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WO2016038144A1 - Verfahren zur prozesszeitverkürzung beim löten elektrischer oder elektronischer bauteile mittels elektromagnetischer induktionserwärmung - Google Patents

Verfahren zur prozesszeitverkürzung beim löten elektrischer oder elektronischer bauteile mittels elektromagnetischer induktionserwärmung Download PDF

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WO2016038144A1
WO2016038144A1 PCT/EP2015/070730 EP2015070730W WO2016038144A1 WO 2016038144 A1 WO2016038144 A1 WO 2016038144A1 EP 2015070730 W EP2015070730 W EP 2015070730W WO 2016038144 A1 WO2016038144 A1 WO 2016038144A1
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WO
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soldering
solder
foot
circular
connection element
Prior art date
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PCT/EP2015/070730
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English (en)
French (fr)
Inventor
André Jenrich
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FEW Fahrzeugelektrikwerk GmbH and Co KG
Original Assignee
FEW Fahrzeugelektrikwerk GmbH and Co KG
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Publication date
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Priority to MX2017003154A priority patent/MX390608B/es
Priority to US15/509,534 priority patent/US20170297130A1/en
Priority to EP15763876.8A priority patent/EP3191249A1/de
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    • H05B2203/016—Heaters using particular connecting means

Definitions

  • the invention relates to a process for shortening the process time when soldering electrical or electronic components by means of electromagnetic
  • the frequency of the AC voltage applied to the loop or coil is adjusted to the connection geometry and is set to a maximum of 150 kHz. Specifically, the frequency of the magnetic field is between 5 and 150 kHz.
  • the electrical connection comprises at least one essentially flat soldering pad to be soldered onto the pane and at least one crimping part, in particular crimp, which is in connection with the soldering pad by welding or soldering and which defines at least one electrical cable in the crimping connection.
  • connection between the soldering pad and the crimping part is designed in the form of at least one connecting part, wherein the connecting part is designed such that the crimping part can be bent back into the area of the soldering pad and / or beyond the area of the soldering pad.
  • DE 102006047764 AI discloses a lead-free solder with improved properties at temperatures of> 150 ° C.
  • the lead-free solder is based on an Sn-In-Ag solder alloy containing between 88 to 98.5 wt% Sn, between 1 and 10 wt% In, between 0.5 to 3.5 wt% Ag, between 0 to 1% by weight of Cu and a doping with a crystallization modifier,
  • connection element is as Lötfuß
  • soldering foot of the known type consists of several, interlocking circular rings or circular ring segments.
  • a glass pane are applied to specify, in which it succeeds with classic frequencies optimal heating of the
  • non-metallic substrates especially when this substrate is a glass sheet, e.g. a vehicle window is.
  • Indicate contact element for soldering by means of electromagnetic induction heating which helps to avoid local overheating during the soldering process, thus allowing a uniform heating of the soldering partners.
  • induction soldering uses the knowledge that electrical conductors through which an alternating current flows create an electromagnetic field around them, which oscillates around the zero point with a phase shift analogous to the frequency of the alternating current. If an electrically conductive body is brought in the vicinity of this current-carrying conductor, then a voltage is induced therein, which also causes an alternating current, the so-called secondary alternating current.
  • This induced alternating current is 180 ° out of phase with the
  • the second conductor or workpiece in the present case the soldering foot, is heated by the heat generated by the current.
  • the heat energy can be at non-ferromagnetic
  • the current-carrying primary conductor is referred to as an inductor.
  • the shape of the inductor is adapted to the shape of the workpiece section to be heated, in particular the soldering foot.
  • Number of turns increases and reaches n times the value of the primary current.
  • the induced currents predominantly flow only at the surface of the conductor.
  • the heat energy generated in an inductively heated metallic body is thus accumulated in its surface layer, the thickness of which depends on the frequency and on the electrical and magnetic properties of the material.
  • the relevant skin effect is due to the fact that an alternating current flowing in a conductor also generates eddy currents through self-induction in its interior, which are directed counter to the primary current. Through this resulting overlay arises inside the conductor a higher resistance, which causes a concentration of the current at the surface of the conductor. With increasing frequency, this effect increases, so that at high frequencies only a very thin
  • solder pads which usually consist of a silver-containing thick-film material, represent a much better electrical conductor, the amount of energy converted there by induction is significantly lower, so that in the desired very short process time, a fast and sufficient heating of the solder pad materials, but only a slight warming of the respective solder pad occurs. Thus, only little energy is conducted to the substrate, in particular the glass used, so that thermal stresses caused by the soldering process can be avoided.
  • a lead-free compound material in particular a lead-free solder, is used for the soldering process.
  • the proposed process control and the application of high frequency energy in a range of around 900 kHz does not adversely affect or damage the silver layer material of the solder pads located on the disk.
  • the process control can be configured such that a short-term first inductive
  • Such a cycle can also be executed several times, within the very short total process time.
  • Such process control significantly increases the shear strength of the achieved solder joint.
  • the electrical contact element used according to the invention is used for
  • the conductive structure is an electrically conductive structure, for example in the form of an antenna or heating conductor arrangement, which can be realized by screen printing.
  • unleaded solder which is located on the side of the electrical connection element which is free of a wire end sleeve or a similar means for fastening a flexible conductor, is used as connection means.
  • the contact element designed as a soldering foot, has one, at least
  • the soldering foot is flat and consists of an iron-nickel or iron-chromium alloy.
  • the soldering foot consists of a plurality of non-intermeshing or non-touching, i. spaced circular surfaces, circular rings or circular ring segments. Between the circular surfaces there is a connecting surface piece which is used to fix a connection means, e.g. a wire end sleeve is used.
  • the connecting material may be preferred as Lötzinn-Ronde on the
  • the contact element ie the soldering foot, consists of FeCr 2 8 or FeNi 29 Coi 7 .
  • the lead-free solder comprises, at least as a component, the following alloys: Bi 57 Sn 42 Agi, Bi 57 Sn 40 AG 3, SnAg. 3 8 Cu 0 .7 or Sn 55 Bi 44 Agi.
  • the soldering foot in the form of a quasi-elongated "eight" has a length of about 20 mm and one each end-side outer diameter of approx. 6 mm with a material thickness of approx. 0.8 mm. It is within the meaning of the embodiment of the invention to modify the mentioned form of Lötfußes also to an exploded double night, without leaving the theory of the invention.
  • the connecting surface piece has a length of about 9 mm.
  • stray electromagnetic fields at least one of the surface sides of the soldering foot has a circumferential radius of e.g. Has 0.2 mm.
  • the inventive method is summarized by the steps of creating an electrical contact element, designed as Lötfuß
  • the contact element material is based on an iron-nickel or iron-chromium alloy. Furthermore, a lead-free bonding material is applied to the contact element, i. applied the soldering foot. in the
  • connection is carried out by positioning the soldering foot on the respective
  • Lötan gleich Structure which preferably consists of a silver thick-layer material and which is located on a glass sheet.
  • solder foot material and only reduced heating of the silver-containing material of the respective solder pad.
  • the soldering step is completed after a very short time, in particular a time ⁇ 10 seconds, preferably in particular in a time of 4 to 6 seconds.
  • the electrical connection element according to the invention ie the specially trained soldering foot, will be explained in more detail using an exemplary embodiment and with the aid of figures.
  • Fig. 1 is a side view of the soldering foot with exemplary dimensioning in
  • Fig. 2 is a plan view of the contact element of Fig. 1; 3 shows a detailed view A according to FIG. 1 and FIG. 4 shows a narrow side view of the soldering foot.
  • the electrical connection element shown in the figures is designed as Lötfuß and consists of two circular surface segments 1; Second
  • a conductor or a conductor end sleeve (not shown) is provided in the area of the joining surface piece 3, e.g. fixed by welding or soldering.
  • protrusions 4 are formed on the underside of the soldering foot, which are for example embossed beads.
  • projections 4 rest on the surface of the structure during the soldering process and form a defined one with an exemplary height of 0.3 mm
  • solder In sleeve-like holes 5, the solder is cohesively fixed, so that a corresponding prefabrication of the soldering foot including solder can be done in a simple manner.
  • at least one of the surface sides of the soldering foot is provided with a circumferential radius 6 of, for example, 0.2 mm.
  • Figs. 1 and 2 are merely exemplary, i. Without limiting the teaching of the invention to understand.
  • Decisive is a taper 8 such that the width of the connecting surface piece 3 is smaller than the diameter of the corresponding
  • the width of the connecting surface piece 3 is 4 mm; however, the diameter of the

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozesszeitverkürzung beim Löten elektrischer oder elektronischer Bauteile mittels elektromagnetischer Induktionserwärmung, insbesondere dem Verlöten von elektrischen Kontaktelementen mit Lötanschlussflächen, welche auf einem nichtmetallischen Substrat, insbesondere einer Glasscheibe aufgebracht sind. Erfindungsgemäß erfolgt zunächst die Schaffung eines elektrischen Kontaktelements, ausgebildet als Lötfuß, aus einem Material auf der Basis einer Eisen-Nickel- oder Eisenchrom-Legierung. Im Anschluss wird auf den Lötfuß ein bleifreies Verbindungsmaterial aufgebracht. Nach dem Positionieren des Lötfußes auf der jeweiligen Lötanschlussfläche erfolgt ein induktives Aufheizen des Lötfußes mittels hochfrequenter Energie mit erhöhter Erwärmung des Lötfußmaterials und reduzierter Erwärmung des silberhaltigen Materials der jeweiligen Lötanschlussfläche. Der Lötschritt wird nach einer Zeit <10 s, insbesondere in einer Zeit <4 bis 6 s abgeschlossen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kontaktelement in Form eines speziellen Lötfußes.

Description

Verfahren zur Prozesszeitverkürzung beim Löten elektrischer oder elektronischer Bauteile mittels elektromagnetischer Induktionserwärmung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozesszeitverkürzung beim Löten elektrischer oder elektronischer Bauteile mittels elektromagnetischer
Induktionserwärmung, insbesondere dem Verlöten von elektrischen
Kontaktelementen mit Lötanschlussflächen, welche auf einem nichtmetallischen Substrat, insbesondere einer Glasscheibe aufgebracht sind, sowie
Kontaktelement hierfür.
Aus der DE 102004057630 B3 ist ein Verfahren zum Löten einer Mehrzahl von elektrischen Anschlüssen vorbekannt, bei dem Kontaktelemente mit auf einer nichtmetallischen Scheibe angeordneten Lötanschlussflächen zu verlöten sind.
Bei dem vorbekannten Verfahren wird auf einen induktiven Lötprozess zurückgegriffen. Diesbezüglich wird von einem eine elektrisch gespeiste
Schleife oder Spule umfassenden und im Bereich mehrerer Lötanschlussflächen überdeckenden Lötwerkzeug ein Magnetfeld mit einer vorgehebenen Frequenz zu den Lötstellen abgestrahlt, um diese durch Induktion zu erhitzen, wobei die Größe und die Form des Lötwerkzeugs mit der Schleife oder Spule abhängig von der Fläche dimensioniert wird, auf der mehrere in einem Lötvorgang gleichzeitig aufzuheizende Lötstellen angeordnet sind.
Die Frequenz der an die Schleife oder Spule angelegten Wechselspannung ist an die Anschlussgeometrie angepasst und wird auf höchstens 150 kHz eingestellt. Konkret liegt die Frequenz des Magnetfelds zwischen 5 und 150 kHz.
Die Lehre nach DE 102004057630 B3 geht von der Erkenntnis aus, dass bei Versuchen des induktiven Lötens mit Frequenzen im Bereich zwischen 700 und 900 kHz keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt worden sind. Es wurde festgestellt, dass sich die als Lötanschlussflächen dienenden Leiterstrukturen auf der Scheibenoberfläche, die aus einer eingebrannten Dickschicht aus einer Siebdruckpaste mit relativ hohem Silberanteil bestehen, übermäßig aufheizen und sehr viel Wärme abführen, während zugleich die zu lötenden Bauteile noch nicht hinreichend erwärmt sind. Als Ursache wird darauf verwiesen, dass die Leiterstruktur bzw. deren Material eine hohe Absorption für die induktiv eingetragenen Hochfrequenzwellen aufweist. Die Erwärmung geht bei Verwendung hoher Frequenzen nicht oder nur sehr langsam in den Tiefenbereich eines Körpers, sondern bleibt an dessen Oberfläche, was als sogenannter Skin-Effekt bezeichnet wird.
Demnach wird abweichend von Erkenntnissen der Gerätehersteller die
Frequenz der induzierten Wellen beim induktiven Löten deutlich herabgesetzt, und zwar in einem Bereich <150 kHz. Mit dieser Frequenz soll die Eindringtiefe des Magnetfelds erhöht werden. Als Nachteil wird in der DE 102004057630 B3 herausgestellt, dass eine erhöhte elektrische Leistung bereitzustellen ist, da die relativ niederfrequente Strahlung vergleichsweise hohe Übertragungsverluste in Luftspalt und Scheibenkörper erfährt. Insofern muss mit höherer Feldstärke des niederfrequenten Magnetfelds gearbeitet werden.
Aus der DE 20203202 Ul ist ein elektrischer Anschluss, insbesondere Crimp- oder Quetschanschluss, für mindestens eine an einer Scheibe eines
Fortbewegungsmittels, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, anzuordnende elektrische Einrichtung, wie z.B. eine Antenne, vorbekannt. Der elektrische Anschluss umfasst mindestens ein im Wesentlichen ebenes, auf die Scheibe aufzulötendes Lötpad und mindestens ein, mit dem Lötpad durch Schweißen oder Löten in Verbindung stehendes, mindestens ein elektrisches Kabel im Quetschanschluss festlegendes Quetschteil, insbesondere Crimp.
Gemäß der dortigen Lösung ist die Verbindung zwischen dem Lötpad und dem Quetschteil in Form mindestens eines Verbindungsteils ausgebildet, wobei das Verbindungsteil so ausgestaltet wird, dass das Quetschteil in den Bereich des Lötpads und/oder über den Bereich des Lötpads hinaus zurückbiegbar ist.
Die DE 102006047764 AI offenbart ein bleifreies Weichlot mit verbesserten Eigenschaften bei Temperaturen um >150°C. Das bleifreie Weichlot basiert auf einer Sn-In-Ag-Lotlegierung, enthaltend zwischen 88 bis 98,5 Gew.% Sn, zwischen 1 bis 10 Gew.-% In, zwischen 0,5 bis 3,5 Gew.-% Ag, zwischen 0 bis 1 Gew.-% Cu und eine Dotierung mit einem Kristallisations-Modifier,
insbesondere maximal 100 ppm Neodym. Dieses Lot soll eine gute
Verträglichkeit hinsichtlich der eingesetzten Verbindungsmittel und eine hohe Dauerfestigkeit besitzen. Die DE 202011 100906 Ul zeigt ein elektrisches Anschlusselement zum
Kontaktieren einer auf einem flächigen Träger befindlichen leitfähigen Struktur mittels eines thermisch-stoffschlüssigen Verbindungsmaterials, wobei auf seiner, von der leitfähigen Struktur abgewandten Seite, Mittel zum Fixieren eines Leiters angeordnet sind. Das Anschlusselement ist als Lötfuß
ausgebildet, welcher eine, mindestens angenäherte Acht- oder Kreisringform besitzt. Bevorzugt besteht der Lötfuß der vorbekannten Art aus mehreren, ineinandergreifenden Kreisringen oder Kreisringsegmenten. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei einem derartigen Anschlusselement im Bereich der
ineinandergreifenden Kreisringe oder Kreisringsegmente bei einem induktiven Lötprozess eine hohe Konzentration des elektromagnetischen Feldes entsteht, was zu einer Überhitzung der Glasstruktur beim Löten auf einer
entsprechenden Sammelschiene der Glasscheibe und somit zu deren
Zerstörung führt.
Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes Verfahren zur Prozesszeitverkürzung beim Löten elektrischer oder
elektronischer Bauteile mittels elektromagnetischer Induktionserwärmung, insbesondere dem Verlöten von elektrischen Kontaktelementen mit
Lötanschlussflächen, welche auf einem nichtmetallischen Substrat,
insbesondere einer Glasscheibe aufgebracht sind, anzugeben, bei dem es gelingt, mit klassischen Frequenzen eine optimale Erwärmung des zu
verlötenden Objekts auf induktive Weise zu bewerkstelligen, ohne dass
Gegenkontaktflächen einer zu starken Erwärmung unterliegen mit den hierdurch verbundenen nachteiligen Auswirkungen der eingesetzten
nichtmetallischen Substrate, insbesondere dann, wenn es sich bei diesem Substrat um eine Glasscheibe, z.B. eine Fahrzeugscheibe handelt.
Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes
Kontaktelement zum Löten mittels elektromagnetischer Induktionserwärmung anzugeben, welches lokale Überhitzungen beim Lötprozess zu vermeiden hilft und damit eine gleichmäßige Erwärmung der Lötpartner gestattet.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Lehre gemäß
Definition nach Patentanspruch 1 bzw. 9, wobei die Unteransprüche
mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen. Die Erfindung geht auf die grundlegenden Erkenntnisse des Prinzips der Induktionserwärmung zum Zweck des Lötens zurück. Durch die Möglichkeit des partiellen Erwärmens beim Induktionslöten können Lötverbindungen an
Werkstücken ausgeführt werden, die kurz und nur an der Lötstelle erwärmt werden dürfen. Damit bietet das induktive Löten grundsätzlich den Vorteil, dass unerwünschte Einflüsse auf das Gefüge und die Festigkeit benachbarter Zonen vermieden werden.
Beim Grundprinzip des Induktionslötens wird die Erkenntnis genutzt, dass elektrische Leiter, die von einem Wechselstrom durchflössen werden, um sich herum eine elektromagnetisches Feld aufbauen, das mit einer Phasenverschiebung analog zur Frequenz des Wechselstroms um den Nullpunkt oszilliert. Wird in der Nähe dieses stromdurchflossenen Leiters ein elektrisch leitender Körper gebracht, dann wird in diesem eine Spannung induziert, die ebenfalls einen Wechselstrom, den sogenannten Sekundärwechselstrom hervorruft.
Dieser induzierte Wechselstrom ist um 180° phasenverschoben zum
Primärstrom. Bei genügend ausreichendem Strom wird der zweite Leiter bzw. das Werkstück, im vorliegenden Fall der Lötfuß, durch die vom Strom erzeugte Wärme erhitzt. Die Wärmeenergie kann bei nicht ferromagnetischen
Werkstoffen mit Hilfe des Newton'schen Gesetzes bestimmt werden.
Der stromdurchflossene Primärleiter wird als Induktor bezeichnet. Die Form des Induktors wird an die Gestalt des zu erwärmenden Werkstückabschnitts, insbesondere des Lötfußes, angepasst.
Es besteht die Möglichkeit, sowohl induzierende einwindige Induktoren als auch mehrwindige Induktorspulen mit n Windungen einzusetzen, wobei im letzteren Fall der Sekundärstrom im Werkstück proportional mit der
Windungsanzahl ansteigt und den n-fachen Wert des Primärstroms erreicht.
Die induzierten Ströme fließen überwiegend nur an der Oberfläche des Leiters. Die in einem induktiv erhitzten metallischen Körper erzeugte Wärmeenergie wird somit in seiner Oberflächenschicht gestaut, deren Dicke von der Frequenz sowie von der elektrischen und magnetischen Beschaffenheit des Werkstoffs abhängt. Der diesbezügliche Skin-Effekt kommt dadurch zustande, dass ein in einem Leiter fließender Wechselstrom durch Selbstinduktion in seinem Inneren ebenfalls Wirbelströme erzeugt, die dem primären Strom entgegengesetzt gerichtet sind. Durch diese entstandene Überlagerung ergibt sich im Inneren des Leiters ein höherer Widerstand, der eine Konzentration des Stroms an der Oberfläche des Leiters bewirkt. Mit größer werdender Frequenz nimmt dieser Effekt zu, so dass bei hohen Frequenzen nur noch eine sehr dünne
Oberflächenschicht des Leiters durchflössen wird. Dies hat weiterhin zur Folge, dass der effektive Widerstand mit zunehmender Frequenz gegenüber seinem Gleichstromwiderstand wesentlich ansteigt. Weiterhin nimmt die Stromdichte von der Oberfläche zum Leiterinneren nach einer e-Funktion ab. Bezogen auf die induktive Erwärmung ist also festzustellen, dass sich das in einen Induktor eingebrachte Werkstück ebenfalls wie ein stromdurchflossener Leiter verhält.
Unabhängig von den Problemen des Skin-Effekts liegt ein wesentlicher Vorteil der Induktionserwärmung gegenüber anderen thermischen Erwärmungsverfahren in der Tatsache begründet, dass die Wärme unmittelbar im
Werkstück selbst erzeugt wird. Sie braucht also nicht durch Konvektion, Strahlung und/oder Wärmeleitung übertragen werden, was grundsätzlich hohe Aufheizgeschwind ig keiten ermöglicht.
Wird für das zu verlötende Material ein ferromagnetischer Werkstoff
eingesetzt, so addiert sich noch die Wärmeenergie hinzu, die durch
Ummagnetisierung infolge des stetig wechselnden elektromagnetischen Feldes entsteht
Erfindungsgemäß wurde das Vorurteil der Fachwelt überwunden, welches darin besteht, beim Fall des Verlötens von metallischen Lötfüßen auf elektrischen Kontaktelementen mit Lötanschlussflächen möglichst keine hohen Frequenzen zu nutzen, um ein übermäßiges Erwärmen der Lötanschlussflächen zu
vermeiden, da ansonsten zu viel Wärme abgeführt wird und eine nur
unzureichende Erwärmung der zu lötenden Bauteile die Folge ist.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass bei der Ausbildung von elektrischen Kontaktelementen, insbesondere Lötfüßen, aus einem Material aus einer Eisen- Nickel- oder Eisen-Chrom-Legierung auch bei hohen Frequenzen eine
außerordentlich schnelle Erwärmung der ferromagnetischen Elemente durch höhere Wirbelstromverluste gegeben ist. Da die Lötanschlussflächen, die üblicherweise aus einem silberhaltigen Dickschichtmaterial bestehen, einen wesentlich besseren elektrischen Leiter darstellen, ist die dort durch Induktion umgesetzte Energiemenge deutlich geringer, so dass bei der angestrebten sehr kurzen Prozessdauer ein schnelles und ausreichendes Erwärmen des Lötfuß- materials, aber nur ein geringes Erwärmen der jeweiligen Lötanschlussfläche eintritt. Damit wird auch nur wenig Energie auf das Substrat, insbesondere die eingesetzte Glasscheibe geleitet, so dass thermische Spannungen, bedingt durch den Lötprozess, vermieden werden können.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren ein bleifreies Verbindungsmaterial, insbesondere ein bleifreies Lot, für den Lötprozess zur Anwendung kommt.
Bei bleifreien Loten wird, um die Duktilität des fehlenden Bleis zu ersetzen, eine Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Glasscheibe und Lötfußmaterial dadurch erreicht, dass das Kupfer im Lötfußmaterial ersetzt wird, und zwar insbesondere durch eine Eisen-Nickel- oder Eisen-Chrom- Legierung. Gerade ein derartiges Legierungsmaterial führt zu dem besonders vorteilhaften Effekt höherer Wirbelstromverluste mit schnellerer und
intensiverer Erwärmung, so dass sich mehrfache Vorteile ergeben, und zwar unter dem genannten Aspekt der thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der gewünschten Prozesszeitverkürzung beim Löten.
In überraschender Weise wird bei der vorgeschlagenen Prozessführung und der Anwendung hochfrequenter Energie in einem Bereich von um 900 kHz das Silberschichtmaterial der auf der auf der Scheibe befindlichen Lötanschlussflächen nicht nachteilig beeinflusst oder geschädigt.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Prozessführung so ausgestaltet werden, dass einem kurzzeitigen ersten induktiven
Aufheizschritt eine kurze Abkühlphase folgt, an die sich eine weitere induktive Aufheizphase anschließt. Ein derartiger Zyklus kann auch mehrfach ausgeführt werden, und zwar innerhalb der sehr kurzen Gesamtprozesszeit. Eine derartige Prozessführung erhöht die Scherfestigkeit der erreichten Lötverbindung erheblich.
Das erfindungsgemäß eingesetzte elektrische Kontaktelement dient dem
Kontaktieren einer auf einem flächigen Träger, insbesondere der erwähnten Glasscheibe befindlichen leitfähigen Struktur, diese wiederum bestehend aus einer Silberdickschicht. Wie bereits erwähnt, ist der Träger bzw. das Substrat bevorzugt eine Scheibe aus einem Sicherheitsglas, insbesondere zum Einsatz in der Kraftfahrzeugtechnik. Die leitfähige Struktur ist ein elektrisch leitfähiges Gebilde, z.B. in Form einer Antennen- oder Heizleiteranordnung, die mittels Siebdruck realisierbar ist. Als Verbindungsmittel wird insbesondere bleifreies Lot verwendet, welches auf der Seite des elektrischen Anschlusselements befindlich ist, welches frei von einer Adernendhülse oder einem ähnlichen Mittel zum Befestigen eines flexiblen Leiters ist.
Das Kontaktelement, ausgebildet als Lötfuß, weist eine, mindestens
angenäherte Form der Zahl Acht oder eine angenäherte Kreisringform auf. Dabei ist der Lötfuß flächig ausgebildet und besteht aus einer Eisen-Nickeloder Eisen-Chrom-Legierung.
Erfindungsgemäß besteht der Lötfuß aus mehreren, nicht ineinandergreifenden oder sich nicht berührenden, d.h. beabstandeten Kreisflächen, Kreisringen oder Kreisringsegmenten. Zwischen den Kreisflächen ist ein Verbindungsflächenstück vorhanden, welches zum Fixieren eines Anschlussmittels, z.B. einer Adernendhülse dient.
Das Verbindungsmaterial kann bevorzugt als Lötzinn-Ronde auf dem
Kontaktelement einseitig aufgebracht werden.
In bevorzugter Weise besteht das Kontaktelement, d.h. der Lötfuß, aus FeCr28 oder FeNi29Coi7.
Das bleifreie Lot weist, mindestens als Bestandteil, folgende Legierungen auf: Bi57Sn42Agi, Bi57Sn40AG3, SnAG3.8Cu0.7 oder Sn55Bi44Agi.
Durch die Materialwahl des elektrischen Kontaktelements ergibt sich ein Ausdehnungskoeffizient, der sehr nahe an dem Ausdehnungskoeffizient von Autoglasscheiben, nämlich ca. 9xl0"6 K liegt. Möglicherweise entstehende oder verbleibende Spannungen werden durch die besondere Form des Lötfußes im Glas verteilt und vom Glasmaterial aufgenommen, ohne dass die Gefahr einer Beeinträchtigung oder Zerstörung besteht.
Beispielsweise besitzt der Lötfuß in Gestalt einer quasi in Längsrichtung auseinandergezogenen„Acht" eine Länge von ca. 20 mm und jeweils einen endseitigen Außendurchmesser von ca. 6 mm bei einer Materialdicke von ca. 0,8 mm. Es liegt im Sinne der Ausgestaltung der Erfindung, die erwähnte Form des Lötfußes auch zu einer auseinandergezogenen Doppelacht abzuwandeln, ohne die Erfindungslehre zu verlassen. Das Verbindungsflächenstück weist eine Länge von ca. 9 mm auf.
Es hat sich in überraschender Weise gezeigt, dass insbesondere die
vorgeschlagene Flächenform des Kontaktelements einer optimalen induktiven Aufwärmung im Sinne der gewünschten schnellen Erwärmung und Reduzierung der Prozesszeit genügt, wobei zur Vermeidung von nachteiligen
elektromagnetischen Streufeldern mindestens eine der Oberflächenseiten des Lötfußes einen umlaufenden Radius von z.B. 0,2 mm besitzt.
Bei beispielhaften Experimenten zum Verlöten von eisennickelhaltigen oder aus Edelstahl bestehenden Kontaktelementen bzw. Lötfüßen konnte eine Prozesszeitverkürzung von >50% im Vergleich zum induktiven Löten von kupfer- haltigen Materialien nachgewiesen werden. Vergleicht man das vorgeschlagene induktive Löten mit einem klassischen Widerstandslöten der elektrischen Kontaktelemente, dann verkürzt sich die Prozesszeit von 12 bis 15 Sekunden beim induktiven Löten auf ca. 4 bis 6 Sekunden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zusammenfassend von den Schritten der Schaffung eines elektrischen Kontaktelements, ausgebildet als Lötfuß
gekennzeichnet, wobei das Kontaktelementmaterial auf eine Eisen-Nickel- oder Eisen-Chrom-Legierung zurückgeht. Weiterhin wird ein bleifreies Verbindungsmaterial auf das Kontaktelement, d.h. den Lötfuß aufgebracht. Im
Anschluss erfolgt ein Positionieren des Lötfußes auf der jeweiligen
Lötanschlussfläche, die bevorzugt aus einem Silberdickschichtmaterial besteht und die sich auf einer Glasscheibe befindet.
Im Anschluss erfolgt ein induktives Aufheizen des Lötfußes mittels
hochfrequenter Energie mit sich ergebender erhöhter Erwärmung des
Lötfußmaterials und nur reduzierter Erwärmung des silberhaltigen Materials der jeweiligen Lötanschlussfläche. Der Lötschritt wird nach einer sehr kurzen Zeit insbesondere einer Zeit <10 Sekunden, bevorzugt insbesondere in einer Zeit von 4 bis 6 Sekunden, abgeschlossen. Das erfindungsgemäße elektrische Anschlusselement, d.h. der speziell ausgebildete Lötfuß, soll anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht des Lötfußes mit beispielhafter Bemaßung im
Maßstab 8:1;
Fig. 2 eine Draufsicht auf das Kontaktelement nach Fig. 1; Fig. 3 eine Detaildarstellung A nach Fig. 1 und Fig. 4 eine Schmalseitenansicht des Lötfußes.
Das in den Figuren dargestellte elektrische Anschlusselement ist als Lötfuß ausgebildet und besteht aus zwei Kreisflächensegmenten 1; 2.
Zwischen den Kreisflächensegmenten 1; 2 liegt ein Verbindungsflächenstück 3. In der Draufsicht nach Fig. 2 besitzt demnach der Lötfuß die Form einer quasi auseinandergezogenen„Acht" mit zwei, nicht ineinandergreifenden
Kreisflächensegmenten 1; 2 und dem Verbindungsflächenstück 3.
Bevorzugt wird ein Leiter oder eine Adernendhülse (nicht gezeigt) im Bereich des Verbindungsflächenstücks 3 z.B. durch Schweißen oder Löten befestigt.
Im Bereich der Kreisflächensegmente 1; 2 sind an der Unterseite des Lötfußes Vorsprünge 4 ausgebildet, die beispielsweise durchgeprägte Sicken sind.
Diese Vorsprünge 4 liegen beim Lötvorgang auf der Oberfläche der Struktur an und bilden mit einer beispielhaften Höhe von 0,3 mm einen definierten
Lötspalt.
In hülsenartigen Bohrungen 5 ist das Lot stoffschlüssig fixierbar, so dass eine entsprechende Vorfertigung des Lötfußes inklusive Lot in einfacher Weise erfolgen kann. Zur Vermeidung von nachteiligen elektromagnetischen Streufeldern oder einer Feldkonzentration ist mindestens eine der Oberflächenseiten des Lötfußes mit einem umlaufenden Radius 6 von z.B. 0,2 mm versehen.
Die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Bemaßungen sind rein beispielhaft, d.h. ohne Einschränkung der erfindungsgemäßen Lehre zu verstehen.
Das Verbindungsflächenstück 3 kann eine Kröpfung 7 mit dem beispielsweisen Radius R = 0,8 mm besitzen.
Maßgeblich ist eine Verjüngung 8 dergestalt, dass die Breite des Verbindungsflächenstücks 3 kleiner ist als der Durchmesser des entsprechenden
Kreisflächensegments 1; 2. Beim gezeigten Beispiel beträgt die Breite des Verbindungsflächenstücks 3 4 mm; hingegen der Durchmesser der
Kreisflächensegmente 1; 2 6 mm.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Prozesszeitverkürzung beim Löten elektrischer oder elektronischer Bauteile mittels elektromagnetischer Induktionserwärmung, insbesondere dem Verlöten von elektrischen Kontaktelementen mit
Lötanschlussflächen, welche auf einem nichtmetallischen Substrat,
insbesondere einer Glasscheibe aufgebracht sind,
mit folgenden Schritten:
- Schaffung eines elektrischen Kontaktelements, ausgebildet als Lötfuß, aus einem Material einer Eisen-Nickel- oder Eisen-Chrom-Legierung;
- Aufbringen eines bleifreien Verbindungsmaterials auf den Lötfuß;
Positionieren des Lötfußes auf der jeweiligen Lötanschlussfläche;
induktives Aufheizen des Lötfußes mittels hochfrequenter Energie mit erhöhter Erwärmung des Lötfußmaterials und reduzierter Erwärmung des Materials der jeweiligen Lötanschlussfläche;
- Abschluss des Lötschritts nach einer Zeit <10 s, bevorzugt 4 bis 6 s.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die hochfrequente Energie im Bereich von 700 bis 1500 kHz, insbesondere bei im Wesentlichen 900 kHz liegt.
3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verbindungsmaterial bzw. Lot aus einem bleifreien Material, insbesondere Bi57Sn42Agi, Bi57Sn40AG3, SnAG3.sCuo.7 oder Sn55Bi44Agi besteht.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Lötfuß verwendet wird, welcher aus mindestens zwei, nicht
ineinandergreifenden, durch ein Verbindungsflächenstück beabstandeten Kreisflächen, Kreisringen, Kreisringsegmenten oder aus Kreisflächensegmenten besteht, wobei der Lötfuß bevorzugt außerhalb des Verbindungsflächenstücks Vorsprünge zur Bildung eines definierten Lötspalts aufweist.
5. Elektrisches Anschlusselement zum Kontaktieren einer auf einem flächigen Träger befindlichen leitfähigen Struktur mittels eines thermisch-stoffschlüssigen Verbindungsmaterials, wobei auf seiner von der leitfähigen Struktur abgewandten Seite Mittel zum Fixieren eines Leiters angeordnet sind, weiterhin das Anschlusselement als Lötfuß ausgebildet ist, welcher eine angenäherte Form einer Acht besitzt,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Lötfuß aus mindestens zwei, nicht ineinandergreifenden, durch ein
Verbindungsflächenstück (3) beabstandeten Kreisflächen, Kreisringen,
Kreisringsegmenten oder aus Kreisflächensegmenten (1; 2) besteht.
6. Elektrisches Anschlusselement nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Lötfuß bevorzugt außerhalb des Verbindungsflächenstücks (3) Vorsprünge (4) zur Bildung eines definierten Lötspalts aufweist.
7. Elektrisches Anschlusselement nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Mittel zum Fixieren des Leiters in bzw. auf dem Verbindungsflächenstück (3) befindlich ist.
8. Elektrisches Anschlusselement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
das thermisch-stoffschlüssige Verbindungsmaterial auf einer Seite des
Anschlusselements aufgebracht ist und dort eine Fläche einnimmt, die kleiner als die Kreis- oder Kreisringfläche (1; 2) ist.
9. Elektrisches Anschlusselement nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verbindungsmaterial als Lötzinn-Ronde ausgebildet ist, welche mindestens teilweise in einer Ausnehmung (5) oder Bohrung im Bereich der jeweiligen Kreis- oder Kreisringfläche (1; 2) angeordnet ist.
10. Elektrisches Anschlusselement nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
das Anschlusselement aus einer Eisen-Nickel- oder Eisen-Chrom-Legierung oder einer Mischung hieraus besteht.
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