-
Verfahren zum Auflöten einer metallisierten Piezokeramik-
-
scheibe auf einen Stahlresonator Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Auflisten einer metallisierten Piezokeramikscheibe auf einen Stahlresonator
beim Herstellen eines Verbundwandlers zum Antrieb von elektromechanischen Filtern.
-
Mechanische Filter zeigen gegenüber herkömmlichen Filtern aus LC-Kreisen
wesentliche Vorteile und werden deshalb mit Erfolg in der Tragerfreqzlenztechnik
eingesetzt. Dabei verwendet man vorzugsweise Hiegeschwingerfilter. Die Anregung
der Biegeschw gingen erfolgt mittels eines Verbundwandlers, der ebenfalls Hiegeschwingungen
ausführt. Zur Herstellung eines solchen Verbundwandlers ist es erforderlich, die
anregende Keramikscheibe aus piezoelektrischem Material fest mit dem Stahlresonator
zu verbinden.
Lötverfahren für eine feste Verbindung Keramik-Metall
sind an sich bekannt, doch wird dabei in den weitaus meisten Fällen lediglich auf
eine mechanisch einwandfreie Verbindung geachtet. Für solche Verbundwandler ist
diese mechanisch feste Verbindung zwar eine notwendige, aber nicht ausreichende
Bedingung. Ebenso wichtig ist die gute Reproduzierbarkeit sowie geringe Streubreite
der elektrischen Wandlereigenschaften. Neben einer Reihe anderer Eigenschaften sind
vor allem von Interesse der elektromechanische Koppelfaktor, die mechanische Schwinggüte
sowie die~ zeitliche Stabilität aller Wandlerdaten.
-
Piezoelektrische Keramik muß vor ihrer Verwendung einem Polarisierungsprozeß
unterworfen werden. Dabei werden die elektrischen Dipole unter Einwirkung eines
starken elektrischen Feldes und erhöhter Temperatur ausgerichtet. Bedingt durch
Materialstreuungen und Toleranzen in den Polarisierungsbedingungen ergeben sich
Mittelwert und Streuung der elektrischen Kenngrößen der Keramik. Dabei dürfen durch
den Lötprozeß die durch die Keramik vorgegebenen Streubreiten bei den Verbundwandlern
nicht vergrößert werden, unter Berücksichtigung des sogenannten Scherungsfaktors
für den Verbundwandler. Wird nun polarisierte Keramik auf das Stahlteil aufgelötet,
sö ergibt sich, neben der "Scherung" durch das Stahlteil, auch eine Depolarisierung
infolge der Erwärmung
auf die Löttemperatur. Erfolgt die Depolarisierung
infolge Inkonstanz der Lötbedingungen nicht gleichmäßig, so tritt eine starke Erhöhung
der Streubreite der elektrischen Kennwerte beim Verbundwandler auf.
-
Zum Verbinden einer metallisierten Piezokeramikscheibe mit einem Stahlresonator
wurde bereits vorgeschlagen, Lot auf den Stahlresonator aufzuschmelzen und anschließend
die Piezokeramikscheibe aufzulöten.
-
Dieses Verfahren ist aber wenig wirtschaftlich, da zwei Erwärmungsvorgänge
ablaufen müssen und durch stark unterschiedliche Dicke der Lotschicht ergeben sich
große Streuungen in den Eigenschaften der Verbundwandler.
-
Ein weiterer Vorschlag (Patentanmeldung 26 45 699.5) sieht vor, daß
die Fläche des Stahlresonators, auf die die Piezokeramikscheibe aufgelötet werden
soll, gereinigt und mit einer Schutzschicht überzogen wird, daß zwischen Piezokeramikscheibe
und Stahlresonator eine Lötfolie eingelegt wird und daß die Piezokeramikscheibe,
die Lötfolie und der Stahlresonator bei gleichzeitigem Zusammendrücken kurzzeitig
auf die Fließtemperatur des Lotes erwärmt werden.
-
Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß solch dünne Folien, wie sie
hier gebraucht werden, im Fertigungsablauf schlecht
zu handhaben
sind, besonders, wenn eine Vollautomatisierung des Auflötprozesses angestrebt wird.
-
Siebdruckverfahren sind zwar rationell in der Aufbringung, liefern
jedoch sehr große Schichtdicken (> 50 Wm) und erfordern zusätzlich einen Aufschmelzprozeß.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
der eingangs genannten Art anzugeben, das, insbesondere in einer automatisierten
Fertigung eingesetzt, die in der Einleitung beschriebenen Bedingungen erfüllt.
-
Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß Piezokeramikscheibe
und/oder Stahlresonator galvanisch mit einem Lötmaterial beschichtet werden und
daß die Piezokeramikscheibe und der Stahlresonator bei gleichzeitigem Zusammendrücken
kurzzeitig auf die Fließtemperatur des Lotes erwärmt werden.
-
Besonders vorteilhaft wird als Lötmaterial Indium verwendet.
-
Eine.-besonders gute Lötung wird bei einer Schichtdicke von 1 - 10
ym erreicht.
-
Da bei niedrigschmelzenden Loten bereits bei Raumtemperatur Rekristallisationsvorgänge
im Lot auftreten, die die Zeitstabilität
der elektromechanischen
Wandlerkennwerte beeinflussen, ist es vorteilhaft, wenn der Wandler nach dem Lötvorgang
einer Temperaturbehandlung unterzogen wird. Diese nimmt den Rekristallisationsvorgang
vorweg.
-
Die Erfindung soll anhand der Figur näher erläutert werden.
-
Die Figur stellt einen Verbundwandler vom Biegeschwingertyp dar, mit
der Verbindungsstelle Keramik-Stahl, die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielt
wird.
-
In der Figur ist auf dem einseitig abgeflachten, zylinderförmigen
Stahlresonator 1 die Keramikscheibe 2 aus piezoelektrischem Material befestigt.
Die elektrischen Anschlüsse bilden einerseits das Anschlußdrähtchen 3, andererseits
die Haltestifte 4 des Stahlresonators. Der Verbundwandler führt Biegeschwingungen
senkrecht zur Abflachung aus. Die Keramikscheibe 2 ist auf den Längsflächen mit
Elektroden 5 versehen, die z.B. aus einer Ni-Schicht bestehen. Bei dem verwendeten
Stahlmaterial handelt es sich beispielsweise um einen Spezialstahl mit einem hohen
Gehalt an Nickel, einen sogenannten Elinvar-Stahl, mit einem sehr geringen Temperaturgang
des Elastizitätsmoduls.
-
Die Metallelektrode der Keramikscheibe besteht bisher üblicherweise
aus einer Nickelschicht von marx. 1 pm Dicke, die
zur Erhaltung
der besseren Lötbarkeit mit einer Goldschicht von < 0,5 Zm überzogen ist. Diese
Elektrode wird entweder durch Aufdampfen, Sputtern oder stromlose Abscheidung aufgebracht.
Da zur Erzielung einer Schichtdicke von ca. 5 gm Indium nur eine galvanische Abscheidung
in Frage kommt, empfiehlt es sich, bezüglich eines rationellen Fertigungsprozesses,
für die Aufbringung der Elektroden auf die Keramikscheibe ein stromloses Verfahren
zu verwenden. Dabei kann die Goldschicht weggelassen werden und die Indiumschicht
unmittelbar auf die Nickelschicht aufgebracht. Anstelle der Nickelschicht kann auch
eine Kupferschicht verwendet werden. Die sofort auf gebrachte Indiumschicht bietet
genügend Schutz gegen Korrosion. Es ist auch möglich, sowohl die Nickelelektrode
als auch die Indiumschicht durch Aufdampfen in zwei direkt aufeinanderfolgenden
Schritten aufzubringen. Auch hierbei können noch Indiumschichten von ca. 2 #m aufgebracht
werden, die für gute Eigenschaften des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Verbundwandlers ausreichen.
-
Wenn es die Gegebenheiten des Fertigungsablaufes erfordern, kann auch
der Stahlresonator entweder ganz oder teilweise mit einer Indiumschicht versehen
werden. Außerdem besteht die Möglichkeit, beide Teile zu beschichten, wodurch es
möglich wird, ein weniger aggressives Flußmittel zu verwenden.
-
Die eine Seite der Keramikscheibe könnte auch beim Galvanisieren abgedeckt
werden, so daß dort keine Indiumschicht abgeschieden
wird, doch
kann eine Lotschicht auf dieser freien Seite gleich zum Anlöten des elektrischen
Anschlußdrähtchens 3 verwendet werden.
-
Die Keramikscheiben können nach Aufbringen der In-Schicht in bekannter
Weise polarisiert werden. Anschließend können die Teile dann einem weitgehend automatisierten
Lötplatz zugeführt werden, wobei die umständliche Handhabung der sonst üblichen
Lötfolie entfällt.
-
Das Verfahren wurde am Beispiel eines Verbundwandlers vom Biegeschwingertyp
beschrieben. Es läßt sich in gleicher Weise auch für Wandler mit anderen Schwingungsformen
anwenden.