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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verlöten eines
ersten Elements mit einem zweiten Element, wobei im Verbindungsbereich
ein Lot aufgebracht wird, und wobei die Verbindung zumindest an
einem Verbindungsbereich erzeugt wird. Weiterhin bezieht sich die
Erfindung auf ein entsprechend gefertigtes Feldgerät der Prozess-
und Automatisierungstechnik.
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Im
Stand der Technik ist eine Reihe von Methoden bekannt, um Bauteile
miteinander zu verlöten.
Bekannt ist beispielsweise, dass auf eine Leiterplatte ein Lot aufgebracht
und dass auf das Lot ein Bauteil aufgesetzt wird. Die Leiterplatte
wird anschließend
in einen Lötofen
eingebracht, in welchem das Lot schmilzt und somit das Bauteil mit
der Leiterplatte verbindet. Eine solche Methode erlaubt das gleichzeitige
Verlöten
einer Vielzahl von Komponenten und oft auch die Anwendung von Bestückungsrobotern.
Nachteilig ist, dass jeweils ein Lötofen erforderlich und das
Verlöten
einer kleinen Anzahl ggf. unrentabel ist. Weiterhin müssen die
Bauteile geeignet für
einen solchen Prozess, d. h. entsprechend hitzebeständig sein.
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Alternativ
ist dazu das Handlöten
bekannt, in welchem mittels eines Lötkolbens ein Lot aufgeschmolzen
wird. Ein solches Verlöten
erlaubt auch das Verlöten
von Bauteilen, welche z. B. aufgrund ihres Gewichts oder ihrer sonstigen
Dimensionierung nicht für
einen Lötofen
geeignet sind. Nachteilig sind jedoch der hohe Arbeitsaufwand und
die damit verbundenen Kosten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lötverfahren vorzuschlagen, welches
die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
das erste Element nur an einem Erhitzbereich erhitzt wird, wobei
der Erhitzbereich verschieden vom Verbindungsbereich ist, und wobei
das erste Element derartig erhitzt wird, dass das erste Element
an zumindest einem Schmelzbereich eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes
des Lots aufweist.
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Das
erste und das zweite Element werden über das Lot an einem Verbindungsbereich
miteinander verbunden. Das Lot wird dabei dadurch zum Schmelzen
gebracht, dass das erste Element nur an einem einzigen Bereich,
nämlich
dem Erhitzbereich erhitzt wird. Dabei wird die Erhitzung derartig
vorgenommen, dass das erste Element an einem Bereich, nämlich dem
Schmelzbereich eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Lots
aufweist. Das erste Element dient somit temporär selbst als Werkzeug, um das
Lot schmelzen zu lassen, wodurch wiederum durch das geschmolzene
Lot die Lötverbindung
zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element erzeugt wird.
Durch diese Verbindung wird das erste Element damit anschließend zum
integralen Bestandteil der durch das Verfahren erzeugten Anordnung.
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Einige
Vorteile des erfindungsgemäßen sind, dass
es sich um ein automatisierbares Herstellverfahren mit reproduzierbarer
Qualität
handelt, dass sich eine Kostenreduzierung durch Verkürzung der Produktionszeit
einstellt, dass manuelle Tätigkeiten und
zusätzliche
Verbindungselemente weitgehend vermieden werden.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass im Verbindungsbereich das erste Element
vor oder nach oder während
des Erhitzens des ersten Elements an dem Erhitzbereich in thermischen
und/oder mechanischen Kontakt mit dem Lot gebracht wird. Damit das Lot
durch das erste Element zum Schmelzen gebracht wird, ist entsprechend
zumindest ein thermischer Kontakt zwischen dem ersten Element bzw.
genauer zwischen dem Schmelzbereich des ersten Elements und dem
Lot herzustellen. Dies kann vor der Erhitzung, danach oder während des
Erhitzens stattfinden.
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Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass der Erhitzbereich derartig gewählt und
mit der Art des Erhitzens des ersten Elements an dem Erhitzbereich
derartig abgeglichen wird, dass das Erhitzen des ersten Elements
an dem Erhitzbereich keine unmittelbare Erwärmung des Verbindungsbereichs
zur Folge hat. In dieser Ausgestaltung wird somit der Erhitzbereich derartig
gewählt
bzw. ist er derartig mit dem Erhitzprozess abgeglichen, dass es
nicht zu einer unmittelbaren Erwärmung
des Verbindungsbereichs kommt. Mit anderen Worten: der Erhitzbereich
ist weit genug vom Verbindungsbereich entfernt, so dass das Erhitzen
des ersten Elements im Erhitzbereich sich nicht unmittelbar auf
den Verbindungsbereich auswirkt. Mittelbar findet eine Erwärmung mittels
des ersten Elements statt.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass das erste Element und das zweite Element über mindestens eine
Positionierhilfe derartig relativ zueinander positioniert werden,
dass das erste Element und das zweite Element zumindest an dem Erhitzbereich
und/oder an dem Verbindungsbereich eine vorgebbare Orientierung
zueinander aufweisen. Durch diese Ausgestaltung wird sichergestellt,
dass die beiden Elemente nicht nur miteinander verbunden werden,
sondern dass sie auch je nach Art der Elemente oder je nach sonstigen
Erfordernissen relativ zueinander orientiert sind. D. h. es wird
erleichtert oder für
eine automatisierte Umsetzung ermöglicht, dass die beiden Elmente
passend und richtig miteinander verbunden werden. Die Positionierhilfe
erlaubt dabei, dass dies einfacher und somit für eine Fertigung effektiver
und kostenärmer
erfolgen kann. Bei der Positionierhilfe handelt es sich beispielsweise
darum, dass die beiden Elemente an zumindest einer Stelle wie Schlüssel und
Loch zueinander passen oder es kann sich auch um eine optische Hilfe
handeln.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass das erste Element und/oder das zweite
Element zumindest mit einer Hülse
umgeben werden/wird. Dieser Verfahrensschritt wird dabei vor oder
nach dem eigentlichen Verlöten
ausgeführt.
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Weiterhin
bezieht sich die Erfindung auf ein Feldgerät der Prozess- und Automatisierungstechnik,
in welchem zumindest zwei Elemente durch das Verfahren nach mindestens
einer der obigen Ausgestaltungen miteinander verlötet sind.
Das Feldgerät dient
dabei der Bestimmung und/oder Überwachung mindestens
einer Prozessgröße eines
Mediums. Bei der Prozessgröße handelt
es sich beispielsweise um Temperatur, Druck, Füllstand, Dichte, Viskosität, Leitfähigkeit
oder Durchfluss, wobei das Medium eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein
Schüttgut
ist.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1:
eine erste Phase des erfindungsgemäßen Lötverfahrens,
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2:
eine zweite Phase des Verfahrens, und
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3:
eine Draufsicht auf ein zweites Element.
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In
der 1 ist dargestellt, wie das erste Element 1 am
Erhitzbereich 4 erhitzt wird. Bei dem ersten Element 1 handelt
es sich dabei in dieser Ausgestaltung um zwei thermisch und elektrisch
leitfähige Leitungen.
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Das
erste Element 1 bzw. die beiden Leitungen sind dabei in
einer Hülse 7 eingebracht,
d. h. das Erhitzen findet durch diese Hülse 7 hindurch statt. Die
Hülse 7 ist
in diesem Fall Teil eines Schutzrohres, welches die beiden Elemente 1, 2 nach
dem Verlöten umgeben
soll. Durch die Hülse 7 ist
das Messgerät der
Prozess- und Automatisierungstechnik, dessen Teile das erste 1 und
das zweite Element 2 sind, vor dem direkten Prozess oder
dem Medium, von dem es zumindest einen Parameter, z. B. die Temperatur messen
soll, geschützt
bzw. abgeschirmt bzw. das ist das zweite Element 2 in einer
gewünschten
Stelle im Raum positioniert. Das erste Element 1 wird derartig erhitzt
(angedeutet durch die Pfeile), dass das erste Element 1 im
Schmelzbereich 6 eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes
des Lots 5 aufweist. Das Erhitzen kann z. B. durch Heißluft, Strahlungswärme, induktiv bzw.
durch Kontaktheizung erfolgen. In einer weiteren Ausgestaltung wird
durch eine geeignete Schutzgasatmosphäre der Lötvorgang verbessert.
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Das
Lot 5 ist hier auf dem zweiten Element 2 aufgebracht,
wobei es sich bei dem zweiten Element 2 beispielhaft um
einen Mess-Chip handelt, auf welchem der eigentliche Sensor, hier
z. B. ein Widerstandselement zur Messung bzw. Überwachung der Temperatur aufgebracht
ist.
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Das
erste Element 1 besteht somit in der hier gezeigten Ausgestaltung
aus den beiden elektrischen Leitern, mit welchen das Widerstandelement elektrisch
kontaktiert ist und durch welche die Bestromung des Widerstandselementes
möglich
ist, um aus dem Spannungsabfall über
den sich mit der Temperatur ändernden
elektrischen Widerstand auf die herrschende Temperatur des Prozesses
zu schließen.
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Dafür werden
das erste Element 1 und das zweite Element 2 am
Verbindungsbereich 3 miteinander verlötet.
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In
der 1 ist die Phase des Erhitzens dargestellt, wobei
das Lot 5 hier vorher auf dem zweiten Element 2 aufgebracht
worden ist oder wobei das erste Element 1 noch mit seinem
Schmelzbereich 6 vom Verbindungsbereich 3 entfernt
ist. Die Dimensionierung sei dabei auch so gewählt, dass das Erhitzen nicht
unmittelbar zu einer Erhitzung des Verbindungsbereichs 3 führt.
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Durch
das Erhitzen des ersten Elements 1 oder hier speziell der
beiden Leiter wird das erste Element 1 temporär zu einem
Lotwerkzeug, mit dessen Hilfe das zweite Element 2 anschließend direkt mit
dem ersten Element 1 verbunden wird. Bei dem hier gezeigten
Beispiel handelt es sich bei dem ersten Element 1 insbesondere
um ein Bauteil, welches für
die Erhitzung geeignet ist. Das Element 1 ist somit thermisch
leitfähig
und die Temperatur, bei welcher sich sicher Veränderungen des Elements 1 ergeben, liegt
oberhalb der Temperatur am Erhitzbereich 4, welche ggf.
größer als
die Temperatur am Schmelzbereich 6 ist. Beispielsweise
handelt es sich bei dem ersten Element 1 um ein mineralisoliertes
Kabel (sog. MI- oder MgO-Kabel), mit mindestens einem Innenleiter. Überdies
ist auch die Hülse 7 dafür geeignet, solche
Temperaturen zu erdulden und im beschriebenen Beispiel als Mantel
Bestandteil des MI-Kabels.
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In
der 2 ist der nächste
Schritt gezeigt, im welchem der Schmelzbereich 6 des ersten
Elements 1 in direkten Kontakt mit dem Lot 5 und
somit auch in den Verbindungsbereich 3 eingebracht wird. Das
im Schmelzbereich 6 heiße erste Element 1 bringt
das Lot zum Schmelzen, so dass sich die Lotverbindung zwischen dem
ersten Element 1 und dem zweiten Element 2 einstellt.
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In
einer alternativen bzw. unterstützenden Ausgestaltung
wird das zweite Element 2 ebenfalls erhitzt, so dass das
Lot 5 ebenfalls aufschmilzt.
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Nach
Abschluss des Lötprozesses
bzw. schon während
des Abkühlens
wird das „Lotwerkzeug", welches das erste
Element 1 war, zum festen Bestandteil der gesamten Verbindung
der beiden Elemente 1, 2.
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In
einem weiteren – hier
nicht gezeigten – Schritt
wird eine als Kappe ausgeführte
Hülse um
das zweite Element 2 herum angebracht und noch mit der Hülse 7 z.
B. durch Schweißen
verbunden, so dass die beiden Elemente 1, 2 vollständig von
einem Schutzrohr umgeben sind.
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Das
Lötverfahren
ist somit beispielsweise ein Schritt zur Herstellung allgemein eines
Messgerätes der
Prozess- und Automatisierungstechnik und insbesondere eines Temperatur-,
Druck-, Leitfähigkeits- oder
Ultraschallsensors.
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In
der 3 schließlich
ist eine Draufsicht auf das zweite Element 2 mit einer
Positionierhilfe 8 dargestellt. Vom zweiten Element 2 sind
hier der Träger
und darauf die Widerstandstruktur zu sehen. Die Widerstandsstruktur
ist mit zwei Anschlusspads rechts und links verbunden, mit welchen
wiederum die beiden Leiter des ersten Elements 1 erfindungsgemäß verlötet werden.
Die der Automatisierung des Verfahrens dienende Positionierhilfe 8 ist
hier eine Eckschräge,
welche der Orientierung des ersten und des zweiten Elements zueinander
dient. In einer alternativen Ausgestaltung ist eine Kerbe für diese
Aufgabe vorgesehen. In einer weiteren Ausgestaltung sind auf dem
ersten bzw. dem zweiten Element optische Markierungen vorgesehen.
Die Positionierhilfe 8 erleichtert die Fertigung und macht
sie sicherer.
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Insbesondere
sind die Anschlusspads des zweiten Elements 2 derartig
ausgestaltet, dass sie zu den Leitern des ersten Elements 1 fluchten
und in ihrer Form zu diesen passen.
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Dargestellt
ist in den 1 bis 3 die eigentliche
Sensoreinheit eines Temperatursensors. Besonders bei einem solchen
Temperatursensor kann somit ein direkter Lötkontakt zwischen der eigentlichen
Sensoreinheit 2 und den Leitern des MI-Kabels 1 erzeugt
werden, ohne dass sensible Anschlussdrähte erforderlich sind. Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann jedoch beispielsweise auch bei jedem anderen Feldgerät der Prozess-
und Automatisierungstechnik oder bei sonstigen zu verlötenden Bauteilen
Anwendung finden. In einer besonderen Ausgestaltung ist das zweite
Element 2, also insbesondere der Sensorchip, in der Ummantelung
des ersten Elements, also insbesondere des MI-Kabelmantels befindlich.
Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren
vorteilhaft anzuwenden, wenn die Querschnitt der zu verbindenden
Komponenten sehr klein werden.
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- 1
- Erstes
Element
- 2
- Zweites
Element
- 3
- Verbindungsbereich
- 4
- Erhitzbereich
- 5
- Lot
- 6
- Schmelzbereich
- 7
- Hülse
- 8
- Positionierhilfe