung als Regelparameter für den Schweißvorgang Korrelation zwischen Einsinkweg und Scherkraft Bestimmung des elektrischen Durchgangswiderstandes von Schweißverbindungen Untersuchungen zum Schweißen auf verunreinigten Substraten Erste Untersuchungen zum Prozessfenster Untersuchungen zur Prozessstabilität Widerstandsspaltschweißen von FFC

3 5.3. Optimierung des Widerstandsschweißprozesses Lösungansätze Widerstandsspaltschweißen mit Piezoaktor Untersuchungen zur möglichen Schädigung des Interface Leiterbahn - Kunststoffsubstrat Untersuchung zum Prozessfenster mit Lösungsansatz Untersuchung zur Zuverlässigkeit mit optimierten Schweißparametern Literatur Ergebnistransfer Danksagung

4 1. Zusammenfassung Das Forschungsziel dieses Vorhabens war die Entwicklung einer zuverlässigen Kontaktierung von MID mittels Widerstandsschweißen. Hierfür kamen als substratseitige Fügepartner laserdirektstrukturierte und heißgeprägte MIDs sowie als Referenz Leiterplatten zum Einsatz. Als anschlussseitige Fügepartner dienten Drahtlitzen mit Sn- bzw Ag-Endschicht sowie FFCs. Um einen zuverlässigen Schweißprozess sicher zu stellen und eine Besenbildung zu vermeiden mussten zunächst die Drahtlitzen kompaktiert werden. Hierfür wurden geeignete Verfahren entwickelt um die Güte der Kompaktierung zu prüfen. Für die Litzen konnten geeignete Parameter zur Kompaktierung erarbeitet werden. Mit diesen kompaktierten Litzen und FFCs konnten erfolgreich Schweißversuche durchgeführt werden, um relevante Prozessparameter wie die Schweißspannung und die Schweißzeit zu ermitteln. Dabei wurden die Schweißverbindungen anhand von drei Kriterien charakterisiert: dem Einsinkweg der Leiterbahn, der Kraft im 0 - Scherzugversuch und der Ausfallart beim Scherzugversuch. Es erfolgte eine Optimierung der Schweißparameter. Ziel dieser Optimierung war das Erreichen einer hohen Zugscherkraft sowie eines geringen Einsinkweges, da dies eine Schädigung der Leiterbahn bzw. des Kunststoffsubstrats zur Folge haben kann. Es zeigte sich, dass hohe Zugscherkräfte nur mit tiefen Einsinkwegen zu erreichen sind, wobei der Einsinkvorgang erst nach dem Schweißprozess bis zum Erkalten des Kunststoffes stattfindet. Beim Widerstandsspaltschweißen von FFC zeigte sich, dass hier im Scherzugversuch nur Kräfte bis maximal 8 N erreicht werden können, da es darüber hinaus zu einem Abreißen des FFC kommt. Die eingebrachte Schweißenergie darf nicht zu hoch sein, da es schnell zu einem Durchbrennen des FFC und der Leiterbahn kommen kann. Derartige Zugscherfestigkeit konnten bei Einsinkwegen unter 7 µm erreicht werden. Beim Widerstandsschweißen von kompaktierten Litzen zeigten sich höhere Einsinkwege. Daher wurde untersucht, ob sich durch eine rasche Wegnahme der Schweißkraft der Einsinkweg verringern lässt. Dies wurde realisiert mittels eines Piezohubtisches, der die Fügepartner schnell von den Elektroden wegführen konnte. 4

5 Es zeigte sich, dass dies zu einer Rissbildung in der Leiterbahnmetallisierung führte. Weiterhin zeigte sich, dass die Rissbildung nur mit einer Nachhaltezeit bis zum Abkühlen Kunststoffes vermieden werden kann. Aufgrund dieser Erkenntnisse wurde untersucht ab wann eine Schädigung der Leiterbahn in Form von Rissen auftritt und der maximal zulässige Einsinkweg definiert. Unter diesen Bedingungen konnten geeignete Schweißparameter ermittelt werden mit denen Zuverlässigkeitsuntersuchungen in Form von Temperaturschocktests und Vibrationstest durchgeführt wurden. Es zeigten sich keine Ausfälle bei diesen Tests. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht. 5

6 2. Einleitung Obwohl die MID-Technik (Moulded Interconnect Devices) mittlerweile in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt wird, stellt die elektrische Kontaktierung von MID- Baugruppen mit dem peripheren System immer noch eine Herausforderung dar. Zum einen weil bisher keine Standards bestehen und somit ein großer Aufwand bei jeder Neuentwicklung entsteht und zum anderen weil die Kosten und Zuverlässigkeit der kompletten Systeme wesentlich durch diese Schnittstelle bestimmt werden. Weiterhin werden immer höhere Anforderungen an die periphere Kontaktierung gestellt. Die Kontaktstellen sollen einen geringen elektrischen Widerstand, hohe Temperaturbelastbarkeit insbesondere für Hochtemperaturanwendungen, hohe mechanische Festigkeit und gute Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Diese Eigenschaften müssen über die gesamte Produktlebensdauer erhalten bleiben. Was zur Nachfrage nach kostengünstigen und zuverlässigen Kontaktierungsverfahren führt. Das Widerstandsschweißen wurde aus folgenden Gründen als Kontaktierungsverfahren für MID ausgewählt. Das Widerstandsschweißen wird seit langer Zeit erfolgreich zur Verbindung von Metallen mit verschiedenen Oberflächen eingesetzt. Die Vorteile des Widerstandsschweißens liegen in einem schnellen, selektiven Verbindungsprozess, der hochfeste und hochtemperaturbeständige Verbindungen mit einem geringen elektrischen Widerstand ermöglicht. Neben diesen Vorteilen bietet das Widerstandsschweißen das Potential einer Kostenreduzierung von MID-Baugruppen durch einen einfachen Verbindungsprozess ohne Zusatzwerkstoffe wie Lote oder zusätzliche Bauteile wie Kontaktstifte. Ziel des Vorhabens war die Entwicklung einer zuverlässigen Kontaktierung von MID mittels Widerstandsschweißen. Im Vorhaben wurden Prozessparameter zur Realisierung von Widerstandsschweißungen auf unterschiedlichen MID- Metallisierungen bei gleichzeitig minimaler Schädigung des Kunststoff- Metallverbundes erarbeitet. Zur Charakterisierung von widerstandsgeschweißten Kontaktierungen wurden geeignete Verfahren untersucht. Für Zuverlässigkeitsuntersuchungen wurden beschleunigte Umwelttests sowie Vibrationstests durchgeführt. 6

7 3. Grundlagen zum Widerstandsschweißen In der Elektronik und Feinwerktechnik können Verbindungen durch folgende Widerstandspressschweißverfahren erzielt werden: Punktschweißen, Buckelschweißen, Rollnahtschweißen, Spaltschweißen, Pressstumpfschweißen und besondere Verfahren zum Schweißen, wozu beispielsweise das Thermodenschweißen von Kupferlackdrähten zählt [1]. Das Punktschweißen, bei dem zwei koaxial zueinander angeordnete Elektroden verwendet werden, stellt dabei das dominierende Verfahren zum Verbinden von Blechen miteinander dar [2]. Weitere Anwendung findet es beispielsweise zur Kontaktierung von flexiblen Flachbandkabeln [3]. Beim Spaltschweißen werden die zu verbindenden Teile, von denen im allgemeinen das eine draht- oder bandförmig, das andere als Leiterbahn auf einer isolierenden Unterlage ausgebildet ist, durch die Kraft der parallel angeordneten Spaltschweißelektroden aufeinandergedrückt. Nach Erreichen der Schweißtemperatur verschweißen beide Teile in ihrer Berührungszone zwischen den beiden Elektrodenspitzen [1]. Somit können elektrisch isolierende Substrate mit Leiterbahnen, wie z.b. Leiterplatten oder MID-Substrate nur mit der Methode des Spaltschweißens kontaktiert werden (siehe Abbildung 3-1). Abbildung 3-1: Schema zum Widerstandsspaltschweißen von MID-Substraten Beim Widerstandsspaltschweißen handelt es sich um ein elektrisches Schweißverfahren, bei dem die zum Schweißen benötigte Wärmeenergie durch einen elektrischen Strom erzeugt wird, der über zwei Schweißelektroden durch die leitenden Schweißpartner geführt wird. Die Schweißwärme entsteht dabei hauptsächlich an den Kontaktstellen der Fügepartner, da hier der höchste elektrische Widerstand des geschlossenen Stromkreises vorliegt. Dieser setzt sich zusammen aus Materialwiderstand und Engewiderstand und führt bei einer ausreichend großen Stromstärke zu einem Verschweißen der Werkstoffe an der Fügestelle. Um zu 7

8 gewährleisten, dass die Fügepartner beim Schweißen in Kontakt sind, werden sie mit einer definierten Kraft zusammengepresst. Der Widerstand beim Schweißen wird von den beteiligten Fügepartnern und den verwendeten Schweißelektroden bestimmt. Insbesondere sind die Werkstoffe der Schweißpartner und der Elektroden zu erwähnen. Aber auch die Geometrie und der Oberflächenzustand wie z.b. Rauheit und Oxidschichten der Fügepartner und der Elektroden tragen zur Qualität der Schweißung bei. Allgemein gilt, dass schlechte Kontakte zwischen den Fügepartnern selbst sowie zwischen Elektroden und Fügepartnern z.b. aufgrund von verschlissenen Elektroden, unebenen Fügepartnern und Anlaufschichten zu hohen Engewiderständen führen. An der Stelle des größten Widerstands entsteht beim Schweißen der größte Wärmeeintrag. Dieser lässt sich über die Formel (3.1) für die Joule sche Wärme mit der Wärme Q, dem elektrischen Widerstand R, der Stromstärke I und der Zeit t berechnen. [4] (3.1) Die generierte Wärmemenge hängt dabei von Prozessparametern und den Eigenschaften der Fügepartner ab. Bei der Erzeugung der Wärme dominiert zu Beginn des Schweißvorganges der Übergangswiderstand, der sich im Verlauf des Schweißvorganges deutlich reduziert. Im weiteren Verlauf des Schweißvorganges gewinnt der Materialwiderstand immer mehr an Bedeutung. Somit kann eine Optimierung der Schweißverbindung über die Variation der Schichtdicke der Oberflächenschicht erfolgen, die den Materialwiderstand beeinflusst [4]. Die Verbindungsbildung beim Widerstandsschweißen beruht auf dem Verschmelzen bzw. der Diffusion der zu fügenden Werkstoffe (siehe Abbildung 3-2). Ein Verschmelzen tritt ein, wenn die Temperatur hoch genug ist, um beide Werkstoffe an der Fügestelle zu verflüssigen. Der aufgeschmolzene Bereich ist von festem Material eingeschlossen und erstarrt beim Abkühlen in Form einer Linse, die die Einzelteile miteinander verbindet. Werkstoffe wie Eisen, Nickel und deren Legierungen können diese Verbindungsart aufweisen. Ein Verbinden von festen Phasen, hier spricht man von Diffusionsschweißen, findet statt, wenn die Temperatur für ein Aufschmelzen nicht hoch genug ist, wohl aber für ein plastisches Verformen der Werkstoffe. Die Werkstoffe werden durch die Elektrodenkraft in enge Berührung gebracht, die dabei entstehende Relativbewegung der Fügepartner zueinander führt zu einem Aufreiben 8

9 der Oxidschichten. Die saubere Oberfläche und die geringen Atomabstände der Metalle an der Fügestelle bewirken die Verbindung der Einzelteile im festen Zustand ohne Linsenbildung. Schweißungen durch Verschmelzen der Fügepartner haben eine höhere Festigkeit und sind daher eher anzustreben, allerdings bietet das Diffusionsschweißen die einzigartige Möglichkeit, eine hochwertige metallurgische Verbindung bei Temperaturen von etwa 50 80% der Schmelztemperatur der Fügepartner zur erzielen [5]. In der Elektronik und Feinwerktechnik eingesetzte Werkstoffe, wie beispielweise Kupfer, Kupferlegierungen, Edelmetalle und vergleichbare Werkstoffe, bilden aufgrund ihrer hohen thermischen und elektrischen Leitfähigkeit bevorzugt eine Diffusionsschweißverbindung aus, da es schwierig ist, die Schweißwärme an der Fügestelle zu konzentrieren [6]. Abbildung 3-2: Schematische Darstellung einer Diffusions- (links) und einer Schmelzschweißverbindung (rechts) Heutige Geräte zum Widerstandsschweißen bieten standardmäßig eine Prozessregelung während des Schweißvorganges mit einer statistischen Prozesskontrolle an, um auf Prozessschwankungen frühzeitig reagieren zu können. Der Einsatz von Elektroden zur Einleitung des Schweißstromes und zum Aufbringen der Schweißkraft führt einerseits zu einem gewissen Verschleiß der Elektroden, gleicht aber andererseits Toleranzen der zu fügenden Verbindungspartner aus und sorgt bei entsprechender Wartung für einen sicheren Schweißprozess. 9

10 4. Experimentelles Vorgehen 4.1. Auswahl der Fügepartner Substratseitige Fügepartner Im Rahmen des Vorhabens wurden als substratseitige MID-Fügepartner Substrate, die mit dem LPKF-LDS -, dem Heißpräge- und dem Flamecon -Verfahren angefertigt wurden, untersucht. Als Substratmaterial für das LPKF-LDS -Verfahren (LDS) wurden im Rahmen des projektbegleitenden Ausschusses thermoplastische Substrate aus Polyphthalamid (PPA) mit der Bezeichnung Vestamid HTplus TGP3586 (MT1000) und Liquid-Crystal Polymer (LCP) mit der Bezeichnung Vectra E840i LDS verwendet. Die Formbeständigkeitstemperatur für eine Festigkeit von 1,8 MPa beträgt bei PPA 126 C und bei LCP 227 C [7,8]. Die außenstromlose Metallisierung der Substrate besteht aus einer 5 µm Kupfer-, einer 5 µm Nickel-Phosphor- und einer 0,1 µm Tauchgoldschicht. Beim Heißprägeverfahren wird aus einer Heißprägefolie mittels eines Heißprägestempels eine Leiterbahnstruktur in ein Kunststoffsubstrat geprägt. Im Rahmen des projektbegleitenden Ausschusses wurde Grivory HT2V-3H (PA6T/66) als Substratmaterial für das Heißprägeverfahren ausgewählt. Die Formbeständigkeitstemperatur für eine Festigkeit von 1,8 MPa beträgt 280 C. [9]. Für das Heißprägeverfahren wurden eine verzinnte ED-Folie von der Firma Bolta mit 35 µm Kupferschichtdicke und eine Walzfolie mit einer Chromatschicht, d.h. einer anorganisch Passivierungsschicht von der Firma Carl Schlenk AG mit einer Kupferschichtdicke von 25 µm, mit der Bezeichnung SE-Cu58 walzhart einsetzt. Die Bruchdehnung der ED-Folie beträgt ~ 3,5 % und die Bruchdehnung der Walzfolie beträgt 1%. Beim Flamecon -Verfahren wird das aufzutragende Metall geschmolzen und durch Druck auf die Oberfläche aufgespritzt. Für die Testsubstrate wurde LCP und PA6T/66 eingesetzt. Für die Leiterbahnmetallisierung wurde Kupfer eingesetzt. Erste Schweißversuche auf der Kupferleiterbahn zeigten keine Schweißbarkeit. Deshalb wurden Versuche zur außenstromlosen Beschichtung mit Zinn durchgeführt. Es 10

11 zeigte sich nach der außenstromlosen Metallisierung mit Zinn, dass diese Art der Leiterbahnmetallisierung keine ausreichende Haftfestigkeit auf den Kunststoffsubstraten aufwies, um Schweißversuche durchführen zu können. Aus den ausgewählten Materialien wurden Testsubstrate mit 37 x 37 x 1,5 mm² spritzgegossen. An zwei diagonal zu einander liegenden Ecken wurden Löcher mit 2 mm Durchmesser gestanzt, um die Testsubstrate in der Widerstandsschweißanlage zu positionieren. Die Leiterbahnbreiten auf den Testsubstraten wurden von 0,55 3 mm variiert. Tabelle 4-1 zeigt die Übersicht der aufgebauten Testsubstrate. Tabelle 4-1: Übersicht der substratseitigen Fügepartner Anschlussseitige Fügepartner Im Hinblick auf die periphere Kontaktierung wurde im Rahmen des projektbegleitenden Ausschusses Anschlusskabel mit verzinnten und versilberten Oberflächen mit einem Querschnitt von 0,128 mm² bzw. AWG26 und eine verzinnte Litze mit einem Querschnitt von 0,22 mm² bzw. AWG24 ausgewählt. Weiterhin wurden FFC (Flat Flexible Cable) mit einem Querschnitt von 0,7 x 0,05 mm² untersucht, siehe Tabelle

12 Tabelle 4-2: Übersicht der eingesetzten anschlussseitigen Fügepartner 4.2. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung Das Kompaktieren der Litzen wurde an einer Kompaktiervorrichtung vom Typ C16 von der Firma Miyachi Europe GmbH durchgeführt, siehe Abbildung 4-1. Die Litzen wurden mit einer Kompaktierbreite von 0,5 mm kompaktiert. Abbildung 4-1: Kompaktiervorrichtung C16 Die Spaltschweißversuche wurden an einer Spaltschweißanlage vom Typ F120-S von der Firma Miyachi Europe GmbH durchgeführt. Bei diesem Anlagentyp wird der Schweißkopf durch die Bedienung eines Fußpedals pneumatisch zugestellt. Die Schweißkraft wird durch eine vorgespannte Druckfeder passiv aufgebaut. Der Federweg wird über einen einstellbaren Anschlag gemäß Herstellerangaben auf 1,3 mm eingestellt, um die gewünschte Schweißkraft zu erzielen. In Abbildung 4-2 ist 12

13 der Aufbau der Spaltschweißanlage schematisch dargestellt. Der Spannungsabgriff erfolgt 55 mm entfernt von der Spitze der Schweißelektroden. Abbildung 4-2: Schematischer Aufbau der Spaltschweißanlage Bei der Ermittlung der optimalen Schweißkraft wird empfohlen, mit hoher Kraft zu starten. Je höher die Schweißkraft, desto geringer sind die Übergangswiderstände zwischen den Bauteilen und desto schwächer ausgeprägt ist die Schweißung. Als Indikator gilt, dass bei richtig eingestellter Schweißkraft das Schweißgut während des Schweißprozesses nicht spritzt. Der zeitliche Ablauf des Schweißvorgangs lässt sich in Schließzeit, Vorhaltezeit, Schweißzeit und Nachhaltezeit untergliedern. In der Schließzeit befördert der Pneumatikzylinder den Schweißkopf nach unten, die Elektroden treffen auf die Fügepartner und die Schweißkraft wird aufgebaut. Die Vorhaltezeit dient dazu, dass Schwingungen abgebaut werden können, die durch den Aufprall der Elektroden auf den Fügepartnern entstehen. Dies ist wichtig für eine korrekte Messung des Einsinkwegs. In der Schweißzeit wird der Schweißstrom ausgelöst und das Schweißprogramm läuft ab. An der Berührungsstelle der Fügepartner, also an der Stelle des höchsten Widerstands, entsteht, bedingt durch eine hohe Stromdichte, sehr viel Wärme. Nach Ablauf des Schweißprogramms wird der Strom abgeschaltet und die Nachhaltezeit beginnt. Die Elektroden bleiben auf den Fügepartnern und die Kraft wird aufrechterhalten. Die Fügepartner kühlen ab, wobei die Elektroden zur 13

14 Ableitung der Wärme dienen. Nach 800 ms öffnet der Pneumatikzylinder und befördert die Schweißelektroden nach oben. Weitere für den Schweißvorgang wichtige Parameter sind der Abstand zwischen den beiden Schweißelektroden sowie die Position, an der die Elektroden beim Schweißen auf der Litze aufsetzen. Dieser Litzenabstand beschreibt die Distanz vom Mittelpunkt zwischen beiden Elektroden bis zum Ende des kompaktierten Bereichs der Litze. Für die Positionierung der Fügepartner mittels Mikrometerschrauben wurde ein xyz- Tisch für die Litzen und ein xy-tisch für die Testsubstrate konstruiert und angefertigt (Abbildung 4-3). Die Litzen werden mittels eines verstellbaren mechanischen Anschlags für die Abisolierung relativ zum Testsubstrat positioniert. Die Testsubstrate werden über zwei diagonal angeordnete Stifte positioniert. Abbildung 4-3: Vorrichtung zur Positionierung der Fügepartner 14

15 4.3. Charakterisierung von Widerstandsschweißverbindungen Bestimmung der Scherkraft Zur Charakterisierung der Schweißverbindungen wurde mit dem 0 -Scherzugversuch gemäß DVS Merkblatt 2801 gearbeitet. Die Abzugsversuche wurden an einer Zugprüfmaschine der Firma Zwick GmbH & Co. KG mit einer Prüfgeschwindigkeit von 10 mm/min durchgeführt. Bei diesem Zugversuch wird das Substrat eingespannt und die Litzen in einem Winkel von 0 parallel zur Fügeebene mit einer Zugkraft bis zum Versagen belastet (Abbildung 4-4). Abbildung 4-4: Schematische Darstellung 0 Scherzugversuch Die maximale Kraft, die nötig ist um die Litze vom MID-Substrat abzulösen, wird im Folgenden als Scherkraft bezeichnet Definition der Ausfallart Beim 0 -Scherzugversuch treten unterschiedliche Ausfallarten auf, welche in Abbildung 4-5 exemplarisch dargestellt sind. Bei Ausfallart 1 löst sich die Litze von der Leiterbahn ab, ohne dass die Leiterbahnmetallisierung beschädigt wird oder sich vom Kunststoff ablöst. In diesem Fall stellt also die Schweißverbindung zwischen Litze und Leiterbahn die schwächste Stelle der Verbindung dar. Daraus leitet man ab, dass keine ausreichende Schweißverbindung erzielt wurde. Ausfallart 2 liegt vor, wenn in einem Teilbereich der Schweißstelle bzw. über die komplette Schweißstelle die Leiterbahn mitsamt Litze vom Kunststoffsubstrat abgezogen wird. Bei Ausfallart 3 ist die Schweißverbindung und die Haftung zwischen Leiterbahn und Trägersubstrat sind so hoch, dass ein Versagen im Litzenquerschnitt auftritt und diese reißt. 15

16 Ausfallart 1: Am Beispiel der Fügepartner AWG26 AG und LDS-LCP Ausfallart 2: Am Beispiel der Fügepartner AWG26 AG und LDS-LCP Ausfallart 3: Am Beispiel der Fügepartner AWG26 AG und FR4 Abbildung 4-5: Ausfallarten beim 0 -Scherzugversuch Die zu erzielende Ausfallart ist abhängig von den Fügepartnern und Schweißparametern. So ergeben sich bei den Testsubstraten bzw. bei den Litzen unterschiedliche Werte für die benötigte Kraft, ab denen Ausfallart 2 bzw. 3 erreicht werden kann. Diese sind in Tabelle 4-3 dargestellt. Strukturierungsverfahren Ausfallart 2 Laserdirektstrukturierung (LDS-LPKF ) Leiterplattentechnik Heißprägen Walzfolie Substratmaterial LCP PPA FR4 PA6T/66 Bruchkraft N N > 30 N > 30 N Ausfallart 3 Litze AWG26 Sn AWG26 Ag FFC 0,7 x 0,05 mm² Bruchkraft 45 N 32 N 14 N Tabelle 4-3: Benötigte Kraft zum erzielen von Ausfallart 2 bzw. 3 Für die folgenden Versuche wurde ein Ausfall nach Ausfallart 2 angestrebt, da hier davon ausgegangen werden kann, dass die Festigkeit der Schweißverbindung größer ist als die Haftfestigkeit der Leiterbahn. Als Scherfestigkeiten wurden Kräfte von > 10 N angepeilt. 16

17 Bestimmung des Einsinkweges der Elektroden Ein weiteres Charakterisierungsmerkmal ist der Einsinkweg. Er beschreibt den Weg, den die Fügepartner, d.h. die Litze mitsamt Leiterbahn, in das Testsubstrat eindringen (Abbildung 4-6). Kompaktierter Litze Einsinkweg s Substrat Abbildung 4-6: Mikroskopische Aufnahme eines Schliffes zur Bestimmung des Einsinkwegs Die Bestimmung des Einsinkweges der Elektroden erfolgt über das Wegmesssystem der Schweißanlage und wurde z.t. anhand von Schliffen verifiziert. Bei hohen Einsinkwegen wir der Kunststoff unterhalb der Leiterbahn im Bereich der Schweißverbindung verdrängt. Eine Verdrängung des Kunststoffes in Richtung der Leiterbahnränder führt dazu, dass diese nach oben hin weggebogen werden. Im Bereich der Knickstelle, an der die Leiterbahn nach oben gebogen wird, können aufgrund der hohen Verformung der Leiterbahn Risse in der Metallisierung auftreten. Desweiteren kann der Kunststoff bei einer nicht planen Kompaktierung der Litze unterhalb der Leiterbahn direkt nach oben verdrängt werden. Dabei durchstößt er die Leiterbahnmetallisierung und quillt zwischen den Hohlräumen in der Litze nach oben. In Abbildung 4-7 sind diese Defekte exemplarisch dargestellt. Deshalb ist der Einsinkweg zu minimieren. 17

18 Hochgeknickte Leiterbahn Gerissene Leiterbahn In die Litze eindringender Kunststoff Abbildung 4-7: Defekte durch hohe Einsinkwege (oben: AWG26 Ag +LDS-LCP; unten: AWG26 Ag +LDS-PPA) 4.4. Statistische Versuchsplanung Um die Wirkung der Faktoren (Versuchsparameter) auf die Schweißverbindung zu identifizieren und zu quantifizieren wurde die statistische Versuchsplanung herangezogen. Hierbei liegt der Schwerpunkt darauf, kritische Faktoren zu erkennen und die optimale Einstellung für den Schweißprozess zu ermitteln. Hierbei kam die Software Minitab 16 zum Einsatz. Bei Widerstandsspaltschweißen von FFC wurde ein vollfaktorieller Versuchsplan, also ein Versuchsplan bei dem keine Faktorkombinationen ausgelassen werden, verwendet. Durch Vorversuche wurden für jeden Faktor 2 Faktorstufen (Einstellungen) definiert, die dann in einem vollfaktoriellen Versuchsplan in allen möglichen Kombinationen zueinander getestet wurden. Aus Gleichung (4.1) ergibt sich die Versuchsanzahl N bei 4 Faktoren f (Spaltbreite, Schweißkraft, Schweißspannung, Schweißzeit) auf jeweils 2 Faktorstufen S mit 3 Replikationen r (Wiederholungen) zu 48 Versuchen. Bei einem 2-stufigen Versuchsplan wird davon ausgegangen, dass die Effekte ein lineares Verhalten aufweisen. Dies ergibt sich daraus, dass mit 2 Messpunkten nur ein lineares Verhalten beschrieben werden kann. Die 3 Replikationen dienen dazu eine Standardabweichung zu berechnen. N = r Sf = 3 42 = 48 (4.1) 18

19 Zielgrößen beschreiben die Qualitätsmerkmale für die Optimierung der Faktoren eines Prozesses. Es wurden die 2 Zielgrößen minimale Einsinktiefe bei maximaler Scherkraft gewählt. Bei Widerstandsspaltschweißen von Litzen wurde zunächst ein vollfaktorieller 2-stufiger Versuchsplan mit Zwischenpunkten/Zentralpunkt/Stützpunkt erprobt. Aufgrund der vielen Fügepartnerkombinationen, wurden als Faktoren nur Schweißspannung und Schweißzeit verwendet. Es zeigt sich allerdings schnell, dass die nicht alle Eckpunkte des Versuchsraums messbar bzw. durchführbar sind (siehe Abbildung 4-8), da hier entweder keine Schweißverbindung erzielt wurde oder die Litze verdampfte. Nicht ermittelbare Eckpunkte Prozessfenster Abbildung 4-8: Schematische Darstellung des Versuchsraumes Aus diesem Grunde wurde dazu übergegangen ein Parameterfeld zu untersuchen und daraus eine Wirkungsfläche zu erzeugen Zuverlässigkeitsuntersuchungen Beschleunigte Umwelttests Zur experimentellen Bestimmung der Zuverlässigkeit der Widerstandsschweißverbindung wurden Litzen unter Verwendung optimierter Schweißparameter auf Testsubstrate geschweißt und durch beschleunigte Umwelttests gezielt thermomechanisch belastet. Hierzu wurden Temperaturschocktests (TST) nach DIN in einem Zweikammerschockschrank bei -40 C und +150 C 19

20 durchgeführt. Die Haltezeit je Kammer betrug 7 min, die Dauer des Temperaturwechsels war kleiner als 10 s. Vor den Tests, nach 500 Zyklen und 1000 Zyklen erfolgten jeweils eine elektrische Prüfung der Schweißverbindung sowie eine Messung der Scherkraft der Proben. Dabei wurden je Fügepartnerkombination und Zyklenzahl 24 Proben untersucht Vibrationstests Im Rahmen des Projektes wurden an Schweißverbindungen Vibrationstests nach DIN IEC 68 T.2-6 durchgeführt. Hierzu wurden Testsubstrate mit Litzen unter Verwendung optimierter Schweißparameter angefertigt. Jeweils ein Drittel dieser Testsubstrate wurden mit einem Glob Top auf der Litzen bzw. einen Glob Top auf der Isolierung versehen, um die Wirkung einer Entlastung der Schweißverbindung bei den Vibrationstests zu untersuchen (siehe Abbildung 4-9). Das letzte Drittel wurde ohne zusätzliche Fixierung der Litze bzw. des Kabels geprüft. Diese Proben wurden mit dem Schärfegrad Weg s = 6,2 mm und der Beschleunigung a = 20 g je Raumachse 24 h einem Sinusschütteln in einem Frequenzbereich von 15 Hz 500 Hz bei einer Durchlaufgeschwindigkeit von 1. Oktave/min ausgesetzt. Im Anschluss daran erfolgten auch hier eine elektrische Prüfung der Schweißverbindung sowie eine Messung der Scherkraft. Abbildung 4-9: Testsubstrat mit und ohne Glop Top auf den verschweißten Litzen (links); Versuchsaufbau des Vibrationstests (rechts) 20

21 5. Ergebnisse zum Widerstandsschweißen von MID 5.1. Kompaktieren von Kupferlitzen IGF Vorhaben Nr N Als Litzenmaterial wurden die in Tabelle 4-2 aufgeführten Kupferlitzen mit verzinnter oder versilberter Endschicht eingesetzt. Diese wurden vor dem Widerstandsspaltschweißen kompaktiert. Beim Kompaktieren handelt es sich um einen separaten Schweißprozess, bei dem die Einzeldrähte der Litze miteinander verschweißt werden und der Litzenquerschnitt unter Krafteinwirkung in eine definierte rechteckige Form gepresst wird (Abbildung 5-1). Abbildung 5-1: Kompaktierte Litze in Drauf- und Seitenansicht Durch das Kompaktieren soll ein Aufspreizen der Litze bei Aufsetzten der Spaltschweißelektroden verhindert werden. Darüber hinaus können bessere Schweißresultate erzielt werden, da der Schweißprozess eher einem Verschweißen zweier fester Körper, d.h. von Leiterbahn und kompaktierter Litze entspricht und die geänderte Querschnittsform zu einer gleichmäßigeren Auflage der Litze auf der Leiterbahn führt. Die geometrischen Abmessungen der kompaktierten Litzen hängen von der Elektrodengröße, den Schweißparametern und der Litze ab. Die Länge und die Breite der Kompaktierung wird von der Auflagefläche der Kompaktierelektroden auf der Litze bestimmt, die Höhe durch die Schweißparameter und dem Litzenvolumen im zu kompaktierenden Bereich. Um diese Auflagefläche möglichst konstant zu halten und einen Litzenüberstand, wie er in Abbildung 5-2 dargestellt ist zu vermeiden, ist die Positionierung der Litze beim Kompaktieren entscheidend. Ein Litzenüberstand beim Kompaktieren führt zu einer Aufspreizung am Litzenende, was 21

22 zur Folge hat, dass beim nachfolgenden Widerstandsspaltschweißen kein planes Aufliegen der Litze auch der Leiterbahn sichergestellt werden kann. Abbildung 5-2: Litzenüberstand und Positionierung der Litze beim Kompaktieren Im Rahmen dieses Vorhabens wurde eine reproduzierbare Positionierung der Litze durch eine definierte Abisolierlänge von 4,7 mm und durch einen Abstandshalter, wie er in Abbildung 5-2 schematisch dargestellt ist, sichergestellt. Die Bewertung der kompaktierten Litzen erfolgte anhand der folgenden Kriterien: Höhe der Litze nach der Kompaktierung Festigkeit der Kompaktierung Gratbildung Die Höhe der Litze nach der Kompaktierung ist ein Maß dafür wie stark die Litze kompaktiert wurde. Mit abnehmender Kompaktierungshöhe steigt die Festigkeit der Kompaktierung und die Abstände zwischen den einzelnen Adern der Litze werden zunehmend geringer. Bei einer zu starken Kompaktierung kann es zu einer Gratbildung und einer Abweichung von der rechteckigen Form der Litze kommen (Abbildung 5-3). Grate an kompaktierten Litzen verhindern, dass diese plan auf der Leiterbahn aufliegen und erschweren dadurch die Prozessführung beim Widerstandsspaltschweißen. 22

23 Abbildung 5-3: Querschliff und Mikroskopaufnahme einer Litze mit Grat Die Festigkeit der Kompaktierung ist für die nachfolgenden Spaltschweißprozesse von entscheidender Bedeutung. Die Kompaktierung muss fest genug sein, dass die einzelnen Adern der Litzen nicht durch die anliegende Schweißkraft der Spaltschweißelektroden auseinander gehen und es zu einer Besenbildung kommt. Eine Möglichkeit die Festigkeit zu überprüfen ist der Drucktest. Hierbei wird mittels eines Stempels eine definierte Kraft auf die kompaktierte Litze ausgeübt und überprüft ob die Kompaktierung hält. Eine andere Möglichkeit ist der Biegewechseltest. Hierbei wird überprüft, ob sich beim kompaktierte Bereich nach einem Hin- und Zurückbiegen um 90 einzelne Adern gelöst haben (Abbildung 5-4). Der Biegewechseltest stellt das strengere Beurteilungskriterium dar. Abbildung 5-4: Methoden zur Prüfung der Festigkeit kompaktierter Litzen Der Grad der Kompaktierung wird durch die geometrischen Parameter Kompaktierlänge und breite sowie durch die Schweißparameter Schweißkraft, Schweißzeit und Schweißstrom bestimmt. Darüber hinaus kann bei der Kompaktierung auf den Parameter Wegabschaltung geregelt werden. Hierbei kann der Schweißvorgang nach Erreichen eines definierten Weges beendet werden. Es 23

24 konnte exemplarisch am Litzentyp AWG24 Sn gezeigt werden, dass die Regelung der Schweißzeit anhand Wegabschaltung nach 80 µm Einsinktiefe der Kompaktierelektrode die Standardabweichung der Litzenhöhe signifikant reduziert (Abbildung 5-6). Aufgrund dieses Ergebnisses wurden alle weiteren Litzen für die folgenden Versuche mit Wegabschaltung kompaktiert. Abbildung 5-5: Kompaktierung von je 20 Litzen vom Typ AWG24 Sn mit und ohne Wegschaltung im Vergleich Um geeignete Schweißparameter zum Kompaktieren von Litzen zu finden wurden aus diesem Grunde Schweißkraft, Stromstärke und der Abschaltweg variiert. Abbildung 5-6 zeigt exemplarisch wie sich eine Variation der Parameter auf die Litzenhöhe und damit auch auf deren Form bzw. Kompaktierungsgrad auswirkt. Abbildung 5-6: Einfluss der Wegabschaltung beim Kompaktieren auf die Litzenhöhe 24

25 Anhand des Diagramms und der dargestellten CT-Aufnahmen zeigt sich, dass die Wegabschaltung den größten Einfluss auf die Kompaktierung hat. Die Wegabschaltung weist im Bereich von µm eine lineare Abnahme der Litzenhöhe auf. Unterhalb dieses Bereiches kommt es zu keiner ausreichenden Kompaktierung und oberhalb kommt es zur Gratbildung. Mittels Versuchsreihen wurden geeignete Schweißparameter für das Kompaktieren von Litzen bestimmt. Hierbei wurde aufgrund der Erkenntnisse der Vorversuche eine Schweißkraft von 180 N gewählt. Tabelle 5-1 zeigt die ermittelten Schweißparameter für die verschiedenen Litzentypen. Litze Leiterquerschnitt [mm²] Stromstärke Wegabschaltung Durchschnittl. Litzenhöhe AWG24 Sn AWG26 Sn AWG26 Ag 0, A 80 µm 420 µm 0, A 40 µm 300 µm 0, A 20 µm 270 µm Tabelle 5-1: Ermittelte Schweißparameter zum Kompaktieren von Litzen 5.2. Untersuchung zum Widerstandsspaltschweißen mit Litzen zur Bestimmung der relevanten Schweißparameter Untersuchung zum Einfluss der Litzenposition auf die Schweißverbindung Beim Widerstandsspaltschweißen gibt es eine Vielzahl von möglichen Faktoren, die einen Einfluss auf das Schweißergebnis haben können. Neben den eigentlichen Schweißparametern wie der Schweißkraft, Schweißzeit und die Schweißspannung ergeben sich diese Parameter aus den geometrischen Randbedingungen und der eingesetzten Fügepartner. Erste Schweißversuche, ohne die Verwendung der in 25

26 Kapitel 4.2 vorgestellten Vorrichtung zur Positionierung der Fügepartner, zeigten eine hohe Streuung der Einsinkwege und Scherkräfte. Um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen wurden mittels der Vorrichtung Untersuchungen zur Positionierung der Litze relativ zu den Schweißelektroden durchgeführt. (Abbildung 5-7). Abbildung 5-7: Schematische Darstellung der geometrischen Einstellgrößen Für die Untersuchung zum Einfluss der Positionierung auf den Einsinkweg wurden die einstellbaren Parameter, wie Schweißzeit, Schweißspannung und Schweißkraft und Spaltbreite konstant gehalten. Die Spaltbreite bezeichnet den Abstand zwischen den beiden Elektroden. Im Rahmen dieser Untersuchungen wurde eine Spaltbreite von ca. 400 µm gewählt. Abbildung 5-8 zeigt die Ergebnisse zur Untersuchung des Einflusses der Litzenposition. Abbildung 5-8: Einfluss der Litzenposition auf den Einsinkweg am Beispiel von AWG24 Sn-Litzen auf Heißprägesubstrat mit ED-Folie 26

27 Es zeigte sich, dass bei konstanten Schweißparametern der Einsinkweg von ca. 30 µm bei einer Litzenposition von 1000 µm auf einen Einsinkweg von über 90 µm bei einer Litzenposition von 2250 µm ansteigt. Desweitern nimmt die Standardabweichung des Einsinkweges mit zunehmender Litzenposition zu. Für die folgenden Untersuchungen wurde eine Litzenposition von 1400 µm ausgewählt Betrachtung der Wegabschaltung als Regelparameter für den Schweißvorgang Aufgrund der Reduzierung der Streuung der Einsinktiefe bei der Kompaktierung mittels des Regelparameters Wegabschaltung wurde dies ebenfalls für das Widerstandsspaltschweißen in Betracht gezogen. Dazu wurde der zeitliche Verlauf der Schweißparameter mittels der Schweißanlage gemessen, aufgezeichnet und ausgewertet. Abbildung 5-9 zeigt den zeitlichen Verlauf des Widerstandes, des Einsinkweges, der angelegten Spannung, der Leistung und der resultierenden Wärmemenge Q in der schraffierten Fläche. Die Schweißkraft wird nicht von der Schweißanlage gemessen und wurde als konstant in das Diagramm eingetragen. Abbildung 5-9: Zeitlicher Verlauf des Schweißprozesses Anhand dieses exemplarischen Diagrammes zeigt sich, dass der Einsinkvorgang hauptsächlich nach Abschluss des Schweißvorganges stattfindet. Das Einsinken der Litze setzt sich durch die kontinuierlich anliegende Schweißkraft solange fort bis 27

28 Leiterbahn und Substratmaterial vollständig abgekühlt sind. Somit konnte die Wegabschaltung nicht als Regelparameter eingesetzt werden Korrelation zwischen Einsinkweg und Scherkraft Schweißversuche mit der Vorrichtung zur Positionierung der Litze bei konstanter Spaltbreite von 400 µm, Schweißkraft von 15 N und Schweißzeit von 5 ms sind in Abbildung 5-10 dargestellt und zeigen den Einfluss der Schweißspannung auf den Einsinkweg. Abbildung 5-10: Einfluss der Schweißspannung auf den Einsinkweg von LDS-LCP (links), PA6T/66 mit heißgeprägter ED-Folie (rechts) jeweils mit AWG24 Sn, d.h. verzinnter Litze mit 0,22 mm² Querschnitt Es zeigt sich für beide Fügepartnerkombinationen aus LDS-LCP und PA6T/66 mit heißgeprägter ED-Folie jeweils mit verzinnter Litze mit einem Querschnitt von 0,22 mm², dass bei zunehmender Schweißspannung der Einsinkweg und die Scherkraft zunehmen. Dabei zeigt die blaue Kurve den Einsinkweg und die rote Kurve die Scherkraft. Weiterhin zeigen sich für die LDS-LCP Variante Scherkräfte von ca. 30 N bei Einsinktiefen im Bereich von ca. 125 µm. Für PA6T/66 mit heißgeprägter ED-Folie zeigen sich Scherkräfte von ca. 50 N bei Einsinktiefen im Bereich von ca. 60 µm. Somit werden mit der Heißprägevariante höhere Scherkräfte bei geringeren Einsinktiefen erzielt. Bei Schliffen mit ED-Folien zeigt sich eine Rissbildung in der Heißprägemetallisierung bereits bei einer Einsinktiefe von 23 µm. Aus diesem Grund wurde im Folgenden nur noch die Variante PA6/6T mit verzinnter Walzfolie weiterverfolgt, da hier gemäß [16] von einer geringeren Neigung zur Rissbildung ausgegangen wurde. 28

29 Bestimmung des elektrischen Durchgangswiderstandes von Schweißverbindungen Um den elektrischen Widerstand der Schweißverbindungen zu bestimmen wurden 4-Leiter-Messungen mit einem Spitzenmessplatz durchgeführt (Abbildung 5-11). Abbildung 5-11: Schematische Darstellung des 4-Leiter-Messprinzip zur Bestimmung des Übergangswiderstandes der Schweißstelle Der Übergangswiderstand wurde für die Fügepartnerkombination LDS-LCP Substrat und AWG26 Sn an 10 Schweißverbindungen gemessen und liegt im Bereich von 1 4 mω Untersuchungen zum Schweißen auf verunreinigten Substraten Es sollte untersucht werden, ob Handfett den elektrischen Widerstand der Schweißstelle verändert und somit Einfluss auf die Scherkraft bzw. Schwerfestigkeit hat (Abbildung 5-12). Dazu wurden 12 Schweißungen auf verunreinigten Substraten aus LDS PPA mit AWG26 Sn Litze durchgeführt und mit Schweißungen auf Substraten im Ausgangszustand verglichen (Tabelle 5-2). Abbildung 5-12: Substratoberfläche des LDS-PPA im Ausgangszustand (links) und nach der Präparation mit Handfett (rechts) 29

30 Tabelle 5-2: Prozessparameter bei FFC und deren Faktorstufen Es zeigte sich kein signifikanter Einfluss von Handfett auf den Schweißprozess. Somit muss für das Handling der Testsubstrate keine besonderen Maßnahmen oder Reinigungsaufwand betrieben werden Erste Untersuchungen zum Prozessfenster Anhand der gewonnenen Erkenntnisse zum Widerstandsspaltschweißen von Litzen auf MID-Substraten wurden erste Untersuchungen zum Prozessfenster durchgeführt. In Anlehnung an EN ISO 14327, d.h. Verfahren zur Bestimmung des Schweißbereichsdiagramms, wurden die folgenden Parameter konstant gehalten: Litzenposition 1400 µm Spaltbreite 400 µm Schweißkraft 15 N Für das Schweißbereichsdiagramm wurden die Schweißspannung und die Schweißzeit variiert [15]. Die Variierung der Parameter erfolgt in groben Schritten um im ersten Schritt ein möglichst großes Prozessfenster zu betrachten. Dazu wurde die Schweißspannung in 0,1 V Schritten von 1,0 2,1 V variiert. Die Schweißzeit wurde auf 3, 5 und 7 ms eingestellt. Aufgrund von ersten Schliffen konnte gezeigt werden, dass eine Einsinktiefe von 30 µm keine Risse aufzeigten. Deshalb wurden folgende Bewertungskriterien gemäß Abbildung 5-13 festgelegt. Hierbei lag der Schwerpunkt auf einer möglichst geringen Einsinktiefe bei einer Scherkraft von größer 10 N. Es zeigen sich nur vereinzelte Messpunkte mit einer guten (gelb) oder sehr guten Bewertung (grün). Für den Bereich mit der sehr guten Bewertung wurde ein 30

31 vollfaktorieller Versuchsplan mit Zentralpunkt und 3 Replikationen durchgeführt. Die Versuche wurden randomisiert und anschließend ausgewertet (Abbildung 5-14). Abbildung 5-13: Auswertung des Grobparameterscan für LDS-PPA mit AWG26 Ag (links) und die Bewertungskriterien (rechts) Das eingesetzte Programm Minitab 16 kann keine Zielgrößenoptimierung mit Zentralpunkten bei faktoriellen Versuchsplänen durchführen. Deshalb wurden für die faktorielle Zielgrößenoptimierung der Zentralpunkt weggelassen. Weiterhin konnten mittels der Auswertung mit dem Wirkungsflächenversuchsplan die Zentralpunkte berücksichtigt werden (Abbildung 5-14). Bei der Zielgrößenoptimierung wurde auf zwei Optimierungsziele hin optimiert. Für die Einsinktiefe wurde der minimale Wert bei gleichzeitigt maximaler Scherkraft gefordert. Abbildung 5-14: Optimierungsdiagram Wirkfläche (links) und faktoriell (rechts) für LDS-PPA mit AWG26 Ag Gemäß Auswertung zeigt sich für die Wirkfläche bei 1,36 V und 5 ms eine Einsinktiefe von 15 µm bei einer Scherkraft von 12 N. Bei der faktoriellen Auswertung zeigt sich bei 1,4 V und 5,6 ms eine Einsinktiefe von 14,5 µm und eine Scherkraft 31

32 von 15 N. Abbildung 5-15 und 5-16 zeigen die Übersicht der Ergebnisse der Schweißversuche für die Fügepartnerkombinationen LDS-LCP und LDS-PPA mit AWG26 Sn und AWG26 Ag. Abbildung 5-15: Übersicht der Ergebnisse bei LDS-LCP und AWG26 Ag und AWG26 Sn Abbildung 5-16: Übersicht der Ergebnisse bei LDS-PPA und AWG26 Ag und AWG26 Sn 32

33 Bei den Untersuchungen zum Prozessfenster zeigt sich, wie in Abbildung 4-8 schematisch dargestellt, ein längliches diagonal verlaufendes Prozessfenster bei der Variation von Schweißzeit und Schweißspannung Untersuchungen zur Prozessstabilität Zur Untersuchung der Prozessstabilität wurden 100 verzinnte Litzen mit einem Querschnitt von 0,128 mm² (AWG 26 Sn) in Serie unter gleichen Bedingungen auf PPA-Substrate geschweißt (Schweißparameter: 1,75 V / 3,6 ms / 15 N) und hierbei der Einsinkweg aufgezeichnet sowie im Anschluss an die Schweißungen die Scherkraft bestimmt. Abbildung 5-17 zeigt den Zusammenhang zwischen Einsinkweg und Scherkraft bei diesen Schweißversuchen sowie die entsprechenden Histogramme dazu. Abbildung 5-17: Abhängigkeit von Einsinkweg und Scherkraft Es zeigt, dass ein Großteil der Schweißungen im einem Bereich, was den Einsinkweg betrifft zwischen ca µm, die Schwerkraft betreffend zwischen ca. 33

34 12 28 N liegen. Gleichzeitig treten jedoch vereinzelt Ausreißer hin zu kleinen Scherkräften auf, welche in einer industriellen Fertigung nicht akzeptabel wären. So könnten z.b. Ausreißer bei denen eine geringe Scherkraft aufgrund eines niedrigen Einsinkweges vorliegt problemlos von der Prozessdatenerfassung erkannt und im Anschluss aussortiert werden. Liegt allerdings eine niedrige Scherkraft bei einem hohen Einsinkweg vor, so kann dies nicht erkannt werden und ein defektes Bauteil kommt in den Umlauf. Um derartige Defekte auszuschließen ist eine Erhöhung der Scherkraft eine mögliche Maßnahme. Um dies zu erreichen wurden die in Abschnitt aufgeführten Lösungswege untersucht. Abbildung 5-18: 200 Schweißungen in Serie mit einem Reinigungsschritt der Elektrode nach 100 Schweißungen Mit den in Abschnitt optimierten Schweißparametern wurde exemplarisch an Sn-Litzen unter gleichen Bedingungen auf PPA-Substrate geschweißt. Anhand von 34

35 100 Schweißungen in Serie wurde untersucht wie sich die Zielgrößen des Schweißprozesses, Scherkraft und Einsinkweg, verhalten (siehe Abbildung 5-18). Die Schweißelektroden wurden vor den Versuchen durch Überschleifen gereinigt und am Anfang, nach 100 und nach 200 Schweißungen begutachtet. Es zeigte sich, dass mit einer zunehmenden Anzahl an Schweißungen auch Einsinkweg und Scherkraft, zunehmen. Um dieses Verhalten nachzuvollziehen wurden die Elektroden jeweils vor und nach den 100 Schweißungen untersucht. Anhand der in Abbildung 5-19 dargestellten Mikroskopaufnahmen ist ersichtlich, dass eine Verschmutzung der Schweißelektroden für dieses Verhalten verantwortlich ist. Zur Reproduzierbarkeit wurde nach diesen 100 Schweißungen in Serie eine Reinigung der Elektronen mittels Überschleifen durchgeführt und weitere 100 Serienschweißungen durchgeführt. Abbildung 5-18 zeigt für die Schweißungen Nummer 101 bis 200 ein vergleichbares Verhalten auftrat. Durch eine fortschreitende Verunreinigung der Elektronen steigen der Einsingweg und damit die ermittelte Scherkraft an. Vor dem Schweißen nach 100 Schweißungen nach 100 Schweißungen und Reinigung nach 200 Schweißungen Abbildung 5-19: Schweißelektroden vor und nach den Serienschweißungen 35

36 Mit den in Abschnitt optimierten Schweißparametern wurde der Einfluss der Endschicht von Sn-Litzen und Ag-Litzen auf die Prozessstabilität untersucht. Dazu wurden je 100 Schweißungen unter gleichen Bedingungen auf laserdirektstrukturierten und metallisierten LCP-Substrate geschweißt. Abbildung 5-20 zeigt 100 Schweißungen mit AWG26 Ag (Schweißparameter 2,1 V / 3,2 ms / 15 N) und Abbildung 5-21 zeigt 100 Schweißungen mit AWG26 Sn (Schweißparameter 2,16 V / 3,2 ms / 15 N) jeweils mit einem Querschnitt von 0,128 mm² (AWG26). Abbildung 5-20: 100 Schweißungen mit AWG26 Ag auf LDS-LCP Abbildung 5-21: 100 Schweißungen mit AWG26 Sn auf LDS-LCP 36

37 Es zeigt sich, dass Einsinkweg und Scherkraft korrelieren. Weiterhin zeigt sich bei den 100 Schweißungen mit verzinnter Litze eine Zunahme von Einsinkweg und Scherkraft mit zunehmender Schweißzahl. Im Gegensatz dazu zeigt sich für die versilberten Litzen eine Abnahme von Einsinkweg und Scherkraft mit zunehmender Schweißzahl. Es wird angenommen, dass die Verschmutzung bzw. das Anhaften des Zinns zu einer Erhöhung des Widerstandes führt, das Anhaften von Silber hingegen zu einer Verringerung. Dies kann dadurch begründet werden, dass Silber ein besserer elektrischer Leiter als Zinn ist. Die Verringerung des Widerstandes würde zu einer Verringerung der eingebrachten Wärmemenge führen, was wider rum zu einer Verringerung der Einsinktiefe führen würde. Im direkten Vergleich zeigt sich für die gewählten Schweißparameter ein mittlerer Einsinkweg von µm für AWG26 Sn und AWG26 Ag. Die erzielte Scherkraft liegt für AWG26 Sn mit N höher als bei AWG26 Ag mit N Widerstandsspaltschweißen von FFC Beim Widerstandsspaltschweißen von FFC ergeben sich insbesondere aufgrund der geometrischen Abmessungen, v.a. der geringen Höhe von 50 µm, deutliche Unterschiede im Vergleich zum Schweißen mit Litzen. Dies spiegelt sich auch bei der Charakterisierung der Schweißverbindung wieder. Bei FFC sind die gemessenen Scherkräfte sowie die Einsinkwege deutlich kleiner, da aufgrund der geringen Dicken hier viel weniger Wärmeenergie eingebracht werden darf. Betrachtet man die Ausfallarten von FFC so gibt es im Vergleich zu Litzen Unterschiede. Bei Ausfallart 1 löst sich beim 0 -Scherzugversuch das FFC von der Leiterbahn, ohne dass das FFC oder die Leiterbahn zerstört werden. Diese Verbindung wird als unzureichend gewertet, da noch keine unlösbare Verbindung der Fügepartner stattgefunden hat. Ausfallart 2 beschreibt dem Abriss des FFC. Aufgrund des geringen Querschnitts kommt es schon ab einer Scherkraft von über 8 N zu einem Abriss des FFC. Ein Herausreißen der Leiterbahnmetallisierung aus dem Kunststoff, wie es bei Litzen möglich ist, ist hier aufgrund der geringen Festigkeit des FFC nicht möglich. Ausfallart 3 tritt auf wenn die Erwärmung der Fügepartner so hoch ist, dass das FFC und die darunter liegende Leiterbahn durchschmelzen und zerstört werden. Ausfallart 3 ist aufgrund des erhöhten Verschleißes und möglicher Beschädigung der 37

38 Elektroden zu vermeiden. Abbildung 5-22 zeigt die verschiedenen Ausfallarten bei FFC exemplarisch. Ausfallart 1: Ablösen des FFC von der Leiterbahn Ausfallart 2: Abriss des FFC Ausfallart 3: Durchbrennen des FFC und der Leiterbahn nach 100 Schweißungen Abbildung 5-22: Mögliche Ausfallarten bei FFC Die Widerstandsschweißverbindungen von FFC auf MID-Substrate wurden mittels statistischer Versuchsplanung optimiert. Die Zielgrößen waren hierbei das Erreichen einer hohen Scherkraft bei einem geringen Einsinkweg sowie das Erzielen der Ausfallart 2. Für die Durchführung der Versuchsplanung wurden die in Tabelle 5-3 aufgeführten Prozessparameter (Faktoren) und Faktorstufen verwendet. 38

39 Substratseitiger Fügepartner LDS LCP ED-Folie Walzfolie Spaltbreite s [µm] 300 / / / 400 Schweißspannung U [V] 0,63 / 0,64 0,65 / 0,70 0,65 / 0,70 Schweißzeit t [ms] 6,8 / 7 10 / 10,4 10 / 10,4 Schweißkraft F [N] 12 / / / 20 Tabelle 5-3: Prozessparameter bei FFC und deren Faktorstufen Anhand dieser Faktorstufen wurde ein vollfaktorieller randomisierter Versuchsplan mit 3 Replikationen generiert und durchgeführt. Zielgrößen für die Optimierung der Prozessparameter waren für die Einsinktiefe ein Sollwert von 2 µm und eine Obergrenze von 5 µm, für die Scherkraft ein Sollwert 8 N und eine Untergrenze von 7,5 N. Hieraus ergaben sich die in Tabelle 5-4 dargestellten optimierten Prozessparameter. Kunststoff -substrat Leiterbahn Spaltbreite [µm] Spannung [V] Schweißzeit [ms] Schweißkraft [N] LCP PA6T/66 PA6T/66 LDS (Cu/NiP/Ag) ED-Folie Cu/Sn Walzfolie Cu/Sn 300 0,63 6, ,66 10, , ,4 Tabelle 5-4: Optimierte Prozessparameter zum Schweißen von FFC Anhand von 48 Schweißungen je Versuchsreihe wurden die optimierten Schweißparameter verifiziert. Darauf ergaben sie die in Tabelle 5-5 dargestellten Mittelwerte und Standardabweichungen für den Einsinkweg und die Scherkraft. 39