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Be schreibung
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Verfahren zum Anlöten einer Glasfläche an einer anderen Fläche Die
Erfindung bezieht sich generell auf das Verbinden von Glas mit Metall und insbesondere
auf eine Lötverbindung eines Borsilikatglashalters an einem Nickel-Eisen-Halter
ohne Verwendung eines Flußmittels.
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In elektronischen Druck-Meßwertumformern, bei denen druckempfindliche
Silicium-Chips verwendet werden, besteht ein Problem darin, den Silicium-Chip an
dem korrosionsbeständigen Metallgehäuse, wie an einem Gehäuse aus rostfreiem Stahl,
anzubringen. Der Silicium-Chip und das Gehäuse aus rostfreiem Stahl des Meßwertumformers
weisen verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, die zu einem Wärmebruch und
zum Riß des Druckfühler-Silicium-Chips führen, wenn eine direkte Verbindung mit
dem Gehäuse aus dem rostfreien Stahl erfolgt und wenn im Betriebstemperaturbereich
des Neßwertumformers gearbeitet wird (-400C bis +1210C).
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Bei den bisher bekannten Verbindungsverfahren wurde ein Halter aus
einer Nickel-Eisen-Legierung zunächst direkt an dem aus dem korrosionsbeständigen
Metall bestehenden Gehäuse des Druck-Meßwandlers bei einer Temperatur hart angelötet,
bei der der Halter an dem Gehäuse wirksam hart angelötet wird und die die maximalen
zerstörungsfreien Temperaturen entweder des Silicium-Chips oder irgendeines Glas-Chip-Halters
übersteigt, um eine feste Verbindung zwischen dem Gehäuse aus rostfreiem Stahl und
dem Nickel-Eisen-Halter zu erzielen. Der Nickel-Eisen-Halter ist sowohl mit dem
Gehäuse aus rostfreiem Stahl als auch mit dem Glas-Halter kompatibel, und zwar im
Hinblick darauf, daß er ein Material bereitstellt, das einen Zwischen-Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist, der zwischen dem des Silicium-Chips und dem des Gehäuses aus rostfreiem
Stahl liegt. Nachdem eine feste Verbindung zwischen dem Gehäuse aus rostfreiem Stahl
und dem Nickel-Eisen-Halter erzielt ist, wird sodann der Glas-Halter mit dem daran
befestigten Silicium-Chip an dem Nickel-Eisen-Halter bei einer Temperatur (2210C)
angelötet, die unterhalb der maximalen zerstörungsfreien Temperatur des Glas-Halters
und des Silicium-Chips liegt, wobei ein eutektisches Reinigungs-Lötmittel mit einem
eutektischen Punkt bei etwa 221 0C verwendet wird.
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Um durch dieses Lötverfahren eine gute Abdichtung zu erzielen, hat
es sich als wünschenswert herausgestellt, die Verbindungsfläche des Glashalters
zuerst mit Chrom-und Goldschichten zu metallisieren und außerdem eine Chrom- und
Goldschicht auf der Verbindungsoberfläche des Nickel-Eisen-Halters aufzubringen.
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Das Chrom ist sowohl mit dem Glas als auch mit der Metalloberfläche
kompatibel; es bildet eine gute Verbindung mit diesen Materialien. Das mit der Chromoberfläche
verknüpfte Problem besteht jedoch darin, daß das Chrom durch das Lötmittel nicht
gleichmäßig benetzt wird; vielmehr neigt das Lötmittel dazu, sich auf der
Chromoberfläche
gewissermaßen zusammenzuballen und intermittierend Berührungspunkte zu bilden, an
denen eine Lötverbindung hergestellt wird. Demgemäß ist eine sehr schlechte Verbindung
möglich. Die das Chrom überziehende Goldschicht zeigt zwar eine Vorvernetzung, neigt
jedoch zur Auflösung und zur Bildung von intermetallischen Verbindungen mit dem
Zinn im Lötmittel.
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Dadurch wird der Zusammenhalt der Verbindung wieder verschlechtert.
In gewissen Fällen, in denen die Goldschicht dünn ist, neigt das Gold zur vollständigen
Auflösung, wodurch die Chromschicht unbedeckt zurückbleibt, an der eine Schicht-Anlötung
nahezu unmöglich ist, und zwar aufgrund der schlechten Benetzung des Chromes.
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Generell können Lötverbindungen durch Verwendung von Flußmittel verbessert
werden. Aufgrund der empfindlichen Eigenschaft des Silicium-Chip-Fühlers würde die
Verwendung eines derartigen Flußmittels jedoch Reststoffe zurücklassen, die die
Betriebsempfindlichkeit des Fühlers verschlechtern und beeinträchtigen würden.
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Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu zeigen,
wie die den bisher bekannten Verbindungs- bzw. Lötverfahren anhaftenden Probleme
auf relativ einfache Weise überwunden werden können. Dazu ist ein Verfahren zu schaffen,
mit dessen Hilfe Glas mit Metall durch Löten mittels einer eutektischen Legierung
ohne Verwendung eines Flußmittels verbunden wird.
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Uberdies soll eine Zwischenmetallschicht geschaffen werden, die durch
Lötmittel benetzbar ist und die zwischen Chrom- und Goldschichten vorgesehen ist,
um die Schutzschicht vor Oxydation zu schützen.
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Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe durch
die
in den Patentansprüchen erfaßte Erfindung.
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Gemäß der Erfindung wird eine Mittel-Zwischenschicht auf den Chromoberflächen
als metallischer ueberzug aufgebracht, auf der eine Goldoberfläche durch metallischen
Überzug aufgebracht wird. Die Chromoberfläche wird zuerst als metallischer Überzug
auf das Glas aufgebracht, da Chrom sich mit Glas verbindet, was für Nickel nicht
der Fall ist. Die Nickelschicht wird dann als metallischer Überzug auf das Chrom
aufgebracht, da Nickel bestenfalls eine sehr schlechte Verbindung mit Glas aber
eine feste Verbindung mit Chrom bildet und da Nickel außerdem eine Oberfläche bereitstellt,
die ohne weiteres mittels eines Lötmittels benetzt werden kann. Wenn die Nickelschicht
unbedeckt zurückbliebe, würde eine Oxydation auftreten; wenn das Löten des Nickels
versucht würde, dann würde das oxydierte Nickel selbst nicht zu einer Verbindung
bzw. Lötung ohne Verwendung von Lötflußmitteln führen. Wie erläutert, ist die Anwendung
eines Lötflußmittels bei der vorliegenden Verbindungs- bzw. Lötanwendung unmöglich,
da der Druckfühler beeinträchtigt würde. Um eine Oxydation der Nickelschicht zu
vermeiden, wird eine Goldschicht als metallischer Überzug auf die Nickelschicht
aufgebracht.
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Das Gold oxydiert nicht und ist ferner durch das Lötmittel benetzbar.
Damit schützt das Gold die Nickelschicht vor Oxydation und bei Auflösung während
des Lötens ermöglicht es die Herstellung einer festen Verbindung zwischen den nicht-oxydierten
Nickelschichten durch die alleinige Verwendung von Lötmittel und ohne die Notwendigkeit
nach Lötflußmitteln.
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Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend an einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines druckempfindlichen Silicium-Chips,
welches indirekt an einem Gehäuse aus rostfreiem Stahl eines Druck-Meßwertumformers
mittels
einer Halteranordnung angebracht ist.
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Fig. 2 zeigt eine Draufsicht der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform.
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Fig. 3 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht der Halteranordnung
gemäß Fig. 1.
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Im folgenden wird generell auf die Zeichnungen und insbesondere auf
Fig. 1 und 2 eingegangen. Dabei ist ein druckempfindlicher Silicium-Chip 10 dargestellt,
welches indirekt an einem Teil eines aus rostfreiem Stahl bestehenden Gehäuses 12
eines elektronischen Druck-Meßwertumformers mittels einer Halteranordnung 14 angebracht
ist. Der Silicium-Chip 10 ist an der Anordnung 14 angebracht, um einer Seite 16
des Silicium-Chips zu ermöglichen, einem ersten Druck ausgesetzt zu werden, während
die andere Seite 18 des Silicium-Chips einem zweiten Druckpegel ausgesetzt ist.
Bei einem elektronischen a P-Druck-Meßwertumformer würde ein Druck auf die eine
Seite 16 des Silicium-Chips 10 ausgeübt werden, während ein zweiter Druck auf die
zweite Seite 18 des Silicium-Chips 10 durch einen Durchgang 20 in dem Gehäuse 12
ausgeübt würde. Dieser Durchgang 20 steht dabei mit Durchgängen 22 und 24 in Verbindung,
die zentral in der Halteranordnung 14 gebildet sind und die zu der Seite 18 des
Silicium-Chips 10 hinführen. In Fällen, in denen der Druck-Meßwertumformer ein Überdruck-Meßwertumformer
ist, steht der Durchgang 20 mit dem atmosphärischen Druck in Verbindung, während
der ermittelte Druck auf die Seite 16 des Silicium-Chips 10 ausgeübt wird. Bei einem
den absoluten Druck ermittelnden Meßwertumformer wird der Durchgang 20 abgedichtet,
nachdem ein Vakuum bzw. Unterdruck in den Durchgängen 22 und 24 erzeugt ist.
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Der Silicium-Chip 10 weist eine Reihe von Widerstandselementen 26
auf, die in dem Silicium-Chip eingebettet sind und deren Widerstand sich ändert,
wenn der
Silicium-Chip aufgrund irgendeiner Druckdifferenz beansprucht
ist, die zwischen den Seiten 16 und 18 des Silicium-Chips 10 hervorgerufen wird.
Die Widerstandselemente 26 weisen elektrische Leitungen 28 auf, die individuell
mit den-Widerstandselementen 26 verbunden sind und die ihre widerstandsabhängigen
Signale an eine Wheatstonesche Brücke abgeben, die einen Teil der Detektorschaltung
der meisten bekannten elektronischen Druck-Meßwertumformer bildet.
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Wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich ist, enthält die Halteranordnung
14 einen rohrförmigen Halter 30 aus Borsilikatglas, der aus einem Material mit der
Bezeichnung 7740 Pyrex gebildet ist. Bezüglich dieses Materials hat sich herausgestellt,
daß es einen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist, der mit jenem des Silicium-Chips
20 im normalen Betriebstemperaturbereich der meisten elektronischen Druck-Meßwertumformer
(-40°C bis +1210C) kombatibel ist. Ein Ende des rohrförmigen Halters 30 ist dadurch
abgedichtet, daß auf diesem Rohrende der- Silicium-Chip 10 aufgebracht ist, und
zwar durch Verwendung irgendeiner Anzahl bekannter Klebstoffe und Bindemittel. Das
gegenüberliegende Ende des rohrförmigen Halters 30 wird dann mit einem metallischen
Überzug versehen, um eine später zu bildende feste Verbindung mit einem 39-42% Nickel-Eisen-Halter
32 der Halteranordnung 14 zu ermöglichen, wie dies weiter unten noch näher beschrieben
wird.
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Das Überziehen des aus Glas bestehenden rohrförmigen Halters 30 mit
einem Metallüberzug umfaßt das Niederschlagen einer dünnen Chromschicht 34 in einer
Dicke zwischen 1000 und 1500 Angström durch Aufdampfen von Chrom in einem Vakuum
oder in einer Schutzgasatmosphäre auf das rohrförmige Teil 30. Das Teil 30 wird
derart abgedeckt, daß der Niederschlag lediglich an dem dem Fühler 10 gegenüberliegenden
Ende des Teiles 30 auf-
tritt. Die Chromschicht wird dann mit einer
dünnen Nickelschicht 35 in einer Dicke zwischen 1200 bis 4000 Angström überzogen,
und zwar durch Aufdampfen von Nickel auf die Chromoberfläche. Ist dieser Vorgang
erfolgt, so folgt dem vorhergehenden Vorgang das Aufdampfen einer Goldschicht 36
in einer Dicke zwischen 1200 bis 4000 Angström im Vakuum oder in einer Schutzga#atmosphäre
auf die Nickelschicht.
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Um eine Kombatibilität der lötfähigen Oberflächen sowohl des Glashalters
30 als auch des Nickel-Eisen-Halters 32 zu erzielen, wird der Nickel-Eisen-Halter
32 außerdem zuerst mit einer dünnen Chromschicht 37 überzogen, der eine Nickelschicht
39 folgt, woraufhin schließlich eine Goldschicht 38 folgt. Die Aufbringung der Schichten
erfolgt durch Aufdampfen von Chrom, Nickel und Gold im Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre
in denselben Dickenbereichen, die bezüglich des Glashalters 30 spezifiziert worden
sind.
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Obwohl Chrom verwendet wird, um gleiche Oberfläche zu bilden, kann
Nickel als metallischer Überzug direkt auf den Nickel-Eisen-Halter 32 aufgebracht
werden, wodurch die Forderung nach der Chromschicht 37 beseitigt ist.
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Um den metallisch überzogenen rohrförmigen Halter 30 wirksam mit dem
Halter 32 zu verbinden, hat es sich herausgestellt, daß ein eutektisches Reinigu>Etmittel40
mit etwa 96,55' Zinn und 3,596 Silber am wirksamsten ist.
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Das Verlöten der beiden metallisierten Oberflächen erfolgt ohne die
Verwendung irgendeines Flußmittels, da die Goldschichten 36 und 39 ihrerseits keiner
Oxydation ausgesetzt sind, welche die Verwendung eines Lötflußmittels erforderlich
machen würde. Die Goldschichten 36 und 39 sind außerdem Schutzschichten, welche
die metallisierten Nickeloberflächen 35 und 39 daran hindern, der
Atmosphäre
ausgesetzt zu werden, wodurch das Nickel oxydieren würde und wodurch die Verwendung
eines Lötflußmittels in irgendeinem nachfolgenden Lötvorgang erforderlich wäre.
Die Notwendigkeit bezüglich der Nickelschichten 35 und 39 ergibt sich aus deren
hoher Benetzbarkeit für das Lötmittel im Gegensatz zu der Chromschicht, die nicht
benetzt wird. Diese Eigenschaft von Nickel ermöglicht, die gesamte Verbindungsoberfläche
ohne weiteres durch das Lötmittel benetzen zu können, wodurch eine feste Verbindung
erzielt wird. Dieser Aspekt der hohen Benetzbarkeit von Nickel bringt den Vorteil
mit sich, daß die unerwünschte Oxydation von Nickel dadurch beseitigt ist, daß die
schützenden Goldschichten 36 und 38 vorgesehen sind. Obwohl die Goldschichten 36
und 38 sogar eine gute Benetzbarkeit für das Lötmittel mit sich bringen, neigt das
Gold, wie bereits erwähnt, dazu, intermetallische Verbindungen mit dem Zinn in dem
eutektischen Lötmittel zu bilden, die die Integri tät der hergestellten Lötverbindung
verschlechtern. Die Chromschicht 34 ist für den Glashalter 30 erforderlich, da die
Nickelschicht 35 nicht direkt als metallischer Überzug auf das Glas aufgebracht
werden kann, während sie allerdings auf das Chrom als metallischer Überzug aufgebracht
werden kann.
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Wie weiter oben bereits ausgeführt, kann die Nickelschicht 39 als
metallischer Überzug direkt auf den Nickel-Eisen-Halter 32 aufgebracht werden.
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Gemäß der Erfindung wird also ein druckempfindlicher Silicium-Chip
indirekt an einem aus rostfreiem Stahl bestehenden Gehäuse eines elektronischen
Druck-Meßwertumsetzers durch eine Zwischen-Halteanordnung befestigt.
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Diese indirekte Befestigung des Silicium-Chips verhindert das Auftreten
eines Warmrisses des Silicium-Chips infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnung des
aus rostfreiem Stahl bestehenden Gehäuses und de#s Silicium-Chips. Die Zwischenhalteranordnung
enthält
ein Borsilikatglasrohr, an dem der Silicium-Chip befestigt
ist und das mittels eines eutek,tischen Legierungs-Lötmittels an einem Halter aus
einer Nickel-Ei sen-Legierung angelötet ist. Das Anlöten des Glasrohres an dem Nickel-Eisen-Halter
erfolgt ohne die Verwendung eines Flußmittels aufgrund der Verwendung von auf dem
Glasrohr gebildeten Schichten aus Chrom, Nickel und Gold.