DE10026635A1 - Verfahren zum Herstellen einer Lotverbindung, elektrotechnisches Erzeugnis mit der Lotverbindung und Verwendung des elektrotechnischen Erzeugnisses - Google Patents
Verfahren zum Herstellen einer Lotverbindung, elektrotechnisches Erzeugnis mit der Lotverbindung und Verwendung des elektrotechnischen ErzeugnissesInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Lotverbindung (30) zwischen einer elektrischen Kontaktfläche (15) eines Körpers (11) und einer Drahtoberfläche (23) zumindest zweier, nebeneinander kreuzungsfrei angeordneter Drähte (20). Dies gelingt durch Vorverlotung der Kontaktfläche mittels einer Lotbahn. Das Verfahren eignet sich zur Kontaktierung eines Aktorkörpers eines Piezoaktors, wobei an einen Metallisierungsstreifen des Aktorkörpers im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete, wenige mum-dicke Drähte sicher und reproduzierbar angelötet werden können.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer
Lotverbindung zwischen einer elektrischen Kontaktfläche
zumindest eines Körpers und einer Drahtoberfläche zumindest
zweier nebeneinander angeordneter Drähte. Neben dem Verfahren
wird ein elektrotechnisches Erzeugnis und eine Verwendung des
elektrotechnischen Erzeugnisses angegeben.
Das elektrotechnische Erzeugnis ist beispielsweise ein
Piezoaktor. Ein derartiger Piezoaktor ist aus DE 197 15 488 A1
bekannt. Der Piezoaktor verfügt über einen Körper in
monolithischer Vielschichtbauweise. Der Körper wird als
Aktorkörper bezeichnet. Der Aktorkörper umfasst einen Stapel
aus mehreren Piezoelementen. Ein Piezoelement besteht aus
einer Piezokeramikschicht und zwei an gegenüberliegenden
Seiten der Piezokeramikschicht angeordneten
Elektrodenschichten. Die Elektrodenschichten des
Piezoelements sind elektrisch gegeneinander isoliert und
können mit jeweils einem unterschiedlichen elektrischen
Potential beaufschlagt werden. Eine Elektrodenschicht eines
Piezoelements dient im Stapel als Elektrodenschicht eines
benachbarten Piezoelements. Die Elektrodenschichten sind im
Stapel somit alternierend elektrisch kontaktiert. Eine
alternierende elektrische Kontaktierung gelingt mit Hilfe
zweier, voneinander getrennter, seitlicher Kontaktflächen des
Aktorkörpers. Jede der Kontaktflächen ist durch einen
Metallisierungsstreifen gebildet, der sich zumindest über
eine Höhe des Stapels erstreckt, die sich aus den elektrisch
zu kontaktierenden Elektrodenschichten ergibt. Jede
Elektrodenschicht ist mit einem der beiden
Metallisierungsstreifen elektrisch leitend verbunden und
gegen den anderen Metallisierungsstreifen elektrisch
isoliert.
Um die elektrische Kontaktierung der Elektrodenschichten zu
gewährleisten, erfolgt in dem bekannten Piezoaktor eine
Spannungszufuhr an einen Metallisierungsstreifen über eine
streifenförmige, elektrische Kontaktfahne in Form einer mit
Kupfer kaschierten Kunststofffolie. Die Kontaktfahne ist
dabei über eine Innenkante direkt an die Kontaktfläche oder
an den Metallisierungsstreifen angelötet. Die Kontaktfahne
erstreckt sich, wie der Metallisierungsstreifen, zumindest
über die Höhe des Stapels, die sich aus den zu
kontaktierenden Elektrodenschichten ergibt. Eine vom
Aktorkörper wegweisenden Aussenkante der Kontaktfahne ist mit
einem starren, elektrischen Anschlusselement in Form eines
Anschlussstifts verbunden.
Durch Anlegen der elektrischen Potentiale an den
Elektrodenschichten des Aktorkörpers kommt es während einer
Polarisierung und/oder eines Betriebs des Piezoaktors zu
einer Expansion und/oder Kontraktion des Aktorkörpers in
Stapelrichtung. Dabei kann es insbesondere im Bereich der
Kontaktflächen, in denen der Aktorkörper piezoelektrisch
inaktiv ist, zu einem Riss im Aktorkörper kommen. Der Riss,
der im Wesentlichen parallel zu den Piezokeramikschichten und
Elektrodenschichten orientiert ist, kann sich in die
Metallisierungsstreifen fortsetzen. Mit Hilfe der
Kontaktfahne wird ein derartiger Riss elektrisch überbrückt.
Es wird verhindert, dass der Riss zu einer elektrischen
Isolierung zumindest eines Teils der Elektrodenschichten
führt.
Aufgrund des Risses im Aktorkörper und/oder im
Metallisierungsstreifen kann es durch die Expansion und
Kontraktion des Aktorkörpers zu einer starken mechanischen
Spannung in der Kontaktfahne kommen. Um zu verhindern, dass
sich der Riss des Aktorkörpers und/oder des
Metallisierungsstreifens in die Kontaktfahne fortsetzt, ist
es vorteilhaft, wenn die mechanische Spannung in der
Kontaktfahne bis hin zum starren Anschlusselement des
Piezoaktors weitgehend abbaubar ist. Dazu wurde bereits
vorgeschlagen, bei der Kontaktfahne die mit Kupfer kaschierte
Kunststofffolie beispielsweise durch im Wesentlichen parallel
zueinander angeordnete, elektrisch leitende, dünne Drähte zu
ersetzen. Diese Drähte sind ebenfalls an der Kontaktfläche
beziehungsweise dem Metallisierungsstreifen angelötet.
Aufgabe der Erfindung ist es, aufzuzeigen, wie dünne Drähte
an einer elektrischen Kontaktfläche eines Körpers sicher und
reproduzierbar angelötet werden können.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Herstellen
jeweils einer Lotverbindung zwischen einer elektrischen
Kontaktfläche zumindest eines Körpers und einer bestimmten
Drahtoberfläche zumindest zweier nebeneinander angeordneter
Drähte angegeben. Das Verfahren weist folgende
Verfahrensschritte auf: a) Anbringen einer Lotbahn aus Lot
mit einer bestimmten Lotbahndicke an der Kontaktfläche des
Körpers, b) Zusammenbringen der Lotbahn und der
Drahtoberflächen den Drähte, wobei die Drähte zumindest im
Bereich der Drahtoberflächen untereinander und mit weiteren
Drähten kreuzungsfrei angeordnet werden, und c) Erwärmen des
Lots der Lotbahn, so dass die Lotverbindungen gebildet
werden.
Die grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, eine zum
Zusammenlöten der Kontaktfläche des Körpers und der Drähte
benötigte und bereitgestellte Lotmenge aufeinander
abzustimmen. Damit können die Lotverbindungen mit einer
bestimmten mechanischen und elektrischen Eigenschaft sicher
und reproduzierbar hergestellt werden.
Allgemein ist als Körper jeder beliebige Körper denkbar, bei
dem an eine elektrische Kontaktfläche des Körpers elektrisch
leitende Drähte zur elektrischen Kontaktierung des Körpers
angelötet sind. Der Körper mit der elektrischen Kontaktfläche
ist beispielsweise der eingangs beschriebene Aktorkörper oder
der elektrische Anschlussstift eines Piezoaktors. Dabei ist
die Kontaktfläche beispielsweise eine Seitenfläche des
Aktorkörpers, ein auf der Seitenfläche des Aktorkörpers
aufgebrachter Metallisierungsstreifen oder auch eine
Oberfläche des Anschlussstifts.
Der Draht ist beispielsweise ein in einer Form eines Fadens
oder einer Schnur ausgezogenes Metall. Denkbar ist auch ein
Draht in Form einer aus mehreren einzelnen Drähten bestehende
Litze. Der Draht zeichnet sich durch einen im Vergleich zu
einer Längsausdehnung des Drahtes sehr kleinen
Drahtdurchmesser aus. Der Drahtdurchmesser beträgt
beispielsweise weniger als 500 µm. Ein Querschnitt eines
Drahtes ist beliebig geformt. Beispielsweise ist der
Querschnitt rund, oval oder mehreckig. Das Metall ist
ebenfalls beliebig. Beispielsweise ist das Metall zumindest
ein Stoff, der aus der Gruppe Aluminium, Beryllium, Kobalt,
Eisen, Kupfer, Nickel, oder Titan ausgewählt ist. Denkbar ist
insbesondere auch eine Legierung auf Basis der genannten
Metalle. Ein nichtmetallischer Werkstoff als Material eines
Drahtes ist ebenfalls möglich. Beispielsweise ist der Draht
aus Karbonfaser.
Im Bereich der bestimmten Drahtoberflächen wird die
Lotverbindung hergestellt. Hier findet ein Zusammenlöten der
Drähte und der Kontaktfläche statt. Die Drahtoberfläche ist
insbesondere ein Teil einer Mantelfläche des Drahtes.
Zumindest im Bereich der Drahtoberflächen beziehungsweise im
Bereich der Kontaktfläche werden die Drähte nebeneinander und
kreuzungsfrei angeordnet. Kreuzungsfrei bedeutet dabei, dass
sich die Drähte entlang ihrer Längsausdehnung nicht
überkreuzen. Insbesondere werden die Drähte dabei
untereinander berührungsfrei in einem bestimmten Drahtabstand
zueinander angeordnet. Eine Wahl des Abstands hängt
beispielsweise von einer Benetzbarkeit der Kontaktfläche
und/oder der Drahtoberfläche mit dem Lot ab. Durch das
kreuzungsfreie Anordnen der Drähte im Bereich der
Drahtoberflächen kann ein Bedarf an Lot sehr genau festgelegt
werden. Es gibt keine, den Bedarf an Lot beeinflussenden
Kreuzungs- und/oder Berührungspunkte zwischen den Drähten.
Beispielsweise werden nur im Wesentlichen zueinander parallel
angeordnete Drähte verwendet. Dabei ist eine bestimmte
Abweichung von einer parallelen Anordnung der Drähte möglich.
Die Abweichung umfasst beispielsweise einen Winkel von 0 bis
10 Grad.
Denkbar ist auch, dass ein Drahtgeflecht zur elektrischen
Kontaktierung der Kontaktfläche verwendet wird. Das
Drahtgeflecht verfügt beispielsweise über zueinander parallel
angeordneten Drähte, die als Schussfäden bezeichnet werden.
Mit den Schussfäden sind weitere, zu den Schussfäden
annähernd senkrecht verlaufende Drähte verflochten, die als
Kettfäden bezeichnet werden. Kettfäden und Schussfäden können
sich in einem vom Bereich der Drahtoberflächen verschiedenen
Bereich der Schussfäden zur Stabilisierung der Schussfäden
und/oder des Drahtgeflechts kreuzen. Schussfäden und
Kettfäden bilden Kreuzungspunkte. Im Bereich der
Drahtoberflächen sind dagegen keine Kettfäden und damit keine
Kreuzungspunkte vorhanden.
Die Lotbahn dient dazu, eine bestimmte, auf den Bedarf an Lot
abgestimmte Lotmenge zum Herstellen der Lotverbindung
bereitzustellen. Es findet eine Vorverlotung der elektrischen
Kontaktfläche statt. Bei Verwendung von Lötzinn als Lot wird
die Vorverlotung als Vorverzinnung bezeichnet. Die Lotmenge,
die eingebracht wird, ist gegeben durch eine Lotbahnbreite
und Lotbahndicke. Die Lotbahn kann dabei in Form einer
Lotfolie aufgebracht werden. Denkbar ist aber auch, die
Lotbahn als Lotpaste in einem Siebdruckverfahren oder mit
Hilfe eines Dispensers auf die elektrische Kontaktfläche des
Körpers aufzutragen. Das Lot ist insbesondere ein Weichlot
wie Zinn oder eine Zinn-Blei-Legierung. Das Weichlot zeichnet
sich durch eine Arbeitstemperatur von unter 450°C aus.
Denkbar ist aber auch ein Hartlot (Arbeitstemperatur über
450°C). Bei der Arbeitstemperatur liegt das Lot als Schmelze
vor. Durch das Erwärmen und durch nachfolgendes Abkühlen wird
aus der Lotbahn eine Lotraupe gebildet. In die Lotraupe sind
mehrere Drähte beziehungsweise die Drahtoberflächen der
Drähte eingefasst.
Beim Erwärmen wird das Lot über eine Schmelztemperatur des
Lots erhitzt. Dabei werden die Kontaktfläche und die
Drahtoberfläche von dem geschmolzenen Lot benetzt. Es
entsteht die Lotverbindung zwischen der Kontaktfläche und den
Drahtflächen. Durch nachfolgendes Abkühlen der Lotverbindung
unter die Schmelztemperatur des Lots verfestigen sich die
Lotverbindung. Es entstehen eine fest Lotverbindung mit einem
Reib- und Formschluss zu der elektrischen Kontaktfläche und
der Drahtoberfläche. Während die Lotverbindung gebildet wird,
kann es zu einer Legierungsbildung kommen. Die gebildete
Lotverbindung oder ein Teil der Lotverbindung ist eine
Legierung aus mindestens einem Material des Drahtes und
mindestens einem Material des Körpers.
In einer besonderen Ausgestaltung werden Drähte mit einem
Drahtdurchmesser verwendet, der aus einem Bereich zwischen
einschließlich 10 µm bis einschließlich 200 µm, insbesondere
aus einem Bereich zwischen einschließlich 30 µm bis
einschließlich 100 µm ausgewählt ist.
In einer besonderen Ausgestaltung wird eine Lotbahn mit einer
Lotbahndicke verwendet, die, kleiner ist als der
Drahtdurchmesser der Drähte. Dadurch ist es möglich,
Lotverbindungen mit jeweils einer der Drahtoberfläche der
Drähte abgekehrten freien Oberfläche herzustellen, die im
Wesentlichen frei von Lot ist. Diese Oberfläche wird, wenn
überhaupt, nur mit einer im Vergleich zum Durchmesser der
Lotverbindung dünnen Schicht aus dem Lot bedeckt.
Insbesondere wird eine Lotbahndicke verwendet, die aus dem
Bereich zwischen einschließlich 10 µm und einschließlich 100 µm
ausgewählt ist. Die durch die Lotbahn bereitgestellte
Lotmenge ist derart bemessen, dass eine feste, stabile
Lotverbindung hergestellt wird. Bei einer kleinen,
bereitgestellte Lotmenge kann sich eine relativ dünne, aber
dennoch stabile Lotverbindung ausbilden. Dies ist
beispielsweise bei dem eingangs beschriebenen Aktorkörper zu
berücksichtigen. Ein im Aktorkörper entstandener Riss kann
sich in die Lotverbindung ausbreiten und die Lotverbindung
vollständig durchdringen. In der Lotverbindung ist ein Spalt
vorhanden, der nahezu senkrecht zur Expansions- und
Kontraktionsrichtung des Aktorkörpers ausgerichtet ist. Bei
der Expansion und Kontraktion findet am Riss des Aktorkörpers
eine große Auslenkung (Rissöffnung) des Aktorkörpers statt.
Durch den Spalt kann die Lotverbindung der Auslenkung des
Aktorkörpers weitgehend folgen. Die Lotverbindung wird
mechanisch kaum belastet. Ist dagegen die Lotmenge zu groß
bemessen, ist es möglich, dass sich zwar der Riss in die
Lotverbindung ausbreitet, die Lotverbindung aber nicht
vollständig durchdringt. Durch den Riss entstehen bei der
Expansion und Kontraktion des Aktorkörpers mechanische
Spannungen in der Lotverbindung, die zu einem Abtrennen der
Lotverbindung von der Kontaktfläche und/oder von den
Drahtoberflächen führen können. Die Folge wäre ein zumindest
teilweiser Ausfall des Piezoaktors.
In einer besonderen Ausgestaltung werden die Lotverbindungen
zwischen der elektrischen Kontaktfläche und den
Drahtoberflächen der Drähte im Wesentlichen gleichzeitig
hergestellt. Die Lotverbindungen werden nicht nacheinander
hergestellt. Dazu ist es vorteilhaft, wenn die gesamte
Lotbahn möglichst homogen erwärmt wird. Homogen erwärmen
bedeutet, dass die gesamte Lotbahn möglichst gleichzeitig
erwärmt wird. Bei Erwärmen tritt in der Lotbahn möglichst
kein Temperaturgradient auf. Zu jeder Zeit des Erwärmens
weist die gesamte Lotbahn eine annähernd gleiche Temperatur
auf. Vorteilhaft an diesem Vorgehen ist insbesondere, dass im
Körper ein geringer Temperaturgradient erzeugt wird und damit
mechanische Spannungen im Körper in einem relativ geringen
Maße auftreten.
In einer besonderen Ausgestaltung wird zum Erwärmen des Lots
ein Laser und/oder eine Bügellotanlage verwendet. Der Laser
kann ein Punktlaser mit einem Fokuspunkt sein, der schnell
entlang der Lotbahn bewegt wird und so ein homogenes,
gleichmäßiges Erwärmen des Lots durch Wärmestrahlung
ermöglicht. Denkbar ist auch ein Array aus einzelnen Lasern,
beispielsweise ein Diodenlaser-Array. Mit Hilfe des Arrays
kann die gesamte Lotbahn gleichzeitig erwärmt werden. Bei der
Bügellotanlage wird Energie entlang der gesamten Lotbahn
durch Wärmeleitung eingetragen, wobei gleichzeitig ein
Pressdruck ausgeübt werden kann.
In einer besonderen Ausgestaltung wird vor dem
Zusammenbringen der Lotbahn und der Drahtoberflächen der
Drähte und/oder vor dem Erwärmen des Lots ein Einstellen
eines bestimmten Drahtabstands zwischen den Drähten zumindest
im Bereich der Drahtoberflächen durchgeführt. Der
Drahtabstand ist beispielsweise so bemessen, dass definierte
Lotverbindungen mit gleichmäßigen Lotraupen hergestellt
werden können. Der Drahtabstand im Bereich der zu verlötenden
Drahtoberfläche beträgt beispielsweise 300 µm bei einem
Drahtdurchmesser von unter 100 µm.
Insbesondere wird zum Einstellen des Drahtabstands der Drähte
ein im Wesentlichen paralleles Ausrichten der Drähte
durchgeführt. Dazu werden die Drähte beispielsweise in einer
mit entsprechenden Abstandshaltern ausgestatteten Halterung
eingespannt. Die Halterung ist beispielsweise ein
Halterahmen. Mit Hilfe des Halterahmens, in dem die Drähte
parallel zueinander angeordnet bzw. eingespannt sind, werden
die Drähte gleichzeitig mit der Kontaktfläche
zusammengebracht und die Lotverbindungen durch Erwärmen der
Lotbahn gleichzeitig hergestellt.
Insbesondere werden zum parallelen Ausrichten der Drähte
mindestens zwei, im Wesentlichen zueinander parallel
ausgerichtete Gewindestangen mit einem Gewinde verwendet und
die Drähte zwischen den Gewindestangen in die Gewinde
eingespannt. Das Gewinde zeichnet sich durch eine
Gewindesteigung aus. Die Gewindesteigung legt den
Drahtabstand fest, in dem die Drähte voneinander entfernt
angeordnet werden. Möglich sind auch zwei beliebige Stangen,
die Einkerbungen aufweisen, die in dem bestimmten
Drahtabstand zueinander angeordnet sind. Die Drähte werden in
die Einkerbungen eingespannt.
Mit Hilfe des Halterahmens oder der Gewindestangen gelingt es
leicht, mehrere Körper gleichzeitig mit den parallel
zueinander angeordneten Drähten zu verbinden. Beispielsweise
ist ein Körper der Aktorkörper eines Piezoaktors und ein
weiterer Körper der elektrische Anschlussstift des
Piezoaktors. Eine elektrische Kontaktfläche des Aktorkörpers
und eine elektrische Kontaktfläche des Anschlussstifts werden
jeweils auf die zuvor beschriebene Weise mit den Drähten
verbunden. Es entsteht ein Piezoaktor, bei dem der
Anschlussstift und der Aktorkörper über im Wesentlichen
zueinander parallel angeordnete Drähte elektrisch leitend
verbunden sind. Denkbar ist zudem, dass mit Hilfe eines
Halterahmens oder der Gewindestangen mehrere der Piezoaktoren
auf einmal hergestellt werden. Nach Beendigung des
Herstellens der Lotverbindungen zwischen den Drähten und den
Aktorkörpern und Anschlussstiften werden die Piezoaktoren
vereinzelt. Dazu werden die Drähte zwischen den Piezoaktoren
durchtrennt.
In einer besonderen Ausgestaltung werden der Körper und/oder
die Drähte vor dem Erwärmen des Lots vorgewärmt. Dies ist
beispielsweise dann vorteilhaft, wenn im Körper mehrere
Materialien verwendet werden, die voneinander abweichende
Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen. Durch
voneinander abweichende Temperaturausdehnungskoeffizienten
der Materialien des Körpers könnte es beim Erwärmen des Lots
im Körper zu mechanischen Spannungen (beispielsweise
Zugspannungen) kommen, die zu einem Defekt oder ein Riss im
Körper führen. Ein Vorwärmen hat zudem den Vorteil, dass die
Benetzbarkeit der Kontaktschicht verbessert werden kann.
Vorteilhaft wird der Körper auf eine Körpertemperatur
vorgewärmt, die nahe bei der Arbeitstemperatur des
verwendeten Lots liegt. Die Körpertemperatur liegt
beispielsweise 50°C-100°C unter der Arbeitstemperatur des
Lots.
Zur Verbesserung einer Haftung der Lotverbindung werden
insbesondere vor, während und/oder nach dem Erwärmen des Lots
die Kontaktfläche des Körpers und die Drahtoberflächen der
Drähte gegeneinander gedrückt. Es wird ein Pressdruck auf den
Körper und/oder die Drähte ausgeübt. Dies gelingt
beispielsweise mit der oben angesprochenen Bügellotanlage.
In einer weiteren Ausgestaltung wird vor dem Zusammenbringen
der Lotbahn und der Drahtoberflächen der Drähte an den
Drahtoberflächen Lot angebracht. Es werden zusätzlich zur
Kontaktfläche die Drahtoberflächen vorverlotet (vorverzinnt).
Dies gelingt beispielsweise durch Eintauchen der
Drahtoberflächen in flüssiges Lot.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vor dem
Erwärmen des Lots zwischen der Kontaktfläche des Körpers und
der Lotbahn und/oder zwischen der Drahtoberfläche und der
Lotbahn mindestens eine Haftvermittlungsschicht angeordnet.
Die Haftvermittlungsschicht hat die Aufgabe, eine möglichst
homogene und kompakte Lotverbindung zwischen der
Kontaktfläche und den Drahtoberflächen zu ermöglichen. Die
Haftvermittlungsschicht verbessert beispielsweise eine
Benetzbarkeit und damit eine Haftfestigkeit der Lotbahn auf
der Kontaktfläche. Im Verlauf des Erwärmens des Lots kann es
zur Ausbildung einer geeigneten, die Haftfestigkeit
verbessernden, intermetallischen Zwischenschicht kommen. Bei
einer Kontaktfläche in Form eines Metallisierungsstreifens
aus einer Einbrennmetallisierung mit Silber ist
beispielsweise als Haftvermittlungsschicht für ein Weichlot
mit Zinn eine Schicht aus Gold gut geeignet.
Zur Lösung der Aufgabe wird neben den Verfahren ein
elektrotechnisches Erzeugnis angegeben. Dieses Erzeugnis
weist mindestens einen Körper, mindestens eine elektrische
Kontaktfläche des Körpers und zumindest zwei nebeneinander
angeordnete Drähte auf. Dabei ist zwischen der Kontaktfläche
des Körpers und jeweils einer bestimmten Drahtoberfläche der
Drähte eine Lotverbindung angeordnet. Zudem sind die Drähte
zumindest im Bereich der Drahtoberflächen untereinander und
mit weiteren Drähten kreuzungsfrei angeordnet. Darüber hinaus
ist durch die Lotverbindungen jeweils ein Verbindungsabstand
zwischen der Kontaktfläche und der jeweiligen Drahtoberfläche
der Drähte bestimmt, der kleiner ist als ein Drahtdurchmesser
der Drähte. Das elektrotechnische Erzeugnis ist insbesondere
mit Hilfe des zuvor beschriebenen Verfahrens hergestellt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die
Drähte jeweils eine der Drahtoberfläche des Drahtes
abgekehrte freie Oberfläche auf, die im Wesentlichen frei von
Lot ist. Im Vergleich zum Verbindungsabstand, der durch die
Lotverbindung gegeben ist, ist auf der freien Oberfläche eine
Schichtdicke aus dem Lot wesentlich kleiner. Dadurch ist
gewährleistet, dass die Lotschicht auf der Kontaktfläche
möglichst dünn ist. Vorteilhaft ist es, wenn der Draht durch
die freie Oberfläche unvollständig von der Lotschicht umhüllt
ist.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist zur
Bildung der Kontaktfläche des Körpers am Körper und/oder
zwischen den Drahtoberflächen und den Lotverbindungen
zumindest eine Haftvermittlungsschicht angeordnet. Dies führt
dazu, dass die Kontaktfläche des Körpers von einer
Schichtoberfläche der Haftvermittlungsschicht gebildet ist.
Die Haftvermittlungsschicht ist beispielsweise der
Metallisierungsstreifen des Aktorkörpers. Insbesondere können
zur Haftverbesserung mehrere Haftvermittlungsschichten
vorhanden sein. Beispielsweise ist auf dem
Metallisierungsstreifen eine Schicht aus Gold aufgebracht.
Denkbar ist auch, dass ein Draht einen Drahtkern und eine
Drahtumhüllung aufweist. Während der Drahtkern vornehmlich
eine mechanische Stabilität des Drahtes gewährleistet, sorgt
die Drahtumhüllung als Haftvermittlungsschicht für eine gute
Lötbarkeit des Drahtes und damit für eine stabile
Lotverbindung sorgt. Beispielsweise besteht der Drahtkern aus
Stahl und die Drahtumhüllung aus Kupfer.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die
Lotverbindungen jeweils eine der Kontaktfläche des Körpers
und der Drahtoberfläche des jeweiligen Drahtes abgekehrte
jeweilige Verbindungsoberfläche mit einer konkaven Wölbung
auf. Die Wölbung kann als Lotmeniskus bezeichnet werden. Eine
konkave Wölbung ist dann vorhanden, wenn eine gute
Benetzbarkeit der Drahtoberfläche eines Drahtes und der
Kontaktfläche des Körpers durch das Lot gegeben ist.
Vorteilhaft ist es, wenn die Lotverbindung mit der Wölbung
entlang der Längsrichtung des Drahtes beidseitig vorhanden
und auf beiden Seiten des Drahtes annähernd gleich ist. Je
besser die Benetzbarkeit ist, desto größer ist ein
Krümmungsradius der konkaven Wölbung. Die Benetzbarkeit lässt
sich, wie oben beschrieben, durch eine
Haftvermittlungsschicht beeinflussen.
In einer weiteren Ausgestaltung weisen die Drähte einen
Drahtdurchmesser auf, der aus einem Bereich zwischen
einschließlich 20 µm bis einschließlich 200 µm, insbesondere
aus einem Bereich zwischen einschließlich 50 µm bis
einschließlich 100 µm ausgewählt ist.
In einer besonderen Ausgestaltung ist der Körper ein
piezoelektrischer Aktorkörper mit übereinander gestapelten
Elektrodenschichten und Piezokeramikschichten. Die
Kontaktfläche zur abwechselnden elektrischen Kontaktierung
benachbarter Elektrodenschichten entlang einer Expansions-
und Kontraktionsrichtung des Aktorkörpers ist an einer
Seitenfläche des Aktorkörpers angeordnet. Die Drähte
verbinden die Kontaktfläche mit einem festen Anschlussstift.
Insbesondere ist dabei der Anschlussstift im Wesentlichen in
Richtung einer Expansions- und Kontraktionsrichtung des
Aktorkörpers ausgerichtet ist. Dabei kann eine
Richtungsabweichung von bis zu 10° auftreten.
Zusammenfassend ergeben sich mit der vorliegenden Erfindung
folgende Vorteile:
- - Benötigte und verwendete Lotmenge werden aufeinander abgestimmt. Dadurch können definierte, reproduzierbare Lotverbindungen zwischen der elektrischen Kontaktfläche eines Körpers und den Drahtoberflächen von Drähten hergestellt werden. Die Lotverbindungen weisen bestimmte mechanische und elektrische Eigenschaften auf.
- - Mit dem Verfahren können mehrere Körper gleichzeitig mit Drähten verbunden und elektrisch kontaktiert werden.
- - Durch gezielte Maßnahmen wie beispielsweise die Verbesserung der Benetzbarkeit der elektrischen Kontaktfläche und der Drahtoberflächen oder das homogene Erwärmen der Lotbahn wird eine zusätzliche Verbesserung der Lotverbindungen erreicht.
- - Durch die Vorverlotung zumindest der elektrischen Kontaktfläche des Körpers ist möglich, auch sehr dünne Drähte im µm-Maßstab sicher und reproduzierbar an die Kontaktfläche anzulöten.
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen
Figuren wird das Verfahren zum Herstellen einer Lotverbindung
und ein elektrotechnisches Erzeugnis mit der Lotverbindung
vorgestellt. Die Figuren sind schematisch und stellen keine
maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
Fig. 1a und 1b zeigen ein elektrotechnisches Erzeugnis in
einem Querschnitt und in Aufsicht.
Fig. 2 zeigt einen Piezoaktor.
Fig. 3 zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer
Lotverbindung.
Fig. 4a und 4b zeigen verschiedene Möglichkeiten zum
Erwärmen des Lots der Lotbahn.
Fig. 5a und 5b zeigen eine Vorrichtung zum parallelen
Anordnen der Drähte mit zwei in Wesentlichen
parallel zueinander angeordneten Gewindestangen von
der Seite und von Oben.
Fig. 6 zeigt ein Einspritzventil.
Gegenstand ist ein elektrotechnisches Erzeugnis in Form des
eingangs beschriebenen Piezoaktors 1 (Fig. 2). Der
Piezoaktor 1 verfügt über einen Aktorkörper 11, der aus
übereinander gestapelten Elektrodenschichten 12 und
Piezokeramikschichten 13 besteht. Die Piezokeramikschichten
bestehen aus eine Bleizirkonattitanat(PZT)-Keramik und die
Elektrodenschichten aus einer Silber-Palladium-Legierung. Der
Aktorkörper 11 hat eine quadratische Grundfläche von 7 × 7 mm2
und eine Stapelhöhe von 30 mm.
Die Elektrodenschichten 12, die auch als Innenelektroden
bezeichnet werden, sind zur alternierenden elektrischen
Kontaktierung benachbarter Elektrodenschichten 12 abwechselnd
an zwei Metallisierungsstreifen 16 geführt, die an zwei
voneinander getrennte Seitenflächen 14 des Aktorkörpers 11
angeordnet sind. Eine dem Aktorkörper 11 abgewandte
Oberfläche eines Metallisierungsstreifens 16 bildet eine
elektrische Kontaktfläche 15 des Aktorkörpers 11. Die
Metallisierungsstreifen bilden die Kontaktflächen. Die
Metallisierungsstreifen beziehungsweise die Kontaktflächen
erstrecken sich in Expansions- und Kontraktionsrichtung 17
des Aktorkörpers 11 über eine Höhe, die sich aus den zu
kontaktierenden Elektrodenschichten 12 ergibt.
Mit jeweils einem Metallisierungsstreifen 16 ist ein fester,
im Wesentlichen parallel zur Expansions- und
Kontraktionsrichtung 17 ausgerichteter elektrischer
Anschlussstift 18 elektrisch leitend verbunden. Dies gelingt
mit im Wesentlichen zueinander parallel angeordneten Drähten
20 (Fig. 1a, 1b und 2). Die Drähte 20 haben einen
Drahtdurchmesser 21 von 50 µm. Der Drahtabstand 22 von Draht
20 zu Draht 20 beträgt 100 µm. Zwischen den Drahtoberflächen
23 der Drähte 20 und der Kontaktfläche 15 beziehungsweise der
Metallisierungsstreifen 16 ist jeweils eine Lotverbindung 30
angeordnet. Im Bereich 25 der Drahtoberflächen 23 und der
Lotverbindungen 30 sind die Drähte 20 durch eine parallele
Ausrichtung zueinander kreuzungsfrei angeordnet.
Durch die Lotverbindung 30 ist ein Verbindungsabstand 24
zwischen den Drahtoberflächen 23 und der Kontaktfläche 15
gegeben, der kleiner ist, als der Drahtdurchmesser 21 der
Drähte 20. Der Verbindungsabstand 24 beträgt etwa 30 µm. Die
Drähte 20 weisen jeweils eine der Drahtoberfläche 23
abgekehrte freie Oberfläche 26 auf. Die freie Oberfläche 26
ist im Wesentlichen frei von Lot 31.
Die Lotverbindungen 30 weisen jeweils eine der Kontaktfläche
15 und der Drahtoberfläche 23 abgekehrte
Verbindungsoberfläche 33 mit einer konkaven Wölbung 34 auf.
Die Wölbungen 34 sind beidseitig entlang der Längsausdehnung
27 eines Drahtes 20 gleich geformt. Auf beiden Seiten 28 und
29 eines Drahtes 20 haben die Wölbungen 34 einen annähernd
gleichen Krümmungsradius.
Um den beschriebenen Piezoaktor 1 herzustellen, werden
folgende Verfahrensschritte durchgeführt (Fig. 3): Ausgehend
von dem gesinterten Aktorkörper 11 mit den beiden
Metallisierungsstreifen 16 wird eine Lotbahn 32 mit Lot 31
auf die Kontaktflächen 15 des Aktorkörpers 11 aufgetragen
(301, Fig. 3). Ebenso wird jeweils eine Lotbahn 32 auf die
Kontaktfläche 15 der elektrischen Anschlussstifte 18
aufgetragen. Kontaktfläche 15 des Aktorkörpers 11 und
Kontaktfläche 15 des Anschlussstifts 18 werden vorverlotet.
Dabei wird die Lotbahn 32 als Lotfolie mit einer Lotbahndicke
35 von 20 µm aufgetragen. Im nächsten Verfahrensschritt 302
werden die Drahtoberflächen 23 der 50 µm dicken Drähte 20 mit
der jeweiligen Lotbahn 32 zusammengebracht, wobei darauf
geachtet wird, dass die Drähte 20 im Bereich 25 der
Drahtoberflächen 23 kreuzungsfrei angeordnet sind. Zum
kreuzungsfreien und parallelen Anordnen und zum Einstellen
des Drahtabstands 22 der Drähte 20 zueinander werden zwei
Gewindestangen 40 benutzt, die im Wesentlichen parallel
zueinander ausgerichtet sind (Fig. 5a und 5b). In das
Gewinde 41 der Gewindestangen 40 werden die Drähte 20
parallel zueinander eingespannt. Dazu werden die
Gewindestangen 40 mit einem einzigen Draht 20 mehrmals
entsprechend einer Anzahl benötigter Drahtverbindungen
zwischen dem Aktorkörper 11 und der Anschlussstifte 18
umwickelt. Der Drahtabstand 22 der Drähte 20 und damit der
Drahtabstand 22 der Drahtoberflächen 23 zueinander ergibt
sich aus der Gewindesteigung 42 der Gewindestangen 40.
Zwischen die Gewindestangen 40 werden mehrere Aktorkörper 11
und Anschlussstifte 18 derart angeordnet, dass die jeweiligen
Kontaktflächen 15 mit dem eingespannten Draht 20 in Berührung
stehen.
Im letzten Verfahrensschritt 303 wird das Lot 31 der
jeweiligen Lotbahn 32 erwärmt. Dazu wird zunächst der
Aktorkörper 11 auf eine Temperatur vorgewärmt, die 100°C
unter der Arbeitstemperatur des Lots 31 liegt. Danach wird
das Lot 31 auf Arbeitstemperatur erwärmt. Das Lot 31 wird
geschmolzen. Es entstehen die Lotverbindungen 30 zwischen der
Kontaktfläche 15 und den Drahtoberflächen 23. Nachfolgendes
Abkühlen führt zu festen Lotverbindungen 30. Das Herstellen
der Lotverbindungen 30 zwischen einer Kontaktfläche 25 und
den zugehörigen Drahtoberflächen 23 geschieht im Wesentlichen
gleichzeitig. Abschließend werden die fertigen Piezoaktoren
11 mit den Aktorkörpern 11, den Anschlussstiften 18 und den
verbindenden Drähten 20 vereinzelt.
Das Erwärmen des Lots 31 erfolgt gemäß einer ersten
Ausführungsform durch eine Bügellotanlage 51 (Fig. 4a).
Dabei werden neben dem Erwärmen durch Ausüben eines Drucks 51
die Kontaktfläche 15 und die Drahtoberflächen gegeneinander
gedrückt. In einer weiteren Ausführungsform erfolgt das
Erwärmen mittels Strahlung 52 eines Lasers.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden neben den
Kontaktflächen 15 auch die Drahtoberflächen 23 vorverlotet.
Dabei werden die Drahtoberflächen 23 in flüssiges Lot
getaucht. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird auf die
Drahtoberflächen 23 eine Haftvermittlungsschicht aufgetragen.
Ein auf diese Weise hergestellter Piezoaktor 1 wird zur
Ansteuerung eines Einspritzventils 60 einer
Brennkraftmaschine eingesetzt. Dabei ist der Piezoaktor 1
beispielsweise über einen Kolben 61 mit einer Düsennadel 62
des Einspritzventils 60 verbunden.
Claims (18)
1. Verfahren zum Herstellen jeweils einer Lotverbindung
(30) zwischen einer elektrischen Kontaktfläche (15)
zumindest eines Körpers (11) und einer bestimmten
Drahtoberfläche (23) zumindest zweier nebeneinander
angeordneter Drähte (20), mit folgenden
Verfahrensschritten:
- a) Anbringen (301) einer Lotbahn (32) aus Lot (31) mit einer bestimmten Lotbahndicke (35) an der Kontaktfläche (15) des Körpers (11),
- b) Zusammenbringen (302) der Lotbahn (32) und der Drahtoberflächen (23) der Drähte (20), wobei die Drähte (20) zumindest im Bereich (25) der Drahtoberflächen (23) untereinander und mit weiteren Drähten (19) kreuzungsfrei angeordnet werden, und
- c) Erwärmen (303) des Lots (31) der Lotbahn (32), so dass die Lotverbindungen (30) gebildet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Drähte (20) mit einem
Drahtdurchmesser (21) verwendet werden, der aus einem
Bereich zwischen einschließlich 10 µm bis einschließlich
200 µm, insbesondere aus einem Bereich zwischen
einschließlich 30 µm bis einschließlich 100 µm
ausgewählt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Lotbahn
(32) mit einer Lotbahndicke (35) verwendet wird, die
kleiner ist als der Drahtdurchmesser (21) der Drähte
(20).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die
Lotverbindungen (30) zwischen der elektrischen
Kontaktfläche (15) und den Drahtoberflächen (23) der
Drähte (20) im Wesentlichen gleichzeitig hergestellt
werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zum
Erwärmen des Lots (31) ein Laser (52) und/oder eine
Bügellotanlage (50) verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei vor
dem Zusammenbringen (302) der Lotbahn (32) und der
Drahtoberflächen (23) der Drähte (20) und/oder vor dem
Erwärmen (303) des Lots (31) ein Einstellen eines
bestimmten Drahtabstands (22) zwischen den Drähten (20)
zumindest im Bereich (25) der Drahtoberflächen (23)
durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei zum Einstellen des
Drahtabstands (22) der Drähte (20) ein im Wesentlichen
paralleles Ausrichten der Drähte (20) durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei zum parallelen
Ausrichten der Drähte (20) mindestens zwei, im
Wesentlichen zueinander parallel ausgerichtete
Gewindestangen (40) mit einem Gewinde (41) verwendet und
die Drähte (20) zwischen den Gewindestangen (40) in die
Gewinde (41) eingespannt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der
Körper (11) und/oder die Drähte (20) vor dem Erwärmen
(303) des Lots (31) vorgewärmt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei vor
dem Zusammenbringen (301) der Lotbahn (31) und der
Drahtoberflächen (23) der Drähte (20) Lot (31) an den
Drahtoberflächen (23) angebracht wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei vor
dem Erwärmen (303) des Lots (31) zwischen der Lotbahn
(32) und der Kontaktfläche (15) des Körpers (11)
und/oder zwischen der Lotbahn (15) und der
Drahtoberfläche (23) des Drahtes (20) mindestens eine
Haftvermittlungsschicht (16) angeordnet wird.
12. Elektrotechnisches Erzeugnis (1) mit
- - mindestens einem Körper (11, 18),
- - mindestens einer elektrischen Kontaktfläche (15) des Körpers (11, 18),
- - zumindest zwei nebeneinander angeordneten Drähten (20), wobei zwischen der Kontaktfläche (15) des Körpers (11, 18) und jeweils einer bestimmten Drahtoberfläche (23) der Drähte (20) eine Lotverbindung (30) angeordnet ist,
- - die Drähte (20) zumindest im Bereich (25) der Drahtoberflächen (23) untereinander und mit weiteren Drähten (19) kreuzungsfrei angeordnet sind und
- - durch die Lotverbindungen (30) ein Verbindungsabstand (24) zwischen der Kontaktfläche (15) und der jeweiligen Drahtoberfläche (23) der Drähte (20) bestimmt ist, der kleiner ist als ein Drahtdurchmesser (21) der Drähte (20).
13. Erzeugnis nach Anspruch 12, wobei die Drähte (20)
jeweils eine der Drahtoberfläche (23) des Drahtes (20)
abgekehrte freie Oberfläche (26) aufweisen, die im
Wesentlichen frei von Lot (31) ist.
14. Erzeugnis nach Anspruch 12 oder 13, wobei am Körper (11)
zur Bildung der Kontaktfläche (15) des Körpers (11) am
Körper (11) und/oder zwischen den Drahtoberflächen (23)
und den Lotverbindungen (30) zumindest eine
Haftvermittlungsschicht (16) angeordnet ist.
15. Erzeugnis nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die
Lotverbindungen (30) jeweils eine der Kontaktfläche (15)
des Körpers (11) und/oder der Drahtoberfläche (23) des
jeweiligen Drahtes (20) abgekehrte jeweilige
Verbindungsoberfläche (33) mit einer konkaven Wölbung
(34) aufweisen.
16. Erzeugnis nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die
Drähte (20) einen Drahtdurchmesser (21) aufweisen, der
aus einem Bereich zwischen einschließlich 10 µm bis
einschließlich 200 µm, insbesondere aus einem Bereich
zwischen einschließlich 30 µm bis einschließlich 100 µm
ausgewählt ist.
17. Erzeugnis nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei
- - der Körper (11) ein piezoelektrischer Aktorkörper mit übereinander gestapelten Elektrodenschichten (12) und Piezokeramikschichten (13) ist,
- - die Kontaktfläche (15) zur abwechselnden elektrischen Kontaktierung benachbarter Elektrodenschichten entlang einer Expansions- und Kontraktionsrichtung (17) des Aktorkörpers (11) an einer Seitenfläche (14) des Aktorkörpers (11) angeordnet ist, und
- - durch die Drähte (20) die Kontaktfläche (15) des Aktorkörpers (11) mit einem festen Anschlussstift (18) verbunden ist.
18. Verwendung des Erzeugnisses nach Anspruch 17 zur
Ansteuerung eines Einspritzventils (60) einer
Brennkraftmaschine.
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DE10026635A DE10026635B4 (de) | 2000-05-29 | 2000-05-29 | Verfahren zum Herstellen einer Lotverbindung, elektrotechnisches Erzeugnis mit der Lotverbindung und Verwendung des elektrotechnischen Erzeugnisses |
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
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