EP1897115A1 - Elektrodensystem für eine lampe - Google Patents

Elektrodensystem für eine lampe

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Publication number
EP1897115A1
EP1897115A1 EP06761686A EP06761686A EP1897115A1 EP 1897115 A1 EP1897115 A1 EP 1897115A1 EP 06761686 A EP06761686 A EP 06761686A EP 06761686 A EP06761686 A EP 06761686A EP 1897115 A1 EP1897115 A1 EP 1897115A1
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EP
European Patent Office
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electrode
soldering
electrode system
head
molded part
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06761686A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rainer Koger
Dirk Rosenthal
Klaus-Dieter Stein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osram GmbH
Original Assignee
Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH filed Critical Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Publication of EP1897115A1 publication Critical patent/EP1897115A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/52—Cooling arrangements; Heating arrangements; Means for circulating gas or vapour within the discharge space
    • H01J61/523—Heating or cooling particular parts of the lamp
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/32—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at more than 1550 degrees C
    • B23K35/327—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at more than 1550 degrees C comprising refractory compounds, e.g. carbides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
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    • C22C1/045—Alloys based on refractory metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
    • H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
    • H01J9/18—Assembling together the component parts of electrode systems

Definitions

  • the invention relates to an electrode system according to the preamble of patent claim 1, a method for producing such an electrode system according to the preamble of patent claim 10 and a discharge lamp provided with such an electrode system.
  • the electrode system according to the invention can be used in principle in a variety of different lamps. However, the main field of application of the electrode system is likely to be in the manufacture of high-wattage HBO® or XBO® high pressure discharge lamps.
  • Such electrode systems consist essentially of an electrode head, which has a
  • solder connection is attached to an electrode support rod.
  • the platinum wire is used as a soldering additive in a
  • Electrode holding rod inserted into the receiving bore.
  • Soldering temperature heated and melted the inserted platinum wire. Due to the resulting surface bond and mutual
  • the electrode head is high-strength soldered and electrically conductive with the electrode holding rod.
  • soldering materials made of pure platinum wire allow a highly heat-resistant solder joint of the electrode system, but are very expensive due to the low platinum occurrence and thereby increase the manufacturing cost of the electrode system.
  • soldering materials can lead to embrittlement of the joint during the soldering process without sufficient diffusion of the solder additive in the base materials.
  • the zirconium solder additive does not penetrate sufficiently into the structure of the base materials and forms no or only a deficient alloy. This can lead to a brittle fracture of the solder joint and thus to a failure of the electrode system in such solder joints.
  • the invention has for its object to provide an electrode system for lamp construction and a method for producing such an electrode system, in which over conventional solutions, an improved solder joint is made possible with minimal device complexity.
  • the lamp system according to the invention for lamp construction has an electrode holding bar and an electrode head, which are connected to each other by a soldering process by means of a soldering additive.
  • the brazing filler material is a sintered molded part of essentially eutectic alloy.
  • This solution allows due to the formation of the solder additive as a sintered molded part with any geometry improved handling in manufacturing.
  • the molded part Due to the use according to the invention of an essentially electic alloy, the molded part has a fixed melting point which is below the individual melting points of the alloy constituents and thus considerably facilitates the production of the solder joint.
  • the molding according to the invention has a melting behavior without alloy-typical two-phase melting due to the substantially eutectic composition of the powder mixture. The transition from the molten to the solid state of the molding takes place completely and directly during cooling after the soldering process. This solidification leads after cooling to a fine-grained, uniform structure of the soldering material with excellent strength properties.
  • An inventive method for producing an electrode system is carried out with the steps: a) introducing the sintered molded part in the electrode head
  • the molding is made of a molybdenum-ruthenium powder mixture.
  • the molybdenum-ruthenium-powder mixture preferably contains about 38 to 48% by weight of ruthenium.
  • the alloy has essentially eutectic properties. This achieves an alloy with a melting point suitable for the soldering process and prevents the formation of a brittle, intermetallic sigma phase.
  • the molybdenum-ruthenium powder mixture contains 58% by weight of molybdenum and 42% by weight of ruthenium (MoRu42).
  • This eutectic composition has a lower melting temperature than the individual alloying constituents molybdenum and ruthenium, thereby enabling a simplified, energy-efficient production of the electrode system.
  • the melting temperature of the molybdenum-ruthenium alloy is, for example, in the vicinity of the melting temperature of pure platinum.
  • the solder filler material formed as a molded part is in an embodiment according to the invention at least in sections to the component contour of the joining partners, i. adapted to the geometry of the electrode holding rods and / or the electrode head.
  • the molding has a substantially circular cross-section.
  • soldering additive a soldering disc. Due to their shape, the soldering discs are easy to manufacture and a uniform production Heat coupling via the components, for example by means of induction or istslötvon is guaranteed.
  • the molding is at least partially introduced for the production of the soldered joint in one of • the electrode holding rod and the electrode head limited soldering space.
  • the electrode system according to the invention is preferably used for the production of discharge lamps, in particular for the production of high-wattage HBO®. or XBO® high pressure discharge lamps.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a HBO® mercury vapor high-pressure discharge lamp with an electrode system according to the invention
  • FIG. 2 shows a side view of the anode-side electrode system of the HBO® mercury high-pressure discharge lamp from FIG. 1 with added soldering material and
  • FIG. 3 shows an individual view of the soldering additive material from FIG. 2.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a two-sided HBO® mercury vapor high-pressure discharge lamp 1 in short arc technique.
  • This has a discharge vessel 2 made of quartz glass with an inner space 4 and two diametrically arranged, sealed Kolben2020ften 6, 8, the free ⁇ ndabête 10, 12 are each provided with a base sleeve 14, 16.
  • a base sleeve 14 In the interior 4 protrude two diametrically arranged electrodes 18, 20, between which forms a gas discharge during lamp operation.
  • an ionizable filling which consists essentially of mercury and a high-purity noble gas.
  • the electrodes 18, 20 are each designed as a two-part electrode system consisting of a current-feeding, rod-shaped electrodes hard ng 22, 24 and one, with this soldered, discharge-side head electrode 26 (anode) or • top electrode 28 (cathode).
  • the electrode heads 26, 28 are each provided on the discharge-distant side with a blind hole 30, 32, in which end portions 34, 36 of the electrode holding rods 22, 24 are attached. According to FIG.
  • the lower electrode head 28 is designed as a conical head cathode for generating high temperatures in order to ensure a defined arc attachment and sufficient electron flow due to thermal emission and field emission (Richardson equation).
  • the upper electrode head 26 in FIG. 1 is designed as a thermally highly charged, barrel-shaped head anode, in which the emission power is improved by sufficient dimensioning of the electrode size.
  • a getter 38 made of tantalum is mounted inside the discharge vessel 2. In the embodiment shown, the getter 38 is mounted as a metal band on the anode-side electrode holding bar 22.
  • truncated cone-shaped holding elements 40 made of quartz glass are used in the piston stems 6, 8, which are provided with an axially extending through hole 42 for receiving the electrode holding bars 22, 24.
  • the holding rods 22, 24 of the electrodes 18, 20 are guided in the through-holes 42 in such a way that they extend into the inner space 4 and there the electrode heads 26 and 28, respectively wear.
  • the electrode holding rods 22, 24 are each extended beyond the holding elements 40 and inserted into a receiving bore 44 of an annular molybdenum plate 46 and soldered thereto.
  • the molybdenum plate 46 is adjoined in each case by a quartz cylinder 48, which is melted into the piston shaft 6, 8 and on the outer surface 50 of which four molybdenum foils 52 soldered to the molybdenum plate 46 are arranged, forming a gas-tight current feedthrough.
  • the molybdenum foils 52 are soldered at one end section 54 to a contact plate 56, which is connected to a base pin 58 on the cathode side (bottom in FIG. 1) or a stranded wire 60 on the anode side for electrical contacting of the electrode system 18, 20.
  • a base pin 58 on the cathode side (bottom in FIG. 1) or a stranded wire 60 on the anode side for electrical contacting of the electrode system 18, 20.
  • cooling fins 62 for convection cooling of the anode-side base sleeve 14 (in Figure 1 above) this is additionally provided with cooling fins 62.
  • the electrical connection of the HBO® discharge lamp 1 to the supply voltage takes place on the cathode side via the base pin 58 and on the anode side via the stranded wire 60 and a cable lug 64 connected thereto.
  • the cathode-side region of the discharge vessel 2 is partially provided with a heat-reflecting lamination to improve the efficiency of the discharge lamp 1 metallic coating 66 provided.
  • FIG. 2 which shows a side view of the anode-side electrode system 18 of the HBO® high-pressure mercury discharge lamp 1 from FIG. 1 before soldering the head anode 26 to the electrode holding bar 22
  • the end section 34 of the electrode holding bar 22 is provided with a peripheral chamfer 68 and into which Blind hole 30 of the head anode 26 introduced. Since the attachment of the head cathode 28 on the electrode support rod 24 differs from the attachment of the head anode 26 only by a step-shaped abutment shoulder 70 of the discharge-side end portion 36 (see Figure 1), the general term electrode head is used in the following for head anode 26 and head cathode 28.
  • a soldering material 74 introduced into the soldering space 72 defined by the electrode holding bar 22 and electrode head 26 is used.
  • the brazing filler material 74 is a sintered molded part 76 of essentially eutectic alloy. This solution allows due to the formation of the solder additive 74 as a sintered molded part 76 with any geometry improved handling in manufacturing. Due to the According to the invention, using a substantially eutectic powder mixture, the molding 76 has a fixed melting point which is below the individual melting points of the alloying constituents in the vicinity of the melting point of pure platinum, thereby substantially facilitating the production of the solder joint.
  • the molding 76 thus has a melting behavior due to the substantially eutectic composition without alloy-typical two-phase melting. The transition from molten to solid state occurs completely and immediately during the cooling of the solder joint. This solidification leads to a fine-grained, uniform structure of the molten molding 76 after cooling with excellent strength properties.
  • the sintered molding 76 contains a molybdenum-ruthenium powder mixture consisting of 58% by weight molybdenum and 42% by weight ruthenium (MoRu42).
  • This eutectic composition has a relation to the individual alloying constituents molybdenum and ruthenium reduced melting temperature and thereby enables a simplified, energy-efficient production of the electrode system 18, 20.
  • the melting temperature of pure platinum compared to cost molybdenum-ruthenium alloy is in the range of the melting temperature of
  • the molded part 74 is produced in a pressing process with a pressure of about 8 kN and a subsequent sintering process at a temperature of about 1800 ° C.
  • FIG. 3 which shows an individual representation of the molded part 76 from FIG. 2, the molded part 76 is formed with a circular cross-section adapted to the component contour of the joining partners, ie the electrode heads 26, 28 and electrode support rods 22, 24. Due to their disk-shaped shape, the molded parts 76 are easily produced in terms of production engineering and ensure uniform heat coupling during the soldering process. Furthermore, the sintered solder disk 78 is easy to handle compared to powdered soldering materials manufacturing technology. A health hazard due to inhalation of very fine, powdery particles is prevented by the formed as a solid soldering additive 74. In the following, the production of the electrode system 18, 20 will be explained by way of example with reference to FIGS. 1 to 3.
  • the molded part 76 is introduced into the soldering region 72, ie into the blind holes 30, 32 of the electrode heads 26, 28.
  • the • electrode holding rod 22, 24 is inserted into the blind hole 30, 32, so that this, according to Figure 2, abuts the end face of the molding 76.
  • the required soldering temperature is introduced by heat coupling from the outside, for example by means of a high-frequency induction process in the soldering region 72.
  • the parameter guide during soldering is chosen so that the heat input is high enough to melt the molding 76 and by the resulting surface bond and mutual penetration (diffusion) between solder additive 76 and electrode support rod 22, 24 and electrode head 26, 28, the workpieces high-strength and to be electrically conductively soldered together.
  • the molded part 76 is completely fused and at least partially fills the soldering space 72, wherein the end portion 34, 36 of the electrode holding bar 22, 24 is completely received in the blind bore 30, 32 of the electrode head 26, 28 (see FIG. 1).
  • the soldering gap between the end portion 34, 36 of the electrode holding rod 22, 24 and the blind hole 30, 32 of the electrode head 26, 28 is thereby completely filled by the solder additive 74 and produces a dense, electrically conductive connection.
  • the electrode system according to the invention is not limited to the described circular solder disk 78, but the
  • solder additive 74 have any geometric shape.
  • the soldering additive 74 according to the invention can be produced as a wire-shaped or annular shaped part.
  • the solder filler material 74 can be used for all known from the prior art soldering, which allow a defined heat input into the soldering region 72. It is essential to the invention that the soldering additive material 74 used to produce the soldered connection has an essentially eutectic alloy and is formed by a sintering process to form a molded part 76.
  • an electrode system 18, 20 for the construction of lamps comprising at least one electrode support rod 22, 24 and an electrode head 26, 28, which are connected to one another by a soldering process by means of a soldering filler 74, wherein the solder additive 74 is a sintered molding 76 of substantially eutectic alloy is.

Abstract

Offenbart ist ein Elektrodensystem für den Lampenbau, mit zumindest einem Elektrodenhaltestab (22) und einem Elektrodenkopf (26), die durch einen Lötprozess mittels eines Lötzusatzwerkstoffes (76) miteinander verbunden sind, wobei der Lötzusatzwerkstoff ein gesintertes Formteil aus im Wesentlichen eutektischer Legierung ist .

Description

Elektrodensystem für eine Lampe
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Elektrodensystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Elektrodensystems nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10 und eine mit einem derartigen Elektrodensystem versehene Entladungslampe.
Stand der Technik
Das erfindungsgemäße Elektrodensystem kann prinzipiell bei einer Vielzahl unterschiedlicher Lampen Verwendung finden. Das Hauptanwendungsgebiet des Elektrodensystems dürfte jedoch bei der Herstellung von hochwattigen HBO®- oder XBO®-Hochdruck-entladungslampen liegen.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, zur Herstellung von Lötverbindungen an Elektrodensystemen für hochwattige HBO®- oder
XBO®-Hochdruckentladungslampen hochwarmfeste Lötzusatzwerkstoffe
(Lote) aus reinem Platindraht zu verwenden. Derartige Elektrodensysteme bestehen im Wesentlichen aus einem Elektrodenkopf, der über eine
Lötverbindung auf einem Elektrodenhaltestab befestigt ist. Zur Herstellung der Lötverbindung wird der Platindraht als Lötzusatzwerkstoff in eine
Aufnahmebohrung des Elektrodenkopfes eingebracht. Anschließend wird der
Elektrodenhaltestab in die Aufnahmebohrung eingeführt. In einem weiteren
Arbeitsgang wird das Elektrodensystem im Bereich der Lötstelle auf
Löttemperatur erwärmt und der eingelegte Platindraht aufgeschmolzen. Aufgrund der entstehenden Oberflächenbindung und gegenseitigen
Durchdringung (Diffusion) zwischen Lötzusatzwerkstoff und Grundwerkstoff, wird der Elektrodenkopf hochfest und elektrisch leitend mit dem Elektrodenhaltestab verlötet. Derartige Lötzusatzwerkstoffe aus reinem Platindraht ermöglichen zwar eine hochwarmfeste Lötverbindung des Elektrodensystems, sind aber aufgrund des geringen Platinvorkommens sehr kostenintensiv und erhöhen dadurch die Herstellungskosten des Elektrodensystems.
Aus diesem Grund finden in . der Lampenherstellung bereits Lötzusatzwerkstoffe aus kostengünstigerem Zirkondraht Verwendung. Nachteilig bei derartigen Lötzusatzwerkstoffen ist, dass es beim Lötprozess zu einem Verspröden der Verbindungsstelle ohne ausreichende Diffusion des Lötzusatzwerkstoffes in die Grundwerkstoffe kommen kann. Mit anderen Worten, der Lötzusatzwerkstoff Zirkon dringt nicht ausreichend in das Gefüge der Grundwerkstoffe ein und bildet keine oder nur eine mangelhafte Legierung aus. Dadurch kann es bei derartigen Lötverbindungen zu einem Sprödbruch der Lötverbindung und damit zu einem Ausfall des Elektrodensystems kommen.
Zur Verbesserung der Verbindungseigenschaften ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik weiterhin bekannt, pasten- oder pulverförmige Lötzusatzwerkstoffe aus hochwarmfesten Molybdän- Ruthenium-Legierungen zum Verlöten der Elektrodensysteme einzusetzen. Diese Lösungen ermöglichen zwar eine, gegenüber zirkonhaltigen Lötzusatzwerkstoffen, verbesserte Festigkeit der Lötverbindung bei gegenüber den einzelnen Lotbestandteilen verringerter Schmelztemperatur, sind aber aufgrund der in Pasten enthaltenen organischen Substanzen und der dadurch, insbesondere in geschlossenen Löträumen, d.h. bei Lötprozessen mit eingelegtem Lot, verbleibenden ungewünschten Rückständen nicht zur Herstellung hochfester Lötverbindungen geeignet. Pulverförmige Lötzusatzwerkstoffe sind hingegen aufwändig in der Handhabung und aufgrund der Gesundheitsgefährdung, beispielsweise durch Inhalation der hochfeinen, pulverförmigen Partikel nur mit geeigneten Schutzeinrichtungen für die Fertigung von Elektrodensystemen geeignet. Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Elektrodensystem für den Lampenbau und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Elektrodensystems zu schaffen, bei denen gegenüber herkömmlichen Lösungen eine verbesserte Lötverbindung bei minimalem vorrichtungstechnischem Aufwand ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Elektrodensystems durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung eines derartigen Elektrodensystems durch die Merkmale des Anspruchs 10 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Das erfindungsgemäße Elektrodensystem für den Lampenbau hat einen Elektrodenhaltestab und einen Elektrodenkopf, die durch einen Lötprozess mittels eines Lötzusatzwerkstoffes miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß ist der Lötzusatzwerkstoff ein gesintertes Formteil aus im Wesentlichen eutektischer Legierung. Diese Lösung ermöglicht aufgrund der Ausbildung des Lötzusatzwerkstoffes als gesintertes Formteil mit beliebiger Geometrie eine verbesserte Handhabung in der Fertigung. Aufgrund der erfindungsgemäßen Verwendung einer im Wesentlichen elektischen Legierung hat das Formteil einen festen Schmelzpunkt, der unterhalb der einzelnen- Schmelzpunkte der Legierungsbestandteile liegt und dadurch die Herstellung der Lötverbindung wesentlich erleichtert. Mit anderen Worten, das erfindungsgemäße Formteil besitzt aufgrund der im Wesentlichen eutektischen Zusammensetzung der Pulvermischung ein Schmelzverhalten ohne legierungstypisches zweiphasiges Aufschmelzen. Der Übergang vom schmelzflüssigen in den festen Zustand des Formteils erfolgt beim Abkühlen nach dem Lötprozess vollständig und unmittelbar. Diese Erstarrung führt nach dem Abkühlen zu einem feinkörnigen, gleichmäßigen Gefüge des Lötwerkstoffes mit hervorragenden Festigkeitseigenschaften.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Elektrodensystems erfolgt mit den Schritten: a) Einbringen des gesinterten Formteils in den Elektrodenkopf
b) Einsetzen des Elektrodenhaltestabes in den Elektrodenkopf und
c) Verlötung des Elektrodenhaltestabes mit dem Elektrodenkopf.
Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Formteil aus einer Molybdän-Ruthenium-Pulvermischung hergestellt.
Die Molybdän-Ruthenium-P.ulvermischung enthält vorzugsweise etwa 38 bis 48 Gew.-% Ruthenium. In diesem Bereich hat die Legierung im Wesentlichen eutektische Eigenschaften. Dadurch wird eine Legierung mit für den Lötprozess geeignetem Schmelzpunkt erreicht und die Ausbildung einer spröden, intermetallischen Sigma-Phase verhindert.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Molybdän- Ruthenium-Pulvermischung 58 Gew.-% Molybdän und 42 Gew.-% Ruthenium enthält (MoRu42). Diese eutektische Zusammensetzung besitzt eine, gegenüber den einzelnen Legierungsbestandteilen Molybdän und Ruthenium, erniedrigte Schmelztemperatur und ermöglicht dadurch eine vereinfachte, energieeffiziente Herstellung des Elektrodensystems. Die Schmelztemperatur der Molybdän-Ruthenium-Legierung liegt hierbei beispielsweise in der Nähe der Schmelztemperatur von reinem Platin.
Der als Formteil ausgebildete Lötzusatzwerkstoff ist bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel zumindest abschnittsweise an die Bauteilkontur der Fügepartner, d.h. an die Geometrie der Elektrodenhaltestäbe und/oder des Elektrodenkopfes angepasst. Vorzugsweise hat das Formteil einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt. Dadurch ist das Formteil, beispielsweise zum Löten mit in den Lötbereich eingelegtem Lot, fertigungstechnisch einfach handhabbar.
Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der
Lötzusatzwerkstoff eine Lötscheibe. Aufgrund ihrer Formgebung sind die Lötscheiben fertigungstechnisch einfach herstellbar und eine gleichmäßige Wärmeeinkopplung über die Bauteile, beispielsweise mittels Induktions- oder Widerstandslötverfahren ist gewährleistet.
Vorzugsweise wird das Formteil zur Herstellung der Lötverbindung in einen zumindest abschnittsweise von • dem Elektrodenhaltestab und dem Elektrodenkopf begrenzten Lötraum eingebracht.
Das erfindungsgemäße Elektrodensystem findet vorzugsweise zur Herstellung von Entladungslampen, insbesondere zur Herstellung von hochwattigen HBO®- . oder XBO®-Hochdruckentladungslampen Verwendung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer HBO®-Quecksilberdampf- Hochdruckentladungslampe mit einem erfindungsgemäßen Elektrodensystem;
Figur 2 eine Seitenansicht des anodenseitigen Elektrodensystems der HBO®-Quecksilber-Hochdruckentladungslampe aus Figur 1 mit eingesetztem Lötzusatzwerkstoff und
Figur 3 eine Einzeldarstellung des Lötzusatzwerkstoffes aus Figur 2.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer HBO®-Quecksilberdampf-
Hochdruckentladungslampe erläutert, die beispielsweise in der Mikrolithografie zur Herstellung von Halbleitern Verwendung findet. Wie bereits eingangs erwähnt, ist das erfindungsgemäße Elektrodensystem jedoch keinesfalls auf derartige Lampentypen beschränkt. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiseitig gesockelten HBO®-Quecksilberdampf-Hochdruckentladungslampe 1 in Kurzbogen- technik. Diese besitzt ein Entladungsgefäß 2 aus Quarzglas mit einem Innenraum 4 und zwei diametral angeordneten, abgedichteten Kolbenschäften 6, 8, deren freie Εndabschnitte 10, 12 jeweils mit einer Sockelhülse 14, 16 versehen sind. In den Innenraum 4 ragen zwei diametral angeordnete Elektroden 18, 20, zwischen denen sich während des Lampenbetriebs eine Gasentladung ausbildet. In dem Innenraum 4 des Entladungsgefäßes 2 ist eine ionisierbare Füllung eingeschlossen, die im Wesentlichen aus Quecksilber und einem hochreinem Edelgas besteht. Die Elektroden 18, 20 sind jeweils als zweiteiliges Elektrodensystem bestehend aus einer stromzuführenden, stabförmigen Elektroden hartem ng 22, 24 und einer, mit dieser verlöteten, entladungsseitigen Kopfelektrode 26 (Anode) bzw. • Kopfelektrode 28 (Kathode) ausgeführt. Zur Montage der Elektrodenköpfe 26, 28 auf den Elektrodenhaltestäben 22, 24 sind die Elektrodenköpfe 26, 28 an der entladungsfernen Seite jeweils mit einer Sacklochbohrung 30, 32 versehen, in denen Endabschnitte 34, 36 der Elektrodenhaltestäbe 22, 24 befestigt sind. Gemäß Figur 1 ist der untere Elektrodenkopf 28 zur Erzeugung hoher Temperaturen als kegelförmige Kopfkathode ausgeführt, um einen definierten Bogenansatz und einen ausreichenden Elektronenfluss aufgrund von thermischer Emission und Feldemission (Richardson-Gleichung) zu gewährleisten. Der in Figur 1 obere Elektrodenkopf 26 ist als thermisch hoch belastete, tonnenförmige Kopfanode ausgeführt, bei der die Abstrahlleistung durch eine ausreichende Dimensionierung der Elektrodengröße verbessert ist. Um für den Lichtstrom sowie das Lebensdauerverhalten der Entladungslampe 1 negative Gasreaktionen zu unterdrücken oder zumindest deutlich zu verringern, ist innerhalb des Entladungsgefäßes 2 ein Getter 38 aus Tantal befestigt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Getter 38 als Metallband auf dem anodenseitigen Elektrodenhaltestab 22 angebracht. Zur Halterung der Elektroden 18, 20 in dem Entladungsgefäß 2, sind in den Kolbenschäften 6, 8 kegelstumpfförmige Halteelemente 40 aus Quarzglas eingesetzt, die mit einer axial verlaufenden Durchgangsbohrung 42 zur Aufnahme der Elektrodenhaltestäbe 22, 24 versehen sind. Die Haltestäbe 22, 24 der Elektroden 18, 20 sind derart in den Durchgangsbohrungen 42 geführt, dass diese in den Innenraum 4 reichen und dort die Elektrodenköpfe 26 bzw. 28 tragen. Sockelseitig sind die Elektrodenhaltestäbe 22, 24 jeweils über die Halteelemente 40 hinaus verlängert und in eine Aufnahmebohrung 44 eines ringförmigen Molybdäntellers 46 eingeführt und mit diesem verlötet. An den Molybdänteller 46 schließt sich jeweils ein Quarzzylinder 48 an, der in den Kolbenschaft 6, 8 eingeschmolzen- ist und an dessen Außenfläche 50 vier mit dem Molybdänteller 46 verlötete Molybdänfolien 52 angeordnet sind, die eine gasdichte Stromdurchführung ausbilden. Die Molybdänfolien 52 sind an einem Endabschnitt 54 mit einem Kontaktteller 56 verlötet, der zur elektrischen Kontaktierung des Elektrodensystems 18, 20 kathodenseitig (in Figur 1 unten) mit einem Sockelstift 58 bzw. anodenseitig mit einer Litze 60 verbunden ist. Zur Konvektionskühlung der anodenseitigen Sockelhülse 14 (in Figur 1 oben) ist diese zusätzlich mit Kühlrippen 62 versehen. Der elektrische Anschluss der HBO®-Entladungslampe 1 an die Versorgungsspannung erfolgt kathodenseitig über den Sockelstift 58 und anodenseitig über die Litze 60 und einen mit dieser verbundenen Kabelschuh 64. Der kathodenseitige Bereich des Entladungsgefäßes 2 ist zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Entladungslampe 1 teilweise mit einer wärmereflektierenden metallischen Beschichtung 66 versehen.
Gemäß Figur 2, die eine Seitenansicht des anodenseitigen Elektrodensystems 18 der HBO®-Quecksilber-Hochdruckentladungslampe 1 aus Figur 1 vor dem Verlöten der Kopfanode 26 mit dem Elektrodenhaltestab 22 zeigt, ist der Endabschnitt 34 des Elektrodenhaltestabes 22 mit einer umlaufenden Fase 68 versehen und in die Sacklochbohrung 30 der Kopfanode 26 eingeführt. Da sich die Befestigung der Kopfkathode 28 auf dem Elektrodenhaltestab 24 gegenüber der Befestigung der Kopfanode 26 lediglich durch eine stufenförmige Anlageschulter 70 des entladungsseitigen Endabschnittes 36 (siehe Figur 1) unterscheidet, wird im Folgenden für Kopfanode 26 bzw. Kopfkathode 28 der allgemeine Begriff Elektrodenkopf verwendet. Zur Herstellung der Lötverbindung findet ein, in den von Elektrodenhaltestab 22 und Elektrodenkopf 26 begrenzten Lötraum 72 eingebrachter Lötzusatzwerkstoff 74 Verwendung. Erfindungsgemäß ist der Lötzusatzwerkstoff 74 ein gesintertes Formteil 76 aus im Wesentlichen eutektischer Legierung. Diese Lösung ermöglicht aufgrund der Ausbildung des Lötzusatzwerkstoffes 74 als gesintertes Formteil 76 mit beliebiger Geometrie eine verbesserte Handhabung in der Fertigung. Aufgrund der erfindungsgemäßen Verwendung einer im Wesentlichen eutektischen Pulvermischung hat das Formteil 76 einen festen Schmelzpunkt, der unterhalb der einzelnen Schmelzpunkte der Legierungsbestandteile in dere Nähe des Schmelzpunktes von reinem Platin liegt und dadurch die Herstellung der Lötverbindung wesentlich erleichtert. Das Formteil 76 besitzt somit aufgrund der im Wesentlichen eutektischen Zusammensetzung ein Schmelzverhalten ohne legierungstypisches zweiphasiges Aufschmelzen. Der Übergang vom schmelzflüssigen in den festen Zustand erfolgt während dem Abkühlen der Lötverbindung vollständig und unmittelbar. Diese Erstarrung führt zu einem feinkörnigen, gleichmäßigen Gefüge des aufgeschmolzenen Formteils 76 nach dem Abkühlen mit hervorragenden Festigkeitseigenschaften. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel enthält das gesinterte Formteil 76 eine Molybdän-Ruthenium-Pulvermischung bestehend aus 58 Gew.-% Molybdän und 42 Gew.-% Ruthenium (MoRu42). Diese eutektische Zusammensetzung besitzt eine gegenüber den einzelnen Legierungsbestandteilen Molybdän und Ruthenium erniedrigte Schmelztemperatur und ermöglicht dadurch eine vereinfachte, energieeffiziente Herstellung des Elektrodensystems 18, 20. Die Schmelztemperatur der gegenüber reinem Platin kostengünstigen Molybdän- Ruthenium-Legierung liegt hierbei im Bereich der Schmelztemperatur von
Platin. Das Formteil 74 wird in einem Pressvorgang mit einem Druck von etwa 8 kN und einem anschließenden Sinterprozess bei einer Temperatur von ca. 1800° C hergestellt.
Gemäß Figur 3, die eine Einzeldarstellung des Formteils 76 aus Figur 2 zeigt, ist das Formteil 76 mit einem an die Bauteilkontur der Fügepartner, d.h. der Elektrodenköpfe 26, 28 und Elektrodenhaltestäbe 22, 24 angepasstem, kreisförmigem Querschnitt ausgebildet. Aufgrund ihrer scheibenförmigen Formgebung sind die Formteile 76 fertigungstechnisch einfach presstechnisch herstellbar und gewährleisten eine gleichmäßige Wärmeeinkopplung während des Lötprozesses. Weiterhin ist die gesinterte Lötscheibe 78 gegenüber pulverförmigen Lötzusatzwerkstoffen fertigungstechnisch einfach handhabbar. Eine Gesundheitsgefährdung durch Inhalation hochfeiner, pulverförmiger Partikel wird durch den als Festkörper ausgebildeten Lötzusatzwerkstoff 74 verhindert. Im Folgenden wird abschließend die Herstellung des Elektrodensystems 18, 20 mit Bezug auf die Figuren 1 bis 3 beispielhaft erläutert. In einem ersten Arbeitsschritt wird das Formteil 76 in den Lötbereich 72, d.h. in die Sacklochbohrungen 30, 32 der Elektrodenköpfe 26, 28 eingebracht. In einem weiteren Arbeitsgang wird der • Elektrodenhaltestab 22, 24 in die Sacklochbohrung 30, 32 eingeführt, so dass dieser, gemäß Figur 2, stirnseitig an dem Formteil 76 anliegt. Anschließend wird die erforderliche Löttemperatur durch Wärmeeinkopplung von außen, beispielsweise mittels eines Hochfrequenz-Induktionsverfahrens in den Lötbereich 72 eingebracht. Die Parameterführung beim Löten ist dabei so gewählt, dass der Wärmeeintrag hoch genug ist, das Formteil 76 aufzuschmelzen und durch die entstehende Oberflächenbindung und gegenseitige Durchdringung (Diffusion) zwischen Lötzusatzwerkstoff 76 und Elektrodenhaltestab 22, 24 bzw. Elektrodenkopf 26, 28, die Werkstücke hochfest und elektrisch leitend miteinander zu verlöten. Nach dem Wärmeeintrag ist das Formteil 76 komplett verschmolzen und füllt den Lötraum 72 zumindest teilweise aus, wobei der Endabschnitt 34, 36 des Elektrodenhaltestabes 22, 24 vollständig in der Sacklochbohrung 30, 32 des Elektrodenkopfes 26, 28 aufgenommen ist (siehe Figur 1). Der Lötspalt zwischen dem Endabschnitt 34, 36 des Elektrodenhaltestabes 22, 24 und der Sacklochbohrung 30, 32 des Elektrodenkopfes 26, 28 wird hierbei vollständig von dem Lötzusatzwerkstoff 74 ausgefüllt und eine dichte, elektrisch leitende Verbindung erzeugt.
Das erfindungsgemäße Elektrodensystem ist nicht auf die beschriebene, kreisförmige Lötscheibe 78 beschränkt, vielmehr kann der
Lötzusatzwerkstoff 74 eine beliebige geometrische Formgebung aufweisen. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Lötzusatzwerkstoff 74 als draht- oder ringförmiges Formteil hergestellt werden. Weiterhin kann der Lötzusatzwerkstoff 74 für alle aus dem Stand der Technik bekannten Lötverfahren Verwendung finden, die eine definierte Wärmeeinbringung in den Lötbereich 72 ermöglichen. Erfindungswesentlich ist, dass der zur Herstellung der Lötverbindung verwendete Lötzusatzwerkstoff 74 eine im Wesentlichen eutektische Legierung aufweist und durch einen Sinterprozess zu einem Formteil 76 ausgebildet ist. Offenbart ist ein Elektrodensystem 18, 20 für den Lampenbau, mit zumindest einem Elektrodenhaltestab 22, 24 und einem Elektrodenkopf 26, 28, die durch einen Lötprozess mittels eines Lötzusatzwerkstoffes 74 miteinander verbunden sind, wobei der Lötzusatzwerkstoff 74 ein gesintertes Formteil 76 aus im Wesentlichen eutektischer Legierung ist.

Claims

Ansprüche
1. Elektrodensystem für den Lampenbau, mit zumindest einem Elektrodenhaltestab (22, 24) und einem Elektrodenkopf (26, 28), die durch einen Lötprozess mittels eines Lötzusatzwerkstoffes (74) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Lötzusatzwerkstoff (74) ein gesintertes Formteil (76) aus im Wesentlichen elektischer Legieruηg ist.
2. Elektrodensystem nach Anspruch 1 , wobei das Formteil (76) aus einer Molybdän-Ruthenium-Pulvermischung hergestellt ist.
3. Elektrodensystem nach Anspruch 2, wobei die Molybdän-Ruthenium- Pulvermischung etwa 38 bis 48 Gew.-% Ruthenium aufweist.
4. Elektrodensystem nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Molybdän- Ruthenium-Pulvermischung 58 Gew.-% Molybdän und 42 Gew.-% Ruthenium enthält (MoRu42).
5. Elektrodensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Formteil (76) zumindest abschnittsweise an die Geometrie des Elektrodenhaltestabes (22, 24) und/oder Elektrodenkopfes (26, 28) angepasst ist.
6. Elektrodensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Formteil (76) einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
7. Lötzusatzwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Formteil (76) eine Lötscheibe (78) ist.
8. Elektrodensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Formteil (76) in einen zumindest abschnittsweise von dem Elektrodenhaltestab (22, 24) und dem Elektrodenkopf (26, 28) begrenzten Lötraum (72) eingebracht ist.
9. Entladungslampe, insbesondere HBO®- oder XBO®- Hochdruckentladungslampe mit einem Elektrodensystem (18, 20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
10. Verfahren zur Herstellung eines Elektrodensystems (18, 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit den Schritten:
a) Einbringen des gesinterten Formteils (76) in den Elektrodenkopf (26, 28)
b) Einsetzen des Elektrodenhaltestabes (22, 24) in den Elektrodenkopf (26, 28) und
c) Verlötung des Elektrodenhaltestabes (22, 24) mit dem Elektrodenkopf (26, 28).
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