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Dokumentenidentifikation DE69009625T2 12.01.1995
EP-Veröffentlichungsnummer 0413639
Titel Zusammenbau von Teilen mit einem gegenseitigen Winkel und Verfahren zur Herstellung.
Anmelder Commissariat à l'Energie Atomique, Paris, FR
Erfinder Marion, Francois, F-38120 Saint Egreve, FR;
Ravetto, Michel, F-38170 Seyssinet Pariset, FR;
Tissot, Jean-Luc, F-38120 Saint Egreve, FR
Vertreter Grünecker, A., Dipl.-Ing.; Kinkeldey, H., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Stockmair, W., Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Ae.E. Cal Tech; Schumann, K., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Jakob, P., Dipl.-Ing.; Bezold, G., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Meister, W., Dipl.-Ing.; Hilgers, H., Dipl.-Ing.; Meyer-Plath, H., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Ehnold, A., Dipl.-Ing.; Schuster, T., Dipl.-Phys.; Vogelsang-Wenke, H., Dipl.-Chem. Dipl.-Biol.Univ. Dr.rer.nat.; Goldbach, K., Dipl.-Ing.Dr.-Ing.; Aufenanger, M., Dipl.-Ing.; Klitzsch, G., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69009625
Vertragsstaaten DE, GB, IT, NL
Sprache des Dokument Fr
EP-Anmeldetag 16.08.1990
EP-Aktenzeichen 904023041
EP-Offenlegungsdatum 20.02.1991
EP date of grant 08.06.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.01.1995
IPC-Hauptklasse G02B 7/00
IPC-Nebenklasse G02B 7/182   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zusammenbau von Teilen, die einen Winkel miteinander bilden sowie ein Herstellungsverfahren dieses Zusammenbaus. Sie findet vor allem Anwendung beim Zusammenbau von sehr kleinen flachen, leichten Teilen, die miteinander einen vorher festgelegten und kleinen Winkel bilden müssen, wenn die Positionierungsgenauigkeit der Teile groß sein muß und der Zusammenbau unempfindlich gegen Vibrationen sein soll.

Somit findet die Erfindung z.B. Anwendung bei der Herstellung eines Spiegels, der entsteht durch das Zusammenfügen einer großen Anzahl kleiner ebener Platten, die bestimmte Winkel bilden mit einem Substrat, um der besagten Spiegel zu erhalten.

Man kennt schon Techniken die ermöglichen, einen Zusammenbau von Teilen herzustellen, die einen Winkel miteinander bilden. Diese Techniken sind die folgenden:

- Die Befestigung durch Mutter-Schraube: das Mutter- Schraube-System ermöglicht die Einstellung des Winkels, den zwei Teile bilden, die man zusammenbauen will, jedoch ist der Platzbedarf des hergestellten Zusammenbaus groß; es erfordert zusätzlich zu den beiden Teilen zahlreiche andere Teile, die das Gewicht des Zusammenbaus erhöhen; außerdem kann dieser Zusammenbau die Einstellung verlieren (Veränderung des Winkels zwischen den Teilen) infolge von mechanischen Schwingungen, denen ein solcher Zusammenbau im Laufe seiner Verwendung oder Lagerung im allgemeinen ausgesetzt ist; schließlich ist diese bekannte Technik beschränkt auf Teile, deren Abmessungen relativ groß sind.

- das Verkleben mit einer Unterlegplatte, die eingesetzt ist zwischen die beiden Teile: ein solcher Zusammenbau erfordert die Herstellung von sehr kleinen und folglich sehr empfindlichen keilförmigen Unterlagen, dann ein Verkleben des Aufbaus Unterlagen-Teile mit Schwierigkeiten, verbunden mit dem Positionieren im Moment des Verklebens und dem Verschieben eines Teils bezüglich des anderen aufgrund der Trocknung oder der Polymerisierung des Klebers.

Man kennt auch ein Zusammenbauverfahren mittels einer Unterlegplatte durch Schweißen (s. das Patent DE-B-2 653 650).

Man kennt ebenfalls ein Zusammenbauverfahren von elektronischen Bauteilen mittels Schweißelementen, vor allem durch die Patentanmeldung WO-A-87/01509. Jedoch führt dieses bekannte Verfahren zu einem Zusammenbau, bei dem die Flächen der elektronischen Bauteile, die sich einander gegenüberstehen, parallel sind.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zusammenbau von Teilen, die miteinander einen Winkel bilden, sowie ein Herstellungsverfahren dieses Zusammenbaus, wobei dieser letztere nicht die Nachteile des großen Platzbedarfs, des Gewichts, der Empfindlichkeit gegen Schwingungen und der Relativverschiebung der Teile aufweist, die vorhanden sind bei den weiter oben erwähnten bekannten Techniken.

Genau genommen hat die vorliegende Erfindung zunächst einen Zusammenbau eines ersten Teils und wenigstens eines zweiten Teils zum Gegenstand, von dem eine Fläche einer Fläche des ersten Teils gegenübersteht und mit dieser einen Winkel bildet, wobei dieser Zusammenbau dadurch gekennzeichnet ist, daß die Fläche des ersten Teils wenigstens zwei Metallstücke umfaßt, daß die Fläche des zweiten Teils Metallstücke umfaßt, die jeweils denen der ersten Fläche gegenüberstehen, daß der Zusammenbau außerdem wenigstens zwei Lötelemente umfaßt, im wesentlichen mit der Form einer abgestumften Kugel, die jeweils die Metallstücke des ersten Teils mit den entsprechenden Metallstücken des zweiten Teils verbinden, wobei eines der Elemente ein größeres Volumen hat als das andere Element, und daß die Oberfläche der Metallstücke benetzbar ist durch das Material der Lötelemente im geschmolzenen Zustand, während ihre Umgebung es nicht ist.

Nach einer speziellen Ausführungsart des erfindungsgemäßen Zusammenbaus umfaßt dieser Zusammenbau wenigstens eine Reihe von Lötelementen, deren Volumen zunehmen von einem Ende der Reihe zum anderen Ende, wobei jedes Element ein Metallstück des ersten Teils mit einem Metallstück des zweiten Teils verbindet.

Nach einer weiteren speziellen Ausführungsart umfaßt der Zusammenbau eine Vielzahl von parallelen Reihen von Lötelementen, wobei in jeder Reihe die Lötelemente dasselbe Volumen haben und dieses Volumen zunimmt von einer Endreihe zur anderen Endreihe.

Bei einer Anwendung der vorliegenden Erfindung ist das erste Teil in Längsrichtung beweglich, bezogen auf einen Träger, der mit einer Lichtquelle und einem Detektor für dieses Licht versehen ist, und das zweite Teil ist fähig, dieses Licht mit seiner anderen Fläche zu reflektieren, steht der Lichtquelle gegenüber und ist so gegen den Detektor gedreht, daß sie für eine bestimmte Position des ersten Teils, bezogen auf den Träger, das Licht auf diesen reflektiert.

Bei einer weiteren Anwendung umfaßt der Zusammenbau eine Vielzahl zweiter Teile, deren andere Flächen optisch reflektierend sind und die durch Lötelemente so am ersten Teil befestigt sind, daß die anderen Flächen der zweiten Teile einen Spiegel bilden.

Bei einer weiteren Anwendung trägt das erste Teil ebenfalls eine integriert-optische Einrichtung und das zweite Teil umfaßt einen Lichtemitter, der vorgesehen ist, ein Lichtbündel in Richtung der integriert-optischen Einrichtung zu senden.

Die vorliegende Erfindung hat ebenfalls ein Zusammenbauverfahren eines ersten Teil mit wenigstens einem zweiten Teils zum Gegenstand, dessen eine Fläche einer Fläche des ersten Teils gegenübersteht und Metallstücke trägt, die bestimmt sind, jeweils verbunden zu werden mit Metallstücken, getragen durch die Fläche des ersten Teils, mittels Lötelementen, hergestellt aus einem metallischen Material mit niedrigem Schmelzpunkt, verlötbar mit den Metallstücken, wobei die Oberfläche jedes Metallstücks benetzbar ist durch das Material in geschmolzenem Zustand, während seine Umgebung es nicht ist, wobei dieses Verfahren die folgenden Schritt umfaßt:

- jedes Metallstück des ersten Teils wird bedeckt mit einer Scheibe Lötmaterial, die sich über die Umgebung dieses Metallstücks erstreckt, wobei die Scheiben eine im wesentlichen konstante Dicke aufweisen,

- die Metallstücke des zweiten Teils werden auf den entsprechenden Scheiben des ersten Teils angeordnet,

- die Scheiben werden auf eine Temperatur gebracht, bei der sie im geschmolzenen Zustand sind, wobei diese Scheiben unterschiedliche Volumen haben, die ebenso wie die Dicke der Scheiben so gewählt werden, daß die Fläche des zweiten Teils mit der Fläche des ersten Teils einen bestimmten Winkel bildet, wenn die Scheiben auf die besagte Temperatur gebracht worden sind, und

- die Temperatur wird zurückgeführt unter die Schmelztemperatur des Lötmaterials.

Bei einer speziellen Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt das erste Teil wenigstens eine Reihe Metallstücke, und man formt auf diesen Metallstücken Scheiben, deren Volumen zunehmen von einem Ende der Reihe zum anderen Ende und die Herstellung des besagten Winkels ermöglichen.

Schließlich, bei einer weiteren speziellen Ausführungsart umfaßt das erste Teil eine Vielzahl paralleler Zeilen von Metallstücken und man bildet in jeder Zeile auf den Metallstücken dieser Zeile Scheiben gleichen Volumens, wobei die Volumen der Scheiben zunehmen von einer Endzeile zur anderen Endzeile und die Herstellung des besagten Winkels ermöglichen.

Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich durch die Lektüre der nachfolgenden beispielhaften und keinesfalls einschränkenden Beschreibung, mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen:

- die Figuren 1A und 1B stellen schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren dar, das den Zusammenbau von zwei Teilen mit Hilfe von zwei Lötelementen ermöglicht, wobei die Figur 1A die beiden Teile vor ihrem endgültigen Zusammenbau zeigt und die Figur 1B den hergestellten Zusammenbau zeigt,

- die Figuren 2A bis 2C zeigen schematisch eine Anwendung der Erfindung bei der Herstellung eines Näherungsschalters,

- die Figuren 3A, 3B und 4A, 4B zeigen schematisch eine andere Anwendung der Erfindung bei der Herstellung von Spiegeln,

- die Figur 5 zeigt schematisch eine weiter Anwendung der Erfindung für die Kopplung einer Lichtquelle mit einer integriert-optische Vorrichtung,

- die Figuren 6A und 6B zeigen schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren, das den Zusammenbau von Teilen großer Länge ermöglicht, und

- die Figur 7 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren, das den Zusammenbau von Teilen großer Breite ermöglicht.

Bei der vorliegenden Erfindung verwendet man Lötelemente, die aus einem Material bestehen, dessen Schmelztemperatur ausreichend niedrig ist, um die Teile nicht zu beschädigen bei deren erfindungsgemäßem Zusammenbau. Das Material kann gewählt werden aus der Gruppe, die Zinn, Indium, Blei umfaßt und die metallischen Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt, die Zinn, Indium oder Blei enthalten.

Die Figuren 1A und 1B zeigen schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren, das ermöglicht, zwei Teile 2 und 4 zusammenzubauen. Es handelt sich z.B um Platten, hergestellt aus einem Halbleitermaterial wie Silicium. Das Teil 2 trägt Metallstücke 6 und 8, z.B. kreisförmig, deren Achsen einen Abstand L aufweisen. Ebenso trägt das Teil 4 z.B. kreisförmige Metallstücke 10 und 12, deren Achsen ebenfalls einen Abstand L aufweisen, und die dazu vorgesehen sind, jeweils mit den Metallstücken 6 und 8 verbunden zu werden. Diese Metallstücke sind z.B. aus Gold, einem Metall, das benetzbar ist durch ein Material wie Indium im geschmolzenen Zustand. Hingegen ist auf jedem Teil die Umgebung von jedem Metallstück z.B. aus Siliciumdioxid, nichtbenetzbar durch das besagte Metall im geschmolzenen Zustand.

Man bildet jeweils auf den Metallstücken 6 und 8 des Teils 2 Indiumscheiben 14 und l6 von z.B. zylindrischer Form und gleichem Durchmesser d, 50 daß jede Scheibe das ihm zugeordnete Metallstück bedeckt und sich über dieses Metallstück hinaus erstreckt, um ebenso einen nichtbenetzbaren Bereich des Teils 2 zu bedecken, der das betreffenden Metallstück umgibt.

Die Scheiben 14 und 16 haben folglich jeweils Durchmesser D1 und D2, derart, daß D1 größer ist als das Doppelte des Radius r1 des Metallstücks 6, und daß D2 größer ist als das Doppelte des Radius r2 des Metallstücks 8.

Außerdem sind die Scheiben so, daß D1 größer ist als das Doppelte des Radius r'1 des Metallstücks 10 des Teils 4, und daß D2 größer ist als das Doppelte des Radius r'2 des Metallstücks 12 dieses Teils 4.

Die Volumen der Scheiben 14 und 16 sind unterschiedlich und, wie man in der Folge sehen wird, so festgelegt, ebenso wie die Parameter L, d, r1, r2, r'1 und r'2, daß, wenn der Zusammenbau hergestellt ist (Figur 1B), die Flächen der Teile 2 und 4, die einander gegenüberstehen, miteinander einen vorher festgelegten Winkel bilden.

Sobald die Scheiben gebildet sind, bringt man das Teil 4 so auf dem Teil 2 an, daß das Metallstück 10 in Kontakt kommt mit der Scheibe 12, und daß das Metailstück 12 in Kontakt kommt mit der Scheibe 16.

Die Scheiben aus Lötmetall und die Metallstücke (deren jeweilige Oberflächen im gegebenen Beispiel in derselben Ebene liegen wie die Oberflächen der Umgebung der besagten Metallstücke) werden hergestellt mittels Techniken, wie sie üblich sind auf dem Gebiet der Mikroelektronik (Belichtung von photosensiblem Harz, dann Ätzung).

Somit ist die Genauigkeit des herzustellenden Zusammenbaus im wesentlichen gleich der, die mit solchen Techniken erreicht wird.

Beispielsweise werden die Scheiben gebildet, indem man eine kontinuierliche Schicht Indium der Dicke d auf die Oberfläche des Teils 2 aufbringt, dann über den Stellen, wo man die Scheiben herstellen will, Masken anbringt, die die Ätzung der Schicht an diesen Stellen verhindern, wonach eine Ätzung durch lokalen chemischen Angriff der nichtmaskierten Bereiche nur die Scheiben 14 und 16 übrigläßt, wobei der chemische Angriff beendet wird, wenn die Oberfläche des Teils 2 erreicht ist.

Nachdem die beiden Flächen der Teile 2 und 4 ausgerichtet wurden und folglich die Metallstücke 10 und 12 in Kontakt gebracht wurden mit den entsprechenden Scheiben 14 und 16, wird das Lötmetall (Indium im gegebenen Beispiel) auf eine Temperatur gebracht, höher oder gleich seiner Schmelztemperatur.

Aufgrund der Oberflächenspannung sammelt sich das Metall, das dann flüssig ist, zu abgestumpften kugelförmigen Tropfen, die in der Figur 1B die Referenzen 18 und 20 tragen und den Scheiben 14 bzw. 16 entsprechen. Man stellt fest, daß jeder Tropfen nur Kontakt hat mit den beiden ihm zugeordneten Metallstücken.

Die Abstumpfungen der kugelförmigen Tropfen werden hervorgerufen durch den Kontakt zwischen diesen Tropfen aus flüssigem Metall und den benetzbaren Oberflächen der Metallstücke. Der Abstand zwischen diesen Abstumpfungen hängt ab vom Durchmesser des entsprechenden Flüssigmetalltropfens sowie von den Druchmessern der gegenüberstehenden benetzbaren Oberflächen.

Folglich, indem man diese Parameter variiert, kann man den Abstand variieren zwischen den einander gegenüberstehenden benetzbaren Oberflächen.

Es ist folglich möglich, indem man zwei kugelförmige Tropfen unterschiedlicher Durchmesser verwendet (resultierend aus Scheiben mit unterschiedlichen Durchmessern), einen Zusammenbau aus zwei Teilen herzustellen, die miteinander einen Winkel a bilden, der in direktem Zusammenhang steht mit den geometrischen Eigenschaften der kugelförmigen Tropfen, wie zu sehen in Figur 1B.

Sobald der Zusammenbau hergestellt ist, wird er abgekühlt unter die Schmelztemperatur des Lötmetalls.

Es wurde angegeben, die Tropfen seinen kugelförmig. In Wirklichkeit sind die erhaltenen Volumen leicht deformierte Kugeln. Das flüssige Metall, das beim Schmelzen bestrebt ist, durch Oberflächespannung eine Kugelform anzunehmen, ist nämlich weiteren Kräften ausgesetzt, die seine Form geringfügig verändern können.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorteilhafterweise anwendbar im Falle von Montagen von kleinen Spiegeln an räumlich beschränkten Orten, wenn diese Spiegel großen Beschleunigungen ausgesetzt werden sollen.

Die Erfindung betrifft z.B. die Herstellung eines Nährerungsschalters, wie ersichtlich aus den Figuren 2A bis 2C. Das Teil 2 ist in Längsrichtung parallel zu einer Achse X beweglich bezüglich eines Trägers 22, der eine Punktlichtquelle 24 trägt, fähig ein zur Achse x paralleles Lichtbündel auszustrahlen, und einen Photodetektor 26, fähig eine Signal zu liefern, wenn er ein Bündel des besagten Lichts empfängt.

Das Teil 4 ist fähig, dieses Licht zu reflektieren durch seine andere Fläche (die nicht dem Teil 2 gegenübersteht) und ist an diesem Teil 2 so befestigt, daß es sich gegenüber der Quelle 24 befindet, so daß es den von dieser Quelle ausgehenden Strahl empfängt, wobei die Neigung des Teils 4 bezüglich des Teils 2 so ist, daß der durch das Teil 4 reflektierte Strahl sich fortpflanzt in Richtung der Zone des Trägers 22, in der sich der Photodetektor 26 befindet.

Es besteht somit eine Position des Teils 2 bezüglich des Trägers 22, für die der Photodetektor effektiv den durch das Teil 4 reflektierten Strahl empfängt, und diese Position entspricht einem Abstand X0 zwischen dem Teil 2 und dem Träger 22 (Figur 2A).

Für weitere Positionen hingegen, wenn der Abstand zwischen dem Teil 2 und dem Träger 22 einen Wert X1> X0 annimmt (Figur 2B) oder einen Wert X2< X0 (Figur 2C), erreicht der durch das Teil 4 reflektierte Lichtstrahl nicht den Photodetektor 26.

Die Figuren 3A, 3B und 4A und 4B zeigen schematisch eine weitere wichtige Anwendung der vorliegenden Erfindung, nämlich die Ausführung eines Spiegels, der konkav sein kann, wie dargestellt in diesen Figuren (der aber auch konvex sein könnte), durch Zusammenbau einer großen Anzahl von zweiten Teilen 28&sub1; ... 28m (Figuren 3A und 3B) oder 30&sub1; ... 30n (Figuren 4A und 4B) auf ein und demselben ersten Teil 2, wobei die Montage der zweiten Teile auf dem ersten Teil ausgeführt wird wie schon erläutert mit Bezug auf die Figuren 1A und 1B. Jedes der zweiten Teile ist eine Platte, von der die Fläche, die nicht dem Teil 2 gegenübersteht, optisch reflektierend ist.

Die verschiedenen weiter oben erwähnten Parameter werden dann so festgelegt, daß die jeweiligen Flächen jedes zweiten Teils und des ersten Teils, die einander gegenüberstehen, miteinander einen bestimmten Winkel bilden, der die Herstellung des gewünschten konkaven (oder konvexen) Spiegels ermöglicht.

In den Figuren 3A, 3B und 4A, 4B sind die diversen Metallstücke nicht dargestellt, jedoch die den zweiten Teilen zugeordneten Scheiben (Figuren 3A, 4A) und die diversen Lötelemente 18, 20, die man erhalten hat, als die Elementarspiegel, bestehend aus den zweiten Teilen, gebildet wurden.

Die kollektive und simultane Einstellung dieser Elementarspiegel, die erreicht wird durch die Variierung des Volumens der erfindungsgemäß hergestellten metallischen Verbindungen ermöglicht, eine schwierige und langwierige Arbeit zu vermeiden, die bei der vorhergehenden Technik erforderlich ist, wo man die Elementarspiegel nacheinander einstellen müßte. Wie schon angegeben ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, problemlos die gewünschten Winkel zwischen den Elementarspiegeln und ihrem gemeinsamen Träger (erstes Teil 2) zu erhalten, indem man im voraus das Volumen von jeder der Verbindungen mittels Lötelement berechnet.

Man stellt fest, daß der in Figur 3B dargestellte Spiegel eine Symetrieebene oder -achse besitzt, die einen der Elementarspiegel, mit 28 bezeichnet, schneidet, wobei dieser letztere verbunden ist mit zwei Lötelementen 19 gleichen Volumens, im Gegensatz zu den anderen Lötelementen. Die Lötelemente 19 sind entstanden aus zwei Scheiben 15, ebenfalls gleichen Volumens (Figur 3A) und der entsprechende Elementarspiegel 28 bildet somit einen Nullwinkel mit dem Substrat 2 (was nicht der Fall ist bei den beiden anderen Elementarspiegeln).

Die Figur 5 zeigt schematisch eine weitere wichtige Anwendung der Erfindung, nämlich die Kopplung einer Lichtquelle wie etwa einer Sendediode 32, getragen von dem zweiten Teil 4, mit einer integriert-optischen Vorrichtung 34, getragen durch das Teil 2. Das Teil 4 ist dann geneigt und so ausgerichtet, daß der von der Quelle 32 kommende Lichtstrahl die integriert-optische Vorrichtung erreicht und dort einfällt.

Außerdem kann die elektrische Versorgung der Quelle 32 über die Lötelemente 18 und 20 erfolgen. Zu diesem Zweck stellt man an den Teilen 2 und 4, die Halbleitersubstrate sein können, geeignete elektrische Verbindungen her, die die Zuleitung von elektrischem Strom zu den Metallstücken (nicht dargestellt) des Teils 2 ermöglicht und die Zuleitung des elektrischen Stroms von den Metallstücken (nicht dargestellt) des Teils 4 bis zu der Quelle 32, wobei die Verbindungen hergestellt werden durch die Techniken der Mikroelektronik.

Rein beispielhaft und keinesfalls einschränkend findet das mit Bezug auf die Figuren 1A und 1B beschriebene Verfahren Anwendung für die Montage von wenigstens einem Teil 4 mit parallel flacher Form und einer Dicke in der Größenordnung von 500um, einer Länge in der Größenordnung von 100um und einer Breite in der Größenordnung von 500um, wobei das Gewicht des Teils 4 ungefähr 1mg beträgt und die Abmessungen des Teils 2, das das Teil 4 trägt, entsprechend vorgesehen werden.

Anders ausgedrückt, das mit Bezug auf die Figuren 1A und 1B beschriebene Verfahren wird insbesondere angewandt zur Montage von wenigstens einem Teil, das leicht ist und kleine Abmessungen hat, auf einem anderen Teil. Es genügen dann zwei Lötelemente, um den Zusammenbau zu realisieren.

Wenn man hingegen ein parallelflaches Teil 36 von größerer Länge (Figur 6A) auf einem Teil 38 mit geeigneten Abmessungen anbringen will, verwendet man vorzugsweise eine Reihe aus mehreren Scheiben 40&sub1; ... 40p, wobei die verschiedenen oben erwähnten Parameter, darunter die Volumen der Scheiben 40&sub1; bis 40p, berechnet sind um einen Zusammenbau (Figur 6B) zu erhalten, bei dem das Teil 36 mit dem Teil 38 einen im voraus bestimmten Winkel bildet. Es nehmen dann die Volumen der Lötelemente 42&sub1; ... 42p, jeweils den Scheiben 40&sub1; ... 40p entsprechend, von einem Ende der Reihe zum anderen zu (die diversen Metallstücke sind nicht dargestellt).

Im Falle von Teilen 2 und 4 mit großer Breite (Figur 7) kann es erforderlich sein, nicht nur eine einzige Reihe mit zwei Lötelementen zu verwenden, sondern eine Vielzahl solcher benachbarter Reihen. Wie man in Figur 7 sieht, in der der Zusammenbau dargestellt ist unter der Annahme, daß man das Teil 4 vom Teil 2 entfernt hat, hat man eine Vielzahl von parallelen Zeilen 44&sub1; ... 44k, z.B. zwei Zeile, getrennt durch einen Abstand L, wobei jede Zeile 44&sub1; ... 44k eine Vielzahl Lötelemente 46&sub1; ... 46k gleichen Volumens umfaßt, wobei die Volumen, dabei zunehmend, von einer Endzeile 44&sub1; bis zur anderen Endzeile 44k gehen und wie vorhergehend festgelegt sind mit den anderen Parametern, um den gewünschten Winkel zu erhalten zwischen den beiden Teilen 2 und 4.

Im Sinne der Klarheit der Figur 7 sind die verschiedenen Metallstücke-Zeilen der Teile 2 und 4, die den Zeilen 44&sub1; bis 44k entsprechen, nicht dargestellt, ebenso wie man die verschiedenen Scheiben, die zu den Lötelementen 46&sub1; bis 46k führen, nicht dargestellt hat.

Zurückkommend zu den Figuren 1A und 1B wird nun die Festlegung der verschiedenen Parameter erläutert, die ermöglichen, den im voraus festgelegten Winkel zu erhalten.

Wenn man in Figur 1B den Flächenwinkel betrachtet, der gebildet wird durch die einander gegenüberstehenden Flächen der Teile 2 und 4, und die Halbierungsfläche dieses Flächenwinkels, schneidet die Achse des Metallstücks 6 (angenommen kreisförmig) diese Halbierungsfläche in einem Punkt, dessen Abstand zu der benetzbaren Oberfläche des Metallstücks 6 bezeichnet ist mit H1/2 (Hälfte einer mit H1 bezeichneten Länge). Ebenso schneidet die Achse des Metallstücks 8 (ebenfalls kreisförmig angenommen) die Halbierungsfläche in einem Punkt, dessen Abstand zu der benetzbaren Oberfläche des Metallstücks 8 bezeichnet ist mit H2/2 (Hälfte einer mit H2 bezeichneten Länge).

Man kann schreiben:

H1³/6 + H1(r'1² + r1²)/2 - d.D1² = 0 (1)

H2³/6 + H2(r'2² + r2²)/2 - d.D2² = 0 (2)

Jede der Zahlen H1 und H2 ist die Lösung einer Gleichung dritten Grades mit den folgenden Bedingungen:

0 < H1 < (6 d.D1²)1/3

0 < H2 < (6 k.D2²)1/3

Zudem müssen H1 und H2 positiv sein und kleiner als die jeweiligen Durchmesser der entsprechenden, nicht abgestumpften Kugeln.

Man kann auch schreiben:

(H2 - H1)/2L = tg(a/2)

Beispielsweise, wenn man annimmt, daß r'1=r1=5um, D1=20um, d=6um, r'2=r2=7um und D2=30um ist, erhält man H1=22,3um und H2=28,8um und, für L=100um, ist der Winkel a gleich 3,7 Grad.

In der Praxis will man Teile mit bekannten Abmessungen mit einem festgelegten Winkel "a" zusammenbauen. Um dies auszuführen, bestimmt man zunächst die Durchmesser und die Positionen der Indiumscheiben, die kompatibel sind mit den Abmessungen der zusammenzubauenden Teile. Wenn z.B. das kleinere der beiden Teile eine Länge von 150um hat, kann der Abstand L zwischen den Mitten der benetzbaren Oberflächen gleich 100um genommen werden. Es ist zu beachten, daß L größer sein muß als D1+D2. Wenn man L kennt, kann man H2-H1 bestimmen. Anschließend kann man die Durchmesser der benetzbaren Oberflächen so festlegen, daß die mechanische Befestigung der Teile ausreichend groß ist, um diese zu halten. Es ist zu beachten, daß D1 größer sein muß 2r1 und als 2r'1, daß D2 größer sein muß als 2r2 und als 2r'2, und daß D1+D2 kleiner sein muß als die Breite und als die Länge der Teile (für den Fall, daß diese rechtwinklig sind).

Indem man d, r1, r2, r'1, r'2 und H1 wählt (was ermöglicht, H2 zu berechnen), kann man D1 und D2 ermitteln, indem man die Formeln (1) und (2) benutzt.

Wenn nun die für D1 und D2 gefundenen Werte nicht die erwähnten Ungleichheiten einhalten, ändert man den Wert von L und eventuell den von H1 oder von anderen Parametern, was ermöglicht, für D1 und D2 andere Werte zu errechnen, und man geht so vor, bis alle den Zusammenbau betreffenden Ungleichheiten befriedigt sind, um den gewählten Winkel "a" zu erhalten.


Anspruch[de]

1. Zusammenbau eines ersten Teils (2; 38) und wenigstens eines zweiten Teils (4; 28&sub1; ... 28m; 30&sub1; ... 30n; 36), von dem eine Fläche einer Fläche des ersten Teils gegenübersteht und einen Winkel (α) mit dieser bildet, dadurch gekennzeichnet,

daß die Fläche des ersten Teils wenigstens zwei Metallstücke (6, 8) enthält, dadurch, daß die Fläche des zweiten Teils Metallstücke (10, 12) enthält, jeweils denen der ersten Fläche gegenüberstehend, dadurch, daß der Zusammenbau außerdem wenigstens zwei Lötelemente umfaßt (18, 20; 42&sub1; ... 42p; 46&sub1; ... 46k), im wesentlichen mit der Form einer abgestumpften Kugel, die die Metallstücke des ersten Teils mit den entsprechenden Metallstücke des zweiten Teils verbinden, wobei eines der Elemente (20; 42p; 46k) ein größeres Volumen hat als das andere Element (18; 42&sub1;; 46&sub1;), und dadurch, daß die Oberflächen der Metallstücke benetzbar sind durch das Material der Lötelemente im geschmolzenen Zustand, während ihre Umgebung es nicht ist.

2. Zusammenbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er wenigstens eine Reihe von Lötelementen umfaßt (42&sub1; ... 42p), deren Volumen zunehmen von einem Ende der Reihe zum anderen Ende, wobei jedes Element ein Metallstück des ersten Teils mit einem Metallstück des zweiten Teils verbindet.

3. Zusammenbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Vielzahl von parallelen Reihen (44&sub1; ... 44k) von Lötelementen umfaßt und dadurch, daß in jeder Reihe die Lötelemente (46&sub1; ... 46k) dasselbe Volumen haben, wobei dieses Volumen zunimmt von einer Endreihe zu der anderen Endreihe.

4. Zusammenbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teil (2) beweglich ist in Längsrichtung bezüglich eines Trägers (22), der mit einer Lichtquelle (24) und einem Detektor (26) dieses Licht versehen ist, und dadurch, daß das zweite Teil (4) imstande ist, dieses Licht mit seiner anderen Fläche zu reflektieren, sich der Lichtquelle gegenüber befindet und so gegen den Detektor gedreht ist, daß sie für eine bestimmte Position des ersten Teils, bezogen auf den Träger, das Licht auf diesen reflektiert.

5. Zusammenbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Vielzahl von zweiten Teilen umfaßt (28&sub1; ... 28m; 30&sub1; ... 30n) deren andere Flächen optisch reflektierend sind und so durch Lötelemente an dem ersten Teil (2) befestigt sind, daß die anderen Flächen der zweiten Teile einen Spiegel bilden.

6. Zusammenbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teil (2) ebenfalls eine integriert- optische Einrichtung (34) trägt und dadurch, daß das zweite Teil (4) einen Lichtemitter (32) enthält, der vorgesehen ist, ein Lichtbündel in Richtung der integriert-optischen Einrichtung zu senden.

7. Zusammenbauverfahren eines ersten Teils (2; 38) und wenigstens eines zweiten Teils (4; 28&sub1; ... 28m; 30&sub1; ... 30n; 36), von dem eine Fläche einer Fläche eines zweiten Teils gegenübersteht und Metallstücke (10, 12) enthält, dazu bestimmt, jeweils verbunden zu werden mit Metallstücken (6, 8), enthalten in der Fläche des ersten Teils, mittels Lötelementen, hergestellt aus einem metallischen Material mit niedrigem Schmelzpunkt, verlötbar mit den Metallstücken, wobei die Oberfläche jedes Metallstücks benetzbar ist durch das Material in geschmolzenem Zustand, wohingegen seine Umgebung es nicht ist, wobei dieses Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

- jedes Metallstück des ersten Teils wird bedeckt mit einem Batzen (14, 16; 28&sub1; ... 28m; 40&sub1; ... 40p) Lötmaterial, der sich über die Umgebung dieses Metallstücks erstreckt, wobei die Batzen eine im wesentlichen konstante Dicke aufweisen,

- die Metallstücke des zweiten Teils werden auf den entsprechenden Batzen des ersten Teils angeordnet,

- die Batzen werden auf eine Temperatur gebracht, bei der sie im geschmolzenen Zustand sind, wobei diese Batzen unterschiedliche Volumen haben, die ebenso wie die Dicke der Batzen so gewählt werden, daß die Fläche des zweiten Teils mit der Fläche des ersten Teils einen bestimmten Winkel (α) bildet, wenn die Batzen auf die genannte Tempertur gebracht worden sind, und

- die Temperatur wird zurückgeführt unter die Schmelztemperatur des Lötmaterials.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teil (38) wenigstens eine Reihe Metallstücke umfaßt, und daß man auf diesen Metallstücken Batzen (40&sub1; ... 40p) bildet, deren Volumen zunehmen von einem Ende der Reihe zum anderen Ende und die Herstellung des genannten Winkels ermöglichen.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teil (2) eine Vielzahl paralleler Zeilen (44&sub1; ... 44k) von Metallstücken umfaßt und dadurch , daß man, für jede Zeile, auf den Metallstücken dieser Zeile Batzen gleichen Volumens bildet, wobei die Volumen der Batzen zunehmen von einer Endzeile zur anderen Endzeile und die Herstellung des genannten Winkels ermöglichen.







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