DE3027652A1

DE3027652A1 - Verfahren zur herstellung von keramikresonatoren und -filtern

Info

Publication number: DE3027652A1
Application number: DE19803027652
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Ing.(Grad.) 7016 Gerlingen Heck; Ulrich Ing.(grad.) 7000 Stuttgart Seyfried
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1978-07-07
Filing date: 1980-07-22
Publication date: 1982-02-11
Also published as: US4309680A

Description

STANDARD ELEKTRIK LORENZ
AKTIENGESELLSCHAFT

Stuttgart

W.Heck-U.Seyfried 9-1

Verfahren zur Herstellung von Keramikresonatoren und -filtern.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Keramikresonatoren und -filtern. Ein Keramikresonator der hier interessierenden Bauweise besteht z.B. aus einem Blei-Zirkon-Titan-Stäbchen mit zwei gegenüberliegenden Metallisierungsflächen zum Anlegen der anregenden bzw. der erzeugten Hochfrequenzspannung. Bei einem Keramikfilter sind mehrere solche Resonatoren an den bezüglich der Form ihrer Eigenschwingung geeigneten Stellen über einen Kopplungsdraht verbunden. Ein solcher Koppeldraht kann zugleich auch die gemeinsame elektrische Masseverbindung an die metallisierten Flächen auf der einen Seite der Resonatoren und der Halterung sein. Zur mechanischen Halterung der Resonatoren werden Haltedrähte verwendet, die zugleich die elektrischen Anschlüsse an die gegenüberliegenden metallisierten Flächen der Resonatoren und der Tragkörper sein können. Diese Haltedrähte werden am Resonator an der Stelle eines Schwingungsknotens angebracht. Zur Verbindung von metallisierter Keramik und

Gr/Sam ./

25.^.1980

130066/0362

-ü-

W.Heck-U.Seyfried 9-1

Draht kann man unterschiedliche Verbindungsverfahren in Betracht ziehen. Die bekannten Verfahren sind Punktschweißen, Ultraschallschweißen, Laserschweißen, Löten mit der Lötmaschine und Löten durch Laserstrahlerwärmung. Im vorliegenden Fall sind jedoch drei Bedingungen gestellt, welche mit diesen Verfahren nicht oder nur unvollkommen oder mit unverhältnismäßig großen Aufwand erfüllt werden können:

1. Die ferroelektrische Keramik darf an keiner Stelle über ihren Curiepunkt von z.B. 280° C erwärmt werden.

2. Die mechanische Belastung durch die Lötspitzen einer Lötmaschine, durch Schweiß -Elektrode oder Bondstempel darf die Drähte nicht verf ori.:~n, weil die Resonanzfrequenz bzw. der Kopplungsgrad sich dabei ändern.

3. Um geringe Bedämpfung der Filter zu erzielen muß die Lötstelle eng begrenzt, die Masse des Lotes gering und die Dicke der Metallisierung minimal sein.

Die vorliegende Erfindung hat deshalb die Aufgabe, eine Verbindungsmethode zu beschreiben, mit der es möglich ist, obige Bedingungen einzuhalten.

Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Wie Fig. 4 zeigt, wird zuerst der an der Unterseite von Resonator 1 und Halterung 3 zu befestigende Draht in die Aussparung 12 der Aufnahme 9 von Vorrichtung lh eingelegt. Dieser Draht wird durch die unteren Klammern der Halte- und Anschlußklemmen 6 und J festgehalten und dann durch die verschiebbare Klemme 7 gespannt. Anschließend können die Resonatoren 1 und der Träger 3 des Filters 8 eingelegt werden,

130086/0362

- 5 W.Heck-U.Seyfried 9-1

dazu ein auf der Vorderseite anzubringender Draht, welcher in den oberen Klammern der Klemmen 6 und 7 festgeklemmt und dann auch leicht gespannt wird. Dadurch befinden sich alle Teile des Filters in der für den Zusammenbau gewünschten Lage, wobei erreicht ist, daß die Drähte ohne nennenswerte Kraft an den metallisierten Seiten der Resonatoren und des Trägers anliegen. Es erfolgt daraufhin die Erhitzung der Drähte durch einen kurzen Stromimpuls der ausreicht, das an den zu verbindenden Oberflächen befindliche Lot zu schmelzen. Auf diese Weise wird ohne Anwendung von Kräften durch Schweißelektroden, Bondstempel oder Lötspitzen auf einfache Art die Verbindung der Filterteile erreicht. Vorteilhaft ist auch der Übergang der erforderlichen Schmelzwärme vom Draht her und daß die Stromimpulse nach Höhe und Dauer so dosierbar sind, daß der Draht die metallisierte Oberfläche der Resonatoren noch ausreichend erwärmt, ohne die Keramik selbst stark zu erhitzen.

Damit sich die nach dem Verfließen des Lotes in die Piezokeramik einfließende Wärmemenge noch weiter vermindert, kann anschließend auf übliche Weise durch Verstärkung der Konvektion oder mittels kurzzeitig angelegtem Kühlkörper Wärme abgeführt werden. Dies kann noch in der Vorrichtung 14 oder nach der Entnahme bzw. dem Weitertransport erfolgen, falls die Filter durch die Drähte gegurted bleiben ehe sie aufgetrennt und durch Abschneiden vereinzelt werden. Elektrische Anschlüsse an die metallisierten Flächen des Trägers 3 werden auf gebräuchliche Art angebracht, entweder zum Einsetzen z.B. in gedruckte Schaltungen, Dick- oder Dünnfilmschaltungen, oder wenn der Einbau in ein Gehäuse vorgesehen ist, als Verbindungen zu Sockelstiften oder als solche selbst.

130066/0362

W.Heck-U.Seyfried 9-1

Bei diesem Verfahren ist erfindungsgemäß sichergestellt, daß keine zu hohe Temperatur auf die Keramik einwirkt und keine zu großen Kräfte die Drähte verformen. Jedoch tritt durch die Erhitzung der anzulötenden Drähte eine gewisse Wärmedehnung dieser Drähte ein. Dies gibt zu geringen Verformungen und folglich Lageänderungen Anlaß. Gemäß einer Ausbildung der Erfindung wird deshalb jeder Draht zur genauen Positionierung während der Lötung in gestreckter Form gehalten, indem je einer der gegenüberliegenden mechanischen Stützpunkte in Richtung der Drahtachse verschiebbar ist und nach dem Einlegen und Pestklemmen der Drähte eine_&raft erfährt, durch welche der jeweilige Draht gespannt wird.

Um den mechanischen Aufbau der Lötvorrichtung einfach zu gestalten, ist weiterhin vorgesehen, daß die mechanischen Stützpunkte zugleich als Zuleitungen für den Heizstrom, also auch als elektrische Anschlüsse ausgebildet sind.

Damit stets die gleichen, möglichst geringen Mengen von Lot an jeder Lötstelle bereitstehen, können nach einer besonderen Ausbildung der Erfindung Drähte verwendet werden, die an ihrer Oberfläche im Abstand der Lötpunkte oder in ausreichend regelmäßigen Abständen abschnittsweise oder über die gesamte Länge Anreicherungen von Lot enthalten, z.B. als „Lotperlen".

Auf diese Weise erübrigt sich eine zusätzliche Handhabung von Lot und die Dosierung bzw. das Anbringen an den Lötstellen auf der Keramik.

130066/0362

ORIGINAL

W.Heck-U.Seyfried 9-I

Mittels der Erwärmung nur der anzulötenden Drähte durch Stromwärme erreicht man schon eine Verlagerung der für den Verbindungsvorgang notwendigen Wärmemenge von der Keramik weg in den wärmeunempfindlichen Draht hinein . Zur weiteren Reduktion der Keramikerwärmung erfolgt, falls erforderlich, vor dem Abschr&den der Drähte noch eine Zwangskühlung der Lötstelle mit Kühlmittelströmung oder durch Anlegen eines Wärmeableiters. Damit kann durch zusätzliche Kühlung vermieden werden, daß die noch im Draht vorhanden Wärmemenge über die metallisierte Oberfläche ins Innere der Keramik übergeht.

In der beschriebenen Vorrichtung ist es mit der erfindungsgemäßen Lötmethode auch möglich, daß die Anlötung der Halte- und Kopplungsdrähte auf beiden Seiten der Resonatoren und Träger gleichzeitig erfolgt. Zur Aufnahme des rückseitigen Drahtes ist in der Aufnahme 9, siehe Fig. k₃ eine Aussparung 12 ausgearbeitet.

Die Erfindung wird zur genauen Beschreibung anhand der Figuren näher erläutert:

Fig. 1 zeigt einen Resonator 1 in seiner Halterung 3 Fig. 2 gibt dazu die Draufsicht

Fig. 3 zeigt zwei zu einem Filter kombinierte Resonatoren 1 in der Halterung 3 samt Haltedrähten 2 und Kopplungsdraht 5

Fig. 4 ist eine Skizze der Lötvorrichtung, wie sie zum erfindungsgemäßen Zusammenbau von Resonatoren 1, Halterungen 3j Haltedrähten 2 und Kopplungsdrähte 5 verwendet wird.

130066/0362

W.Heck-U.Seyfried 9-1

In Pig. 1 ist ein Resonator 1 mit Befestigungs- und Zuleitungsdrähten, kurz Haltedrähte 2 genannt, mit einer U-förmigen Halterung 3 aus elektrisch isolierendem Material verbunden. Die Parallel zur Zeichenebene liegenden Flächen des Resonators 1 und der Halterung 3 sind mit Ausnahme von zwei Unterbrechungen bei 4 stromleitend und lötbar metallisiert. Die Unterbrechung bei 4 ist erforderlich, um dem Strom, der zum Löten die Drähte erhitzen soll, keinen Nebenschluß zu geben. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Bauelement sind die Teile mit sechs Lötstellen 13 mechanisch und elektrisch verbunden. Diese Lötstellen sind durch Kreise symbolisch dargestellt. In Wirklichkeit können die Lötstellen z.B. entsprechend der Vorverzinnung der Drähte gemäß Anspruch H sich über die gesamte Länge, in der sich die Drähte gegenüber den metallisierten Flächen befinden, erstrecken, oder die Lötstellen 13 können auch aus mehreren Schmelzbrücken entlang der Drähte bestehen.

Fig. 2 zeigt die Aufsicht zur Fig. 1 und läßt erkennen,daß auf Vorder- und Rückseite des in Fig. 1 und 2 dargestellten Bauelements je ein Halte- und Zuleitungsdraht vorhanden ist.

Fig. 3 stellt ein Filter mit zwei Resonatoren 1 dar, dessen beide nur auf je einer Seite benötigten Halte- und Zuleitungsdrähte 2, sein Trägerteil 3 aus Isolierstoff mit den Unterbrechungen k auf Vorder- und Rückseite, sowie sein Kopplungsdraht 5 gezeigt sind.

Der ebenfalls nur auf einer Seite vorgesehene Kopplungsdraht ist auch zugleich Zuleitungsdraht, in der dargestellten Bauform als gemeinsame Masseverbindung.

130066/0362

W.Heck-U.Seyfried 9-1

Fig. 4 erthält eine Skizze der für den Zusammenbau verwendeten Lötvorrichtung 14 aus

6, einer festen Spann- und Anschlußklemme für einen Draht 2

7, einer in Richtung der Drahtachse beweglichen Anschlußklemme, welche nachdem der Draht angeklemmt ist, ihn durch z.B. Federkraft spannt und bei Erwärmung des Drahtes somit gestreckt hält.

Entsprechende Klemmen sind für einen die Rückseiten verbindenden Koppeldraht 5 vorhanden,wurden in Fig. jedoch nicht eingezeichnet.

8, einem Filter mit zwei Resonatoren 1 und Halteteil 3

9, der Aufnahme zum Einsen der Teile des Filters

10, eine die Justierung symbolisierende Einstellschraube

11, dem Führungs- und Befestigungsrahmen und

12, einer zur Aufnahme des rückseitig anzulötenden Drahtes dienende Aussparung

In die in der Führung 11 bewegliche Aufnahme 9 werden die Träger 3 und die Resonatoren 1 eingelegt. Die Drähte 2 und 5 werden in die Klemmen entsprechend 6 und 7 eingelegt und mit Hilfe der jeweils beweglichen Klemmen gespannt. Damit sind die Teile in ihrer gegenseitigen Lage fixiert. Mit dem Einspannen der Drähte erfolgt auch deren elektrischer Anschluß für die Zuführung des Heizstromes zur Erhitzung der Drähte auf Löttemperatur. Es ist ein Vorzug der Erfindung, daß die Lötung von Haltedrähten auf der Vorderseite und von Kopplungsdrähten auf der Rückseite der Resonatoren und der Halterung gleichzeitig erfolgen kann. Die Lotvorgabe kann z.B. als Paste an den Stellen 13 (Fig. 1) erfolgen. Es können jedoch

130066/0362

W.Heck-U.Seyfried 9-I

auch nach Anspruch 4 Drähte verwendet werden, die an den Lötpositionen einen Lotauftrag haben. Auch Drähte mit durchgängiger oder regelmäßiger, in geeignet dichter Folge abschnittsweiser Vorverzinnung kommen zur Anwendung in Frage. Wegen der über die Drähte erfolgenden Zufuhr der Lötwärme ist es besonders vorteilhaft, das Lot auf der Drahtoberfläche bereitzustellen. Es ergibt sich so der wichtige Vorteil, daß die Keramik thermisch entlastet und die Wärme zwangsläufig auf die Lötstelle konzentriert wird, nur eine minimale Menge an Lot gebraucht wird und die Wärmemenge mittels Höhe und Dauer des Heizstromimpulses genau dotiert werden kann.

130066/0362

Leerseite

Claims

W.Heck-U.Seyfried 9-1 Patentansprüche:

1)(Verfahren zur Herstellung von Keramikresonatoren und ^ -filtern,

dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Keramikresonatoren (1) sowie deren Trägerkörper (3) in eine Vorrichtung eingelegt werden, welche diese Teile unter sich und in Bezug auf die zwischen mechanischen Stütztpunkten (6,7) gespannten Träger- und Kopplungsdrähte (2,5) in der für den Zusammenbau durch Löten gewünschten Anordnung positioniert, wonach die Drähte zwecks mechanischer und elektrisch leitender Befestigung mit dem Träger (3) und einem oder mehreren Resonatoren (1) zur Erhitzung durch Stromfluß soweit und solange aufgeheizt werden, bis die Verbindung durch Schmelzen des an den Berührungsstellen (13) bereitgestellten Lotes erfolgen kann.

2) Hitzdrahtlötmethode nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß je einer der gegenüberliegenden mechanischen Stützpunkte (6,7) in Richtung der Drahtachse verschiebbar ist und nach dem Einlegen und Pestklemmen der Drähte eine Kraft erfährt, durch welche der jeweilige Draht gespannt wird.

3) Hitzdrahtlötmethode nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Stützpunkte (6,7) zugleich als Zuleitungen für den Heizstrom, also auch als elektrische Anschlüsse ausgebildet sind.

Gr/Sam ./

25.

4.I98O

130066/0362

- 2 W.Heck-U.Seyfried 9-1

^) Hxtzdrahtlötmethode nach Anspruch 1, 2 und 3₃ dadurch gekennzeichnet, daß Drähte (2,5) verwendet werden, die an ihrer Oberfläche' im Abstand der Lötpunkte oder in ausreichend regelmäßigen Abständen abschnittsweise oder über die gesamte Länge Anreicherungen von Lot enthalten, z.B. als „Lotperlen".

5) Hxtzdrahtlötmethode nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Lötung erforderliche Wärmemenge durch einen möglichst kurzen Stromimpuls an den Lötstellen bereitgestellt wird.

6) Hxtzdrahtlötmethode nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5_} dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Abschneiden der Drähte noch eine Zwangskühlung der Lötstelle mit Kühlmittelströmung oder durch Anlegen eines Wärmeabieiters erfolgt.

7) Hxtzdrahtlötmethode nach den obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlötungen der Halte- und Kopplungsdrähte auf beiden Seiten der Resonatoren und Träger gleichzeitig erfolgt.

Λ30066/0362