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Title:
PROCESS FOR BONDING CONTACT LAYERS TO A CONTACT SUBSTRATE BY HARD SOLDERING AND SEMIFINISHED PRODUCT USED TO IMPLEMENT THIS PROCESS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1993/008583
Kind Code:
A1
Abstract:
Especially in the case of contact layers made of a silver-metal oxide (AgMeO)-based material whose backside is provided with hard solder, it has been observed that the hard solder may indesirably ascend to the contact surfaces during hard soldering on a contact substrate. This is explained by the heat produced during hard soldering. According to the invention, the wettability of the side surfaces of the contact layers is reduced in order to prevent the hard solder from ascending to the printed circuit surface. Preferably, metal oxides are inserted for this purpose into the surfaces of the contact layers. In the case of silver-metal oxide (AgMeO)-based contact layers, metal oxides that are already available in the material as active elements are preferably used.

Inventors:
HAUNER FRANZ (DE)
SCHNEIDER MANFRED (DE)
DOETZER ALFRED (DE)
Application Number:
PCT/DE1992/000885
Publication Date:
April 29, 1993
Filing Date:
October 22, 1992
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
International Classes:
B23K1/20; H01H11/04; H01H11/06; H01H1/023; H01H1/0237; (IPC1-7): H01H11/06
Foreign References:
US3596030A1971-07-27
DE1055147B1959-04-16
DE2514237A11975-10-09
EP0301218A11989-02-01
EP0288585A11988-11-02
US2468888A1949-05-03
DE2260559A11974-06-12
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Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zum Verbinden von Kontaktauflagen mit einem Träger durch Hartlöten, Insbesondere von Kontaktauflagen aus einem Werkstoff auf SilberMetalloxid(AgMeO)Basis, bei dem die Kontaktauflagen an ihrer Rückseite mit Lot versehen werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ¬ n e t , daß vor dem Lötvorgang die Benetzbarkeit der Kontaktauflagen an deren Seitenflächen so weit verschlech tert wird, daß das Hochsteigen von Lot zur Schaltfläche vermieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß zur Verschlechterung der Benetzbarkeit Metalloxide in die Oberflächen der Kontakt¬ stücke eingebracht werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Metalloxide Zinnoxid (Sn02), Wismutoxid (Bi203), Kupferoxid (CuO), Tantaloxid (Ta205), Indiumoxid (ln20,), Wolframoxid (W 0,), Molybdän¬ oxid (MoO,) als eine oder mehrere Komponenten enthalten.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß solche Metalloxide eingesetzt werden, die auch im Kontaktwerk¬ stoff als Wirkkomponente enthalten sind.
5. Verfahren nach Anspruch 3 und Anspruch 4, wobei die Kontaktstücke aus einem Werkstoff der Konstitution AgSn02Bi20,CuO bestehen, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß die zusätzlich eingebrachten Metalloxide Sn02, Bi20, und/oder CuO sind.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Me¬ talloxide nach dem Hartlöten der Kontaktauflagen auf den Träger von den freien Flächen, zumindest aber von der Kontaktfläche wieder entfernt, insbesondere abgebeizt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß solche Metalloxide einge setzt werden, die vom verwendeten Beizmittel gelöst wer¬ den.
8. Verfahren nach Anspruch 5 und Anspruch 7, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Me talloxid Wismutoxid (Bi20,) oder Kupferoxid (CuO) verwen¬ det wird, welche beide von Salzsäure (HCl) aufgelöst wer¬ den.
9. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zum Verbinden der Kontakt¬ auflagen mit dem Träger durch Hartlöten ein hartes, kalt verformtes Lot verwendet wird, so daß auf der Lotseite nur wenig Metalloxid in die Oberfläche eingebracht wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Ein¬ bringen des Metalloxids in die Oberflächen der Kontaktauf¬ lagen durch Strahlen mit den Metalloxiden als Strahlmittel erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Kontaktauflagen insbesondere separate Kontaktstücke sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Einbringen der Metalloxide durch Gleitschleifen unter Zu¬ satz der Oxide erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Gleitschleifen mit Schleifsteinen durchgeführt wird.
13. Halbzeug zur Verwendung bei einem Verfahren nach An¬ spruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß auf den freien Oberflächen der Kontaktauflage eine höhere Konzen¬ tration wenigstens eines der Oxide vorliegt als im Inneren der Kontaktauflage.
14. Halbzeug nach Anspruch 13, wobei die Kontaktauflage durch separate Kontaktstücke gebildet ist, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die höhere Konzentration an den schmalen Kanten der Kontaktstücke vorliegt.
15. Halbzeug nach Anspruch 13, wobei die Kontaktauflage durch Bänder oder Profile gebildet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die höhere Konzentra¬ tion an den Seitenkanten des Bandes oder des Profiles vor liegt.
Description:
Verfahren zum Verbinden von Kontaktauflagen mit einem

Kontaktträger durch Hartlöten und Halbzeug zur Verwendung bei diesem Verfahren

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden von Kontaktauflagen mit Kontaktträgern, insbesondere von Kontaktauflagen aus einem Werkstoff auf Silber-Metall- oxid(MeO)-Basis, bei dem die Kontaktauflagen an ihrer Rückseite mit Lot versehen sind. Als Kontaktauflagen sind dabei separate Kontaktstücke oder Bänder bzw. Profile zum Ablängen einzelner Kontaktstücke zu verstehen. Da¬ neben bezieht sich die Erfindung auch auf ein Halbzeug zur Verwendung beim angegebenen Verfahren.

Bei der Schaltgeräte-Fertigung werden Kontaktstücke auf die Kontaktträger des Schaltgerätes üblicherweise durch Hartlö¬ ten befestigt. Dazu wird auf die Rückseite der. Kontaktstücke oder des als längeres Band vorliegenden Materials eine Lot¬ folie aufgebracht, beispielsweise durch Walzplattieren oder Auflöten von einzelnen Lotplättchen. Lotfolien können auch durch Ultraschall angeheftet und anschließend eingepreßt wer¬ den, wie es insbesondere in der älteren, nachveröffentlich¬ ten DE-A-40 24 941 beschrieben ist. Die vorbeloteten Kontakt¬ stücke werden weitgehend automatisiert weiterverarbeitet und im Rahmen eines integrierten Fertigungsvorganges, z.B. durch induktive Erwärmung, auf dem Kontaktträger befestigt.

Bei derartigen energieinduzierten Prozessen können Pro¬ bleme dadurch auftreten, daß von der Lotseite her flüssi- ges Lot über die Schmalseiten der Kontaktstücke hochsteigt und auf die Schaltfläche gelangt. Durch solche unkontrol-

lierbare Vorgänge kann bei der bestimmungsgemäßen Verwen¬ dung des Schaltgerätes das Schaltverhalten der Kontakt¬ stücke in unerwünschter Weise beeinflußt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Behandlungsverfah¬ ren für Kontaktauflagen anzugeben, durch das ausgeschlos¬ sen wird, daß sich nach dem Hartlöten Lotbestandteile auf der Schaltfläche der Kontaktauflage befinden. Weiterhin soll ein diesbezügliches Halbzeug bereitgestellt werden.

Die Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Benetzbarkeit der Kontaktauf¬ lagen an ihren Seitenflächen soweit verschlechtert wird, daß das Hochsteigen von Lot zur Schaltfläche vermieden wird. Zur Verschlechterung der Benetzbarkeit werden vor¬ zugsweise Metalloxide in die Oberflächen der Kontaktaufla¬ gen eingebracht.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden als Metalloxide beispielsweise eine oder mehrere der Komponenten Zinnoxid (Sn0 2 ), Wismutoxid (Bi 2 0 3 ), Kupferoxid (CuO), Tantaloxid (Ta 2 0 5 ), Indiumoxid (ln 2 0 3 ), Wolframoxid (II O j ) oder Molybdänoxid (MoO,) verwendet. Insbesondere bei Werkstof¬ fen auf der Basis von Silber-Metalloxid lassen sich dabei solche Metalloxide einsetzen, die bereits im Kontaktwerk¬ stoff enthalten sind. Dadurch wird die Beeinflussung der Schalteigenschaften der aus dem Werkstoff gefertigten Kontaktauflage minimiert.

Mit der Erfindung wird also ein solches Halbzeug zur Ver¬ fügung gestellt, bei dem an den freien Oberflächen der Kontaktauflage eine höhere Konzentration wenigstens eines der Oxide als im Inneren der Kontaktauflage vorliegt. Vor-

zugsweise ist dies bei Kontaktstücken nur an den schmalen Seiten und bei Bändern bzw. Profilen nur bei den Seiten¬ kanten der Fall.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung werden in einem nachgeschalteten Verfahrensschritt die Metalloxide nach dem Hartlöten des Kontaktstückes auf den Kontakt- träger von den freien Flächen, zumindest von der Kontakt¬ oberfläche wieder entfernt. Da sich üblicherweise im Rahmen der Fertigung eine Beizbehandlung der Kontaktober¬ flächen anschließt, können deswegen solche Metalloxide eingesetzt werden, die durch die Beizbehandlung entfernt werden können. Weiterhin kann ein hartes, insbesondere kaltverformtes Lot verwendet werden, so daß auf der Lot- seite nur wenig Metalloxid in die Oberfläche eingebracht wird.

Zum Einbringen von Metalloxiden in die Oberflächen der Kontaktstücke bieten sich bekannte Verfahren an: Dies sind alternativ das Strahlen mit den Metalloxiden als Strahl¬ mittel oder das Gleitschleifen mit Zusatz der Metalloxide. Letzteres kann ohne oder auch mit zusätzlichen Schleif¬ steinen erfolgen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungs¬ beispielen.

Die Erfindung wurde im einzelnen bei Kontaktstücken der Konstitution Silber-Metalloxid (AgMeO) für den Einsatz bei Schaltgeräten der Energietechnik erprobt. Insbesondere wurden in diesem Zusammenhang Kontaktwerkstoffe aus AgSn0 2 Bi 2 0,CuO, die mit spezifischen Zusammensetzungen in

der EP-A-0 164664 und der EP-A-0 170 812 beschrieben sind, verwendet.

Beispiel 1: Nach bekannten Verfahren hergestellte Kon- taktstücke aus obigen Werkstoffen sind beispielsweise als quaderförmiger Körper mit Abmessungen von 13 mm x 13 mm x 2,5 mm ausgebildet. Das Verbinden der Kontaktstücke mit dem Kontaktträger im elektrischen Schaltgerät erfolgt üblicherweise durch Hartlöten. Dafür werden zunächst Lot- folien auf der einen Grundfläche der Kontaktstücke be¬ festigt. Diese so vorbeloteten Kontaktstücke können an¬ schließend im Rahmen einer integrierten Fertigung der Mon¬ tagelinie für Schaltgeräte automatisiert zugeführt und durch Energiezufuhr, beispielsweise durch induktive Er- wärmung, mit dem Kontaktträger verbunden werden.

Beim induktiven Erwärmen kommt es zu einem Aufschmelzen des Lotes» Auch wenn das Lot auf der Unterseite der Kon¬ taktstücke begrenzt ist und unmittelbar auf den Kontakt- träger aufliegt, kann es zu einem Aufsteigen des Lotes kommen. Damit entstehen gelegentlich solche Veränderungen auf den Oberflächen des Kontaktstückes, welche die Schalteigenschaften während der Lebensdauer des Schalt¬ gerätes verändern.

Um letzteren unerwünschten Effekt auszuschalten, wird vor dem eigentlichen Hartlötprozeß die Benetzbarkeit der Kon¬ taktstücke an ihren Seitenflächen soweit verschlechtert, daß das Hochsteigen von Lot zur Schaltfläche vermieden wird. Dazu werden in die Oberflächen des Kontaktstückes

Metalloxide eingebracht.

Bei einem Kontaktstück der Konstitution AgSn0 2 2 0,CuO

empfiehlt es sich, als einzubringendes Metalloxid speziell Wismutoxid (Bi 2 0,) oder Kupferoxid (CuO) zu verwenden. Dies erfolgt beispielsweise durch Strahlen mit Wismutoxid als Strahlmittel. Dafür werden die Kontaktstücke zweck¬ mäßigerweise mit der beloteten Seite nach unten auf einen Träger aufgebracht und der Träger durch eine Strahlstatioπ geführt. Dieser Vorgang kann in einem kontinuierlichen Durchlauf erfolgen. Entsprechend kann bei einem vorbelote- te Band oder Profil zum späteren Ablängen einzelner Kon¬ taktstücke im Durchlauf gearbeitet werden.

Es hat sich gezeigt, daß die geringen zusätzlichen Mengen von Wismutoxid, die in die freien Flächen des Kontakt¬ stückes eingebracht werden, im allgemeinen die Schalt- eigenschaften der Kontaktstücke kaum verändern, da ins¬ besondere der Kontaktwerkstoff auch bereits Wismutoxid enthält. Es ergibt sich aber im Oberflächeπbereich des so als Halbzeug aufbereiteten Kontaktstückes eine im Sub- μm-Bereich signifikante Erhöhung der Wis utoxidkonzentra- tion. Da aber üblicherweise die Kontaktstücke im Rahmen der weiteren Schaltgerätefertiguπg abgebeizt werden, kann bei Verwendung eines geeigneten Beizmittels das einge¬ brachte Wismutoxid noch während des Fertigungsvorganges wieder entfernt werden. Als Beizmittel ist Salzsäure (HCl) geeignet, welche Wismutoxid auflöst.

Beispiel 2: Unbelotete oder belotete Kontaktstücke werden mit den Grundflächen aufeinandergestapelt, so daß bei einem Stapel mit einer großen Anzahl von Kontaktstücken nur die vier Schmalseiten frei, dagegen sowohl die Kon¬ taktfläche als auch die Lotoberflächen abgedeckt sind. Ein solcher Stapel wird ganz entsprechend Beispiel 1 durch eine Strahlstatioπ geschoben. Dabei kann durch zusätzli-

ches Drehen des Stapels um seine Längsachse erreicht werden, daß der Einbau von Wismutoxid oder Kupferoxid jeweils nur gleichmäßig in den Seltenflächen der Kontakt¬ stücke erfolgt. Anschließend kann der Hartlötvorgang un- mittelbar erfolgen.

Beispiel 3: Unbelotete oder belotete Kontaktstücke werden in einer Trommel gleitgeschliffen, wobei das betreffende Metalloxid als Pulver hinzugefügt wird. Das Gleitschleifen kann mit oder- ohne Verwendung von In der Praxis üblichen Scheuersteinen erfolgen.

Um bei mit Lot versehenen Kontaktstücken eine nachteilige Beeinflussung der Lotfolie von vorneherein auszuschließen, empfiehlt es sich, ein hartes, insbesondere auch kaltver- formtes Lot zu verwenden, bei dem aufgrund der hohen Här¬ tewerte weniger Oxide In die Oberfläche eingebracht wer¬ den. Da der oben angegebene Werkstoff eine Härte von rund 90 HV hat, sollte ein solches Lot, beispielsweise das be- kannte Lot L-Ag 15P, gewählt werden, das im kaltverformten Zustand eine Härte von 150 HV hat.

Vorliegende Erfindung wurde insbesondere für solche Kon¬ taktstücke beschrieben, die aus Silber-Metalloxid(AgMeO) bestehen. Auch für andere Kontaktwerkstoff-Systeme, bei¬ spielsweise auf der Basis Silber-Graphit (AgC), Silber- Wolfram (AgW) oder Kombinationen daraus, kann ein entspre¬ chendes Verfahren zur Verschlechterung der Benetzbarkeit der Kontaktstücke an Ihren Seitenflächen eingesetzt wer- den, so daß ein Aufsteigen von Lot verhindert wird. Im

Einzelfall müssen gegebenenfalls solche Zusätze ausgewählt werden, welche die Schalteigenschaften nicht wesentlich beeinflussen. Neben Kontaktstücken können so insbesondere

Bänder oder Profile, die mit Lot plattiert sind, zu ge¬ eignetem Halbzeug, bei denen nur die Schmalseiten oder Seitenkanten im gewünschten Sinne beeinflußt sind, die Schaltflächen dagegen weitestgehend unverändert bleiben, verarbeitet werden.