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Dokumentenidentifikation DE102006011175A1 13.09.2007
Titel Hartlötverfahren mit walzplattiertem Lotdepot
Anmelder Hella KGaA Hueck & Co., 59557 Lippstadt, DE
Erfinder Rosenkranz, Steffen, 59609 Anröchte, DE
DE-Anmeldedatum 10.03.2006
DE-Aktenzeichen 102006011175
Offenlegungstag 13.09.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.09.2007
IPC-Hauptklasse B23K 1/005(2006.01)A, F, I, 20060310, B, H, DE
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer hochtemperaturfesten mechanischen Verbindung von Bauteilen durch Hartlöten, bei dem mindestens ein Hartlotabschnitt (20a, 20b) mit mindestens einem der zu fügenden Bauteile (10, 11) stoffschlüssig oder formschlüssig verbunden wird und ein zu fügender Bereich eines der Bauteile (10, 11) mit dem mindestens einen Hartlochabschnitt (20a, 20b) eines anderen der zu fügenden Bauteile (10, 11) in Kontakt gebracht wird und der mindestens eine Hartlochabschnitt (20a, 20b) erwärmt und mindestens teilweise geschmolzen wird.

Beschreibung[de]
STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer hochtemperaturfesten mechanischen Verbindung von Bauteilen durch Hartlöten.

Derartige Verfahren sind aus dem Stand der Technik in verschiedenen Ausführungsformen bereits bekannt.

Aus der DE 100 32 975 A1 ist ein Verfahren zum Hartlöten von Aluminiumteilen bekannt. Bei diesem Verfahren wird als Lotzusatzwerkstoff ein Pulver aus Aluminiumlotkügelchen eingesetzt, welche mit einem die Oxidschicht reduzierenden Flussmittel beschichtet sind, das durch die Wärmezufuhr eines Laserstrahls geschmolzen und anschließend gehärtet wird.

Aus der DE 100 64 487 A1 ein Verfahren zum Weichlöten von Bauteilen bekannt, bei dem die zu fügenden Bauteile mittels eines Laserstrahls auf eine zum Abschmelzen eines zugeführten Hartlots erforderliche Temperatur erwärmt und die Erwärmung für eine Zeitspanne aufrechterhalten wird, die für eine vollständige Hartlotbenetzung erforderlich ist. Zur Erzielung einer hohen Reproduzierbarkeit des Lötprozesses mit qualitativ gutem Lötergebnis ist der Lötprozess temperaturgeregelt. Ein Weichlot eignet sich im Gegensatz zu einem Hartlot nicht für mechanisch stärker beanspruchte metallische Verbindungen.

Ein Nachteil der bekannten Verfahren besteht darin, dass das Hartlot sowie gegebenenfalls zusätzliche Flussmittel während des Hartlötprozesses unmittelbar zugeführt werden müssen.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer hochtemperaturfesten mechanischen Verbindung von Bauteilen durch Hartlöten in der Weise weiterzubilden, dass der Hartlötprozess vereinfacht wird und dadurch die Prozesssicherheit erhöht wird.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer hochtemperaturfesten mechanischen Verbindung von Bauteilen durch Hartlöten mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

  • – mindestens ein Hartlotabschnitt (20a, 20b) wird mit mindestens einem der zu fügenden Bauteile (10, 11) stoffschlüssig oder formschlüssig verbunden;
  • – ein zu fügender Bereich eines der Bauteile (10, 11) wird mit dem mindestens einen Hartlotabschnitt (20a, 20b) eines anderen der zu fügenden Bauteile (10, 11) in Kontakt gebracht;
  • – der mindestens eine Hartlotabschnitt (20a, 20b) wird erwärmt und mindestens teilweise geschmolzen.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können somit stoffschlüssige, elektrische und mechanische Verbindungen zwischen zwei oder mehreren Bauteilen, wie zum Beispiel zwischen elektronischen Bauelementen, Zwischenkontaktierungen und Schaltungsträgern, hergestellt werden. Der bei den aus dem Stand der Technik bekannten Hartlötverfahren stets notwendige Verfahrensschritt des Zuführens von Hartlot mittels Draht, Paste oder Folie kann bei dem hier beschriebenen Verfahren entfallen, da der mindestens eine Hartlotabschnitt an einem der zu fügenden Bauteile vordeponiert ist.

Insbesondere kann das hier vorgestellte Verfahren auch bei nicht artgleichen Metalle beziehungsweise Metalllegierungen eingesetzt werden. Ein Vorteil der durch Hartlöten hergestellten stoffschlüssigen Verbindungen besteht darin, dass sie hochtemperaturfest sind und damit Einsatztemperaturen bis mindestens 200°C ermöglichen. Dabei können die ursprünglichen physikalischen und elektrischen Eigenschaften der Werkstoffe, aus denen die zu fügenden Bauteile hergestellt sind, beibehalten beziehungsweise zumindest weitgehend beibehalten werden. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch eine Auswahl eines Hartlotwerkstoffs aus einer Vielzahl möglicher Hartlotwerkstoffe die elektrischen, mechanischen und chemischen Werkstoffeigenschaften gezielt beeinflusst werden können. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass durch das vordeponierte Hartlot auch Metalle beziehungsweise Metalllegierungen stoffschlüssig miteinander verbunden werden können, die üblicherweise als nicht oder nur sehr schwer miteinander verschweißbar gelten. Weitere Vorzüge des hier beschriebenen Verfahrens bestehen zum Beispiel darin, dass das Hartlot auch für einen Großserieneinsatz geeignet ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen dass der mindestens eine Hartlotabschnitt durch Kalt- oder Warmschweißen stoffschlüssig mit mindestens einem der Bauteile verbunden wird. Beispielsweise kann der mindestens eine Hartlotabschnitt durch Kalt- oder Warmschweißen seitlich mit mindestens einem der Bauteile verbunden werden.

In einer alternativen Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass der mindestens eine Hartlotabschnitt stoffschlüssig an mindestens einem der Bauteile angewalzt wird. Dadurch kann in vorteilhafter Weise auf rein mechanischem Wege eine stoffschlüssige Verbindung des mindestens einen Hartlotabschnitts mit einem der Bauteile erzeugt werden.

Es kann in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, dass der mindestens eine Hartlotabschnitt an mindestens einem der Bauteile seitlich angewalzt wird.

Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, ein Hartlot flächig mit einer Seitenfläche eines der Bauteile stoffschlüssig zu verbinden und anschließend das Bauteil zusammen mit dem Hartlot in der Weise mit Hilfe eines Stanzwerkzeugs zu stanzen, dass mindestens zwei voneinander beabstandete Hartlotabschnitte erzeugt werden.

Vorzugsweise wird der mindestens eine Hartlotabschnitt derart umgeformt, dass er einen Halteabschnitt bildet, in dem eines der Bauteile vor dem Hartlöten fixiert wird. Das Umformen des mindestens einen Hartlotabschnitts kann vorzugsweise durch Kaltumformen erfolgen. Der mindestens eine umgeformte Hartlotabschnitt ermöglicht in dieser vorteilhaften Ausführungsform eine Arretierung beziehungsweise Fixierung eines der zu fügenden Bauteile. Durch das Fixieren eines der Bauteile an dem mindestens einen umgeformten Hartlotabschnitt kann das Risiko von Fertigungsfehlern während des Hartlötens verringert werden.

Es besteht in einer vorteilhaften Ausführungsform die Möglichkeit, dass an mindestens einem der Bauteile Arretierungsmittel ausgebildet werden, in denen eines der zu fügenden Bauteile vor dem Hartlöten fixiert wird.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass in mindestens einem der Bauteile eine Öffnung erzeugt wird, in der der mindestens eine Hartlotabschnitt formschlüssig befestigt wird. Der mindestens eine Hartlotabschnitt kann zum Beispiel als Niet ausgebildet werden.

Vorzugsweise wird der mindestens eine Hartlotabschnitt durch Laserstrahlung, insbesondere durch die Laserstrahlung eines Diodenlasers erwärmt.

Der mindestens eine Hartlotabschnitt kann auf etwa 450°C bis etwa 1.050°C, insbesondere auf etwa 650°C bis 850°C erwärmt werden.

Vorzugsweise wird der mindestens eine Hartlotabschnitt unter Schutzgas erwärmt. Dadurch können Rückstände, die durch Flussmittel hervorgerufen werden können, vermieden werden.

Beispielsweise kann als Schutzgas Helium oder Argon verwendet werden.

Das hier beschriebene Verfahren kann zum Beispiel zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung eines Entstörkondensators mit einem Stanzgitter, einer Drossel mit einem Stanzgitter oder eines Reedkontakts mit einem Stanzgitter eingesetzt werden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass auch relativ schwer zugängliche und enge Verbindungen, die zum Beispiel durch Weichlöten nicht hergestellt werden können, mit Hilfe des hier beschriebenen Verfahrens realisiert werden können.

ZEICHNUNGEN

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen

1a bis 1f eine Abfolge der einzelnen Verfahrensschritte eines Verfahrens zum Hartlöten von mindestens zwei Bauteilen gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Darstellung;

2 eine Draufsicht auf zwei Bauteile vor dem Hartlöten, wobei eines der Bauteile stoffschlüssig angewalzte Hartlotabschnitte aufweist;

3a einen Schnitt entlang einer Linie III-III in 2;

3b eine Ansicht gemäß 3a nach dem Hartlöten;

4 eine Draufsicht auf zwei Bauteile gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, wobei ein Hartlotabschnitt formschlüssig an einem der beiden Bauteile befestigt ist;

5 einen Schnitt entlang einer Linie V-V gemäß 4.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Zunächst wird auf 1a bis 1f Bezug genommen, in denen eine Abfolge der einzelnen Verfahrensschritte eines Verfahrens zum Hartlöten von Bauteilen 10, 11 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Ansicht dargestellt ist.

In 1a ist ein erstes Bauteil 10 gezeigt, das in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen bandförmig beziehungsweise plattenförmig ausgebildet ist. Das erste Bauteil 10 kann zum Beispiel aus einer Kupfer-Nickel-Legierung oder aus CuSn6 hergestellt sein. Man erkennt, dass ein Hartlot 20 mit einer der vier Seitenflächen des ersten Bauteils 10 stoffschlüssig verbunden ist. Das Hartlot 20, das zum Beispiel aus einer AgCuZnMn-Legierung bestehen kann, wird zum Beispiel durch Warm- oder Kaltschweißen an der entsprechenden Seitenfläche des ersten Bauteils 10 befestigt. Es besteht alternativ die Möglichkeit, dass das Hartlot 20 stoffschlüssig an das erste Bauteil 10 angewalzt wird. Durch eine entsprechende Auswahl geeigneter Hartlot-Materialien können gezielt unterschiedliche thermische, chemische und elektrische Eigenschaften der Lötverbindung hergestellt werden.

In einem nächsten Verfahrensschritt, der in 1b gezeigt ist, wird das erste Bauteil 10 zusammen mit dem stoffschlüssig damit verbundenen Hartlot gestanzt, so dass zwei voneinander beabstandete Hartlotabschnitte 20a, 20b erzeugt werden, die sich von der entsprechenden Seitenfläche des ersten Bauteils 10 weg erstrecken.

Anschließend werden die beiden Hartlotabschnitte 20a, 20b, wie in 1c gezeigt, zum Beispiel mit Hilfe eines Stanz- oder Biegewerkzeugs in der Weise kalt umgeformt, dass sie anschließend ein zweites Bauteil 11, das in diesem Ausführungsbeispiel ein Draht ist, aufnehmen und halten können.

Der Verfahrensschritt des Einlegens des zweiten Bauteils 11 in die kalt umgeformten Hartlotabschnitte 20a, 20b ist in 1d gezeigt.

Wie in 1d dargestellt, werden die Hartlotabschnitte 20a, 20b in einem nächsten Schritt weiter kalt umgeformt und gebogen, so dass sie eine wirksame Arretierung für das zweite Bauteil 11 bilden. Die in dieser Weise gebogenen Hartlotabschnitte 20a, 20b bewirken, dass das zweite Bauteil 11 vor dem Hartlöten sicher gehalten wird. Dadurch kann der Vorrichtungsaufwand für das Halten der beiden Bauteile 10, 11 minimiert werden beziehungsweise ganz entfallen. Durch das Umformen der Hartlotabschnitte 20a, 20b wird ferner der für das Hartlöten der beiden Bauteile 10, 11 geforderte Oberflächenkontakt geschaffen, um die während des Lötprozesses in die Hartlotabschnitte 20a, 20b eingebrachte Schmelzwärme in die zu fügenden Bauteile 10, 11 zu leiten.

Im letzten Verfahrensschritt, der in 1f dargestellt ist, werden die beiden Hartlotabschnitte 20a, 20b mit Hilfe eines Laserstrahls 30, der insbesondere von einem Diodenlaser erzeugt werden kann, unter Einwirkung von Schutzgas 4 nacheinander verlötet. Der erste Hartlotabschnitt 20a der beiden Hartlotabschnitte 20a, 20b ist in 1f bereits im verlöteten Zustand gezeigt. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, dass die beiden Hartlotabschnitte 20a, 20b simultan verlötet werden. Die Schmelztemperaturen der eingesetzten Hartlotmaterialien liegen bei etwa 450°C bis etwa 1.050°C. Im Allgemeinen werden Hartlotmaterialien eingesetzt, die Schmelztemperaturen in einer Größenordnung von etwa 650°C bis etwa 850°C besitzen.

Mit Hilfe des hier vorgestellten Verfahrens kann durch Hartlöten eine stoffschlüssige, elektrische und mechanische Verbindung von zwei oder mehreren Bauteile 10, 11 auf einfache und kostengünstige Art und Weise hergestellt werden. Insbesondere können auch nicht artgleiche oder nur schwer verlötbare Metalle beziehungsweise Metalllegierungen miteinander verlötet werden. Dabei können Einsatztemperaturen der miteinander verlöteten Bauteile 10, 11 bis mindestens 200°C unter Beibehaltung der ursprünglichen physikalischen und elektrischen Eigenschaften der Grundwerkstoffe, aus denen die Bauteile hergestellt sind, gewährleistet werden. Ein selektives Zuführen von Hartloten und Flussmitteln während des Fügeprozesses ist bei dem hier beschriebenen Verfahren nicht notwendig, da die Hartlotabschnitte 20a, 20b an einem der Bauteile 10, 11 vordeponiert sind.

In 2 sind zwei Bauteile 10, 11 gezeigt, die durch Hartlöten mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens abschnittsweise stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Das erste Bauteil 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel wiederum im Wesentlichen bandförmig beziehungsweise plattenförmig ausgebildet. Das erste Bauteil 10 kann beispielsweise ein Stanzgitter sind. Das zweite Bauteil 11 ist wiederum ein Draht, der beispielsweise aus einer FeNi-Legierung hergestellt sein kann.

Man erkennt ebenfalls unter Bezugnahme auf 3a, dass in diesem Ausführungsbeispiel zwei Hartlotabschnitte 20a, 20b stoffschlüssig mit dem ersten Bauteil 10 verbunden sind. Im Unterschied zum oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel werden die Hartlotabschnitte 20a, 20b stoffschlüssig am ersten Bauteil 10 angewalzt. Anschließend werden die beiden Hartlotabschnitte 20a, 20b kalt umgeformt und dadurch in der Weise umgebogen, dass sie ein zweites Bauteil 11 vor dem Hartlöten aufnehmen und sicher halten können. Durch das Kaltumformen der beiden Hartlotabschnitte 20a, 20b werden also Aufnahmebereiche für das zweite Bauteil 11 geschaffen, die nach dem Einlegen des zweiten Bauteils 11 gewissermaßen eine Arretierung für das zweite Bauteil 11 zur Verfügung stellen. Das Umformen der Hartlotabschnitte 20a, 20b am ersten Bauteil 10 ermöglicht somit bereits im nicht verlöteten Zustand eine relativ einfach handhabbare Fixierung und gegebenenfalls auch Arretierung des zweiten Bauteils 11. Nach dem Einlegen des zweiten Bauteils 11 in die umgebogenen Hartlotabschnitte 20a, 20b werden diese mit Hilfe einer Laserlichtquelle, die zum Beispiel wiederum ein Diodenlaser sein kann, mit einem Laserstrahl 30 beaufschlagt und lokal geschmolzen.

Die Situation nach dem Hartlöten ist in 3b dargestellt. Man erkennt, dass ein Teil 20a' des ersten Hartlotabschnitts 20a durch das Einwirken des Laserstrahls 30 lokal geschmolzen wurde, so dass abschnittsweise eine stoffschlüssige Verbindung des zweiten Bauteils 11 mit dem ersten Bauteil 10 erzeugt wurde.

In 4 ist eine Draufsicht auf zwei Bauteile 10, 11 gezeigt, die ebenfalls mit Hilfe des hier vorgestellten Verfahren durch Hartlöten stoffschlüssig miteinander verbunden werden. In diesem Ausführungsbeispiel weist das erste Bauteil 10 Arretierungsmittel 100 auf, die am dem ersten Bauteil 10 angeformt sind. Die Arretierungsmittel 100 sind dazu geeignet, das zweite Bauteil 11, das in diesem Ausführungsbeispiel wiederum ein Draht ist, vor dem Hartlöten zu fixieren. Dadurch kann der Aufwand für eine Fixierung beziehungsweise Arretierung der Bauteile 10, 11 während des Hartlötens minimiert werden. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Hartlotabschnitt 20a formschlüssig am ersten Bauteil 10 befestigt. Der Hartlotabschnitt 20a ist dabei als Niet ausgeführt, die formschlüssig in einer entsprechenden Öffnung des ersten Bauteils 10 befestigt ist. Zum Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung der beiden Bauteile 10, 11 wird der Hartlotabschnitt 20a wiederum mit Laserlicht beaufschlagt und geschmolzen. Die Reduktion erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel wiederum nicht durch Flussmittel sondern durch reduzierendes Schutzgas. Dadurch können Rückstände, die durch das Vorhandensein eines Flussmittels auftreten können, vermieden werden.

Mit Hilfe der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele eines Verfahrens zum Hartlöten von Bauteilen können elektrische und/oder mechanische Verbindungen mit einer sehr guten Temperaturbeständigkeit hergestellt werden. Ferner benötigen die hier beschriebenen Verfahren nur relativ kurze Prozesszeiten. Es ist zum Beispiel möglich, in einem Zeitintervall, das kürzer als eine Sekunde ist, eine stoffschlüssige Lötverbindung zweier Bauteile 10, 11 durch Hartlöten herzustellen.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung einer hochtemperaturfesten mechanischen Verbindung von Bauteilen (10, 11) durch Hartlöten umfassend die nachfolgenden Verfahrensschritte:

– mindestens ein Hartlotabschnitt (20a, 20b) wird mit mindestens einem der zu fügenden Bauteile (10, 11) stoffschlüssig oder formschlüssig verbunden;

– ein zu fügender Bereich eines der Bauteile (10, 11) wird mit dem mindestens einen Hartlotabschnitt (20a, 20b) eines anderen der zu fügenden Bauteile (10, 11) in Kontakt gebracht;

– der mindestens eine Hartlotabschnitt (20a, 20b) wird erwärmt und mindestens teilweise geschmolzen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Hartlotabschnitt (20a, 20b) durch Kalt- oder Warmschweißen stoffschlüssig mit mindestens einem der Bauteile (10, 11) verbunden wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Hartlotabschnitt (20a, 20b) stoffschlüssig an mindestens einem der Bauteile (10, 11) angewalzt wird. Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Hartlotabschnitt (20a, 20b) an mindestens einem der Bauteile (10, 11) seitlich angewalzt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Hartlotabschnitt (20a, 20b) derart umgeformt wird, dass er einen Halteabschnitt bildet, in dem eines der Bauteile (10, 11) vor dem Hartlöten fixiert wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einem der Bauteile (10, 11) Arretierungsmittel (100) ausgebildet werden, in denen eines der zu fügenden Bauteile (10, 11) vor dem Hartlöten fixiert wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem der Bauteile (10, 11) eine Öffnung erzeugt wird, in der der mindestens eine Hartlotabschnitt (20a, 20b) formschlüssig befestigt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Hartlotabschnitt (20a, 20b) durch Laserstrahlung, insbesondere durch die Laserstrahlung eines Diodenlasers erwärmt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Hartlotabschnitt (20a, 20b) auf etwa 450°C bis etwa 1.050°C, insbesondere auf etwa 650°C bis 850°C erwärmt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Hartlotabschnitt (20a, 20b) unter Schutzgas erwärmt wird.






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