EP0785563A1 - Verfahren zum Befestigen eines ersten Teils aus Metall oder Keramik an einem zweiten Teil aus Metall oder Keramik - Google Patents

Verfahren zum Befestigen eines ersten Teils aus Metall oder Keramik an einem zweiten Teil aus Metall oder Keramik Download PDF

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EP0785563A1
EP0785563A1 EP96120725A EP96120725A EP0785563A1 EP 0785563 A1 EP0785563 A1 EP 0785563A1 EP 96120725 A EP96120725 A EP 96120725A EP 96120725 A EP96120725 A EP 96120725A EP 0785563 A1 EP0785563 A1 EP 0785563A1
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EP
European Patent Office
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parts
mass
ceramic
fuse
sintering
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Bernd Dr.-Ing. Fröchte
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Wickmann Werke GmbH
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Wickmann Werke GmbH
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    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49107—Fuse making

Definitions

  • the invention relates to a method for attaching a first part made of metal or a ceramic material to a second part made of metal or a ceramic material in the manufacture of electrical fuses, in particular device fuses, a connection between two parts of different materials for producing a fuse, a Fuse and a sintered material for use in the method according to the invention.
  • a “ceramic material” in the sense of the invention is understood to mean all ceramics as well as metal and glass ceramics and also glasses.
  • non-metallic parts such as glasses, for example, can be glued to one another or connected to one another in the partially melted state. Ceramic materials and glass ceramics can be assembled when wet and then fired together. It is also possible to join parts with a rough surface using glass solder.
  • a large number of methods for fastening two metallic parts in the manufacture of electrical fuses differ, for example, in the temperature range in which the fastening process takes place. For example, processes such as stapling, bonding, clamping etc. are carried out at normal ambient temperatures, while very high temperatures are required for this process when welding two materials together. Furthermore, the two parts can also be connected by means of an additional material, for example when gluing with conductive adhesive at normal temperatures or when soldering at a greatly increased temperature.
  • a large part of the aforementioned methods can no longer be used when connecting metals to non-metals and specifically when attaching a metallic or metal-containing material to a ceramic material.
  • Fastenings of this type play a major role, among other things, in the manufacture of electrical fuses using the so-called thick-film technology.
  • thick-film technology complete circuits are created on a ceramic substrate.
  • electrical contacts, conductor tracks and resistance layers are applied to a ceramic substrate and also prefabricated components or assemblies are integrated into the circuit as SMD elements.
  • the necessary contact points, conductor tracks and resistors are applied to the surface of the ceramic as powdery layers of metal-containing mixtures. This can also be done in the form of pastes that carry the same mixture of substances as an emulsion.
  • the very fine-grained materials are permanently fixed by baking.
  • the branding or American "firing" designates a process in which all components of the applied fine-grained mass are bonded together.
  • the metallizations are applied analogously to the ends or front edges of ceramic substrates.
  • the fuse element can then be applied to the ceramic carrier as a further layer between these contacts. From this structure follows Especially in the overload area of the fuse, intensive heat dissipation from the fuse element of the fuse to the carrier material, which is detrimental to the function of this component as a fuse.
  • a fuse element in air or protective gas is more favorable for the construction of a fuse.
  • a first securing substrate provided as a carrier and a second substrate serving as a cover cap in the form of two ceramic parts are metallized by burning in a paste for producing electrical contacts at ends facing away from one another.
  • a wire is fixed as a fuse between the two contacts. This arrangement is permanently connected by gluing.
  • a secure electrical connection of the contacts to one another and to the fuse element is achieved in a final work step by soldering.
  • German utility model G 94 07 550.6 contains examples of possible manufacturing processes.
  • One of these processes is based on half-shells metallized at the ends, between which the fusible conductor is fixed by gluing to both halves. The fuse is joined by gluing or staples.
  • a reliable electrical contact is made by soldering between the metallizations serving as contact points and the fuse element.
  • this production method for mechanical fastening and for electrical connection comprises several work steps, the metallizing of the ends of the half-shells and the soldering being two thermal methods with relatively high temperatures.
  • Gluing is an auxiliary process that requires additional materials that are not necessary for the function of the fuse.
  • the task therefore arises of creating a method which can be used for the production of electrical fuses for the secure mechanical fastening of a first part made of metal or of a ceramic material to a second part made of metal or of a ceramic material.
  • the fastening method proposed according to the invention for producing electrical fuses comprises a sintering step.
  • the term "sintering” describes a heat treatment in which a powdery material mixture is not completely melted, but rather connections are formed only at the grain boundaries of the material mixture by diffusion and alloying. The resulting connection is mechanically safe and permanent and can also be used to fasten one part to a second part. Depending on the composition of the mixture, it is also thermally resilient, and in fact higher than a large number of adhesives which are usually used to produce such connections.
  • a further development of the method which is particularly advantageous with regard to the production of electrical fuses is that the mass used to connect the individual parts has electrically conductive properties after sintering. As a result, an electrical contact can also be made at the same time as the mechanical connection.
  • this part is not only fastened mechanically, but is simultaneously provided with a contact layer by this method. The prerequisite here is that the part is electrically conductive at least on its surface.
  • Ceramic materials are preferably used here, in the field of electrical device fuses e.g. in the form of small tubes and flat ceramic plates with a flat surface and a central trough-like depression in the largest of their rectangular surface pieces.
  • the sintered mass in particular for producing electrical contacts
  • the mass encloses these sides advantageously so that it is in contact with a narrow strip of the adjacent surface (s).
  • the fuse element is added between the two points so that it is in the correct position and also in contact with the sinterable mass.
  • the subsequent sintering process connects the substrate to the sinterable mass and thus produces externally conductive contacts for the substrate.
  • the fuse element mechanically fixed and electrically conductive connected to the sinterable mass, so that it can now be electrically loaded via the two outer contacts.
  • the fuse is basically finished, in a single process step.
  • the entire length of the fusible conductor on the ceramic substrate between the two contact points can be covered with an electrically insulating potting compound in a simple fuse design.
  • the electrical conductor can also be covered by a further ceramic part before the sintering process.
  • This ceramic part only has to extend from the ground contact to the other over the fuse element and come into contact with them on the surfaces.
  • the ceramic substrate has a trough-like depression between the locations covered with sinterable mass.
  • the covering ceramic also has a trough-like depression between the points that will later come into contact with the sinterable mass.
  • the ceramic carrier has the shape of a tube which is coated with the sinterable mass on its end faces.
  • the fusible conductor is inserted through an opening and runs inside the pipe from one end to the next self-supporting and only surrounded by gas.
  • the sintering process takes on the task of mechanical fastening, such as the electrical contacting of the fusible conductor.
  • the tube openings of this exemplary embodiment can be closed on both sides by means of electrically conductive caps prior to sintering and can be mechanically fixed and electrically conductively connected to the tube and to the fuse element in the same sintering step. Similar measures are also conceivable in other embodiments.
  • the combination of the materials in the sintered mass with regard to the parts to be joined is essential for the process.
  • the mass must have metallic components for the conductive and mechanical connection to the fuse element.
  • the components must enable the mass to be securely attached to the surface of the ceramic of the other parts in the course of the sintering process. This allows the mass used to belong to the family of "cermets", the so-called. Belong to metal ceramics.
  • the powder is used directly, or advantageously in the form of a paste, and is not pressed into a molding under high pressure.
  • a possible combination is the attachment of a silver wire to a ceramic substrate using a sintered mass of silver, platinum and palladium.
  • Fig. 1 the basic addition of the grains of a sintered mass from a silver-palladium-platinum mass to a silver wire is shown.
  • the individual grains meet with their edges and surfaces. Sometimes they touch the surface of the silver wire.
  • the sintering process does not lead to a complete melting of the powdery materials involved, but only to a material transport between the granules, so that they bond to one another at the contact points. Diffusion processes also take place.
  • the granules therefore do not lose their shape.
  • a solid and porous mass is retained which, due to its constituents, is itself highly conductive and is connected to the surface of the silver wire. A mechanically stable and electrically conductive contact has thus been attached to the wire.
  • Fig. 2 shows an electrical fuse.
  • Sinterable mass 2 is applied to a ceramic substrate 1 on both sides been.
  • the fuse element 3 has been placed on the ceramic top between the grounded ends of the carrier.
  • contacting and fastening take place simultaneously in the manner described above.
  • the fuse element 3 between the contact points 4 is covered by a sealing compound 5.
  • This manufacturing method for simple securing advantageously comprises only four steps: applying the sintered mass, inserting the fusible conductor, sintering and casting. The steps of metallizing, fixing and soldering have been omitted.
  • Fig. 3 shows a particularly favorable design of an SMD fuse with a fuse element 3 in a chamber.
  • ceramic substrate 1 and cover cap 1 are formed by symmetrical ceramic parts of the same shape. In the case of these ceramic parts, only the narrow side has to be distinguished in production from the wider side for positioning the fusible conductor 3 over the trough 6. There are no other parameters to be considered in a fully automated production. Both parts are coated on two sides with sinterable mass 2 and then subjected to a sintering process with the fuse element 3 held between them in the mass layer. With this backup, aftertreatment in a final step is advantageously no longer necessary. So this process consists of only three steps. The fuse is closed and the fuse element 3 is electrically accessible via the now sintered and electrically conductive contact points 4.
  • this fuse no longer has a fixed upper or lower part.
  • it can be easily integrated into thick-film circuits using pick-and-place machines or soldered as an SMD component in printed circuits. This reduces the production costs during manufacture as well as the costs when using this type of fuse significantly reduced.
  • Fig. 4 shows a basic design of a tube fuse with a ceramic, tubular support 7, which is coated on its front sides with sinterable mass 2.
  • the fusible conductor 3 runs through the inside of the tube from one end face to the other.
  • the fusible conductor 3 is in contact with the sinterable mass 2 on each end face. As a result, it is electrically and mechanically connected to the contact points 4 in a sintering step, while the mass 2 is firmly connected to the surface of the ceramic carrier 7.
  • FIG. 5 represents a supplement to the tube securing device according to FIG. 4.
  • the end faces of the tube 7 have been closed by metal caps 8 before the sintering process.
  • the metal caps 8 have been shown in FIG. 5 with a large excess only for reasons of clarity of illustration. In a single sintering step, all parts of the fully assembled fuse are reliably connected to one another both electrically and mechanically.

Landscapes

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  • Apparatuses And Processes For Manufacturing Resistors (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befestigen eines ersten Teils aus Metall oder aus einem keramischen Werkstoff an einem zweiten Teil aus Metall oder aus einem keramischen Werkstoff. Zur Vereinfachung der bisher bekannten Verfahren ist vorgesehen, daß auf mindestens einem Teil der Oberfläche des ersten Teils und/oder einem Teil der Oberfläche des zweiten Teils eine an den miteinander zu verbindenden Oberflächen der Teile durch Sintern befestigbare Masse (2) aufgebracht wird; die beiden Teile derart miteinander Kontakt gebracht werden, daß die Masse (2) als Zwischenschicht beide Oberflächen ganz oder teilweise erfaßt, und in einer zum Sintern geeigneten Wärmebhandlung die Masse (2) fest mit den genannten Teilen der Oberflächen verbunden wird. Außerdem umfaßt die Erfindung eine Verbindung zwischen zwei Teilen sowie eine Anordnung aus miteinander verbundenen Teilen und eine unter Benutzung des vorgenannten Verfahrens hergestellte Schmelzsicherung sowie einen Sinterwerkstoff zur Verwendung für das vorgenannte Verfahren. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befestigen eines ersten Teils aus Metall oder aus einem keramischen Werkstoff an einem zweiten Teil aus Metall oder aus einem keramischen Werkstoff bei der Herstellung elektrischer Sicherungen, insbesondere Gerätesicherungen, eine Verbindung zwischen zwei Teilen unterschiedlichen Materials zur Herstellung einer Schmelzsicherung, eine Schmelzsicherung sowie einen Sinterwerkstoff zur Verwendung für das erfindungsgemäße Verfahren.
  • Unter einem "keramischen Werkstoff" im Sinn der Erfindung sind alle Keramiken sowie Metall- und Glaskeramiken und auch Gläser zu verstehen.
  • Das Verfahren erweitert die Gruppe der auf dem Gebiet der Herstellung von elektrischen Sicherungen bekannten Verbindungs- und Befestigungsverfahren. Bisher können nichtmetallische Teile wie etwa Gläser beispielsweise miteinander verklebt oder im teilerschmolzenen Zustand miteinander verbunden werden. Keramische Werkstoffe und Glaskeramiken können im feuchten Zustand zusammengesetzt und dann gemeinsam gebrannt werden. Auch ist ein Zusammenfügen von Teilen mit rauher Oberfläche durch Glaslot möglich.
  • Bei der Herstellung elektrischer Sicherungen ist zum Befestigen zweier metallischer Teile eine Vielzahl von Verfahren bekannt. Sie unterscheiden sich beispielsweise durch den Temperaturbereich, in dem der Befestigungsprozeß stattfindet. So werden Verfahren wie Heften, Bonden, Klemmen usw. bei normalen Umgebungstemperaturen durchgeführt, während beim Verschweißen zweier Materialien miteinander sehr hohe Temperaturen für diesen Vorgang benötigt werden. Weiter kann die Verbindung der beiden Teile auch mittels eines zusätzlichen Werkstoffes erfolgen, wie beispielsweise beim Kleben mit Leit-kleber bei normalen Temperaturen oder beim Löten bei stark erhöhter Temperatur.
  • Ein Großteil der vorgenannten Verfahren ist nicht mehr anwendbar bei der Verbindung von Metallen mit Nichtmetallen und konkret bei einer Befestigung eines metallischen oder metallhaltigem an einem keramischen Werkstoff.
  • Befestigungen dieser Art spielen unter anderem bei der Herstellung elektrischer Sicherungen unter Anwendung der sog. Dickschichttechnik eine große Rolle. Bei der Dickschichttechnik werden komplette Schaltungen auf einem keramischen Substrat erstellt. Dazu werden auf einem Keramiksubstrat elektrische Kontakte, Leiterbahnen und Widerstandsschichten aufgetragen und auch vorgefertigte Bauteile oder Baugruppen als SMD-Elemente mit in die Schaltung integriert. Hierzu werden die notwendigen Kontaktstellen, Leiterbahnen und Widerstände als pulverförmige Schichten metallhaltiger Gemische auf der Oberfläche der Keramik aufgebracht. Das kann auch in der Form von Pasten erfolgen, die die gleiche Stoffmischung als Emulsion tragen. Die dauerhafte Befestigung der sehr feinkörnigen Materialien erfolgt durch Einbrennen. Das Einbrennen oder amerikanisch "firing" bezeichnet ein Verfahren, bei dem alle Bestandteile der aufgetragenen feinkörnigen Masse miteinander verbunden werden. Das findet je nach Zusammensetzung der Gemische ab ca. 800° Celsius statt. Die Verfahrenseinheit von Auftrag der Pasten und Einbrennen ist wiederholbar. In aufeinander folgenden Schritten können auf diese Weise komplexe Strukturen auf dem Substrat aufgebaut werden. Erst nachträglich können in einem weiteren Fertigungsschritt Bauteile an den Kontakten angelötet werden, die man den hohen Temperaturen des Einbrennprozesses nicht aussetzen kann, wie z.B. Transistoren.
  • Bei der Herstellung elektrischer Sicherungen in Dickschichttechnik werden die Metallisierungen an den Enden bzw. Stirnkanten von Keramiksubstraten analog angebracht. In gleicher Weise kann bei den Sicherungen der Schmelzleiter anschließend als weitere Schicht zwischen diesen Kontakten auf den Keramikträger aufgebracht werden. Aus diesem Aufbau ergibt sich vor allem im Überlastbereich der Sicherung eine intensive Wärmeableitung vom Schmelzleiter der Sicherung zum Trägermaterial, die der Funktion dieses Bauteils als Sicherung abträglich ist.
  • Vom Gesichtspunkt der Wärmeisolation her ist für den Aufbau einer Sicherung ein Schmelzleiter in Luft bzw. Schutzgas günstiger. Hier werden beispielsweise ein erstes als Träger vorgesehenes Sicherungssubstrat und ein zweites als Abdeckkappe dienendes Substrat in Form zweier Keramikteile durch Einbrennen einer Paste zur Herstellung elektrischer Kontakte an voneinander abgewandten Enden metallisiert. Ein Draht wird als Schmelzleiter zwischen den beiden Kontakten fixiert. Diese Anordnung wird durch Kleben dauerhaft verbunden. Eine sichere elektrische Verbindung der Kontakte untereinander und mit dem Schmelzleiter erfolgt in einem abschließenden Arbeitsschritt durch Löten.
  • Damit sind bislang zur Herstellung von Schmelzsicherung stets mehrschrittige Arbeitsverfahren nötig. Beispiele für mögliche Herstellungsverfahren enthält das deutsche Gebrauchsmuster G 94 07 550.6. Eines dieser Verfahren geht von an den Enden metallisierten Halbschalen aus, zwischen denen der Schmelzleiter durch Kleben an beiden Hälften fixiert wird. Die Sicherung wird durch Kleben oder Klammern zusammengefügt. In einem abschließenden Schritt wird zwischen den als Kontaktstellen dienenden Metallisierungen und dem Schmelzleiter ein sicherer elektrischer Kontakt durch Verlöten hergestellt. Damit umfaßt dieses Produktionsverfahren zum mechanischen Befestigen und zum elektrischen Verbinden mehrere Arbeitsschritte, wobei das Metallisieren der Enden der Halbschalen und das Verlöten zwei thermische Verfahren mit relativ hohen Temperaturen sind. Das Verkleben stellt einen Hilfsvorgang dar, der zusätzliche Materialien erfordert, die für die Funktion der Sicherung nicht notwendig sind.
  • Auch alle anderen bisher bekannten Verfahren zum Herstellen elektrischer Sicherungen, insbesondere Gerätesicherungen aus einem oder zwei Keramik- oder Glaskörpern oder unter Verwendung von Metallkappen an den Enden erfordern eine Vielzahl einzelner, nacheinander ablaufender Schritte zum Befestigen der Komponenten.
  • Daher stellt sich die Aufgabe, ein für die Herstellung elektrischer Sicherungen anwendbares Verfahren zum sicheren mechanischen Befestigen eines ersten Teils aus Metall oder aus einem keramischen Werkstoff an einem zweiten Teil aus Metall oder aus einem keramischen Werkstoff zu schaffen.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
    • daß auf mindestens einem Teil der Oberfläche des ersten Teils und/oder einem Teil der Oberfläche des zweiten Teils eine an den miteinander zu verbindenden Oberflächen der Teile durch Sintern befestigbare Masse aufgebracht wird,
    • die beiden Teile derart miteinander in Kontakt gebracht werden, daß die Masse als Zwischenschicht beide Oberflächen ganz oder teilweise erfaßt,
    • und in einer zum Sintern geeigneten Wärmebehandlung die Masse fest mit den genannten Teilen der Oberflächen der Teile verbunden wird.
  • Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Befestigungsverfahren zur Herstellung von elektrischen Sicherungen umfaßt einen Sinterschritt. Mit dem Begriff "Sintern" wird eine Wärmebehandlung beschrieben, bei der ein pulverförmiges Materialgemisch nicht vollständig erschmolzen wird, sondern nur an den Korngrenzen des Materialgemisches durch Diffusion und Legieren Verbindungen entstehen. Die so entstehende Verbindung ist mechanisch sicher und dauer-haft und kann entsprechend auch zur Befestigung eines Teiles an einem zweiten Teil verwendet werden. Sie ist -je nach Zusammensetzung des Gemisches- auch thermisch belastbar, und zwar höher als eine Vielzahl von Klebern, die üblicherweise zum Herstellen solcher Verbindungen benutzt werden.
  • In Erweiterung können auch mehr als zwei Teile in einem Sinterprozeß miteinander verbunden werden.
  • Eine im Hinblick auf die Herstellung elektrischer Sicherungen besonders vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens besteht darin, daß die zur Verbindung der einzelnen Teile verwendete Masse nach dem Sintern elektrisch leitende Eigenschaften aufweist. Dadurch kann gleichzeitig mit der mechanischen Verbindung auch ein elektrischer Kontakt hergestellt werden. Für den Fall, daß auch eines der zu verbindenden Teile selbst elektrisch leitend ist, wird dieses Teil nicht nur mechanisch befestigt, sondern durch dieses Verfahren gleichzeitig mit einer Kontaktschicht versehen. Voraussetzung ist hier, daß das Teil mindestens an seiner Oberfläche elektrisch leitend ist.
  • Besonderes Interesse gilt der Verarbeitung von Teilen mit keramischer Oberfläche durch dieses Verfahren. Die verwendeten Teile können sowohl rohrförmig als auch beliebig flächig ausgebildet sein. Vorzugsweise finden hier keramische Werkstoffe Verwendung, auf dem Gebiet der elektrischen Gerätesicherungen z.B. in Form kleiner Rohre sowie flächige Keramikplättchen mit ebener Oberfläche sowie zentraler muldenartiger Vertiefung in der größten ihrer rechteckigen Oberflächenstücke.
  • Allen nachfolgend geschilderten Verfahren zum Herstellen von Sicherungen ist gemeinsam, daß die Sintermasse insbesondere zum Herstellen von elektrischen Kontakten an einem Substrat auf voneinander abgewandte Seiten aufgetragen wird. Die Masse umschließt hierbei diese Seiten vorteilhafterweise so, daß sie mit einem schmalen Streifen der angrenzenden Fläche(n) in Berührung steht. Nachdem die sinterbare Masse an zwei Stellen aufgebracht worden ist, wird der Schmelzleiter zwischen beiden Stellen so hinzugefügt, daß er sich in der richtigen Position sowie ebenfalls in Kontakt mit der sinterbaren Masse befindet. Der nachfolgende Sinterprozeß verbindet das Substrat mit der sinterbaren Masse und stellt damit nach außen leitende Kontakte für das Substrat her. Gleichzeitig wird der Schmelzleiter mechanisch fest sowie elektrisch leitend mit der sinterbaren Masse verbunden, so daß er nun über die beiden äußeren Kontakte elektrisch belastbar ist. Damit ist die Sicherung grundsätzlich fertig hergestellt, und zwar in einem einzigen Verfahrensschritt. Zum Schutz der Schmelzleiters kann bei einer einfachen Sicherungsbauform der Schmelzleiter auf dem Keramiksubstrat zwischen den beiden Kontaktstellen in seiner ganzen Länge mit einer elektrisch isolierenden Vergußmasse abgedeckt werden.
  • Anstelle einer isolierenden Vergußmasse nach dem Sinterprozeß kann der elektrische Leiter vor dem Sinterprozeß auch durch ein weiteres Keramikteil abgedeckt werden. Dieses Keramikteil muß sich lediglich über dem Schmelzleiter von einer Massekontaktierung zur anderen erstrecken und mit diesen an den Oberflächen in Kontakt treten. So können in einem Sinterprozeß, nämlich durch einen einzigen Verfahrensschritt, Substrat, Schmelzleiter und abdeckende Keramik gleichzeitig mechanisch fest und elektrisch leitend miteinander verbunden werden.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform dieser Anordnung weist das keramische Substrat zwischen den mit sinterbarer Masse belegten Stellen eine muldenartige Vertiefung auf. Die abdeckende Keramik besitzt zwischen den mit der sinterbaren Masse später in Kontakt tretenden Stellen ebenfalls eine muldenartige Vertiefung. So wird der Schmelzleiter schon beim Zusammenbau nur noch über die zwei Masseschichten von dem Substrat getragen, und nur an diesen Stellen wird er von der keramischen Abdeckung berührt. Das hat zur Folge, daß der Schmelzleiter am Ende des Sinterprozesses über die zwei neu entstandenen elektrischen Kontaktstellen auf beiden Seiten mechanisch mit dem Träger wie mit der Abdeckung verbunden ist und so freitragend gehalten wird. Demzufolge ist der Schmelzleiter zwischen seinen Anschlußstellen nur von einer Gasschicht mit großer Wärmedämmung umgeben und kann so die jeweils gewünschte Schaltcharachteristik erhalten.
  • In einer weiteren Ausführungsform hat der keramische Träger die Form eines Röhrchens, das an seinen Stirnseiten mit der sinterbaren Masse belegt wird. Der Schmelzleiter wird durch eine Öffnung eingeführt und verläuft im Rohrinneren von einer Stirnseite zur nächsten freitragend und nur von Gas umgeben. Der Sinterprozeß übernimmt auch hier die Aufgabe der mechanischen Befestigung wie der elektrischen Kontaktierung des Schmelzleiters.
  • Die Rohröffnungen dieses Ausführungsbeispiels können vor dem Sintern durch elektrisch leitende Kappen beidseitig verschlossen und im gleichen Sinterschritt mechanisch fest sowie elektrisch leitend mit dem Röhrchen und mit dem Schmelzleiter verbunden werden. Ähnliche Maßnahmen sind auch bei anderen Ausführungsformen denkbar.
  • Wesentlich für das Verfahren ist die Kombination der Materialien in der Sintermasse im Hinblick auf die zu verbindenden Teile. Die Masse muß metallische Bestandteile für die leitende und mechanische Verbindung mit dem Schmelzleiter aufweisen. Weiter müssen die Bestandteile eine sichere Befestigung der Masse an der Oberfläche der Keramik der übrigen Teile im Zuge des Sinterprozesses ermöglichen. Damit kann die verwendete Masse zur Familie der "Cermets", den s.g. Metallkeramiken gehören. Allerdings wird in diesem Verfahren im Gegensatz zu typischen Cermet-Verfahren das Pulver direkt, oder vorteilhafterweise in Form einer Paste verwendet, und nicht unter hohem Druck zu einem Formling gepreßt. Als eine mögliche Kombination sei die Befestigung eines Silberdrahtes an einem Keramiksubstrat unter Verwendung einer Sintermasse aus Silber, Platin und Palladium genannt.
  • Das Verfahren wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen:
    • Fig. 1
    eine Prinzipskizze zum Sinterprozeß an einem Silberdraht mit Ag-Pd-Pt-Sintermasse;
    Fig. 2
    eine Schnittdarstellung eines einteiligen Gehäuses mit vergossenem Schmelzleiter;
    Fig. 3
    eine Schnittdarstellung eines zweiteiligen keramischen Sicherungskörpers mit einem freitragend durch Luft verlaufenden Schmelzleiter;
    Fig. 4
    einen Schnitt durch ein Röhrchengehäuse mit durch Sintern befestigtem und elektrisch verbundenem Schmelzleiter;
    Fig. 5
    einen Schnitt durch die Röhrchensicherung von Fig. 4 mit stirnseitig angebrachten und durch den Sinterprozeß befestigten und leitend verbundenen Metallkappen.
  • In Fig. 1 ist die prinzipielle Anlagerung der Körner einer Sintermasse aus einer Silber-Paladium-Platin-Masse an einen Silberdraht dargestellt. Die einzelnen Körner stoßen mit ihren Kanten und Flächen aneinander. Teilweise berühren sie dabei die Oberfläche des Silberdrahtes. Durch den Sintervorgang kommt es nicht zu einem vollständigen Erschmelzen der beteiligten pulverförmigen Materialien, sondern lediglich zu einem Materialtransport zwischen den Körnchen, so daß sich diese an den Kontaktstellen miteinander verbinden. Es finden dabei auch Diffusionsvorgänge statt. Die Körnchen verlieren daher ihre Form nicht. Als Ergebnis behält man eine feste und poröse Masse, die durch ihre Bestandteile selber gut leitend und mit der Oberfläche des Silberdrahtes leitend verbunden ist. Damit ist an dem Draht ein mechanisch stabiler und elektrisch leitender Kontakt angebracht worden.
  • Fig. 2 zeigt eine elektrische Sicherung. Auf einem Keramiksubstrat 1 ist beidseitig sinterbare Masse 2 aufgetragen worden. Auf der Keramikoberseite ist zwischen den massebelegten Enden des Trägers der Schmelzleiter 3 aufgelegt worden. In einem einzigen Sinterschritt finden gleichzeitig Kontaktierung und Befestigung in vorstehend beschriebener Weise statt. Anschließend wird der Schmelzleiter 3 zwischen den Kontaktstellen 4 durch eine Vergußmasse 5 abgedeckt. Damit umfaßt dieses Herstellverfahren für die einfache Sicherung vorteilhafterweise nur noch vier Schritte: Auftragen der Sintermasse, Einlegen des Schmelzleiters, Sintern und Vergießen. Die Arbeitsschritte Metallisieren, Fixieren und Verlöten sind entfallen.
  • Fig. 3 zeigt eine besonders günstige Bauform einer SMD-Sicherung mit einem Schmelzleiter 3 in einer Kammer. Zur Reduzierung der unterschiedlichen Bestandteile der Sicherung werden Keramiksubstrat 1 und die Abdeckkappe 1 durch gleichgeformte symmetrische Keramikteile gebildet. Bei diesen Keramikteilen müssen in der Produktion nur noch die schmale Seite von der breiteren Seite zur Positionierung des Schmelzleiters 3 über der Mulde 6 unterschieden werden. Es sind in einer vollautomatischen Fertigung keine weiteren Parameter zu beachten. Beide Teile werden an zwei Seiten mit sinterbarer Masse 2 beschichtet und anschließend mit dem zwischen ihnen in der Masseschicht gehaltenen Schmelzleiter 3 einem Sinterprozeß unterzogen. Bei dieser Sicherung ist vorteilhafterweise keine Nachbehandlung in einem abschließenden Schritt mehr notwendig. Dieses Verfahren besteht also nur noch aus drei Schritten. Die Sicherung ist geschlossen, und der Schmelzleiter 3 ist über die nun gesinterten und elektrisch leitenden Kontaktstellen 4 elektrisch zugänglich.
  • Als weiteren Vorteil besitzt diese Sicherung kein fest definiertes Ober- oder Unterteil mehr. Sie kann entsprechend einfach durch Bestückungsautomaten in Dickschichtschaltungen integriert oder als SMD-Bauteil in gedruckten Schaltungen eingelötet werden. Damit werden die Produktionskosten bei der Fertigung wie auch die Kosten beim Einsatz dieser Sicherungsbauart erheblich gesenkt.
  • Fig. 4 zeigt eine Grundbauform einer Röhrchensicherung mit einem keramischen, rohrförmigen Träger 7, der an seinen Stirnseiten mit sinterbarer Masse 2 belegt ist. Durch das Innere des Röhrchen verläuft der Schmelzleiter 3 von einer Stirnseite zur anderen. An jeder Stirnseite steht der Schmelzleiter 3 in Berührung mit der sinterbaren Masse 2. Dadurch wird er in einem Sinterschritt elektrisch wie mechanisch mit den Kontaktstellen 4 verbunden, während die Masse 2 mit der Oberfläche des keramischen Trägers 7 fest verbunden wird.
  • Fig. 5 stellt eine Ergänzung der Röhrchensicherung nach Fig. 4 dar. Hier sind die Stirnseiten des Röhrchens 7 durch Metallkappen 8 vor dem Sinterprozeß geschlossen worden. Nur aus Gründen der Deutlichkeit der Darstellung sind die Metallkappen 8 in der Fig. 5 mit großem Übermaß dargestellt worden. In einem einzigen Sinterschritt werden alle Teile der fertig montierten Sicherung zuverlässig miteinander elektrisch wie auch mechanisch verbunden.

Claims (25)

  1. Verfahren zum Befestigen eines ersten Teils aus Metall oder aus einem keramischen Werkstoff an einem zweiten Teil aus Metall oder aus einem keramischen Werkstoff bei der Herstellung elektrischer Sicherungen, insbesondere Gerätesicherungen, dadurch gekennzeichnet,
    - daß auf mindestens einem Teil der Oberfläche des ersten Teils und/oder einem Teil der Oberfläche des zweiten Teils eine an den miteinander zu verbindenden Oberflächen der Teile durch Sintern befestigbare Masse aufgebracht wird;
    - die beiden Teile derart miteinander in Kontakt gebracht werden, daß die Masse als Zwischenschicht beide Oberflächen ganz oder teilweise erfaßt,
    - und in einer zum Sintern geeigneten Wärmebehandlung die Masse fest mit den genannten Teilen der Oberflächen der Teile verbunden wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei Teile miteinander durch die Masse verbunden werden.
  3. Verfahren nach einem oder beiden der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine nach der Wärmebehandlung elektrisch leitende Masse verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Oberfäche eines der Teile elektrisch leitend ist.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zumindest an der Oberfläche aus einem keramischen Werkstoff bestehendes Teil verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein rohrförmiges und aus keramischem Werkstoff bestehendes Teil verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein flächiges und aus keramischem Werkstoff bestehendes Teil verwendet wird.
  8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein keramisches flächiges und in mindestens einer der Flächen eine Mulde aufweisendes Teil verwendet wird.
  9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein flächiges keramisches Teil durch die Masse jeweils im Bereich von zwei voneinander abgewandten Seiten mindestens teilweise umfaßt wird, wobei sich die Masse an beiden Seiten im Kontakt mit einem Leiter befindet.
  10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik mindestens im Bereich des Leiters abgedeckt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter in Form einer Drahtes, der z.B. als Schmelzleiter ausgebildet ist, zwischen massebelegten Kontaktstellen des flächigen zweiten Teils verläuft und durch eine elektrisch isolierende Vergußmasse abgedeckt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das flächige zweite Teil und der Draht zwischen den massebelegten Kontaktstellen durch ein weiteres, massebelegbares Teil aus Keramik derart abgedeckt wird, daß die Masseschicht an beiden Seiten der Keramik mit den entsprechenden Oberflächen des abdeckenden Teils in Kontakt kommt.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Teile zwei stirnseitig massebelegte, keramisch flächige Teile verwendet werden, die in der Mitte jeweils eine Mulde aufweisen, so daß am Ende des Sinterprozesses der zwischen beiden Teilen verlaufende Leiter freitragend zwischen den Massebeschichtungen gehalten und elektrisch leitend mit der Massezwischenschicht auf beiden Seiten verbunden wird.
  14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als erstes Teil ein Röhrchen mit sinterbarer Masse im Bereich der Stirnseiten verwendet wird, durch dessen Öffnung ein zweites Teil, beispielsweise ein Leiter und insbesondere ein Schmelzleiter, von einer Stirnseite zur anderen verläuft.
  15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 - 14, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder massebehafteten Seite eine Abdeckung z.B. eine elektisch leitende Kappe, angeordnet und durch Sintern befestigt wird.
  16. Verbindung zwischen zwei Teilen unterschiedlichen Materials zur Herstellung einer Schmelzsicherung, dadurch gekennzeichnet, daß diese Verbindung durch
    - eine mit den zu verbindenden Teilen beider Oberflächen der Teile in Kontakt stehende und
    - an jeder der beiden Oberflächenmaterialien durch Sintern befestigbare Masse
    - in einer zum Sintern geeigneten Wärmebehandlung dadurch hergestellt ist, daß die Masse in einem Sinterprozeß fest mit den genannten Teilen der Oberflächen der Teile verbunden worden ist.
  17. Verbindung nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei Teile unterschiedlichen Materials in einem Sinterprozeß mittels sinterbarer Massen aneinander befestigt sind.
  18. Schmelzsicherung, dadurch gekennzeichnet, daß
    - ein keramisches erstes Teil (1)
    - durch eine sinterbare und nach dem Sintern elektrisch leitende Masse (2)
    - jeweils im Bereich von zwei voneinander abgewandten Seiten mindestens teilweise umfaßt,
    - wobei sich die Masse an beiden Seiten im Kontakt mit
    - einem zweiten Teil (3) befindet, das zumindest an seiner Oberfläche elektrisch leitend ist,
    - und die Masse (2) sowie die beiden Teile (1;3) fest miteinander verbunden sind, wobei
    - der zweite Teil (3) ein elektrisch leitender Draht ist, nämlich der Schmelzleiter der Sicherung.
  19. Schmelzsicherung nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, daß
    - das keramische erste Teil (1) flächig ist, vorzugsweise mit einer Mulde (6) im mittleren Bereich mindestens einer der Flächen,
    - und der Schmelzleiter mindestens in dem Bereich zwischen den massebelegten Kontaktstellen der Keramik abgedeckt ist.
  20. Schmelzsicherung nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch isolierende Vergußmasse (5) den Schmelzleiter (3) abdeckt.
  21. Schmelzsicherung nach Anspruch 18 mit drei miteinander verbundenen Teilen dadurch gekennzeichnet, daß
    - ein Schmelzleiter (3) zwischen
    - zwei gleichartig jeweils im Bereich von zwei voneinander abgewandter Seiten mindestens teilweise
    - von einer nach dem Sintern elektrisch leitenden Masse (2)
    - umfaßten keramischen Teile (1)
    - zwischen den Massebeschichtungen am Ende des Sinterprozesses gehalten
    - und elektrisch leitend verbunden ist.
  22. Schmelzsicherung nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, daß
    - die zwei keramischen Teile (1) flächig sind und jeweils eine Mulde im mittleren Bereich mindestens einer Fläche aufweisen,
    - die Mulden (6) der Keramikteile einander zugewandt sind derart, daß
    - der als Schmelzleiter (3) ausgebildete dritte Teil
    - freitragend zwischen den Massebeschichtungen (2) gehalten ist.
  23. Schmelzsicherung nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, daß
    - ein Leiter (3), insbesondere ein Schmelzleiter einer Sicherung,
    - durch die Öffnung eines keramischen Röhrchens (7) von einer Stirnseite zur anderen Stirnseite des Röhrchens verläuft,
    - das an den Öffnungen mit sinterbarer und dann elektrisch leitender Masse (2) versehen ist,
    - und der Leiter (3) am Ende des Sinterprozesses gehalten
    - und elektrisch leitend mit den Stirnseiten verbunden ist.
  24. Schmelzsicherung nach Anspruch 23 dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder massebehafteten Seite des Röhrchens (5) eine Abdeckung z.B. eine elektisch leitende Kappe (6), angeordnet und durch Sintern befestigt wird.
  25. Sinterwerkstoff zur Verwendung
    - für das Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, und/oder
    - für die Verbindung nach einem oder mehreren der Ansprüche 16 und 17 und/oder
    - für die Schmelzsicherung nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 24
    dadurch gekennzeichnet,
    - daß er durch einen Sinterprozeß an allen Oberflächen, an denen er aufgetragen ist, befestigbar ist, und
    - daß er als Pulvergemisch aus einem oder mehreren Werkstoffen besteht, die in einem Sinterprozeß mit dem Werkstoff der zu verbindenden Oberflächen der Teile befestigbar ist.
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