DE69233062T2

DE69233062T2 - Wärmeschrumpfbare lötvorrichtung

Info

Publication number: DE69233062T2
Application number: DE69233062T
Authority: DE
Inventors: A. Peter BOSTOCK; R. Kenneth NICHOLSON; L. Pravin SONI; K. David HAYGOOD; Michael J. NORDLING
Original assignee: Tyco Electronics Corp
Current assignee: TE Connectivity Corp
Priority date: 1991-07-26
Filing date: 1992-07-16
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2012-07-17
Also published as: ATE240592T1; EP0596993A1; US5221815A; JPH06509440A; WO1993003509A1; EP0596993A4; CA2113635A1; EP0596993B1; DE69233062D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ausbildung von Lötverbindungen, beispielsweise elektrische Verbindungen zwischen elektrischen Leitern, ein Verfahren zur Ausbildung von Lötverbindungen mittels solch einer Vorrichtung, und deren Herstellung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Schrumpfvorrichtung zur Ausbildung von Lötverbindungen.
Die Verwendung von Warmschrumpfartikeln zur Ausbildung von Lötverbindungen zwischen elektrischen Leitern ist weit verbreitet. Solche Artikel sind beispielsweise in den US-Patenten Nr. 3,243,211, 4,282,396 und 4,283,596 beschrieben. Solche Artikel werden von Raychem Corporation, Menlo Park, Kalifornien, unter dem Markennamen „Solder Sleeve" verkauft.
Typischerweise umfasst solch eine Vorrichtung eine Warmschrumpfmuffe, die einen im allgemeinen ringförmigen Löteinsatz enthält, und kann einen oder mehrere Klebereinsätre enthalten. Solche Vorrichtungen werden typischerweise dazu verwendet, isolierte Drähte anzuschließen. Die Enden der zu verbindenden Drähte werden zum Freilegen ihrer elektrischen Leiter abisoliert und in die Schrumpfmuffe eingeführt. Die Muffe wird dann erhitzt, was sie dazu veranlasst, sich rückzubilden oder in Kontakt mit den Drähten zu schrumpfen, wodurch das Lötmaterial geschmolzen und die freigelegten elektrischen Leiter verlötet werden. Fall vorhanden, befinden sich die Klebereinsätre im allgemeinen beidseits des Löteinsatzes und verbinden sich mit der Isolierung der Drähte, um eine zur Umwelt hin abgedichtete Spleißstelle bzw. eine zur Umwelt hin abgedichtete Verbindung zu bilden. Eine Vorrichtung diese Art mit Dichtungsmaterialeinsätzen an oder neben offenen Enden einer Warmschrumpfmuffe ist in der EP-A-0 295 058 beschrieben.
Lötverbindungen können reihenweise hergestellt werden, indem eine röhrenförmige Muffe mit zwei offenen Enden verwendet wird und die zu verbindenden Drähte durch jedes Ende der Muffe eingeführt werden. Es ist auch möglich, eine röhrenförmige Muffe zu verwenden, die an einem Ende geschlossen und am anderen Ende offen ist, um eine Stumpfspleißstelle auszubilden, bei der die zu verbindenden Drähte in das offene Ende der Warmschrumpfmuffe eingeführt werden. Eine Lötverbindung kann zwischen einem Paar von Drähten oder einer komplexen Anordnung mehrerer Drähte hergestellt werden, wie beispielsweise bei einem Fahrzeugkabelbaum.
Beim Zusammenbau eines Kabelbaums werden mehrere Drähte in eine Warmschrumpflötvorrichtung eingeführt, und die sich ergebende Baugruppe wird erhitzt, beispielsweise durch eine Heißluftpistole, die Baugruppe kann aber auch in einen Ofen gelegt oder in einem Heizgerät positioniert werden, beispielsweise einem Bandheizgerät wie demjenigen, das in der gleichzeitig anhängigen, gemeinsam erteilten US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 07/641,374 beschrieben ist, die am 15. Januar 1991 eingereicht wurde.
Bis die Vorrichtung erhitzt ist, um die Muffe zu schrumpfen und das Lötmaterial zu schmelzen und dann wieder abgekühlt ist, können sich die Drähte in Bezug aufeinander und den Löteinsatz bewegen, was zu einer relativ schlechten elektrischen Verbindung zwischen den Drähten führt. Beispielsweise kann eine kalte Lötstelle entstehen oder unvollständiges Überbrücken des Lötmaterials zwischen den Leitern vorkommen. Es wurde vorgeschlagen, innerhalb der Muffe einen wärmeschrumpfbaren Polymerring einzuschließen, der bei einer Temperatur schrumpft, die niedriger ist als die der Muffe der Vorrichtung. Wenn diese vorläufige Temperatur erreicht ist, werden die Drähte während des übrigen Erwärmungsvorganges in Position gehalten. Mittels dieses Lösungswegs werden die Drähte nicht an ihrer Stelle gehalten, solange der Erwärmungsvorgang nicht begonnen hat. Die Einbringung der Baugruppe von Drähten und der Lötvorrichtung in das Heizgerät kann dazu führen, dass die Drähte aus ihrer richtigen Ausrichtung herausgezogen werden. Es besteht ein Bedarf daran, die Drähte an ihrer Stelle zu halten, wenn die Drahtbaugruppe von dem Ort ihres Zusammenbaus in das Heizelement bewegt wird, aber auch während des Heiz- und Abkühlvorgangs. Ein Versuch aus dem Stand der Technik, sich dieses Problems anzunehmen, indem ein Metalleinsatz zur Ausbildung von Unterbringungsabteilen für die Leiter bereitgestellt wird, ist in der US 4 283 596 beschrieben. Die Abteile sollen die Endabschnitte in einem im wesentlichen feststehenden räumlichen Verhältnis zueinander halten, aber man erkannte, dass eine gewisse Bewegung der Endabschnitte innerhalb der steifen Abteile möglich sein kann. Die sich ergebenden elektrischen Verbindungen werden nach Hitzebeaufschlagung zum Schmelzen des Lötmaterials hergestellt, ohne dass es notwendig wäre, den Einsatz beim Schrumpfen der Muffe von den Abmessungen her zu ändern.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vorrichtung zur Ausbildung einer Lötverbindung zwischen mehreren elektrischen Leitern eine hohle, von den Abmessungen her wärmeschrumpfbare Muffe, die eine bestimmte Menge an Lötmaterial enthält, und ein innerhalb dieser Muffe angeordnetes Rückhalteelement, wobei die Muffe mindestens ein offenes Ende aufweist, um das Einführen eines elektrischen Leiters oder mehrerer elektrischer Leiter zuzulassen, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückhalteelement mechanisch verformbar ist, um die Leiter vor der Wärmebeaufschlagung zum Schrumpfen der Muffe und zum Schmelzen des Lötmaterials innerhalb der Muffe in der gewünschten Ausrichtung zu halten.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Baugruppe zur Ausbildung einer Lötverbindung zwischen mehreren elektrischen Leitern, wobei die Baugruppe eine Vorrichtung nach dem ersten Aspekt der Erfindung und mehrere elektrische Leiter umfasst; wobei mindestens einige der Leiter durch das oder ein offenes Ende der Vorrichtung in die Muffe eingeführt wurden; bei der das Rückhaltelement verformt wurde, um die Leiter innerhalb der Muffe in der gewünschten Ausrichtung zu halten.
Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Ausbildung einer Lötverbindung zwischen mehreren isolierten elektrischen Drähten, welches umfasst:

(a) ein Stück Isolierung vom Ende jedes Drahtes abzuisolieren, um ein Stück des Leiters freizulegen;
(b) die Enden der Drähte in die Muffe einer wärmeschrumpfbaren Lötvorrichtung der vorliegenden Erfindung einzuführen; und
(c) die Vorrichtung zum Schrumpfen der Muffe und zum Schmelzen des Lötmaterials zu erwärmen, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Erwärmen: das innerhalb der Muffe angeordnete Rückhalteelement verformt wird, um mit dem freigelegten Leiter der isolierten Drähte in Berührung zu sein.

Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun im Genaueren beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen
1 eine wärmeschrumpfbare Lötvorrichtung der vorliegenden Erfindung und eine Baugruppe der Vorrichtung und mehrere zu verlötende elektrische Leiter darstellt;
2 die Baugruppe von Anspruch 1 darstellt, bei der das verformbare Rückhalteelement verformt wurde, um die elektrischen Leiter an ihrer Stelle zu halten;
3 eine fertiggestellte Lötverbindung nach dem Erwärmen der Baugruppe von 2 darstellt;
die 4 bis 6 verformbare Rückhalteelemente zur Verwendung in einer Vorrichtung und Baugruppe dieser Erfindung darstellen.
Die Vorrichtung dieser Erfindung umfasst eine Warmschrumpfmuffe. Warmschrumpfartikel sind bestens bekannt. Für gewöhnlich schrumpfen diese Artikel beim Erwärmen auf eine ursprüngliche Form, aus der sie zuvor verformt wurden, der Begriff „wärmeschrumpfbar", wie er hier verwendet wird, schließt aber auch einen Artikel mit ein, der beim Erwärmen eine neue Gestalt annimmt, selbst wenn er zuvor nicht verformt wurde.
In ihrer allgemeinsten Form umfassen solche Artikel eine Warmschrumpfmuffe aus einem Polymermaterial, das die Eigenschaft elastischen oder plastischen Gedächtnisses aufweist, wie beispielsweise in den US-Patenten 2,027,962; 3,086,242 und 3,597,372 beschrieben ist. Wie beispielsweise in dem US-Patent 2,207,962 verdeutlicht wird, kann die ursprüngliche Formbeständigkeit in der Wärme eine vorübergehende Form in einem kontinuierlichen Prozess sein, bei dem beispielsweise ein extrudiertes Rohr, während es heiß ist, zu einer nicht hitzestabilen Form expandiert wird, aber in anderen Anwendungen wird ein vorgeformter formmäßig hitrestabiler Artikel in einem gesonderten Zustand zu einer formmäßig nicht hitrestabilen Form verformt.
Bei der Herstellung von Warmschrumpfartikeln kann das Polymermaterial in jeder Herstellungsstufe des Artikels vernetzt werden, was die gewünschte Formschrumpfung verbessert. Eine Art der Herstellung eines Warmschrumpfartikels umfasst, das Polymermaterial zu einer gewünschten hitzestabilen Gestalt zu formen, danach das Polymermaterial zu vernetren, den Artikel auf eine Temperatur über dem kristallinen Schmelzpunkt bzw. bei amorphen Materialien, auf den Erweichungspunkt des Polymers zu erhitzen, den Artikel zu verformen und ihn in dem verformten Zustand abzukühlen, so dass der verformte Zustand des Artikels aufrechterhalten bleibt. Da der verformte Zustand des Artikels hitzeinstabil ist, wird im Gebrauch die Beaufschlagung mit Wärme den Artikel dazu veranlassen, seine ursprüngliche hitzestabile Form wieder anzunehmen.
Jedes Material, dem die Eigenschaft von Formschrumpfung verliehen werden kann, kann zur Ausbildung der Muffe verwendet werden. Bevorzugte Materialien umfassen Polyethylen, Ethylencopolymere niedriger, mittlerer oder hoher Dichte, z. B. mit Alphaolefinen wie 1-Buten oder 1-Hexen, oder Vinylacetat, Schraubengewinde. Insbesondere ist es von Vorteil für den Draht, mit einem polygonalen und insbesondere einem quadratischen Querschnitt ausgebildet zu werden. Der Draht kann aus jedem geeigneten Metall oder jeder geeigneten Metalllegierung hergestellt sein, ist aber vorzugsweise aus Kupfer hergestellt, und insbesondere aus einem Kupfer, das im wesentlichen denselben Reinheitsgrad aufweist, wie er herkömmlicher Weise für elektrische Leiter verwendet wird.
Die Vorrichtung umfasst auch eine bestimmte Menge an Lötmaterial, z. B. eine bestimmte Menge Weichlötmaterial im Unterschied zu Hartlötmaterial, um eine dauerhafte Lötverbindung auszubilden. Das Lötmaterial kann überall dort angebracht werden, wo es zur Ausbildung einer Lötstelle fließen kann. Das Lötmaterial kann in der Form eines Ringes oder in jeder anderen Form, beispielsweise einer Kugel, eingesetzt werden, und kann symmetrisch um die Muffenachse oder davon versetzt angeordnet werden.
Der wie hier verwendete Begriff „Lötmaterial" umfasst sowohl herkömmliche metallische Lötmaterialien und Lötkleber, bei denen ein Heißkleber, z. B. ein Polyamidheißkleber oder ein wärmeaushärtbarer Kleber wie ein Epoxykleber, mit Metallpartikeln, z. B. Silberflocken, gefüllt ist. In den meisten Fällen jedoch wird das Lötmaterial ein herkömmliches metallisches Lötmaterial sein, beispielsweise ein Zinn-/Blei- oder Zinn-/Silber-Eutektikum.
Das verformbare Rückhalteelement ist vorzugsweise metallisch, und wenn es verformt ist, ist es mit den zu verlötenden elektrischen Leitern in Berührung. Bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung, wenn beispielsweise die zu bildenden Leiter in der Form elektrischer Drähte sind und die Isolierung vom Ende jeden Drahtes abgezogen wurde, kann das Rückhalteelement aus Polymer und in Berührung mit der Isolierung der Drähte sein, wenn es verformt ist. Das verformbare Rückhalteelement kann aus einem verformbaren Material bestehen oder kann in einer Konfiguration, die es zulässt, dass das Element einen kleineren Durchmesser annehmen kann, z. B. eine gespannte Feder, aus einem steifen Material bestehen.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist das Rückhalteelement aus einem relativ weichen Metall, so dass es problemlos von dem Arbeiter verformt werden kann, der die elektrischen Leiter in die Muffe der Vorrichtung einführt. Das Metall kann beispielsweise Weichkupfer, Blei, Hochtemperaturlot (das ist Lot, welches einen Schmelzpunkt hat, der höher ist als die Löttemperatur des Lots, das in der Vorrichtung verwendet wird, um die Lötverbindung herzustellen) oder dergleichen sein. Das Rückhalteelement kann rund, oval oder von irgend einer anderen Querschnittskonfiguration sein.
Das Rückhalteelement kann einstückig mit dem Lot ausgebildet sein, beispielsweise kann es ein Metallstreifen sein, der im Lot eingebettet ist. Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen liegt das Rückhaltelement neben dem Lot, wie weiter unten noch im Genaueren erläutert wird.
Die zu verlötenden elektrischen Leiter werden in die Warmschrumpfmuffe eingeführt. In Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die elektrischen Leiter isolierte Drähte sind, wird die Isolierung entfernt bzw. von dem Ende jedes Drahtes abgezogen, um ein Stück des Leiters freizulegen. Die Leiter werden dann so in der Muffe positioniert, dass beim Schrumpfen der Muffe das Lötmaterial mit den zu verlötenden Leitern in Berührung ist. Sind die Leiter in der Muffe positioniert, wird das verformbare Rückhalteelement verformt, um die Leiter in der gewünschten Ausrichtung zu halten. Vorzugsweise ist der Betrag an eingesetzter Kraft gerade ausreichend, um die Leiter mechanisch an ihrer Stelle zu halten. Bei bestimmten Ausführungsformen kann ein verformbares metallisches Rückhalteelement mit genügend Kraft zum Crimpen der Leiter verformt werden, um eine elektrische Verbindung zwischen den Leitern zu erhalten, sowie sie innerhalb der Muffe in der gewünschten Ausrichtung zu halten. Die Baugruppe, die die wärmeschrumpfbare Lötvorrichtung und Leiter enthält, kann dann vom Ort des Zusammenbaus in ein Heizgerät oder einen Ofen transportiert werden. Das Rückhalteelement hält die Leiter auch während des Erwärmungsvorganges in der gewünschten Ausrichtung. Das Rückhalteelement kann manuell verformt oder es kann ein Werkzeug wie eine Zange oder ein Crimpwerkzeug verwendet werden. Das Rückhalteelement kann so ausgelegt sein, dass es ein Durchstoßen der Muffenwand durch die Leiter während des Einsetzens der Leiter und der Verformung des Rückhalteelements verhindert.
Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnungen besser verständlich. In 1 ist eine typische Vorrichtung der vorliegenden Erfindung im allgemeinen bei 1 gezeigt. Die Vorrichtung umfasst eine Warmschrumpfmuffe 2, ein Paar Klebereinsätze 3, Lötringe 4 und 5, die beidseits eines verformbaren Elements 6 aus Weichkupfer oder einem ähnlichen streckbaren Metall positioniert sind. Isolierten Drähten 7 wurde die Isolierung 8 vom Ende jedes Drahtes abgezogen, um die elektrischen Leiter 9 freizulegen. Die Drähte sind so in der Muffe 2 positioniert, dass sich das freigelegte Stück jedes Leiters innerhalb der Lötringe befindet. Um die Drähte in der Muffe an ihrer Stelle zu halten, kann das verformbare Element 5, wie in 2 gezeigt, so verformt werden, dass es mit den elektrischen Leitern in Berührung ist. Es ist wichtig festzuhalten, dass noch keine Wärmebeaufschlagung stattgefunden hat und die Muffe 2 in 2 noch in ihrer wärmeschrumpfbaren Form ist. Das Rückhalteelement hält die elektrischen Leiter an ihrer Stelle, während die Baugruppe beispielsweise durch Durchlaufen einer (nicht gezeigten) Bandheizvorrichtung erwärmt wird. Bei der Beaufschlagung mit Wärme schrumpft die Muffe 2 in Kontakt mit den Drähten 5 und schiebt sie zwangsläufig zusammen. Das Lot schmilzt und bildet eine elektrische Verbindung zwischen den freigelegten Leitern des Drahts. 3 zeigt die geschrumpfte Muffe.
4 zeigt ein alternatives verformbares Rückhalteelement zur Verwendung in einer wärmeschrumpfbaren Lötvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. In 4 ist das verformbare Rückhalteelement in der Form eines Metallstreifens 12 und eines Lotstreifens 13, wobei der Verbundstreifen zu einer Rolle geformt ist. Wenn die Rolle mit Kraft beaufschlagt wird, wird der Durchmesser der Rolle kleiner und ermöglicht es dem Metallstreifen, den elektrischen Aufbau zu kontaktieren und zu halten. 5 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Metallstreifens, bevor er zu einer Rolle geformt wird.
In 5 ist der Metallstreifen 14 mit einer Lotschicht 15 versehen. 6 zeigt noch eine andere Ausführungsform des Rückhalteelements, bei dem der Metallstreifen 16 mit einer nicht durchgehenden Lotschicht in einer leistenartigen Konfiguration versehen ist. Wenn der Streifen gerollt und in einer Warmschrumpfmuffe untergebracht ist, kann er so verformt werden, dass er mit den Leitern in Berührung kommt, und die Auslegung des Lots trägt zum Zusammenhalten der Leiter bei. Es kann auch ein Streifen aus Metallgeflecht als Rückhalteelement verwendet werden.
Bei jeder der dargestellten Ausführungsformen wird ein relativ weiches Metallrückhalteelement verformt, um die Leiter innerhalb der Muffe an ihrer Stelle zu halten. Es ist auch möglich, ein Hartmetall zu verwenden, das sich nicht ohne weiteres verformen lässt. Beispielsweise kann das Rückhalteelement in der Form einer Spirale sein, die sich radial aus ihrer stabilen Position dehnt und beispielsweise durch eine Bruchstelle oder eine schnell brechende Lippe in ihrer gedehnten Position gehalten ist. Wenn die Lippe bricht, nimmt die Spirale ihre ungedehnte Form mit einem kleineren Durchmesser an und berührt dann die Drähte, um sie an ihrer Stelle zu halten.

Claims

Vorrichtung (1) zur Ausbildung einer Lötverbindung zwischen mehreren elektrischen Leitern (9), die eine hohle, von den Abmessungen her wärmerückstellbare Muffe (2) umfasst, die eine bestimmte Menge an Lötmaterial (4, 5, 13,15,17) enthält, und ein innerhalb dieser Muffe angeordnetes Rückhalteelement (6, 12,14,16), wobei die Muffe mindestens ein offenes Ende aufweist, um das Einführen eines elektrischen Leiters oder mehrerer elektrischer Leiter zuzulassen, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückhalteelement mechanisch verformbar ist, um die Leiter vor der Wärmebeaufschlagung zum Rückstellen der Muffe und zum Schmelzen des Lötmaterials innerhalb der Muffe in der gewünschten Ausrichtung zu halten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, zur Verwendung mit isolierten elektrischen Leitern, von denen ein Stück Isolierung vom Ende jedes Leiters entfernt wurde, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückhalteelement die freigelegten Leiter berührt, wenn es bei der Verwendung verformt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das verformbare Rückhalteelement als Verbundelement mit der bestimmten Menge an Lot ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das verformbare Rückhalteelement leitfähig ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass das verformbare Rückhalteelement metallisch ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass das verformbare Rückhalteelement als Metallstreifen ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallstreifen mit einer Lotschicht versehen ist, die derart positioniert ist, dass das Lot mit den elektrischen Leitern in Berührung kommt, wenn das Rückhaltelement verformt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Lotschicht nicht durchgehend ist.
Baugruppe zur Ausbildung einer Lötverbindung zwischen mehreren elektrischen Leitern, wobei die Baugruppe eine Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mehrere elektrische Leiter (9) umfasst, wobei zumindest einige der elektrischen Leiter durch das oder ein offenes Ende in die Muffe (2) eingeführt wurden, bei der das verformbare Element verformt wurde, um die Leiter innerhalb der Muffe in der gewünschten Ausrichtung zu halten.
Verfahren zur Ausbildung einer Lötverbindung zwischen mehreren isolierten elektrischen Drähten, welches umfasst: (a) ein Stück Isolierung vom Ende jedes Drahtes abzuisolieren, um ein Stück des Leiters freizulegen; (b) die Enden der Drähte in die Muffe einer wärmeschrumpfbaren Lötvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 einzuführen; und (c) die Vorrichtung zum Schrumpfen der Muffe und zum Schmelzen des Lötmaterials zu erwärmen, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Erwärmen das innerhalb der Muffe angeordnete Rückhalteelement verformt wird, um mit den freigelegten Leitern der isolierten Drähte in Berührung zu sein.