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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen einer Lotverbindung
zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil. Die beiden Bauteile
sind beispielsweise Bestandteile eines Messgerätes der Prozess- und Automatisierungstechnik.
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Im
Stand der Technik sind Dünnschicht-Sensoren,
insbesondere Resistance Temperature Detectors (RTD), bekannt, bei
welchen auf einer Seite in Dünnschicht-Technologie
das Sensorelement aufgebracht ist, welche mit Anschlussdrähten versehen und
auf der Rückseite
metallisch beschichtet sind. Als Beispiel sei der Pt 100 genannt.
Bekannt sind weiterhin Lötverfahren
(z. B. SMD-Lötung),
bei denen zunächst
das Lot oder die Lötpaste
auf das Trägermaterial
oder die Leiterkarte aufgebracht wird und anschließend das
Bauteil aufgesetzt und durch Erhitzung mit dem Trägermaterial
verschmolzen wird. Weiterhin bekannt sind Kompaktthermometer und Durchflussschalter,
insbesondere solche mit in einer Fühlerspitze oder eine Schutzröhre aufgelöteten Sensorelementen
(vgl. die Anmeldungen
DE
10 2005 015 692 oder
DE
10 2005 015 691 ).
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Entscheidend
für die
thermischen und damit messtechnischen Eigenschaften von Thermometern mit
in der Fühlerspitze
aufgelöteten
Dünnschichtsensoren
ist das reproduzierbare Löten
des Sensors auf den Innenboden einer z. B. aus Edelstahl bestehenden
Hülse.
Insbesondere bei Durchflussschaltern ist neben der Menge auch die
Homogenität
und geometrische Verteilung des Lotes entscheidend für die qualitativ
konstante Produktion der Fühlerelemente und
deren messtechnischen Eigenschaften. Dies kann u. a. entscheidend
dafür sein,
ob diese Fühler anschließend noch
einzeln kalibriert werden müssen oder
nicht. Insbesondere bei der Miniaturisierung der Fühlerelemente
sind konstante, reproduzierbare Herstellverfahren Grundlage für eine hochwertige
und effiziente Fühlerproduktion.
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Bei
der konventionellen Herstellung wird eine definierte Menge Lot in
festem Zustand („Lotplättchen") in die Edelstahlhülse eingebracht.
Durch anschließendes
Erhitzen der Hülse
verschmilzt das Lot mit dem Hülsenboden.
In das Lot wird das rückseitig
metallisierte Sensorelement eingetaucht und somit verlötet. Eine
stets gleichbleibende Lotverteilung ist hiermit praktisch nur schwer
sicherzustellen, hängt
diese doch u. a. von der Lage des Lotplättchens vor der Erhitzung,
dem Verdampfen eines evtl. darin enthaltenen Flussmittels und den
daraus resultierenden Adhäsions-
und Kohäsionskräften des
flüssigen
Lotes, wie auch der Kraft, mit der das Sensorelement in das flüssige Lot
gedrückt
und positioniert wird, ab. Die Dicke der Lotschicht, wie auch die
Verteilung des Lotes um den Sensor herum ist somit praktisch nicht
kontrolliert herstellbar und erfordert aufwendige Vorarbeiten und
Abläufe.
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Die
Aufgabe besteht daher darin, ein Verfahren zur Herstellung einer
Lotverbindung vorzuschlagen, welches reproduzierbare Ergebnisse
liefert.
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Die
Erfindung löst
die Aufgabe dadurch, dass auf das erste Bauteil eine vorgebbare
Menge Lot aufgebracht wird, dass das erste Bauteil an das zweite Bauteil
derartig angenähert
wird, dass sich das Lot zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten
Bauteil befindet, und dass das Lot aufgeschmolzen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist beispielsweise ein Teil eines Verfahrens zum Herstellen eines
Temperatursensors, wobei mindestens eine Lotverbindung nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren – ggf. auch
in Gestalt mindestens einer der nachfolgenden Ausgestaltungen – erzeugt
wird.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass das Lot derartig auf das erste Bauteil aufgebracht
wird, dass das Lot wenigstens einen Bereich mit einer im Wesentlichen
konstanten Schichtdicke aufweist, wobei die Schichtdicke des Lots
außerhalb
des Bereichs mit konstanter Schichtdicke geringer ist als die konstante
Schichtdicke. In einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem Lot
um ein Lotplättchen,
d.h. um Lot in Form einer Scheibe. Das Lot kann dabei bereits ein
Flussmittel beeinhalten oder es wird zusätzlich aufgebracht.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
beinhaltet, dass das erste Bauteil derartig an das zweite Bauteil
angenähert
wird, dass das erste Bauteil und das zweite Bauteil eine vorgebbare Orientierung
zueinander aufweisen. Die beiden Bauteile schließen also beispielsweise einen
bestimmten Winkel zueinander ein oder beide Bauteile haben im Bereich
der Lötstelle
einen im Wesentlichen konstanten Abstand zueinander. Dabei wird
die Orientierung zumindest während
des Annäherns
der beiden Bauteile aneinander eingehalten.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass das erste Bauteil derartig an das zweite Bauteil
angenähert
wird, dass das erste Bauteil und das zweite Bauteil zumindest in
dem Bereich, in welchem das Lot die konstante Schichtdicke aufweist,
parallel zueinander angeordnet sind. Die Bauteile haben somit zumindest
in dem Bereich, in welchem sich das Lot befindet, einen konstanten Abstand.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
beinhaltet, dass das erste Bauteil derartig an das zweite Bauteil
angenähert
wird, dass das erste Bauteil und das zweite Bauteil eine vorgebbare Orientierung
zueinander aufweisen, wobei durch die Orientierung bewirkt wird,
dass das erste Bauteil und das das zweite Bauteil über das
Lot aneinander gezogen werden. In dieser Ausgestaltung werden somit die
Adhäsions-
und Kohäsionskräfte bzw.
ein aus diesen resultierender Kraftvektor verwendet. Diese Ausgestaltung
setzt voraus, dass der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten
Bauteil gering ist, dass also beispielsweise ein direkter Kontakt
zwischen dem Lot und jedem der beiden Bauteile besteht. Weiterhin
ist auch zumindest ein Bauteil so leicht auszugestalten, dass die
Kräfte
des Lots zu einer Bewegung zumindest des leichteren Bauteils in
Richtung auf das andere Bauteil führen.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass das erste Bauteil zumindest teilweise in das zweite
Bauteil eingebracht wird. Bei dem zweiten Bauteil handelt es sich
somit beispielsweise um ein Rohr oder um eine Hülse, in welche beispielsweise
ein eigentlicher Sensor als erstes Bauteil eingebracht wird, oder
um ein Gehäuse
oder ein Gehäusebestandteil.
In dieser Ausgestaltung ist somit auch das zweite Bauteil größer ausgestaltet
als das erste.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
beinhaltet, dass das erste Bauteil derartig in das zweite Bauteil,
bei welchem es sich um eine Röhre
mit einem Boden handelt, eingebracht wird, dass der Boden der Röhre sich
entgegen der Richtung der Schwerkraft oberhalb vom ersten Bauteil
befindet. Diese Orientierung des Bodens oberhalb des ersten Bauteils
wird dabei während
des Lötverfahrens
erzeugt. In dieser Ausgestaltung wird somit das erste Bauteil in
das zweite eingebracht, indem es quasi nach oben – d.h. bezogen
auf die Schwerkraft – in
Richtung auf den Boden des zweiten Bauteiles zu bewegt wird. Handelt
es sich beispielsweise bei dem ersten Bauteil um einen Widerstandstemperatursensor,
so wird dieser vorzugsweise flach auf dem Boden des Schutzrohres
als zweitem Bauteil eingebracht. Wird das erste Bauteil mit dem
Lot, bei welchem es sich beispielsweise um ein erwähntes Lotplättchen handelt,
von unten nach oben in Richtung auf den Boden des zweiten Bauteiles
bewegt, so ruht das Lot auf dem ersten Bauteil und die relative
Lage zwischen erstem Bauteil, Lot und zweitem Bauteil hängt von
deren jeweiliger Geometrie und der Bewegung der Annäherung ab.
Befindet sich das genannte Lotplättchen
auf einer ebenen Seite des ersten Bauteils und ist ebenfalls der
Boden des zweiten Bauteils im Bereich der zu erzielenden Lotverbindung
flach, so lässt
sich auch eine Lotverbindung erzeugen, die beispielsweise eine optimale
thermische Verbindung zwischen erstem und zweitem Bauteil erlaubt
bzw. bei welcher eine in Bezug auf die Messung aktive Fläche des
ersten Bauteils maximal ausgenutzt wird und auch die gleiche Temperatur
sieht.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass das Lot derartig auf dem ersten Bauteil aufgebracht
wird, dass das Lot zumindest während
der Annäherung
des ersten Bauteils an das zweite Bauteil vermittels der Schwerkraft
mit dem ersten Bauteil verbunden bleibt. Eine Umsetzung dieser Ausgestaltung
besteht darin, dass das Lot auf dem ersten Bauteil ruht, während die
Annäherung
an das zweite Bauteil stattfindet, d.h. das das Lot also quasi auf
dem ersten Bauteil in Richtung des zweiten Bauteils bewegt wird.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
beinhaltet, dass das zweite Bauteil vor und/oder während der
Annäherung
des ersten Bauteils an das zweite Bauteil erhitzt wird. Handelt
es sich bei dem zweiten Bauteil um ein metallisches Schutzrohr,
so führt
dies auch zu einer Erwärmung seines
Innenraumes. In einer weiteren Ausgestaltung wird der Bereich der
Lotverbindung mit einem passenden Schutzgas gespült. In einer weiteren Ausgestaltung
wird ein Flussmittel im Bereich der zu erzeugenden Lotverbindung
aufgebracht.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass das Lot auf das erste Bauteil aufgeklebt wird. Beispielsweise
wird ein Lotplättchen
auf das erste Bauteil durch eine Klebung fixiert, um somit auch
bei einer beliebigen Orientierung von erstem und zweitem Bauteil
zueinander und auch zur Schwerkraft zu gewährleisten, dass das Lot die
gewünschte
Stellung zwischen den beiden Bauteilen einnimmt und somit auch eine
gewünschte
Geometrie der Lotverbindung erzielt wird.
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Die
Erfindung beschreibt somit – je
nach Ausgestaltung – in
zumindest einer Variante ein Verfahren, das unter Nutzung von Kapillarwirkung,
sowie Adhäsion
und Kohäsion
des Lotes eine reproduzierbare Herstellung von Fühlerelementen mit innenliegenden
Sensorelementen ermöglicht.
In Abhängigkeit
von Masse und Aufbau des Sensors wird das Lötverfahren so eingestellt,
dass der aus der Wechselwirkung zwischen Adhäsion und Kohäsion des
Lotes resultierende Kraftvektor den Lötvorgang, und damit Schichtdicke,
Qualität
und Geometrie der Lötschicht,
bestimmt.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lötvorganges
umfasst dabei beispielsweise folgende Verfahrensschritte für den Fall
einer Fertigung eines Temperatursensors, bei welcher das zweite
Bauteil eine Hülse
und das erste Bauteil ein Sensorelement ist:
Zunächst wird
die Oberfläche
der Hülseninnenseite gereinigt.
Dies geschieht entweder mechanisch oder es findet eine Oxydbeseitigung
durch geeignetes Flussmittel statt.
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Dann
wird auf der metallisierten Rückseite des
Sensorelements eine geeignete Menge Lot aufgebracht, vorzugsweise
durch Lötpaste
(die auch selbst ein Flussmittel beinhalten kann). Diese Beschichtung
kann durch verschiedene Herstellverfahren erfolgen, vorzugsweise
z. B. durch Aufbringen einer konstanten Schichtdicke durch geeignete
Schablonen, ggf. auch durch Bedampfen, Besprühen o. ä. Alternativ wird ein Lotplättchen positioniert.
Der eigentliche Lötvorgang
wird vorzugsweise „über Kopf" ausgeführt, d.
h. die Hülse
wird mit der Öffnung
nach unten bzw. mit dem Boden nach oben positioniert.
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Anschließend wird
der Boden der Hülse
auf eine definierte Temperatur über
dem Schmelzpunkt des Lotes erhitzt.
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Im
nächsten
Prozessschritt wird das Sensorelement so weit von unten in die Hülse eingeführt (vorzugsweise
geführt
zentriert), dass die Strahlungswärme
das auf dem Sensor befindliche Lot zum Schmelzen bringt. Anschließend wird
der Kontakt zwischen Hülsenboden
und flüssigem
Lot hergestellt. Die Adhäsionskraft
des nun flüssigen
Lotes, bzw. der aus Adhäsion
und Kohäsion
des flüssigen
Lotes resultierende Kraftvektor, zieht (unterstützt durch eine entsprechende
Stützkraft)
das Sensorelement an den Boden der Hülse und stellt so eine symmetrische Lötverbindung
her. Anschließend
wird die Hülse
abgekühlt,
um das Lot auszuhärten
und die Lotverbindung zu stabilisieren.
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Die
sich daraus ergebenden Vorteile sind u. a.: kostengünstiger,
automatisierbarer Ablauf; gleichbleibende, produzierte Qualität der Lötverbindung; reproduzierbare
Sensoreigenschaften; keine zusätzliche
Kalibrierung erforderlich (z. B. bei kalorimetrischen Durchflussschaltern),
optimale Gestaltung des Wärmeleitpfades.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1a) bis h): schematische Darstellungen von unterschiedlichen
Stadien der Erzeugung von Lötverbindungen
gemäß dem Stand
der Technik,
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2a) bis e): schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Lötverfahrens,
und
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3:
eine schematische Darstellung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
erzeugten Temperaturmessgerätes.
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In
den 1a) bis c) ist als erstes Bauteil
jeweils ein Temperatursensor 1 dargestellt. Das zweite Bauteil 2 ist
jeweils eine Röhre 5 mit
einem Boden 6. Allgemein ist also ein Beispiel gezeigt
dafür,
dass ein erstes Bauteil 1 in das zweite Bauteil 2,
welches quasi als Hülle
fungiert, eingebracht und dort durch eine Lotverbindung fixiert
wird.
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In
der 1a) befindet sich das Lot 3 in
Form eines Lotplättchens
optimal im Zentrum der Hülse 2. Dies
führt dazu,
dass beim Erhitzen sich das Lot, wie in der 1b) dargestellt,
gleichmäßig auf
dem Boden verteilt und dass anschließend auch das Sensorelement 1 gut
positioniert ist. Somit sind also das erste 1 und das zweite
Bauteil 2 im Bereich des Bodens 6 parallel zueinander
angeordnet. Dies ist der optimale Fall, der jedoch im Stand der
Technik nicht immer erreicht wird.
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In
der 1d) kommt das Lot 3 schief
zu liegen, da es beispielsweise willkürlich in die Röhre 5 fallengelassen
worden ist. Schmilzt das Lot 3, so ergibt sich eine asymmetrische
Form (1e), welche es mit sich bringt,
dass auch das Sensorelement 1 schlecht und willkürlich als
Endlage fixiert wird (1f) bis 1h)).
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Um
diese Nachteile zu vermeiden, wird das erfindungsgemäße Verfahren
vorgeschlagen, dessen Schritte in der 2 dargestellt
sind:
Die 2a) zeigt das Sensorelement
als erstes Bauteil 1, auf welchem das Lot 3 in
Form eines Lotplättchens
liegt. Alternativ wird das Lot mittels einer Lotpaste aufgetragen.
Das Lot 3 wird somit durch die Schwerkraft auf dem ersten
Bauteil 1 festgehalten. In der 2b) ist
das zweite Bauteil 2 gezeigt, bei welchem es sich um eine
Hülse oder
ein Rohr 5 mit einem Boden 6 handelt. Die Hülle 2,
welche das zweite Bauteil ist, ist dabei für das Verfahren derartig angeordnet,
dass der Bereich, mit welchem die Lotverbindung erfindungsgemäß zu erzielen
ist, entgegen der Schwerkraft oberhalb des einzubringenden und zu befestigenden
ersten Bauteils 1 orientiert ist, d.h. der Boden 6 befindet
sich oben und die Öffnung
der Hülse
unten. Die Hülse 2 wird,
wie hier durch die Pfeile angedeutet, erhitzt. In einer Ausgestaltung
wird gleichzeitig der Innenraum gespült oder es wird ein passende
Flussmittel zur Vermeidung der Oxidation eingesetzt.
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In
der 2c) wird angedeutet, dass das erste
Bauteil 1 mit dem Lot 3 in Richtung des Bodens 6 des
zweiten Bauteils bewegt wird. Das erste Bauteil 1 wird
dabei vorzugsweise zentrisch in die vorgeheizte Hülse 2 eingebracht.
Bei diesem Einbringen schmilzt das Lot 3 (2d)),
wobei das erste Bauteil 1 immer weiter in Richtung auf
seine Endposition, also nach oben bewegt wird. Ist der Endpunkt
erreicht, welcher auch von der Höhe
des Lots bzw. von der Höhe
der zu erzielenden Lotverbindung abhängt, so beginnen die Adhäsions- und Kohäsionskraft
des Lotes, bzw. der daraus resultierende Kraftvektor zu wirken,
indem das erste Bauteil, also das Sensorelement 1 an den
Boden 6 der Hülse 5 herangezogen wird.
Diese Überkopflötung führt also
zu einer gleichmäßigen Lötverbindung.
Hierfür
sind ggf. auch eine entsprechende Haltung und ein Verschiebemechanismus
vorzusehen, welche für
eine optimale Ausrichtung der beiden Bauteile zueinander zu sorgen haben.
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In
der 3 ist noch einmal das Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens
gezeigt. Das erste Bauteil 1 ist als ein Beispiel ein Widerstandtemperatursensorelement,
welches an einer Seite eine Metallisierungsschicht 7 und
an der anderen Seite entsprechende Anschlussdrähte 8 aufweist. Dieses Sensorelement 1 ist über ein
Lot 3 mit dem Boden 6 der Hülse 5 des zweiten
Bauteils 2 verbunden.
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- 1
- Erstes
Bauteil
- 2
- Zweites
Bauteil
- 3
- Lot
- 5
- Röhre
- 6
- Boden
- 7
- Metallisierung
- 8
- Anschlussdrähte