DE102015112199A1

DE102015112199A1 - Lötverfahren

Info

Publication number: DE102015112199A1
Application number: DE102015112199.9A
Authority: DE
Inventors: Christian Kallweit
Original assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2015-07-27
Publication date: 2017-02-02

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen einer Lotverbindung zwischen einem ersten Bauteil (1) und einem zweiten Bauteil (2). Die Erfindung beinhaltet, dass auf das erste Bauteil (1) eine vorgebbare Menge Lot (3) aufgebracht wird, dass das erste Bauteil (1) an das zweite Bauteil (2) derartig angenähert wird, dass sich das Lot (3) zwischen dem ersten Bauteil (1) und dem zweiten Bauteil (2) befindet, und dass das Lot aufgeschmolzen wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen einer Lotverbindung zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil sowie auf ein Feldgerät der Prozess- und/oder Automatisierungstechnik, für welches zumindest ein erstes und ein zweites Bauteil mittels des Verfahrens verbunden sind.
Feldgeräte der Prozess- und/oder Automatisierungstechnik dienen der Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums. Es handelt sich beispielsweise um Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Redoxpotentialmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessgrößen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Typischerweise umfasst ein gattungsgemäßes Feldgerät zumindest ein direkt oder indirekt zumindest teilweise und zumindest zeitweise mit dem Prozess in Berührung kommendes Sensorelement sowie eine Elektronikeinheit, welche beispielsweise der Signalerfassung, -auswertung und/oder -speisung dient. Als Feldgeräte werden im Rahmen der vorliegenden Anmeldung im Prinzip alle Messgeräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten, also auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein elektronische Komponenten, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firmengruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Um die einzelnen Komponenten eines Feldgeräts, insbesondere des Sensorelements des Feldgeräts, miteinander zu verbinden, werden diese häufig verlötet. Beim Löten handelt es sich um ein thermisches Verfahren zur stoffschlüssigen Fügung zweier Bauteile, in der Regel unter Herstellung einer Oberflächenlegierung. Die Lötverbdingung wird dabei üblicherweise mittels eines Verbindungsmaterials in Form eines Lots hergestellt, welches aufgeschmolzen wird. Im Falle zweier metallischer Bauteile wird als Lot eine leicht schmelzbare Metalllegierung verwendet, welche häufig in Form eines Lötdrahts oder in Form einer Lotpaste vorliegt. Gegebenenfalls enthalten diese Lote ferner ein Flussmittel, welches der Reduzierung der jeweiligen Oberfläche während des Lötverfahrens dient, und somit zu einer Verbesserung der Fließ- und Benetzungseigenschaften des Lots sowie einer Verringerung der Oberflächenspannung des flüssigen Lots auf der jeweiligen Oberfläche führt. Sollen dagegen Keramiken und/oder Gläser verlötet werden, müssen diese entweder vor dem Herstellen der Lotverbindung von zumindest einer Oberfläche metallisiert werden, oder mittels eines sogenannten Glaslots miteinander verbunden werden. Schließlich sei noch darauf verwiesen, dass je nach Anwendung und in Abhängigkeit der während des Lötverfahrens eingestellten Temperatur zwischen dem sogenannten Weichlöten (T ≤ 450°C) und Hartlöten (T ≥ 450°C) unterschieden wird und dass für diese beiden Vorgänge unterschiedliche Lote geeignet sind.
Eine zur Fertigung des jeweiligen Feldgeräts, insbesondere des Sensorelements des Feldgeräts, hergestellte Lotverbindung hat gegebenenfalls einen maßgeblichen Einfluss auf dessen messtechnische Eigenschaften. Dies betrifft insbesondere die Güte bzw. Qualität der jeweiligen Lötstelle, sowie deren Reproduzierbarkeit. Beispielsweise sollte gewährleistet sein, dass für jede Lötstelle stets die gleiche Menge an Lot verwendet wird. Die qualitative Reproduzierbarkeit einer Lötstelle kann darüber hinaus beispielsweise darüber entscheiden, ob das jeweilige Feldgerät im Anschluss an die Fertigung einzeln kalibriert werden muss oder nicht. Mit Hinblick auf die Güte bzw. Qualität dagegen spielt unter anderem die Benetzung des Lotes auf der jeweiligen Oberfläche eine wichtige Rolle. Weiterhin sind die Stabilität der Lotverbindung, sowie die geometrische Verteilung des Lots zwischen den beiden Bauteilen von zentraler Bedeutung. Diese Auflistung ist keinesfalls abschließend. Darüber hinaus sind einige Kriterien gegebenenfalls auch von der jeweiligen Anwendung abhängig. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird sich die nachfolgende Beschreibung zur Veranschaulichung der Problemstellung dem Beispiel eines Feldgeräts zur Erfassung der Temperatur bedienen. Solche, auch als Thermometer bezeichnete Feldgeräte sind in unterschiedlichsten Ausgestaltungen aus dem Stand der Technik bekannt geworden. So gibt es Thermometer, welche zur Messung der Temperatur die Ausdehnung einer Flüssigkeit, eines Gases oder eines Festkörpers mit bekanntem Ausdehnungskoeffizienten heranziehen, oder auch solche, welche die elektrische Leitfähigkeit eines Materials mit der Temperatur in Zusammenhang bringen, wie beispielsweise bei Verwendung von Widerstandselementen oder Thermoelementen als Sensorelement. Dagegen wird bei Pyrometern zur Bestimmung der Temperatur einer Substanz deren Wärmestrahlung ausgenutzt. Die jeweils zugrundeliegenden Messprinzipien für die unterschiedlichen bekannten Thermometer sind jeweils aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt geworden.
In vielen Fällen, insbesondere bei sogenannten Widerstands- und/oder Kompaktthermometern werden einzelne Bauteile der Sensorelemente miteinander verlötet. Entsprechende Lotverbindungen treten ferner auch im Falle thermischer Durchflussmessgeräte, insbesondere solcher mit in einer Fühlerspitze oder Schutzröhre aufgelöteten Sensorelementen auf (vgl. die Offenlegungsschriften DE102005015692A1 oder DE102005015691A1 ). Der Einfluss der Lotverbindung auf die messtechnischen Eigenschaften des Thermometers ergibt sich für dieses konkrete Beispiel daraus, dass die Lotverbindung dessen thermische Eigenschaften, also die thermische Ankopplung zwischen Sensorelement und Fühlerspitze, maßgeblich mitbestimmt.
Im Falle eines Widerstandsthermometers wird beispielsweise oftmals das Sensorelement mittels eines Lötverfahrens in eine Fühlerspitze, insbesondere auf den Innenboden einer z. B. aus Edelstahl bestehenden Hülse, eingebracht. Im Falle eines sogenannten Dünnschicht-Sensors, insbesondere eines Resistance Temperature Detectors (RTD), kommt beispielsweise ein mit Anschlussdrähten versehenes und auf ein Trägersubstrat aufgebrachtes Sensorelement zum Einsatz, wobei die Rückseite des Trägersubstrats in der Regel metallisch beschichtet ist. Entsprechende Sensorelemente sind beispielsweise durch Platinelemente gegeben, die unter anderem unter den Bezeichnungen PT10, PT100, und PT1000 auch kommerziell erhältlich sind. Zum Herstellen der Lotverbindung wiederum kommt häufig die sogenannte SMD-Lötung zum Einsatz, bei welcher zunächst ein Lot auf ein erstes Bauteil aufgebracht wird und anschließend ein zweites Bauteil aufgesetzt und durch Erhitzung mit dem ersten Bauteil verlötet wird. Für das Beispiel einer Fühlerspitze eines Widerstandsthermometers wird üblicherweise zunächst eine definierte Menge Lot in festem Zustand („Lotplättchen") in die Fühlerspitze, oft auch als Hülse bezeichnet, eingebracht und durch anschließendes Erhitzen mit dem Innenboden der Fühlerspitze verschmolzen. Das Sensorelement wird dann mit seiner metallisierten Seite in das Lot eingetaucht und auf diese Weise mit der Fühlerspitze verlötet.
Die Güte der Lotverbindung hängt dann von vielen unterschiedlichen Faktoren ab. Beispielsweise hängt die im Endergebnis erzielte Lotverbindung von der Positioniergenauigkeit des Lotplättchens innerhalb der Hülse ab. Ein weiterer Faktor betrifft die Homogenität sowie die weitgehend einheitliche geometrische Verteilung des Lots innerhalb der Fühlerspitze. Darüber hinaus spielt aber auch die Beschaffenheit und/oder Materialzusammensetzung des Lötplättchens eine große Rolle. Beispielsweise kann das Vorhandensein eines Flussmittels, welches im Zuge der Erhitzung gegebenenfalls verdampft, einen Einfluss auf die resultierenden Adhäsions- und Kohäsionskräften des flüssigen Lotes haben. Weitere entscheidende Faktoren sind ferner gegeben durch die Größe der Kraft, mittels welcher das jeweilige Sensorelement in das flüssige Lot in der Edelstahlhülse gedrückt wird sowie durch die Positioniergenauigkeit bei diesem Vorgang. Die Aufzählung macht deutlich, dass im Prinzip weder die Geometrie, insb. die Dicke, der Lotschicht, noch deren exakte räumliche Verteilung oder die exakte Positionierung des Sensorelements innerhalb der Hülse ohne aufwendige Vorarbeiten und Ablaufstrukturen hinreichend kontrollierbar sind.
Zur Erhöhung der Reproduzierbarkeit entsprechender Lotverbindungen ist aus der DE102006048448A1 ein gegenüber dem beschriebenen Verfahren leicht modifiziertes Verfahren bekannt geworden. Dabei wird eine vorgebbare Menge Lotmaterial auf ein erstes Bauteil, insbesondere auf den Innenboden der Edelstahlhülse, aufgebracht. Anschließend werden das erste und ein zweites Bauteil, insbesondere das Sensorelement, angenähert, wobei sich das Lot zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil befindet und aufgeschmolzen wird. Es wird also die Wechselwirkung zwischen der Adhäsion und Kohäsion des Lotes dahingehend ausgenutzt, dass durch geeignete Wahl der jeweiligen Prozessparameter, wie der Temperatur, der aus der Wechselwirkung resultierende Kraftvektor den Lötvorgang, und damit die Schichtdicke, Qualität und Geometrie der Lötschicht, mitbestimmt. Jedoch selbst unter Ausnutzung dieser Effekte können gewisse Fertigungsvarianzen nicht vermieden werden.
Diese Problematik lässt sich leicht auf andere Beispiele, insbesondere Feldgeräte, übertragen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Lotverbindung bereitzustellen, welches eine besonders hohe Genauigkeit für die relative Positionierung der mittels der Lotverbindung verbundenen Bauteile erlaubt.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen einer Lotverbindung zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil sowie durch ein Feldgerät, bei welchem zumindest zwei Bauteile des Sensorelements und/oder der Elektronikeinheit mittels eines solchen Verfahrens verbunden sind.
Bezüglich des Verfahrens wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen einer Lotverbindung zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil, wobei auf einer Oberfläche des ersten Bauteils zumindest ein erster Teilbereich und ein sich zumindest teilweise direkt an den ersten Teilbereich, insbesondere ein den ersten Teilbereich zumindest teilweise umgebender, zweiter Teilbereich definiert werden, wobei zumindest einer der Teilbereiche derart bearbeitet wird, dass sich die Haftungseigenschaften an der Oberfläche des ersten Bauteils, insbesondere in Bezug auf die Haftung eines Lots, zumindest im ersten und im zweiten Teilbereich voneinander unterscheiden, wobei auf die Oberfläche des ersten Bauteils in einem der Teilbereiche eine vorgebbare Menge Lot aufgebracht wird und wobei das Lot zum Herstellen der Lotverbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil aufgeschmolzen wird. Zum einen ist es möglich, zuerst das Lot auf den ersten Teilbereich aufzubringen, beispielsweise in Form eines Lotplättchens, und dort unter Herstellung einer Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem Lot, aufzuschmelzen. Anschließend werden dann das erste und das zweite Bauteil aneinander angenähert und das Lot zur Herstellung einer Verbindung zum zweiten Bauteil erneut aufgeschmolzen. Diese Schritte können jedoch selbstverständlich auch zusammengefasst werden, indem zum Beispiel das Lot während der Annäherung des ersten und zweiten Bauteils aneinander aufgeschmolzen wird.
Durch die Aufteilung der Oberfläche des ersten Bauteils in zwei Teilbereiche mit unterschiedlichen Haftungseigenschaften kann eine gegenüber herkömmlichen Verfahren deutlich präzisere Ausrichtung der beiden Bauteile relativ zueinander erzielt werden. Insbesondere wird das erste Bauteil derart bearbeitet, dass im ersten Teilbereich eine bessere Haftung des Lots auf der Oberfläche erzielt werden kann als im zweiten Teilbereich. Dazu kann entweder einer der Teilbereiche bearbeitet werden, oder es können beide Teilbereiche bearbeitet werden. Auf den ersten Teilbereich wird dann ein Lot, insbesondere in Form eines Lotplättchens aufgebracht. Durch die unterschiedlichen Haftungseigenschaften kann gewährleistet werden, dass das Lot während des Aufschmelzens im Wesentlichen im ersten Teilbereich verbleibt. Somit kann eine sehr viel präzisere Lötstelle hergestellt werden. Das führt weiterhin zu einer deutlich erhöhten Positioniergenauigkeit gegenüber herkömmlichen Verfahren zum Herstellen einer Lotverbindung. Insbesondere kann ein Auslaufen des Lots über die Lötstelle hinaus vermieden werden. Ist das erste Bauteil beispielsweise eine Platine oder ähnliches, beispielsweise eine Platine einer Elektronikeinheit eines Feldgeräts, dann befinden sich in unmittelbarer Umgebung des ersten und zweiten Teilbereichs gegebenenfalls elektronische Komponenten, welche von dem zweiten Bauteil elektrisch isoliert sein müssen. Durch die Anwendung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein unerwünschtes Auslaufen oder Kriechen des Lots über die Platine und ein gegebenenfalls damit einhergehendes elektrisches Kontaktieren des zweiten Bauteils mit einer weiteren Komponente vermittels des Lots vermieden werden.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens werden das erste Bauteil und das zweite Bauteil derart aneinander angenähert, dass sich das Lot zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil befindet. In dieser Ausgestaltung wird also zusätzlich die Wechselwirkung zwischen Adhäsion und Kohäsion ausgenutzt, ähnlich wie in der DE102006048448A1 .
In einer bevorzugten Variante des Verfahrens wird die Oberfläche des ersten Bauteils in einem der Teilbereiche derart bearbeitet, dass das Lot in diesem Teilbereich im Wesentlichen nicht haftet. Es kann somit praktisch gewährleistet werden, dass das Lot selbst im flüssigen Zustand im Wesentlichen in dem Teilbereich bleibt, auf welchen es aufgetragen bzw. aufgebracht wurde.
Es ist von Vorteil, wenn als erstes Bauteil und/oder als zweites Bauteil ein Bauteil aus einem Metall verwendet wird. Beispielsweise kann es sich bei dem ersten Bauteil um eine Fühlerspitze eines Thermometers und beim zweiten Bauteil um ein Sensorelement handeln.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird zumindest einer der zumindest zwei Teilbereiche oxidiert. Die Oxidation der Oberfläche des ersten Bauteils verringert die Haftungseigenschaften des Lots auf der Oberfläche in diesem Bereich. In der Folge benetzt das Lot diesen Teilbereich im Wesentlichen nicht.
Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Oxidation mittels einer konzentrierten Erwärmung, insb. durch eine Bearbeitung mit einem Laser, erreicht wird. Eine auf einen lokalen Bereich, d.h. auf einen der Teilbereiche, konzentrierte Erwärmung sorgt dafür, dass die Geometrie des jeweiligen Teilbereichs präzise gewählt und definiert werden kann. Durch die Verwendung eines Lasers, oder ähnlichem, ist die Oberflächenbearbeitung ferner einfach und ohne erhöhten Fertigungsaufwand realisierbar. In der Regel kann ein handelsüblicher Beschriftungslaser mit etwa 20W Ausgangsleistung verwendet werden. Ferner muss in der Regel die Oberfläche des bearbeiteten Teilbereichs zur Oxidation nicht aufgeschmolzen werden.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens werden das erste Bauteil und das zweite Bauteil derart aneinander angenähert, dass das erste Bauteil und das zweite Bauteil eine vorgebbare Orientierung zueinander aufweisen. Soll die Wechselwirkung zwischen Adhäsion und Kohäsion zum Herstellen der Lotverbindung ausgenutzt werden, ist es ferner von Vorteil, wenn das erste Bauteil und das zweite Bauteil derart aneinander angenähert werden, 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.
Es ist ferner von Vorteil, wenn das erste Bauteil und das zweite Bauteil derart aneinander angenähert werden, dass die Oberfläche zumindest eines Teilbereichs des ersten Bauteils im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche des zweiten Bauteils im Bereich der Lotverbindung verläuft.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das zweite Bauteil zumindest teilweise in das erste Bauteil eingebracht. In diesem Fall ist das erste Bauteil beispielsweise ein Hohlkörper mit zumindest einer Öffnung und der erste und/oder zweite Teilbereich befindet sich innerhalb dieser Öffnung.
Dabei ist es von Vorteil, wenn das erste Bauteil eine im Wesentlichen topfförmige Geometrie mit einer Bodenfläche und einer Wandung aufweist, wobei sich der erste Teilbereich und der zweite Teilbereich im Bereich der Innenseite der Bodenfläche befinden, und wobei erste Bauteil und das zweite Bauteil derart aneinander angenähert werden, dass sich das zweite Bauteil zumindest teilweise im Inneren des ersten Bauteils befindet. Insbesondere erstrecken sich der erste und zweite Teilbereich vollständig über die zum Inneren des ersten Bauteils gerichtete Oberfläche der Bodenfläche. Wenn der zweite Teilbereich derart definiert wird, dass er den ersten Teilbereich im Wesentlichen umgibt, kann für ein erstes Bauteil mit topfförmiger Geometrie vermieden werden, dass das aufgeschmolzene Lot undefiniert an der Wandung des ersten Bauteils aufsteigt. Dieses Phänomen ist auch bekannt als sogenannter Kamineffekt oder Kapillareffekt. Ein Aufsteigen des Lots entlang der Wandung des ersten Bauteils vermindert die Positioniergenauigkeit des weiten Bauteils deutlich. Beispielsweise kann es in Konsequenz des Aufsteigens des Lots dazu kommen, dass ein ursprünglich planparallel zur Oberfläche der Bodenfläche des ersten Bauteils positioniertes zweites Bauteil nicht mehr planparallel zu der Oberfläche der Bodenfläche ausgerichtet ist. Handelt es sich bei dem ersten und zweiten Bauteil um zwei Komponenten des Sensorelements, so kann diese Varianz in der Positionierung wiederum für eine verringerte Messgenauigkeit des jeweiligen Sensorelements führen.
Es ist somit ferner von Vorteil, wenn für den ersten Teilbereich des ersten Bauteils eine im Wesentlichen runde, ovale, oder viereckige Querschnittsfläche und wobei der zweite Teilbereich den ersten Teilbereich zumindest teilweise umgibt. Das Lot wird dann insbesondere auf den ersten Teilbereich aufgebracht, wobei die Geometrie des ersten Teilbereichs an die des zweiten Bauteils angepasst wird.
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das erste Bauteil vor und/oder während der Annäherung des ersten und zweiten Bauteils aneinander erhitzt.
Schließlich wird in einer Ausgestaltung des Verfahrens das Lot auf das erste Bauteil aufgeklebt. So kann es in der Zeit zwischen dem Aufbringen des Lots und dem Aufschmelzen nicht verrutschen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Feldgerät zur Überwachung und/oder Bestimmung zumindest einer Prozessgröße, mit zumindest einem Sensorelement und einer Elektronikeinheit, wobei zumindest ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil des Sensorelements und/oder der Elektronikeinheit mittels eines Verfahrens nach zumindest einer der beschriebenen Ausgestaltungen verbunden ist.
Bei dem Feldgerät handelt es sich insbesondere um ein Feldgerät zur Erfassung der Temperatur. Entsprechend sind gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Feldgeräts das erste Bauteil und das zweite Bauteil Komponenten des Sensorelements, welches Sensorelement zumindest einen Temperatursensor umfasst.
In einer Ausgestaltung des Feldgeräts handelt es sich bei dem ersten Bauteil um eine Hülse, insbesondere um eine Tiefziehhülse oder um eine gefräste oder gedrehte Hülse. Dabei ist es von Vorteil, wenn das erste Bauteil aus einem Metall, insbesondere aus Edelstahl, Kupfer, Aluminium, einer Nickelbasislegierung, oder Tantal, besteht.
In einer weiteren Ausgestaltung des Feldgeräts handelt es sich bei dem zweiten Bauteil um ein Widerstandselement. Das Widerstandselement kann beispielsweise gegeben sein durch ein Platinelement.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung handelt es sich bei dem Lot um ein Weichlot. Dabei ist es von Vorteil, wenn das Lot ein Lötzinn, insbesondere ein bleifreier Lötzinn, insb. SAC305 oder SN96, 5Ag3,5 ist. Unter einem Weichlot versteht man allgemeinhin ein Lot mit einer Schmelztemperatur T ≤ 450°C. Daher eignen sich die mittels eines Weichlots gefertigten Messgeräte auch nur für entsprechende diese Schmelztemperaturen berücksichtigende Temperaturbereiche. Um ein Thermometer für einen erweiterten Temperaturbereich auszulegen ist es dagegen wiederum von Vorteil, wenn es sich bei dem Lot um ein Hartlot handelt. Unter einem Hartlot wird nämlich ein Lot mit einer Schmelztemperatur ≥ 450°C verstanden.
Das Feldgerät nach zumindest einer der beschriebenen Ausgestaltungen findet ferner vorteilhaft Verwendung zur Bestimmung der Temperatur eines Mediums.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1: eine schematische Zeichnung eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Lotverbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Bauteil. Dabei zeigt a) die zwei auf einer Oberfläche des ersten Bauteils definierten Teilbereiche und b) in einer Seitenansicht der zwei miteinander verbundenen Bauteile,
2: ein erstes Bauteil topfförmiger Geometrie, in welches ein zweites Bauteil mittels eines Verfahrens zum Herstellen einer Lotverbindung gemäß Stand der Technik eingebracht ist, wobei der Kamineffekt auftritt,
3: eine schematische Darstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens im Falle eines ersten Bauteils topfförmiger Geometrie, und
4: ein Feldgerät zur Erfassung der Temperatur, bei welchem zwei Komponenten des Sensorelements mit einem erfindungsgemäßen Verfahren nach einer der beschriebenen Ausgestaltungen verbunden ist.
In 1 ist beispielhaft eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. 1a) zeigt eine schematische Zeichnung eines ersten Bauteils 1, auf dessen Oberfläche ein erster Teilbereich 3 und ein zweiter Teilbereich 4 definiert sind. Dabei kann die Geometrie eines der Teilbereiche 3, 4 an die Geometrie des zweiten Bauteils angepasst werden. Zumindest einer der beiden Teilbereiche 3, 4 ist derart bearbeitet, dass sich die Haftungseigenschaften auf der Oberfläche in diesem Teilbereich 3, insbesondere in Bezug auf ein Lot, von denen auf der Oberfläche im zweiten Teilbereich 4 unterscheiden. Beispielsweise kann der zweite Teilbereich 4 mittels eines Lasers durch konzentrierte Erwärmung oxidiert werden. In diesem Fall wäre es von Vorteil, das Lot 5 auf den ersten Teilbereich 3 aufzubringen. Dies ist in der schematischen Seitenansicht in 1b) gezeigt. Das Lot ist auf den ersten Teilbereich 3 aufgebracht und dort zum Herstellen einer Lotverbindung 6 zwischen dem ersten Bauteil 1 und dem zweiten Bauteil 2 aufgeschmolzen. Die auf diese Weise erzielte Lotverbindung 6 zeichnet sich durch eine hohe Positioniergenauigkeit des ersten 1 und zweiten 2 Bauteils gegeneinander aus. Ferner wird ein Auslaufen des Lots 5 aus der Lötstelle verhindert.
Eine besonders bevorzugte Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich im Falle eines ersten Bauteils 1' mit topfförmiger Geometrie, in welches ein zweites Bauteil 2 eingebracht werden soll. In 2 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Lotverbindung für diese spezielle Geometrie gemäß Stand der Technik gezeigt. Das erste Bauteil 1' weist eine topfförmige Geometrie mit einer Bodenfläche 7 und einer Wandung 8 auf. Auf die Innenseite 7a der Bodenfläche 7 wird eine bestimmte Menge Lot 5 aufgetragen und zur Herstellung einer Verbindung mit dem zweiten Bauteil 2 aufgeschmolzen. Durch das Auftreten des Kamineffekts 9 oder auch Kapillareffekts kann eine planparallel Ausrichtung des ersten 1' und zweiten 2 Bauteils gegeneinander nicht gewährleistet werden. Insbesondere wenn es sich bei dem ersten 1' und zweiten 2 Bauteil um Komponenten eines Messgeräts, insbesondere eines Feldgeräts zur Erfassung der Temperatur handelt, wie in 4 noch erläutert werden wird, handelt, hat diese Varianz in der Fertigung einen maßgeblichen Einfluss auf die Messperformance des Messgeräts.
Das Auftreten des Kamineffekts 9 bzw. Kapillareffekts kann jedoch verhindert werden, indem eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens angewendet wird, wie in den Figuren 3a–3b gezeigt ist. Auf der Innenseite 7a der Bodenfläche 7 werden ein erster 3 und ein zweiter 4 Teilbereich definiert. Es ist für dieses Beispiel von Vorteil, wenn der zweite Teilbereich 4 den ersten Teilbereich umschließt. Dann wird das Lot 5 auf den ersten Teilbereich 3 aufgetragen, wie in 3b dargestellt. Das Lot 5 verbleibt also im Wesentlichen im ersten Teilbereich 3 und es kann kein Kamineffekt 9 auftreten. Zum Herstellen einer Lotverbindung zwischen dem ersten Bauteil 1‘ und dem zweiten Bauteil 2 wird das Lot im ersten Teilbereich aufgeschmolzen. Die somit erzielte Lotverbindung ermöglicht eine hohe Positionsgenauigkeit des ersten 1‘ und zweiten 2 Bauteils relativ zueinander, wie in 3c) dargestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren nach einer der genannten Ausgestaltungen findet beispielsweise Anwendung bei der Fertigung eines Feldgeräts, wie beispielsweise in 4 anhand der schematischen Darstellung eines Feldgeräts 10 zur Erfassung der Temperatur mit zumindest einer Sensorelement 13 und einer Elektronikeinheit 11 gezeigt. Allgemein kann das Verfahren sowohl für zwei Bauteile 1, 2 innerhalb der Elektronikeinheit 11 als auch für zwei Bauteile 1, 2 innerhalb der Sensoreinheit 13 angewendet werden. Darüber hinaus kann auch eines der beiden Bauteile 1, 2 der Elektronikeinheit 11 zugeordnet sein, während das zweite der beiden Bauteile 1, 2 der Sensoreinheit 13 zugeordnet ist. Gemäß der schematischen Darstellung in 4 sind die Elektronikeinheit 11 und die Sensoreinheit 13 mittels zweier Anschlusskabel 12 miteinander verbunden. Es können jedoch selbstverständlich mehr als zwei Anschlusskabel verwendet werden. Die Sensoreinheit 13 umfasst zumindest eine Fühlerspitze 14 in Form einer Tiefziehhülse aus Edelstahl. Es können aber selbstverständlich auch andere Arten von Hülsen, beispielsweise gefräste oder gedrehte Hülsen verwendet werden. Auch verschiedenste Materialien sind denkbar.
Die Anschlussleitungen 12 führen durch die Fühlerspitze 14 zum Temperatursensor 15, welcher ohne Beschränkung der Allgemeinheit für dieses Beispiel gegeben ist durch ein Widerstandselement, beispielsweise ein PT100 Element. Der Temperatursensor 15 ist im Inneren der Fühlerspitze 14 auf der Innenseite der Bodenfläche 7 mittels eines Lots 5 aufgelötet und mittels der Anschlussleitungen 12 elektrisch kontaktiert. Für dieses Feldgerät ist also das erste Bauteil 1 beispielsweise gegeben durch die Fühlerspitze, welche eine im Wesentlichen topfförmige Geometrie aufweist und das zweite Bauteil 2 ist gegeben durch den Temperatursensor 15. Um eine konstant bleibende und gute thermische Ankopplung zwischen dem Temperatursensor 15 und der Fühlerspitze 14, und damit zum jeweiligen Medium zu ermöglichen, ist es von Vorteil, die Lotverbindung zwischen dem Temperatursensor 15 und der Fühlerspitze 14 mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens nach einer der beschriebenen Ausgestaltungen herzustellen.
Bezugszeichenliste

1: Erstes Bauteil
2: Zweites Bauteil
3: Erster Teilbereich
4: Zweiter Teilbereich
5: Lot
6: Lotverbindung
7, 7a: Bodenfläche und Innenseite der Bodenfläche des ersten Bauteils
8: Wandung des ersten Bauteils
9: Zweiter Teilbereich
10: Feldgerät
11: Elektronikeinheit
12: Anschlussleitungen
13: Sensorelement
14: Fühlerspitze
15: Temperatursensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005015692 A1 [0005]
DE 102005015691 A1 [0005]
DE 102006048448 A1 [0008, 0014]

Claims

Verfahren zum Erzeugen einer Lotverbindung (6) zwischen einem ersten Bauteil (1) und einem zweiten Bauteil (2), wobei auf einer Oberfläche des ersten Bauteils (1) zumindest ein erster Teilbereich (3) und ein sich zumindest teilweise direkt an den ersten Teilbereich (3), insbesondere ein den ersten Teilbereich (3) zumindest teilweise umgebender, zweiter Teilbereich (4) definiert werden, wobei zumindest einer der Teilbereiche (3, 4) derart bearbeitet wird, dass sich die Haftungseigenschaften an der Oberfläche des ersten Bauteils (1), insbesondere in Bezug auf die Haftung eines Lots (5), zumindest im ersten (3) und im zweiten Teilbereich (4) voneinander unterscheiden, wobei auf die Oberfläche des ersten Bauteils (1) in einem der Teilbereiche (3, 4) eine vorgebbare Menge Lot (5) aufgebracht wird, und wobei das Lot (5) zum Herstellen der Lotverbindung (6) zwischen dem ersten Bauteil (1) und dem zweiten Bauteil (2) aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Bauteil (1) und das zweite Bauteil (2) derart aneinander angenähert werden, dass sich das Lot (5) zwischen dem ersten Bauteil (1) und dem zweiten Bauteil (2) befindet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oberfläche des ersten Bauteils (1) in einem der Teilbereiche (3, 4) derart bearbeitet wird, dass das Lot (5) in diesem Teilbereich (3, 4) im Wesentlichen nicht haftet.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1–3, wobei als erstes Bauteil (1) und/oder als zweites Bauteil (2) ein Bauteil (1, 2) aus einem Metall verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einer der zumindest zwei Teilbereiche (3, 4) oxidiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Oxidation mittels einer konzentrierten Erwärmung, insb. durch eine Bearbeitung mit einem Laser, erreicht wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Bauteil (1) und das zweite Bauteil (2) derart aneinander angenähert werden, dass das erste Bauteil (1) und das zweite Bauteil (2) eine vorgebbare Orientierung zueinander aufweisen.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Bauteil (1) und das zweite Bauteil (2) derart aneinander angenähert werden, dass die Oberfläche zumindest eines Teilbereichs (3, 4) des ersten Bauteils (1) im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche des zweiten Bauteils (2) im Bereich der Lotverbindung (6) verläuft.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Bauteil (2) zumindest teilweise in das erste Bauteil (1) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das erste Bauteil (1) eine im Wesentlichen topfförmige Geometrie mit einer Bodenfläche (7) und einer Wandung (8) aufweist, wobei sich der erste Teilbereich (3) und der zweite Teilbereich (4) im Bereich der Innenseite (7a) der Bodenfläche (7) befinden, und wobei das erste Bauteil (1) und das zweite Bauteil (2) derart aneinander angenähert werden, dass sich das zweite Bauteil (2) zumindest teilweise im Inneren des ersten Bauteils (1) befindet.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für den ersten Teilbereich (3) des ersten Bauteils (1) eine im Wesentlichen runde, ovale, oder viereckige Querschnittsfläche und wobei der zweite Teilbereich (4) den ersten Teilbereich (3) zumindest teilweise umgibt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Bauteil (1) vor und/oder während der Annäherung des ersten (1) und zweiten Bauteils (2) aneinander erhitzt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lot (5) auf das erste Bauteil (1) aufgeklebt wird.
Feldgerät (10) zur Überwachung und/oder Bestimmung zumindest einer Prozessgröße, mit zumindest einem Sensorelement (13) und einer Elektronikeinheit (11), wobei zumindest ein erstes Bauteil (1, 14) und ein zweites Bauteil (2, 15) des Sensorelements (13) und/oder der Elektronikeinheit (11) mittels eines Verfahrens nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche verbunden ist.
Feldgerät nach Anspruch 15, wobei das erste Bauteil (1, 14) und das zweite Bauteil (2, 15) Komponenten des Sensorelements (13) sind, welches Sensorelement (13) zumindest einen Temperatursensor (15) umfasst.
Feldgerät nach Anspruch 15 oder 16, wobei es sich bei dem ersten Bauteil (1, 14) um eine Hülse, insbesondere eine Tiefziehhülse oder um eine gefräste oder gedrehte Hülse handelt.
Feldgerät nach zumindest einem der Ansprüche 15–17, wobei das erste Bauteil (1) aus einem Metall, insbesondere aus Edelstahl, Kupfer, Aluminium, einer Nickelbasislegierung, oder Tantal, besteht.
Feldgerät nach zumindest einem der Ansprüche 15–18, wobei es sich bei dem zweiten Bauteil (2) um ein Widerstandselement (15) handelt.
Feldgerät nach zumindest einem der Ansprüche 15–19, wobei es sich bei dem Lot (5) um ein Weichlot handelt.
Feldgerät nach zumindest einem der Ansprüche 15–20, wobei das Lot (5) ein Lötzinn, insbesondere ein bleifreier Lötzinn, insb. SAC305 oder SN96, 5Ag3,5 ist.
Verwendung eines Feldgeräts (10) nach zumindest einem der Ansprüche 15–20 zur Bestimmung der Temperatur eines Mediums.