DE102019002184A1

DE102019002184A1 - Lötspitze und Verfahren zur Herstellung einer Lötspitze

Info

Publication number: DE102019002184A1
Application number: DE102019002184.3A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2020-10-01
Anticipated expiration: 2039-03-28
Also published as: DE102019002184B4

Abstract

Offenbart ist eine Lötspitze für eine Lötvorrichtung mit einem wärmeerzeugenden oder wärmeleitenden Grundkörper 1, der mit einer Verschleißschicht 5 überzogen ist, wobei zumindest eine ein Lötzinn abweisende Sperrschicht 3 zwischen Grundkörper 1 und Verschleißschicht 5 ausgebildet ist. Weiterhin offenbart ist ein Verfahren zur Herstellung einer Lötspitze für eine Lötvorrichtung mit einem wärmeerzeugenden oder wärmeleitenden Grundkörper 1, der mit einer Verschleißschicht 5 überzogen wird, wobei zumindest eine ein Lötzinn abweisende Sperrschicht 3 zwischen Grundkörper 1 und Verschleißschicht 5 ausgebildet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lötspitze gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Lötspitze gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lötspitze, die in einer Löt- oder Entlötvorrichtung verwendet werden kann. Diese Lötspitze kann sowohl passiv, d.h. das Heizelement gehört funktionell zum Lötgerät, als auch aktiv, d. h. das Heizelement bildet mit der Lötspitze eine Einheit, ausgeführt sein. Einer der Vorteile einer aktiven Lötspitze gegenüber einer passiven, ist die schnelle Reglung des Systems und die hohe Leistungsübertragung. Ein Nachteil ist, dass bei Versagen der Lötspitze auch immer das gesamte Heizelement mit ersetzt werden muss. Die unten genannten Ausführungen gelten für passive als auch aktive Lötspitzen.
Üblicherweise werden Lötspitzen, sowohl aktive, als auch passive, aus Kupfer, Tellurkupfer, Kupferlegierungen, Silber, Silberlegierungen oder auch Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen gefertigt. Dadurch weist der Grundkörper der Lötspitze eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf.
Kupfer, Kupferlegierungen als auch Silber und Aluminium haben eine hohe Ablegierungsgeschwindigkeit in flüssigem Lötzinn, sodass die Standzeit beim Löten sehr gering ist. Dies äußert sich durch schnellen Konturverlust und mündet am Ende in der kompletten Zerstörung der Spitze.
Deshalb wird üblicherweise der Kern der Lötspitze mit einer Eisenschicht, auch Verschleißschicht genannt, versehen. Eisen hat eine höhere Standzeit gegenüber Zinn. Dadurch wird die Lebensdauer einer Lötspitze erheblich verlängert. Eine Lötspitze weist häufig zudem einen benetzbaren Bereich auf, der mit Zinn versehen ist. Im Schaftbereich weist die Lötspitze einen unbenetzbaren Bereich, der mit einer Chrom - und/oder einer Nickelschicht, beschichtet wird.
Allerdings neigt auch eine Eisenschicht zum Ablegieren in flüssigen Lötzinn, sodass hierdurch auch die Lebensdauer einer Lötspitze begrenzt ist. Sowie die Eisenschicht eine Pore bzw. ein Loch aufweist, wird der übliche Kupferkern sehr schnell zerstört. Sollte das nicht bemerkt werden, kann das auch bei passiven Spitzen zur Beschädigung des Heizelementes führen. Bei aktiven Spitzen ist die gesamte Baugruppe aus Heizelement und Lötspitze unbrauchbar, bzw. muss ersetzt werden.
Die Eisenschicht versagt üblicherweise nicht gleichmäßig, sondern besonders an Bereichen, die beim Löten vom nachgeführten Lötzinn besonders häufig beansprucht werden, zum Einen durch das frische, flüssige Zinn als auch zum Anderen durch das häufig verwendete Flussmittel. Häufig wird die Eisenschicht auch mechanisch an exponierten Stellen vermehr abgetragen, sodass hier zu dem Verschleiß durch Ablegierung der Verschleißschicht noch eine ein zusätzlicher mechanischer Verschleiß punktuell hinzukommt.
Eine weitere Begrenzung der Lebensdauer der Lötspitze rührt von der nicht immer möglichen gleichmäßigen Eisenbeschichtung her. Üblicherweise wird die Eisenbeschichtung in einem galvanischen Prozess im elektrischen Feld abgeschieden. Geometrisch zurückliegende Flächen werden dadurch auch mit einer geringeren Eisenbeschichtung versehen und führen zu einer Begrenzung der Standzeit. Auch ein Temperaturgradient in der Lötspitze führt zu einem ungleichmäßigen Abtrag der Verschleißschicht.
Ein Ansatz zur Verlängerung der Standzeit von Lötspitzen ist das Einfügen einer Sperrschicht zwischen Grundkörper und Verschleißschicht. Diese Sperrschicht soll den Grundkörper bei punktuellem Versagen der Verschleißschicht schützen. Selbst wenn die Eisenschicht punktuell verbraucht ist und unbenetzbar wird, kann die Lötspitze noch lange weiter verwendet werden, sodass sich eine Standzeitverlängerung ergibt. Dadurch, dass das Grundmaterial geschützt wird, kann bei passiven Spitzen kein Durchbruch des Lötzinns bis zum Heizelement des Lötkolbens erfolgen.
So wurde in einem Gebrauchsmuster (B23K 3-02, Dieter Franz) eine Chromschicht 10 - 300 µm zwischen Grundkörper und Verschleißschicht vorgeschlagen. In einem Patent ( WO 2010/015252A1 , Sol Tools GmbH, ZAH doo) wurde eine Sperrschicht vorgeschlagen, die direkt mit der Verschleißschicht beschichtet wird. Es zeigt sich, dass die ausführungsgemäße Chromschicht nur unzureichend gegenüber Flussmittel und Zinn stabil ist. Die Beschichtung der Verschleißschicht direkt auf der Sperrschicht zeigte Haftungsprobleme, sodass eine Anwendung bei den im Lötbereich üblichen Temperaturen nicht sicher möglich ist.
Ein weiterer Ansatz ist das Einfügen einer Sperrschicht zwischen Grundkörper und Verschleißschicht, bei der die Verschleißschicht eine nicht benetzbare Keramik oder keramikartige Schicht ist. Diese Schicht soll bevorzugt schmelzmetallurgisch aufgebracht werden und ist mit 50 µm - 1000 µm ( DE 203 02 566 U1 und WO2008/101565 A1 , Cooper Tools GmbH) angegeben. Eine derart dicke Schicht lässt es nicht zu eine feine Lötspitze konturgenau zu beschichten. Die Frage wie diese Keramik weiter beschichtet werden soll wurde nicht beantwortet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Lötspitze sowie ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen.
Hier wird jetzt die Kombination einer im Vakuum erzeugten dünnen PVD-Schicht mit einer metallischen Haftbrücke vorgeschlagen. Diese Haftbrücke wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit der Verschleißschicht temperaturbeständig beschichtet.
Vorzugsweise sind die gebräuchlichen PVD-Schichten sehr dünn, d.h. üblicherweise von 0,05 µm - 10 µm. Vorzugsweise für den hier beschriebenen Anwendungsfall 1-2 µm. Die PVD Schicht ist gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel eine sehr harte durch Lötzinn nicht benetzbare keramikartige Schicht, die in zahllosen Varianten zur Verfügung steht.
Als besonders vorteilhaft hat sich Chromnitrid erwiesen. Gemäß weiteren bevorzugten Varianten auch Titanaluminiumnitrid und/oder Titannitrid. Alternative PVD-Schichten sowie auch Kombinationen von verschiedenen abgeschiedenen PVD-Schichten können verwendet werden.
Es zeigt sich, dass es nicht ohne weiteres möglich ist diese PVD-Schicht haftfest mit der Verschleißschicht direkt zu beschichten. Erst durch das Einführen einer Haftbrücke zwischen der PVD-Schicht und/oder PVD-Schichtsystem und der Verschleißschicht ist ein auch bei hohen Temperaturen verlässliches Schichtsystem möglich geworden.
Als Haftbrücke wird eine Beschichtung mit einem Element wie Nickel, Kobalt, Chrom, Kupfer, Eisen, Zink, Aluminium oder Legierungen aus diesen Elementen vorgeschlagen. Die Schichtstärken für die Haftbrücke können von 0,05 µ - 10 µm, vorzugsweise bei 1 µm liegen. Vorzugsweise kommt eine Nickel oder Chrom und /oder eine Legierung dieser Elemente in Betracht.
Gemäß einem alternativ bevorzugten, die Erfindung weiterbildenden Verfahren wird die Sperrschicht und/oder die Haftbrücke mittels einer chemischen Gasphasenabscheidung aufgebracht. Ein chemisches Gasabscheidungsverfahren hat den Vorteil, dass die Abscheidungen von Elementen möglich sind, für die ein physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren unpassend ist. Auch ist die Schichtverteilung bei einem solchen Verfahren gänzlich anders und mitunter von Vorteil.
Gemäß eines bevorzugten Verfahrens wird die Haftbrücke galvanisch auf die Sperrschicht aufgebracht. Dies kann sowohl durch eine chemische Beschichtung als auch ein Verfahren im elektrischen Feld erfolgen.
Es kann weiterhin von Vorteil sein, dass auf den Grundkörper, also dem Kupfer, Silber oder Aluminium oder Legierungen dieser Elemente eine mechanisch stabilisierende Schicht aufzutragen. Diese Schicht wirkt wie eine Stützschicht für die Sperrschicht, die in der Regel eine große Härte aufweist.
Eine mögliche Ausführung der stabilisierenden Schicht ist die Beschichtung mit einer Nickelschicht. Diese kann galvanisch als auch chemisch erzeugt werden. Auch andere Schichten wie Kobalt, Eisen, Chrom oder Abfolgen dieser Schichten sind denkbar und können von Vorteil sein.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die Zeichnung eine schematische Schnittdarstellung einer Lötspitze.
Die Lötspitze für eine Lötvorrichtung weist einen wärmeerzeugenden oder wärmeleitenden Grundkörper 1 auf. Der Grundkörper ist mit einer Eisen-Verschleißschicht 5 überzogen.
Zwischen dem Grundkörper 1 und der Verschleißschicht 5 ist eine ein Lötzinn abweisende, im Vakuum erzeugte dünne, keramische PVD-Sperrschicht 3 ausgebildet. Die Sperrschicht 3 ist eine Chromnitrid-Schicht.
Zwischen Grundkörper 1 und Sperrschicht 3 ist eine Nickel-Stützschicht 2 vorgesehen. Auf die Sperrschicht 3 ist eine metallische Haftbrücke 4 aufgetragen. Die Haftbrücke 4 besteht aus Chrom oder bei einer alternativen Variante der Erfindung aus Nickel/Chrom.
Die Lötspitze weist einen benetzbaren Bereich 6 auf, der mit Zinn versehen ist. Im Schaftbereich weist die Lötspitze einen unbenetzbaren Bereich 7 auf, der mit einer Chrom- und einer Nickelschicht beschichtet ist. Alternativ ist lediglich eine Chromschicht vorgesehen.
Offenbart ist eine Lötspitze für eine Lötvorrichtung mit einem wärmeerzeugenden oder wärmeleitenden Grundkörper 1, der mit einer Verschleißschicht 5 überzogen ist, wobei zumindest eine ein Lötzinn abweisende Sperrschicht 3 zwischen Grundkörper 1 und Verschleißschicht 5 ausgebildet ist. Weiterhin offenbart ist ein Verfahren zur Herstellung einer Lötspitze für eine Lötvorrichtung mit einem wärmeerzeugenden oder wärmeleitenden Grundkörper 1, der mit einer Verschleißschicht 5 überzogen wird, wobei zumindest eine ein Lötzinn abweisende Sperrschicht 3 zwischen Grundkörper 1 und Verschleißschicht 5 ausgebildet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

WO 2010/015252 A1 [0010]
DE 20302566 U1 [0011]
WO 2008/101565 A1 [0011]

Claims

Lötspitze für eine Lötvorrichtung mit einem wärmeerzeugenden oder wärmeleitenden Grundkörper (1), der mit einer Verschleißschicht (5) überzogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine ein Lötzinn abweisende Sperrschicht (3) zwischen Grundkörper (1) und Verschleißschicht (5) ausgebildet ist.
Lötspitze nach Anspruch 1, wobei die Sperrschicht (3) durch ein physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren (PVD) erzeugt ist.
Lötspitze nach Anspruch 1, wobei die Sperrschicht (3) durch ein chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD) erzeugt ist.
Lötspitze nach Anspruch 1, wobei die Sperrschicht (3) durch eine Abfolge von unterschiedlichen Schichten, die mit einer physikalischen Gasphasenabscheidung und/oder chemischen Gasphasenabscheidung erzeugt sind, ausgebildet ist.
Lötspitze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sperrschicht (3) eine Chromnitrid-Schicht ist.
Lötspitze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sperrschicht (3) eine Stärke im Bereich von 0,05 µm bis 10 µm, vorzugsweise von 0,5 µm bis 2 µm aufweist.
Lötspitze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf die Sperrschicht (3) eine Haftbrücke (4) aufgetragen ist.
Lötspitze nach Anspruch 7, wobei die Haftbrücke (4) zumindest Nickel, Kobalt, Chrom, Eisen, Zink und/oder Aluminium aufweist.
Lötspitze nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Haftbrücke (4) eine Stärke im Bereich von 0,05 µm - 10 µm aufweist.
Lötspitze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich zwischen Grundkörper (1) und Sperrschicht (3) eine Stützschicht (2) befindet.
Lötspitze nach Anspruch 10, wobei die Stützschicht (2) zumindest aufweist Nickel, Kobalt, Chrom und/oder Eisen.
Lötspitze nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei die Stützschicht (2) chemisch oder galvanisch abgeschieden ist.
Lötspitze nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Stützschicht (2) mittels PVD oder CVD abgeschieden ist.
Verfahren zur Herstellung einer Lötspitze für eine Lötvorrichtung mit einem wärmeerzeugenden oder wärmeleitenden Grundkörper (1), der mit einer Verschleißschicht (5) überzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine ein Lötzinn abweisende Sperrschicht (3) zwischen Grundkörper (1) und Verschleißschicht (5) ausgebildet wird.