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Die Erfindung bezieht sich auf ein Lötverfahren zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Verbindung, welches insbesondere bei wärmeempfindlichen elektrischen Bauteilen einsetzbar ist.
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Elektrisch leitende Verbindungen werden allgemein durch Schrauben, Löten, Verpressen oder Schweißen hergestellt. Im Gegensatz zu Schrauben und Verpressen entsteht beim Löten und Schweißen Wärme, welche auf Teile übertragen wird, die mit der elektrisch leitfähigen Verbindung Kontakt haben.
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Sowohl Löten als auch Schweißen sind stoffschlüssige Verbindungen. Sie sind miteinander verwandt und können zusammen betrachtet werden. Bei beiden Verfahren wird ein Stoff durch Wärme aufgeschmolzen, der dann zwei vorher separate Teile miteinander verbindet. Die Festigkeit der Verbindung wird zum einen durch das Grundmaterial der Teile bestimmt, zum anderen aber auch durch den verbindenden Stoff. Der Verbindungsstoff kann entweder aus einem der Teile oder aus beiden Teilen stammen, er kann aber auch als Zusatzmaterial zwischen die Teile eingebracht werden.
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Es ist üblich, Kondensatoren und Akkumulatoren mittels Kontaktlaschen miteinander zu verbinden oder auf Platinen in elektronischen Geräten aufzulöten. Hierbei sind die Kontaktlaschen mit den Polen der Kondensatoren oder Akkumulatoren verschweißt oder verlötet. Problematisch am Verschweißen oder Verlöten der Pole ist jedoch, dass Akkumulatoren und auch bestimmte Kondensatoren ein Elektrolyt enthalten, das eine Siede- oder Zersetzungstemperatur besitzt, die meist niedriger ist als die beim Schweißen oder Löten der Verbindung an die Pole benötigte Temperatur. Die Kontaktlaschen müssen also entweder vor dem Einfüllen des Elektrolyts an die Pole gelötet oder geschweißt werden, oder die Prozesswärme des Lötens oder Schweißens muss so gering sein, dass das Elektrolyt nicht zu hoch erwärmt wird.
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Um Kondensatoren erst nach Fertigstellung mit Kontaktlaschen zu verbinden, wurden Verfahren mittels Laserschweißen entwickelt. Bei diesen Verfahren wird durch eine schnelle Erwärmung des Materials insgesamt nur wenig Prozesswärme erzeugt. Die Kontaktlaschen werden mit einer engen Passung auf die Pole gesteckt und der Spalt dann mit einem Laser verschweißt. Der dabei aufgeschmolzene Werkstoff (das sogenannte Schweißbad) darf dabei nur einen Bruchteil der Bauteildicke betragen, um das darunter angrenzende Elektrolyt durch die Erwärmung nicht zu beschädigen. Ein Problem dabei ist jedoch, den Laser genau auf den Spalt zu fokussieren.
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DE 10 2006 005 532 löst das Problem der Fokussierung des Lasers mittels einem Anschlusspol, der von der Kontaktlasche komplett abgedeckt wird und dann durch die Lasche hindurch mit dieser aufgeschmolzen wird. Diese Lösung bringt es jedoch mit sich, dass noch mehr Material aufgeschmolzen werden muss als nur in einem Spalt. Dadurch ist insgesamt also noch mehr Prozesswärme zu erzeugen als bei den zuvor beschriebenen Verfahren.
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Ein anderes Problem beim Laserschweißen besteht darin, dass Gehäuse von Kondensatoren in der Regel aus Aluminium hergestellt sind, welches einen Schmelzpunkt von 660°C hat. Beim Laserschweißen müssen verfahrensbedingt auch die Kontaktlaschen aus Reinaluminium gefertigt sein. Solche Kontaktlaschen erfordern jedoch, dass auch die Kontaktlaschen bei der Temperatur von 660°C aufgeschmolzen werden müssen. Die erforderliche Prozesswärme gefährdet das Elektrolyt.
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Zudem sind solche Kontaktlaschen aus Reinaluminium weniger marktüblich und daher teurer als marktübliche Kontaktlaschen, meist aus Kupfer.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Lötverfahren zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Verbindung zu schaffen, bei welchem insbesondere sowohl keine Fokussierung auf einen Spalt erforderlich ist als auch ein großer Wärmeeintrag vermieden ist, so dass es insbesondere bei wärmeempfindlichen elektrischen Bauteilen einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Lötverfahren zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Verbindung nach Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen des Lötverfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Mit dem genannten Lötverfahren wird insgesamt nicht nur weniger Prozesswärme benötigt als bei herkömmlichen Verfahren, sondern der Wärmefluss ist auch vom Ablauf des Prozesses her zum Schutz des elektrischen Bauteils, insbesondere seines Elektrolyts unter Aluminium bei einem elektrischen Kondensator oder einer Batterie, optimiert, was insbesondere für wärmeempfindliche elektrische Bauteile vorteilhaft ist.
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Darüber hinaus entfällt das beim Stand der Technik notwendige aufwändige Fokussieren eines Laserstrahls auf einen kleinen Spalt. Dadurch ist das beschriebene Lötverfahren sowohl zeitsparender als auch kostengünstiger. Es können einfachere und damit günstigere Vorrichtungen zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Verbindung zum Einsatz kommen.
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Außerdem können bei dem zuvor genannten Lötverfahren handelsübliche Kontaktlaschen aus verzinntem Kupfer verwendet werden. Die Kontaktlaschen müssen nur eben bzw. flach auf den Pol eines elektrischen Bauteils, wie eine Batterie, ein Akkumulator oder ein Kondensator, usw., gelegt werden und müssen nicht extra entsprechend dem Anschlusspol des elektrischen Bauteils geformt und in den Abmessungen toleriert sein. Dies senkt die Kosten für die zu verwendenden Kontaktlaschen. Zudem vereinfacht dies die Herstellung der elektrisch leitfähigen Verbindung und senkt dadurch wiederum die Kosten für die Herstellung der elektrisch leitfähigen Verbindung.
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Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
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Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine Seitenansicht eines elektrischen Bauteils, welches mit einer Kontaktlasche über eine elektrisch leitfähige Verbindung verbunden ist, die mit einem Lötverfahren zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Verbindung gemäß einem Ausführungsbeispiel hergestellt ist;
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2 eine Draufsicht auf das in 1 gezeigte elektrische Bauteil, welches mit der Kontaktlasche über die elektrisch leitfähige Verbindung verbunden ist;
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3 eine Teilschnittansicht des in 1 gezeigten elektrischen Bauteils und der Kontaktlasche, welche über die elektrisch leitfähige Verbindung verbunden sind;
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4 ein Flussdiagramm eines Lötverfahrens zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Verbindung gemäß dem Ausführungsbeispiel; und
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5 ein Flussdiagramm eines Lötverfahrens zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Verbindung gemäß einer Modifikation des Ausführungsbeispiels.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein elektrisches Bauteil 1, das ein Kondensator, eine Batterie, insbesondere ein Akkumulator, usw., sein kann. In 1 ist das elektrische Bauteil 1 ein Kondensator. Das elektrische Bauteil hat zwei Pole 11, 12, die mit nicht dargestellten Elektroden im Inneren des elektrischen Bauteils 1 verbunden sind. Die zwei Pole 11, 12 führen aus dem Inneren des elektrischen Bauteils 1 auf sein Äußeres und dienen als Anschlüsse des elektrischen Bauteils 1. Der Pol 11 ist mit einer Kontaktlasche 2 elektrisch leitfähig verbunden, die an dem Pol 11 anliegt. Ferner ist der Pol 12 mit einer Kontaktlasche 3 elektrisch leitfähig verbunden, die an dem Pol 12 anliegt. Zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen den Polen 11, 12 und den jeweiligen Kontaktlaschen 2, 3 dient ein von einem Laser 4 abgestrahlter Laserstrahl 5.
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2 zeigt das elektrische Bauteil 1 von 1 mit seinem Pol 11 und der Kontaktlasche 2 von oben. Die Kontaktlasche 2 liegt in 2 eben, oder anders ausgedrückt flach, auf dem Pol 11 auf, der ebenso wie das elektrische Bauteil 1 einen kreisrunden Umfang hat. In 2 ist die Kontaktlasche 2 eine ebene Platte, wohingegen der Pol 11 als kreisrunde Scheibe ausgeführt ist, die ebenfalls eben ist.
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3 zeigt die elektrisch leitfähige Verbindung 6 zwischen dem Pol 11 und der Kontaktlasche 2 schematisch. Die Kontaktlasche 2 ist aus verzinntem Kupfer gefertigt. Das heißt, die Kontaktlasche 2 hat einen Kern 21 aus Kupfer, der außen mit einer Zinnschicht 22 überzogen ist. Der Schmelzpunkt von Zinn liegt bei ca. 232°C. Der Schmelzpunkt von Kupfer liegt bei ca. 1084°C. Demgegenüber sind die Pole 11, 12 aus Aluminium gefertigt, dessen Schmelzpunkt bei ca. 660°C liegt. Die Kontaktlasche 2 hat somit zumindest an der Oberfläche ein Material, das einen geringeren Schmelzpunkt als das Material des Pols 11 hat.
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Zum Herstellen der elektrisch leitfähigen Verbindung 6 wurde die Kontaktlasche 2 an ihrer dem Pol 11 abgewandten Seite mit dem Laser 4 kurz erwärmt, wie in 1 dargestellt. Die Wärme fließt sehr rasch durch den Kern 21 aus Kupfer zur Zinnschicht 22 vor dem Pol 11 aus Aluminium. Erst wenn die Zinnschicht 22 aufgeschmolzen ist und die Lötverbindung, das heißt die elektrisch leitfähige Verbindung 6, zum Pol 11 aus Aluminium hergestellt hat, kann Wärme in größerem Maße in den Pol 11 aus Aluminium einfließen. Dann wird aber die Wärme auch schon wieder in die weiterreichende Kontaktlasche 2, genauer gesagt ihren Kern 21 aus Kupfer, abgeführt. Somit kann das Herstellen der elektrisch leitfähigen Verbindung 6 nicht zu einer Schädigung im Inneren des elektrischen Bauteils 1, insbesondere seines Elektrolyts, führen.
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Kurz erwärmt bedeutet in diesem Fall, dass die Oberfläche der Kontaktlasche 2 nur solange über die Schmelztemperatur ihres Materials erwärmt wird, um eine Lötstelle am Pol 11 zu erzeugen. Es genügt also, die Kontaktlaschen 2, 3 nur kurz über die Schmelztemperatur von Zinn, das sich an der Oberfläche der Kontaktlaschen 2, 3 befindet, und das auch noch nur punktuell zu erwärmen, um eine Lötstelle an dem jeweiligen aus Aluminium gefertigten Pol 11, 12 zu erzeugen. Hierfür wird die Kontaktlasche 2, wie in 1 gezeigt, an ihrer dem Pol 11 abgewandten Seite mit dem Laser 4 punktuell erwärmt. Der Punkt ist vorzugsweise kleiner als die gesamte Fläche, an der die Kontaktlasche 2 und der Pol 11 aneinander anliegen, wie auch aus 3 aus der Größe der elektrisch leitfähigen Verbindung 6 gegenüber der Kontaktlasche 2 und dem Pol 11 ersichtlich. Für eine solche Erwärmung ist der Laserstrahl 5 des Lasers 4 gut geeignet.
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Um die Fläche der Lötverbindung zu erhöhen, kann die Anwendung des Laserstrahles nach dem Abkühlen des Laserpunktes noch öfters und in örtlicher Nachbarschaft wiederholt werden. Die Prozesswärme wird durch die Kernmasse der Kontaktlasche relativ rasch abtransportiert.
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Bei dem beschriebenen Verfahren, einem Lötverfahren, wird nur das Zusatzmaterial erschmolzen, aber in der Grenzschicht zwischen Grund- und Zusatzmaterial bilden sich Legierungen, die ebenfalls einen Stoffschluss zwischen den Teilen herstellen. Das Zusatzmaterial beim Löten, hier Zinn, hat einen wesentlich niedrigeren Schmelzpunkt als die Grundmaterialien, hier Aluminium und Kupfer, weshalb weniger Wärmeenergie aufzuwenden ist. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber dem zuvor beschriebenen Schweißen, bei welchem das Grundmaterial der Teile (Kontaktlasche, Pol) mit aufgeschmolzen wird. Deshalb ist beim Schweißen mehr Wärmeenergie als beim Löten aufzuwenden, die dann auch in die Teile eingebracht wird.
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Die Kontaktlasche 3 ist genauso aufgebaut wie die Kontaktlasche 2, so dass für deren Aufbau und das Herstellen einer elektrisch leitfähigen Verbindung 6 mit dem Pol 12 auf die vorangehende Beschreibung verwiesen wird.
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4 zeigt das zuvor beschriebene Lötverfahren zum Herstellen der elektrisch leitfähigen Verbindung 6 in der Übersicht. Nach dem Start des Lötverfahrens bei Schritt S1 werden bei Schritt S2 die Kontaktlasche 2 und der Pol 11 des elektrischen Bauteils 1 aneinander angelegt. Hierbei hat die Kontaktlasche 2 zumindest an der Oberfläche ein Material, das einen geringeren Schmelzpunkt als das Material des Pols hat, wie zuvor beschrieben. Bei Schritt S3 wird die Kontaktlasche 2 mittels des Laserstrahls 5 des Lasers 4 punktuell erwärmt, wie zuvor beschrieben.
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5 zeigt eine Modifikation des in 4 gezeigten Lötverfahrens. Zusätzlich zu den Schritten S1 bis S4 des Lötverfahrens gemäß dem Ausführungsbeispiel, hat das Lötverfahren gemäß der Modifikation des Ausführungsbeispiels einen Schritt S5, bei welchem die Oberfläche der Kontaktlasche 2, welche nach dem Schritt des aneinander Anlegens dem Pol 11 zugewandt ist, mit einem Flussmittel zur besseren Lötbarkeit benetzt wird. Alternativ oder zusätzlich zur genannten Oberfläche der Kontaktlasche 2 kann auch die Oberfläche des Pols 11, welche nach dem Schritt des aneinander Anlegens der Kontaktlasche 2 zugewandt ist, mit dem Flussmittel zur besseren Lötbarkeit benetzt werden. Das Flussmittel kann auch zusätzliche Lotmasse mit einschließen.
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Schritt S5 findet vor dem Schritt S4 des punktuellen Erwärmens statt, wie in 5 dargestellt. Zudem ist es vorteilhaft, wenn Schritt S5 auch vor dem Schritt S2 des aneinander Anlegens von Kontaktlasche 2 und Pol 11 bzw. Kontaktlasche 3 und Pol 12 stattfindet, da in diesem Fall keinerlei Rücksicht auf die Geometrie der Konstruktion aus aneinander angelegter Kontaktlasche und Pol zu nehmen ist und das elektrische Bauteil 1 nicht mit dem Flussmittel verschmutzt werden kann.
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Mit dem zuvor beschriebenen Lötverfahren und seiner Modifikation kann sowohl das Problem der Fokussierung auf einen Spalt als auch ein großer Wärmeeintrag umgangen werden. Eine Kontaktlasche wird eben auf den Pol aufgelegt und dann mit einem Laserstrahl punktuell erwärmt.
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Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen des Lötverfahrens können einzeln oder in allen möglichen Kombinationen Verwendung finden. Zusätzlich sind insbesondere folgende Modifikationen denkbar.
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Die in den Figuren dargestellten Teile sind schematisch dargestellt und können in der genauen Ausgestaltung von den in den Figuren gezeigten Formen abweichen, solange deren zuvor beschriebenen Funktionen gewährleistet sind.
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Beispielsweise braucht die Form von Kontaktlaschen 2, 3 und Pol 11, 12 nicht speziell aneinander angepasst zu sein. Die Kontaktlasche 2 und der Pol 11 bzw. die Kontaktlasche 3 und der Pol 12 müssen sich jedoch kontaktieren können, um die leitfähige Verbindung 6 mit dem beschriebenen Lötverfahren herstellen zu können.
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Die Anzahl der Pole 11, 12 und der Kontaktlaschen 2, 3 ist je nach Bedarf wählbar. Es können insbesondere mehr oder weniger als in den Figuren gezeigte Pole 11, 12 und/oder Kontaktlaschen 2, 3 Verwendung finden.
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Bevorzugt sind die Kontaktlaschen 2, 3 mit einer dickeren Zinnschicht 22 als handelsüblich versehen. Handelsüblich ist eine Dicke nach EN 13148 von ca. 10 μm, es können aber auch dickere Schichten erzeugt werden. Damit kann eine Lötverbindung sicherer erzeugt werden.
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Es ist auch möglich, dass Schritt S5 zwar vor dem Schritt S3 des punktuellen Erwärmens stattfindet, jedoch nach dem Schritt S2 des aneinander Anlegens von Kontaktlasche 2 und Pol 11 bzw. Kontaktlasche 3 und Pol 12 ausgeführt wird.
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Der Laser 4 kann entweder einen kontinuierlichen oder einen gepulsten Laserstrahl aussenden und insbesondere ein ND-Yag Laser sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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