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Verfahren zum Verbinden von Stromzuführungsdrähten mit
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Metallschichten, die sich auf einem elektrischen Bauelement befinden
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Stromzuführungsdrähten mit
Metallschichten, die sich auf einem elektrischen Bauelement befinden, das einen
elektrisch aktiven, scheiben-, rohr- oder stabförmigen Grundkörper aus Keramik mit
aufgebrachten Belägen und die der Stromzuführung dienenden Metallschichten enthält,
wie keramische Kalt- oder Heißleiter, keramische Kondensatoren, Vielschichtkondensatoren
und keramische Piezoelemente, indem das Bauelement während des Herstellungsganges
am Transportband einer Automatenstraße zunächst eine Wärmezone (Heißluftstrom) durchläuft,
in der es auf eine Temperatur TB oberhalb der Schmeiztemperatur T5 des Lotes erhitzt
wird, wonach den Berührungsstellen zwischen den Stromzuführungsdrähten und den Metallschichten
ein Lötdraht zugeführt wird, in dessen Innerem sich ein Lötmittel (Röhrenlot) befindet,
wonach die Lötstelle unter die Schmelztemperatur T5 abgekühlt wird.
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Es sind Automatenstraßen für das Herstellen von elektrischen Bauelementen
und insbesondere zum Anbringen von Stromzuführungsdrähten an solche Bauelemente
bekannt und im Handel, bei denen der Lötvorgang, durch den die Stromzuführungsdrähte
mit auf den Bauelementen befindlichen Metallschichten verbunden werden, in der Weise
durchgeführt wird, daß Lötdraht, der in seinem Inneren das für die Lötung erforderliche
Flußmittel enthält, mit den Berührungsstellen zwischen Stromzuführungsdrähten und
Metallschichten
in Kontakt gebracht wird, wofür die Bauelemente
und die daran anliegenden Stromzuführungsdrähte vorher auf eine Temperatur oberhalb
der Schmelztemperatur des Lotes erhitzt werden. Durch den Kontakt mit diesen erhitzten
Bauelementen schmilzt der Lötdraht und stellt die mechanische und elektrische Verbindung
zwischen den Stromzuführungsdrähten und den Metallschichten der e-liektrischen Bauelemente
her.
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In letzter Zeit werden vielfach elektrische Bauelemente:, insbesondere
keramische Kaltleiter ( das sind elektrische Widerstände, deren Widerstandskörper-'aus
Keramik auf der Basis von dotiertem Bariumtitanat besteht, die im Be-reich der Curietemperatur
eine Widerstandszunahme mit zunehmender Temperatur um mehrere Zehnerpotenzen aufweisen)
un-d auch elektrische Kondensatoren mit einem Dielektrikum aus einem Keramikkörper
mit Nickelschichten versehen, wie es beispielsweise in den prioritätsgleichen deutschen
Patentanmeldungen P .. .. ... (VPA 80 E 1904) und P ........
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(VPA 80 E 1906) beschrieben ist. Solche sogenannte Nickelschichten
bestehen aus Nickel, Nickel-Phosphor oder Nickel-Bor und dienen dazu, die die elektrischen
Werte bestimmenden metallischen Beläge der Bauelemente 'zu kontaktieren, d. h. mit
Stromzuführungselementen zu versehe-n. Die Beläge können dabei KondensatorbeLäge
sein, die beispielsweise bei keramischen Vielschichtkondensatoren innerhalb eines
monolithischen Blockes aus dem dielektrischen Material abwechselnd in einander gegenüberliegenden
Stirnseiten des Blockes enden und dort miteinander verbunden werden. Die -erwähnten
Nickelschichten können aber auch - sofern es sich um Keramikscheiben handelt, deren
Dicke gleichzeitig der Dicke -des Dielektrikums entspricht - direkt die Kondensatorbeläge
sein.
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Bei keramischen Widerstandselementen, wie z. B. Kaltleitern oder Heißleitern,
sind die den Widerstandswert mitbestimmenden Beläge entweder selbst aus Nickelschichten
oder
sie werden mittels Nickelschichten lötfähig gemacht.
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Diese Lötfähigkeit ist eine Voraussetzung für den praktischen Einsatz
der Bauelemente, denn die Lötung zwischen Stromzuführungsdraht und Metallschicht
muß nicht nur mechanisch fest und dauerhaft sein, sondern sie muß auch elektrisch
einwandfrei sein, d. h. die Übergangswiderstände - meist durch Oxidschichten bewirkt
- sollen vernachlässigbar klein sein.
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Die oben erwähnten Nickel schichten haben nur eine geringe Oxidationsbeständigkeit,
wodurch bereits während des Herstellungsganges und vor dem Anlöten von Stromzuführungsdrähten
Oxidschichten entstehen. Solche Oxidschichten lassen sich ohne weiteres mit aggressiven
Flußmitteln wieder zerstören, beispielsweise durch Flußmittel, die Ammoniumchlorid
enthalten. Aggressive Flußmittel sind aber nur begrenzt anwendbar, denn sie greifen
auch den elektrisch aktiven Grundkörer aus Keramikmaterial an und verändern in nachteiliger
Weise die elektrischen Eigenschaften desselben.
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Nicht aggressive Flußmittel, wie z. B. Colophonium, können ihre Flußmittelwirkung
während des oben beschriebenen Lötvorganges nicht entfalten, so daß man bei den
automatischen Verfahren zum Anbringen von Stromzuführungsdrähten an elektrische
Bauelemente andere Wege beschritten hat, wie sie beispielsweise in der DE-PS 1 153
807 (separates Eintauchen der'Bauelemente in Lötflußmittel und in ein Lötbad) oder
in der DE-PS 1 427 336 (Herausheben geringer Mengen Lötflußmittel und danach Lot
aus entsprechenden Trögen und Einauchen der Bauelemente in diese herausgehobenen
Mittel) beschrieben sind. Auch das sogenannte Schwallötverfahren, bei dem die Bauelemente
zunächst mit Lötflußmittel benetzt und danach mit Lot in Verbindung gebracht werden,
wobei beide Mittel als Schwall die Oberfläche entsprechender
Bäder
überragen, ist für die vollautomatische Anbringung der Stromzuführungsdrähte an
elektrische Bauelemente geeignet und wird auch angewandt.
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Die besonders einfache Verwendung von Lötdraht der geschilderten Art
bei vorerhitzten Bauelementen ist in der bisherigen Form nicht verwendbar. Hiermit
befaßt sich die vorliegende Erfindung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein in Automatenstraßen
einsetzbares Verfahren anzugeben, bei dem elektrische Bauelemente, die Metallschichten
aus Nickel, Nickel-Phosphor oder Nickel-Bor enthalten, unter Verwendung von Lotdraht,
der in seinem Inneren nicht aggressives Lötflußmittel enthält,,verbunden werden
können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist das eingangs angegebene Verfahren erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet, daß bei Schichten aus Nickel, Nickel-Phosphor oder Nickel-Bor
als Metallschichten, an die die Stromzuführungsdrähte anzulöten sind, die Lötung
in zwei Schritten erfolgt und bei dem ersten Schritt hiervon zum Berührungszeitpunkt
t1 mit dem ein nicht aggressives Lötflußmittel enthaltenden Lötdraht nur ein Anteil
von 0,1 bis 0,25 der erforderlichen Lotmenge aufgetragen wird, daß die restliche
Lotmenge zum Berührungszeitpunkt t3 mit weiterem Lötdraht am Ende des Lötvorganges
durchgeführt wird, daß zwischen dem ersten Berührungszeitpunkt t1 und dem zweiten
Berührungszeitpunkt t3 das Bauelement eine weitere Wärmezone durchläuft, in der
die Löttemperatur TB beibehalten wird, und daß die Zeit tLn zwischen dem ersten
Berührungszeitpunkt t1 und dem zweiten Berührungszeitpunkt t3 so bemessen ist, daß
das Flußmittel die miteinander zu verlötenden Teile unter dem Einfluß der beibehaltenen
Löttemperatur TB benetzt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des#V'e#rfa'hrens beträgt die
Zeit zwischen dem ersten Berührungszeitpunkt und dem zweiten Berührungszeitpunkt
2 bis 5 sec.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe
in besonders einfacher Weise, ohne dabei die relativ hohe Taktzahl der Automatenstraße
(das ist die Zahl der intermittierenden Vorschübe des Transportbandes der Automatenstraße
je Minute, meist 60 bis 120) zu verringern.- Die automatisch arbeitende Anlage muß
nur mit einer verlängerten Wärmezone und mit einem weiteren Paar-von Zufuhrdüsen
für den Lötdraht versehen werden.
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Da nicht aggre#ssive Flußmittel verwendet werden, tritt eine Beeinträchtigung
der elektrischen Eigenschaften der keramischen Grundkörper nicht ein. Insbesondere
Keramikmaterial für Kaltleiter, aber auch Keramikmaterial für elektrische Kondensatoren
mit inneren, dielektrisch wirksamen Sperrschichten sind in hohem Maße anfällig gegen
die Bestandteile oder auch die Zersetzungsprodukte aggressiver Lötflußmittel, die
z. B. Ammoniumchlorid enthalten.
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Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 in Seitenansicht das Zuführen der Lötdrähte, Fig. 2 ein Bauelement
mit daran angelöteten Stromzuführungsdrähten im Schnitt, Fig. 3 eine Möglichkeit
der vorübergehenden Befestigung der Stromzuführungsdrähte an ein Bauelement, Fig.
4 eine andere Form eines elektrischen Bauelements im Schnitt längs der Linie IV-IV
in Fig. 5, Fig. 5 das Bauelement nach Fig. 4 in Seitenansicht, Fig. 6 schematisch
und stark zusammengedrängt den Ablauf der Automatenstraße zur Anbringung von Stromzuführungsdrähten
an elektrische Bauelemen-te und
Fig. 7 ein Temperatur-Zeitdiagramm
für den Lötablauf.
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In Fig. 1 sind die Stromzuführungsdrähte 1 und 2 im Schnitt dargestellt,
die an den Metallschichten 3 und 4 des elektrischen Bauelements 7 anliegen. Die
Lötdrähte 8 und 9, die in ihrem Inneren das Lötflußmittel 10 enthalten, werden durch
hier schematisch gezeigte Düsen 11 und 12 hindurch dem Bauelement zugeführt. Die
Düsen 11 und 12 sind so ausgerichtet, daß die herausstehenden Lötdrähte 8 und 9
die Berührungsstellen 1a und 2a zwischen den Stro-mzuführungsdrähten 1 und 2 und
den Metallschichten 3 und 4 möglichst gut erreichen. Innerhalb der Düsen 11 und
12 wird der Lötdraht auf eine Temperatur erhitzt, die wenig unterhalb der Schmelztemperatur
des Lotmaterials (meist Zinn-Blei-Legierungen) liegt.
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Da das elektrische Bauelement 7 samt seinen Metallschichten 3 und
4 und den an ihnen anliegenden Stromzuführungsdrähten 1 und 2 vor dem Lötvorgang
auf eine Temperatur erhitzt worden sind, die oberhalb der Schmelztemperatur des
Lotmaterials liegt, und der Lötdraht bereits weitgehend vorgewärmt ist, schmilzt
das Lotmaterial unmittelbar.
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Nach dem Ablauf des Lötvorganges gemäß der vorliegenden Erfindung
resultiert ein elektrisches Bauelement, dessen Stromzuführungsdrähte 1 und 2 durch
Lötmaterial 14 und 15 mit den Metallschichten 3 und 4 mechanisch fest und dauerhaft
und elektrisch einwandfrei verbunden sind, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist.
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Das Bauelement, das in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, kann ein
keramischer Kaltleiter, ein keramischer Heißleiter, ein keramischer Kondensator
oder ein keramisches Piezoelement sein.
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In Fig. 3 ist als keramisches Bauelement ein Vielschichtkondensator
gezeigt, der aus einem monolithischen Block besteht, in dem Metallschichten 16 und
17 alternierend zu den mit den Metallschichten 3 und 4 versehenen Stirnseiten geführt
sind. Solche keramischen Vielschichtkondensatoren sind hinreichend bekannt. Die
Stromzuführungsdrähte 1 und 2, die mit ihren freien Enden in einem Transportband
stecken, sind auf der Vorderseite der Figur miteinander durch einen U-förmigen Bügel
18 verbunden. Dieser Bügel bewirkt, daß das Bauelement 7 von den Stromzuführungsdrähten
3 und 4 klemmend gehalten wird, bis die Verlötung der Stromzuführungsdrähte 1 und
2 mit den Metallschichten 3 und 4 erfolgt.
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In den Figuren 4 und 5 ist ein elektrisches Bauelement 7 in Form eines
flachen Rohres 19 aus Keramikmaterial gezeigt (keramisches Kaltleitermaterial oder
keramisches Dielektrikumsmaterial). Das Rohr 19 ist an seiner gesamten äußeren Oberfläche
mit einer Metallschicht 21 als elektrischer Belag versehen. Der Hohlraum 20 ist
mit einer Metallschicht 22 - ebenfalls als elektrischer Belag - versehen. Das Flachrohr
19 besitzt an seinen schmalen Seiten Vertiefungen 23 und 24. In der Vertiefung 23
befindet sich die Metallschicht 5 zum Anlöten des Stromzuführungsdrahtes 1. Der
Stromzuführungsdraht 2 wird an der Metallschicht 6 angelötet, die sich in der Rundung
des Hohlraumes 20 befindet. Der Stromzuführungsdraht 2 ist gewissermaßen einen Widerhaken
25 bildend in den Innenraum 20 des Flachrohres 19 eingeschoben.
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Ein Bauelement dieser Art ist beispielsweise in der DE-OS 20 43 770
(entsprechend US-PS 3 676 757) beschrieben.
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Andere Bauelementeformen, beispielsweise kreisrunde Scheiben, an deren
gegenüberliegenden großen Stirnflächen die Stromzuführungsdrähte anzulöten sind,
können mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ebenfalls mit Stromzuführungsdrähten
versehen werden. Gleiches gilt für Rohrkondensatoren mit kreisrundem Querschnitt
oder für andere Körperformen für den keramischen Grundkörper des Bauelements, obwohl
Körperformen, die in den Figuren 1,2 und 3 gezeigt sind, bevorzugt kontaktiert werden
können.
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In Fig. 6 ist als Ausschnitt und in vereinfachter Form der Vorgang
des Anbringens der Stromzuführungsdrähte an elektrische Bauelemente an einer Automatenstraße
dargestellt. Das Transportband 26 wird in einer Reihe vorangehender Stufen (vgl.
DE-OS 29 48 319.0) mit Stromzuführungsdrähten versehen. Diese vorangehenden Arbeitsschritte
sind hier mit A bezeichnet.
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Im Arbeitsschritt B wird das elektrische Bauelement 7 zwischen die
Stromzuführungsdrähte 1 und 2 derart eingeführt, daß die Metallschichten 3 und 4
klemmend von den Stromzuführungsdrähten umfaßt werden. In diesem Bereich wird ferner
das Bauelement, beispielsweise durch einen Heißluftstrom oder durch Erwärmung mittels
Wärmestrahlung, samt den Stromzuführungsdrähten und den Metallschichten auf eine
Temperatur erhitzt, die oberhalb der Schmelztemperatur des Lotes liegt. Nach dieser
Erhitzung werden die Lötdrähte 8 und 9 aus den Düsen 11 und 12 mit den Berührungsstellen
zwischen den Stromzuführungsdrähten 1 und 2 und den Metallschichten 3 und 4 in Kontakt
gebracht. Diese Kontaktgabe ist so bemessen, daß nur höchstens 1/10 bis 1/4 der
erforderlichen Lotmenge angebracht wird. Von diesem ersten Berührungszeitpunkt mit
Lötdrähten an werden die elektrischen Bauelemente samt Metallschichten und Stromzuführungsdrähten
in der
Zone C weiter auf der oberhalb der Schmelztemperatur des
Lotes liegenden Temperatur gehalten, und zwar solange, daß das nicht aggressive
Lötflußmittel die zu verlötenden Stellen ausreichend benetzen und auf sie chemisch
einwirken kann Danach wird, in der Zone D, erneut Lötdraht 8 und 9 in Berührung
gebracht und der Rest der erforderlichen Lotmenge aufgetragen. In der Zone D erfolgt
dann auch die allmähliche Abkühlung unter die Schmelztemperatur TS des Lotes und
bis auf die normale Raumtemperatur gemäß der Linie 27.
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Danach wird in der Zone E der überstehende Teil der Stromzuführungsdrähte
1 und 2 abgetrenn-t, und es werden die elektrischen Bauelemente beispielsweise mit
einer Umhüllung und mit den elektrischen Kenndaten versehen.
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Das Temperatur-Zeit-Diagramm gemäß Fig. 7 zeigt an, daß in der Zone
B zunächst der Erhitzungsvorgang bis auf die Temperatur TB erfolgt, die oberhalb
der Schmelztemperatur T5 des Lotes liegt. Zum Zeitpunkt t1 wird die zu verlötende
Stelle mit dem Lötdraht in Verbindung gebracht.
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Bei Verwendung aggressiver Lötflußmittel wird zu diesem Zeitpunkt
die gesamte erforderliche Lotmenge aufgetragen, so daß zum Zeitpunkt t2 die Abkühlung
bereits die Temperatur TS erreicht hat, und zwar nach einem Zeitraum tLa, wonach
die Abkühlung gemäß der Linie 28 erfolgt.
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Beim Verfahren der vorliegenden Erfindung wird nach dem ersten Berührungszeitpunkt
t1 das elektrische Bauelement in der Zone C weiter auf der Temperatur TB gehalten,
und erst nach Ablauf einer Zeitspanne tLn wird zum zweiten Berührungszeitpunkt t3
die restliche Lotmenge aufgetragen,
indem die Bauelemente erneut
mit Lötdraht in Berührung gebracht werden.
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In der Zone D wird zum Zeitpunkt t4 durch die Abkühlung die Schmelztemperatur
TS erreicht, so daß die Lötverbindung nunmehr erfolgt. Die weitere Abkühlung des
elektrischen Bauelementes erfolgt bis zum Ende der Zone D gemäß der Linie 27.
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Das nachfolgende Ausführungsbeispiel dient der weiteren Erläuterung
der Erfindung.
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Keramische Kaltleiterkörper mit den Abmessungen Durchmesser 12 mm
und Dicke 1 mm wurden zunächst vorbehandelt, wie es beispielsweise in der oben erwähnten
Patentanmeldung P .. .. ... (VPA 80 E 1906) beschrieben wurde.
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Die Körper wurden mit einer ca. 1,5 um dicken, chemisch abgeschiedenen
Nickel-Phosphor-Schicht überzogen. Die für die Trennung der unterschiedlichen Potentiale
notwenige Isolationszone wurde durch Abschleifen der überschüssigen Metallschichten
geschaffen, wie es beispielsweise in der ebenfalls schon erwähnten Patentanmeldung
P .. .. ... (VPA 80 E 1904) beschrieben ist.
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Um die Kaltleiter mit den für ihren Betrieb notwendigen Stromzuführungsdrähten
zu versehen, wurden die Körper zwischen stark verzinnte Kupferdrähte eingeklemmt
und in einem Warmluftstrom langsam auf ca. 250 °C erwärmt.
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Mit einem mit nicht aggressivem Flußmittel (reines Colophonium) gefüllten
Röhrenlot der Zusammensetzung Sn 60/Pb 40 wurde zunächst eine kleine Menge Lot (1/5
der erforderlichen Menge) auf die Lötstelle aufgebracht.
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Aufgrund der von der Verarbeitung der immer vorhandenen leichten Oxidation
der Nickel-Phosphor-Schicht konnte sich das Lot zunächst nicht ordnungsgemäß ausbreiten.
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Durch längeres Verweilen im Warmluftstrom, nämlich ca. 3 bis 5 sec.,
wurde die Oxidschicht zerstört und es wurde eine exakte Verbindung zwischen Lot
und Nickel-Phosphor-Schicht erzielt.
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Da die bis zu diesem Zeitpunkt aufgebrachte Lotmenge für eine ausreichende
Haftung der Anschlußdrähte zu gering war, wurde der Rest der erforderlichen Lotmenge
durch einen an die fortgesetzte Wärmebehandlung anschließenden zweiten Lötvorgang
aufgebracht, wonach die Kaltleiterkörper abgekühlt wurden. Die Lötverbindung zwischen
den Stromzuführungsdrähten und den Ni-P-Schichten war mechanisch und elektrisch
einwandfrei.
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2 Patentansprüche 7 Figuren