DE2260722A1

DE2260722A1 - Loetkolbenspitze

Info

Publication number: DE2260722A1
Application number: DE2260722A
Authority: DE
Inventors: Frank S Castellana; Steve Kokolis; Jack Liker
Original assignee: KARL ROESCH Inc
Current assignee: KARL ROESCH Inc
Priority date: 1971-12-15
Filing date: 1972-12-12
Publication date: 1973-06-20
Also published as: GB1355278A; JPS4866545A; US3786228A

Description

DR.-ING. G. RIESLING PATENTANWALT 9 ? R Π 7

.Mein Zeichen

R 275-14/Le

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899 Lindau (Bodensee)

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8,Dezember 1972 Karl Roesch, 253 Boradwav> New York, N.Y, Iooo7/USA

Lötkolbenspitze

Diese Erfindung betrifft eine geschichtete Vorrichtung zur Verwendung als ein Lötkolben, worin ein metallisches Heizglied einen Streifen aus Keramikmaterial aufweist, der an eine Seite desselben befestigt ist, um Wärme von dem Heizglied aufzunehmen und zum Angreifen an elektrische Kontakte Coder dergl,), um an j ene Kontakte Wärme für Lötzwecke anzulegen. Ein zweiter Keramikstreifen ist mit der von dem ersten Keramikstreifen gegenüberliegenden Seite des Heizgliedes verbunden, um die Verformung der Lötvor*- richtung infolge Differenzen des DehnungskaefELzienten

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zwischen dem ersten Streifen aus Keramikmaterial und dem Heizglied zu vermeiden, an welches er angebracht ist.

Die Vorrichtung kann auch eine Platte aus Keramikmaterial enthalten, die zwischen einem Paat von metallischen Heizgliedern eingelegt ist, worin das Keramikmaterial sich von den Metallgliedern nach außen erstreckt, um elektrische Kontakte zu berühren und Wärme darauf anzulegen.

In dem Herstellungsverfahren der Vorrichtung werden die Oberflächen des Keramikmaterials, welche das Heizglied berühren, vorbereitend metallisiert, worauf die Metallisierten Oberflächen des Keramikmaterials dann an das metallische Heizglied hart gelobtet werden.

Herkömmliche Lötkolben weisen im allgemeinen wärmeauftragende Spitzen aus Kupfer oder Kupferlegierungen auf, welche wegen ihrer hohen thermischen Leitfähigkeit ausgewählt sind und ihrer Fähigkeit durch Zinn benetzt zu werden, welches das Grundmaterial für die meisten Arten von Lötmetall bildet. Bestimmte Nachteile ergeben sich aus der Verwendung von Arbeitsspitzen aus Kupfer; in dem das Kupfer jedoch in der Anwesenheit der meisten Flußmittel rasch korodiert, nützt es sich wegen seiner Weichheit leicht ab und es oxydiert schnell, wenn es auf mäßig hohe Temperaturen erhitzt wird. In dem Bemühen, diese

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Schwierigkeiten zu überwinden, sind Arbeitsspitzen aus Eisen oder Stahl hergestellt worden, aber dies ergibt eine Vorrichtung, worin die Arbeitsspitze eine thermische Leitfähigkeit aufweist, welche wesentlich niedriger ist als die von Kupfer.

In der Vergangenheit sind diese Mangel von Lötkolben als gegebener Anlaß zu einer bloßen Unannehmlichkeit betrachtet worden, aber in jüngeren Anwendungen von Lötkolben, wie beispielsweise deren Verwendung zum Löten von integrierten Schaltkreisen machen verschiedene Forderungen Arbeitsspitzen aus Kupfer unbrauchbar. Das heißt, beim Löten der Leiter auf einem intigrierten Plättchen ist es notwendig, eine nicht benetzbare, elektrisch isolierte Arbeitsspitze zu verwenden, welche erwünschtermaßen in einer Lötmaschine befestigt werden kann. Somit macht ein Beispiel einer jüngst entwickelten Lötspitze Verwendung eines Metallelementes aus Tantal, das mit einer nicht benetzbaren, nicht leitenden Tantaloxydschicht überzogen ist. Diese Tantal-Lötspitze ist jedoch verhältnismäßig teuer und weist infolge des Brechens der Überzugsschicht eine verhältnismäßig kurze Lebensdauer auf.

Folglich besteht die Aufgabe dieser Erfindung darin, eine betriebssichere und verhältnismäßig billige Lötspitze vorzusehen, die eine nicht benetzbar und elektrisch

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isolierte Oberfläche aufweist, zum Auftragen von Wärme auf elektrische Kontakte oder für andere Lötaufgaben, wobei eine solche Lötspitze eine gute thermische Leitfähigkeit aufweist und in der Lage ist, in Lötmaschinen verwendet zu werden.

Hierin ist eine Lötvorrichtung offenbart, die eine keramische wärmeauftragende Spitze aufweist und ein Herstellungsverfahren der Lötvorrichtung, worin die Keramikspitze auf einer Fläche metallisiert und an ein metallisches Heizglied hartgelötet wird.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein U-förmiges metallisches Heizglied vorgesehen, das einen an dessen unterer Fläche befestigten Streifen von elektrisch isolierendem Keramikmaterial guter thermischer Leitfähigkeit aufweist, worin der Streifen aus Keramikmaterial verwendet wird, um die zu lötende Fläche zu berühren. Vorzugsweise ist ein zweiter Streifen aus Keramikmaterial auf der oberen Fläche eines eingebuchteten Teils des ü-förmigen Heizgliedes befestigt, um die Deformation des Heizgliedes infolge Differenzen zwischen den jeweiligen Dehnungskoifizienten des metallischen Heizgliedes und der keramisch! wärmeauftragenden Spitze zu vermeiden.

Das Verfahren der Erfindung betrifft das Vorgehen, das beim Anbringen der Keramikstreifen an dem Metallglied

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verwendet wird und enthält di.e Arbeitsgänge des Metallisierens einer Oberfläche der Keramikstreifen und das anschließende Hartlöten jener Oberfläche an das metallische Heizglied. Es ist festgestellt worden, daß Berylliumoxyd einen ausgezeichneten wärmeauftragenden Keramikstreifen bildet und daß Dampfniderschlag oder die Verwendung von Molybden-Mangan Cworauf Vernickelung folgt) benutzt werden, um einen Metallfilm auf der Oberfläche des Keramikstreifens abzulagern. So wird z.B. der Keramikstreifen mit Molybden-Mangan überzogen und dann in einer reduzierenden Atmosphäre auf eine Temperatur von etwa 15oo C erhitzt. Es ist auch festgestellt worden, daß eine Eisen-Nickel-Kovalt"Legierung, in der Industrie bekannt als "Kovar" (und vorzugsweise 54 % Eisen, 28 % Nickel und 18 % Kovalt enthaltend), ein ausgezeichnetes Material für das Heizglied bildet, in dem es allen notwendigen wärmeerzeugenden Forderungen erfüllt, während es auch einen Denuskoifizienten aufweist, welcher dem von Berylliumoxyd bei normalen Lottemperaturen ähnelt. Andere bekannte Eisen-^Nickel-Legierungen von niedriger Ausdehnung könnten bei dieser Anwendung auch benutzt werden.

In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist eine Platte aus Keramikmaterial, wie beispielsweise Berrylliumoxyd zwischen einem Paar von Heizplatten, z,B. aus Eisen-Nickel-Kovalt-Legierung eingelegt und die Keramik-

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platte erstreckt sich von den Metallplatten nach außen, um eine langgestreckte wärmeauftragende Fläche für Lötzwecke vorzusehen. Wieder sind alle Flächen des Keramikmaterials , welche die Heizplatten berühren metallisiert und daran hartgelötet. Die Heizplatten auf den gegenüberliegenden Flächen der Keramikplatte sehen eine ausgeglichene Form vor, um Deformation der Struktur zu vermeiden, welche sonst infolge der Differenzen der Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Heizglied und der Keramikplatte eintreten würde.

Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Perspektivansicht einer Ausführungsform einer Lötvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine grafische Darstellung, die die Ausdehnungswerte bei verschiedenen Temperaturen für verschiedene Materialien darstellt; und

Fig. 3 eine Perspektivansicht einer zweiten Ausführungsform einer Lötvorrichtung gemäß der Erfindung.

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Wie in Fig.l dargestellt, ist ein U-förmiges Metallisches Heizglied Io vorgesehen und hat an seinem freien Ende die Teile 12 und 14 mit einer Spannungsquelle 16 verbunden, zum Anlegen eines elektrischen Stromes an das metallische Heizglied Io, um es auf eine Temperatur zu erhitzen, die für Lötvorgänge erforderlich ist.

Löttechniken, wie sie auf intigrierte Schaltkreise in der Elektronik angewendet werden, erfordern eine Lötspitze, welche nicht benetzbar ist und welche eine elektrisch isolierte Oberfläche aufweist, zum Berühren der Bauteile der intigrierten Schaltkreise. Diese Eigenschaften sind notwendig, um die Verunreinigung der Elektroden der zu lötenden Vorrichtungen zu verhindern und um eine Möglichkeit des Anlegens einer Spannung an die Bauteile zu .verhindern während sie gelötet werden. Das heißt, wenn z.B. eine wärmeauftragende Metallspitze verwendet würde, bestünde die Gefahr der Zerstörung ader Beschädigung der elektronischen Bauteile infolge einer durch die Metallspitze an die Elektroden der Bauteile angelegten statischen Spannung. Demgemäß sieht die Lötvorrichtung dieser Erfindung eine wärmeauftragende Keramikspitze in der Form eines Streifens aus Keramikmaterial 18 vor, das an dem Heizglied Io befestigt ist, um durch das Heizglied erzeugte Wärme auf die Elektroden zu leiten, welche gelötet .werden sollen. Wie in Fig.l dargestellt, sieht die

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Spitze aus Keramikmaterial 18 ein lagngestrecktes Glied vor zum gleichzeitigen Berühren einer Anzahl von Leiterkissen auf einem integrierten Plättchen und somit ist die veranschaulichte Vorrichtung zur Verwendung in einer Lötmaschine der in der Industrie bekannten automatischen oder halbautomatischen Art wohl geeignet.

Die langgestreckte Art der Spitze aus Keramikmaterial 18 gibt Anlaß zur Möglichkeit der Verformung während der Anwendung infolge von Differenzen der AusdehnungskcSjfizienten zwischen der Spitze aus Keramikmaterial und dem metallischen Heizglied. Gemäß dieser Erfindung wird eine solche Verformung verhindert durch Anbringen eines zweiten Streifens aus Keramikmaterial 2o an der oberen Fläche des eingebuchteten Teils des U-förmigen Heizgliedes, worin jegliche Neigung zur Verformung infolge von Differenzen der DehnungskoefJizienten durch die gegenüberstehenden Streifen aus Keramikmaterial 18 und 2o entgegengewirkt wird.

Es ist festgestellt worden, daß Berrylliumoxyd ein ausgezeichnetes Keramikmaterial 18 für die wärmeauftragende Spitze vorsieht, während die oben erwähnte Eisen-Nickel-Kovalt-Legierung die Heizungserfordernisse für das Heizglied Io zufriedenstellt und eine Charakteristik des Dehnungskoeffizienten aufweist, welche der von Berrylliumoxy ähnelt. Nach dieser Erfindung enthält auch.

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der obere Streifen aus Keramikmaterial 2o vorzugsweise ein Aluminiumoxyd-Material, das eine niedrigere thermische Leitfähigkeit aufweist als Berrylliumoxyd, so daß die Wärme mittels des Streifens aus Berrylliumoxyd nach unten gerichtet wird. Andererseits sind die Dehnungskoeffizienten von Aluminium-Oxyd und Berrylliumoxyd im wesentlichen identisch., so daß alle Neigungen der oben beschriebenen Verformung überwunden werden.

Fig. 2 veranschaulicht jeweilige Dehnungswerte für die oben erwähnten Materialien zusammen mit Kupfer bei versehiedenen Temperaturen, innerhalb des normalen Umfanges von Löttemperaturen; und wie aus Fig.2 hervorgeht, sind solche Dehnungswexte für Eisen-Nickel-Kovalt-Legierung, Berrylliumoxyd und Aluminiumoxyd von derselben Größenordnung. Obwohl jedoch solche Dehnungsbeträge ähnlich sind, ist das Ausgleichskonzept hierin notwendig, um jeglicher Möglichkeit der Verformung entgegen zu wirken, wenn die Lötvorrichtung für genauen Gebrauch beim Löten winziger intigrierter Schaltkreise verwendet wird.

In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wie in Fig.3 der Zeichnung veranschaulicht, ist ein Metall" Keramik-Metall-Laminat vorgesehen, durch, eine Keramikplatte 22, die vorzugsweise aus" Berrylliumpxycl ausgebildet ist und ein Paar von Metallplatten 24 und 26, die an gegenüberliegende Flächen der Keramikplatte befestigt sind.

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Wieder sind die gegenüberliegenden Metallplatten, vorzugsweise aus Eisen-Nickel-Kovalt-Legierung ausgebildet und sind an eine Spannungsquelle angeschlossen, um einen Heizstrom zu den Platten vorzusehen. Wie bei 28 veranschaulicht, sind die Platten an ihren unteren Enden an den Kantenteilen der Keramikplatte 22 leitend mit einander verbunden, um somit einen kontiunierliehen Pfad für den Heizstrom vorzusehen. Die Keramikplatte 22 steht von den Enden der Metallplatten nach außen vor, um dadurch eine wärmeauftragende Fläche 3o vorzusehen,wodurch die in Fig.3dargestellte Konstruktion auch zur Verwendung mit automatischen Lötmaschinen wohl geeignet ist.

Um eine innige Verbindung zwischen den Keramikmaterialien und den metallischen Heizgliedern vorzusehen, werden gemäß der Erfindung die Flächen der Keramikmaterialien welche die Heizglieder berühren, vorbeugend metallisiert und dann an die Heizglieder hartgelötet, um eine feste Verbindung vorzusehen, die ausgezeichnete thermische Leitfähigkeitsoigenschaften aufweist.

Zum Beispiel kann das Metallisierverfahren durch Dampfablagerung einer Metallbeschichtung auf der Keramikoberfläche ausgeführt werden« Speziell in dem Fall von Aluminiumoxyd wird der Metallisiervorgang ausgeführt durch Reinigen des Aluminiurnoxyd-streifens_r beispielsweise durch Brennen desselben hei looo C und dann Auftragen

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aines Molyden-Mangan-Überzuges auf die Hartzulötende Fläche des Keramikstreifens , worauf ein zweites Brennen des beschichteten Streifens bei etwa I5oo C folgt, um den Metallüberzug mit der Aluminium-Oxyd-Keramik zu vereinigen. Ein anschließendes Galvanisieren des beschichteten Streifens mit einer dünnen Schicht eines Metalls , wie beispielsweise Nickel, Kupfer oder GcLd, sieht eine gut hartzulötende Fläche vor, worauf der metallisierte Streifen dann an das Heizelement hartgelötet

Mit Lötausrüstung Vertraute werden verstehen, daß weitreichende Abweichungen von den oben geschriebenen bevorzugten. Ausführungsformen ausgeführt werden können, ohne von dem Hauptthema der in den folgenden Ansprüchen angegebenen Beschreibung abzuweichen.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1. Lötvorrichtung, die eine wärmeauftragende Spitze umfasst gekennzeichnet durch:

pin metallisches Heizglied (lo), das eine langgestreckte Heizfläche aufweist, einen ersten langgestreckten Keramikstreifen Cl8) der erste und zweite gegenüberstehende langgestreckte Flächen aufweist und ein metallisierter überzug, der auf der ersten Keramikfläche angeordnet und an das Heizglied (lo) an die langgestreckte Heizfläche hartgelötet ist, wobei die zweite langgestreckte Fläche des Keramikstreifens eine nicht benetzbare elektrisch isolierte wärmeauftragende Fläche vorsieht zum Angreifen an zu lötende elektrische Kontakte.

2. Lötvorrichtung nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch einen zweiten lagngestreckten Keramikstreifen (2o), der mit dem Heizglied (lo) an einer Fläche des Heizgliedes direkt gegenüberliegend der Heizfläche angeschlossen ist, zum Entgegenwirken von Verformungskräften, die sich aus Differenzen der Dehnungs ko effizienten zwischen dem metallischen Heizglied (lo) un d dem ersten Keramikstreifen (18) ergeben.

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3. Lötvorrichtung nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der^serste Keramikstreifen (18) Berylliumoxyd enthält.

4. Lötvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizglied (lo) eine Legierung enthält, die 54 % Eisen, 28% Nickel und 18% Kovalt aufweist.

5. Lötvorrichtung, die eine wärmeauftragende Spitze umfasst, gekennzeichnet durch: Eine metallische Heizstange (lo), die eine langgestreckte seitliche Heizfläche aufweist; einen ersten langgestreckten Keramikstreifen (18), der erste und zweite gegenüberliegende langgestreckte Flächen aufweist, wobei die Fläche des ersten Keramikstreifens (18) an der Heizfläche der Stange (lo) befestigt ist und die zwiete langgestreckte Fläche des Keramikstreifens eine nicht benetzbare, elektrisch isolierte wärmeauftragend Fläche vorsieht, zum Angreifen an zu lötende elektrische Kontakte; und einen zweiten langgestreckten Keramikstreifen (2o) der mit der Heizstange (lo) an einer Fläche der. Heizstange direkt gegenüberliegend der Heizfläche angeschlossen ist, zum Entgegenwirken von Verformungskräften, die sich aus Differenzen der Dehnungkoe£3.ζienten zwischen der metallischen Heizstange (lo) und dem ersten Keramikstreifen ergeben.

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6· Lötvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Keramikstreifen Berrylliumoxyd enthält.

7. Lötvorrichtung nach Ansprch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizstange (lo) 54% Eisen, 28% Nickel und 18% Kovalt enthält, der zweite Keramikstreifen (2o) Aluminiumoxyd enthält und ferner erste und zweite metallisierte Überzüge enthält, die jeweils auf Teilen der ersten und zweiten Keramikstreifen angeordnet und an die Heizstange an den direkt gegenüberstehenden Flächen derselben hartgelötet sind.

8. Geschichtete Lötvorrichtung, gekennzeichnet durch ein Paar von ebenen metallischen Heizgliedern (24,26), die parallel ausgerichtet sind, ein plattenförmiges Keramikglied (22) das gegenüberstehende Hauptflächen aufweist und zwischen den Heizgliedern (24,26) angeordnet und innig mit den Heizgliedern über die gegenüberstehenden Hauptflächen verbunden ist, worin ein Endteil des plattenförmigen Keramikmaterials (22) von den Heizgliedern nach außen vorsteht und ^ine nicht benetzbare elektrisch isolierende wärmeauftragende Fläche vorsieht, zum Angreifen an zu lötende elektrische Kontakte, wouärch die an den gegenüberstehenden Flächen des Keramikmaterials angeordneten Heizgliedern den Verformungskräften entgegenwirken, die sich aus Differenzen der Dehnungskof*fizLenten

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zwischen den metallischen Heizgliedern und dem Keramikmateriäl ergeben. '

9. Geschichtete Lötvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial Berrylliumoxyd enthalt, die Heizglieder aus einer Legierung ausgebildet sind, die 54% Eisen, 28% Nickel und 18% Kobalt enthält und ferner eine erste und zweite metallisierte Beschichtung enthält, die jeweils auf Teilen der gegenüberstehenden Flächen des Keramikmaterials angeordnet und jeweils an das Paar von Heizgliedern hartgelötet sind.

10. Verfahren zur Herstellung einer Lötvorrichtung, gekennzeichnet durch die Arbeitsgänge des Vorsehens eines Streifens aus Berrylliumoxyd-Keramikmaterial, das einen ersten wärmeauftragenden Flächenteil aufweist, das metallisieren eines zweiten Flächenteils des Keramxkstreifens und das hartlöten des metallisierten Teiles an ein Heizglied einer Legierung,, die 54 % Eisen, 28% Nickel und 18% Kobalt enthält.

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