Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Vorbelo¬ ten einer Kontaktauflage für ein elektrisches Schaltgerät mit Hartlot auf CuAg-Basis, über welches die Kontaktauf¬ lage mit einem Kontaktträger verbindbar ist, wofür das Hartlot als ebene Schicht aufgebracht werden muß, vorzugs- weise mit definierter Kontur, beispielsweise unter Verwen¬ dung einer Lotfolie od. dgl.. Unter einer Kontaktauflage werden ein einzelnes Kontaktstück, aber auch Kontaktbänder oder -profile zum Ablängen von einzelnen Kontaktstücken verstanden. Daneben bezieht sich die Erfindung auf Halb- zeug zur Verwendung als Kontaktauflage, insbesondere Kon¬ taktstück, Kontaktband oder Kontaktprofil, mit wenigstens einer Kontaktschicht und einer Lotschicht.

Durch Formteiltechnik hergestellte Kontaktstücke werden auf den Kontaktträgern von Schaltgeräten üblicherweise durch Hartlöten befestigt. Dazu wird auf die Rückseite der Kontaktstücke oder des als Band vorliegenden Kontaktmate¬ rials das Lot als ebene Schicht aufgebracht, beispielswei¬ se unter Verwendung einer Lotfolie. Liegt die Kontaktauf- läge zunächst als Kontaktband bzw. -profil vor, von dem später Kontaktstücke abgelängt werden, ist eine Lotschicht zunächst auch durch Walzplattieren erzeugbar. Insbesondere Lotfolien lassen sich in einfacher Weise durch Ultraschall zu einem Lotplättchen ablängen und gleichermaßen auf der Lotseite von Kontaktstücken anheften, wie es in der älte¬ ren, aber nachveröffentlichten DE-A-AO 24 941 beschrieben ist. Derartig vorbelotete Kontaktauflagen können weitge¬ hend automatisiert weiterverarbeitet und im Rahmen eines

integrierten Fertigungsvorganges, z.B. durch induktive Erwärmung und Löten auf dem Kontaktträger befestigt wer¬ den.

Bei letzterem energieinduzierten Prozeß können Probleme dadurch auftreten, daß von der Lotseite Lot über die Schmalseiten des Kontaktstückes hochsteigt und auf die Schaltfläche gelangt. Durch solche unkontrollierbaren Vorgänge kann bei der bestimmungsgemäßen Verwendung des Schaltgerätes das Schaltverhalten der Kontaktauflagen in unerwünschtem Maße beeinflußt werden.

Es wird daher verlangt, daß beim Vorbeloten von Kontakt¬ auflagen das Lot als glatte Schicht aufgebracht wird, wo- bei die Fläche der Lotschicht im allgemeinen kleiner als die Fläche an der Lotseite der Kontaktauflage ist. Dadurch soll die Benetzung der Kontaktschmalseiten mit Lot verhin¬ dert werden.

Speziell für Schaltgeräte der Energietechnik werden übli¬ cherweise Kontaktauflagen mit einer Kontaktmaterialschicht der Konstitution Silbermetall (AgMe) bzw. Silbermetallver¬ bindung (AgMeV), insbesondere auch Silbermetalloxid (AgMeO), verwendet. Häufig bilden derartige Kontaktauf- lagen einen Zweischichtaufbau, d.h. sie bestehen aus der eigentlichen Kontaktschicht und einer Schicht aus Rein¬ silber auf der Lotseite. Ein dafür geeignetes Lot ist auf der Basis von Kupfer und Silber, das weiterhin insbeson¬ dere Phosphor enthalten kann, bekannt.

Wenn gemäß dem Stand der Technik Lotfolien auf die Lotsei¬ ten von Kontaktauflagen aufgebracht werden, kann beim Auf¬ schmelzen des Lotes beobachtet werden, daß das Lot bevor-

zugt an den Rändern der Lotschicht zuerst schmilzt und sich Luft- oder Gaseinschlüsse zwischen Lotfolie und Kon¬ aktstück meist zu einer zentralen Blase auf der Lotseite des Kontaktstückes ausbilden. Zum Beseitigen derartiger für die Weiterverarbeitung der vorbeloteten Kontaktstücke störender Blasen und damit verbundener Unebenheiten auf der Oberfläche der Lotschicht muß das Lot so lange weiter erhitzt werden, bis die Blase durch Druckerhöhung platzt und sich auflöst. Bei derartig hohen Temperaturen läuft im allgemeinen das Lot bis auf die Kontaktseite des Kon¬ taktstückes.

Ausgehend von letzteren Sachverhalt ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Vorbeloten von Kontaktstücken anzugeben, mit dem eine ebene Lotschicht mit definierter

Dicke und scharfer Randkontur aufgebracht werden kann. Bei diesen Verfahren soll insbesondere eine Benetzung der Kon¬ taktseitenflächen mit Lot vermieden werden. Gleichzeitig soll ein Halbzeug zur Verwendung als Kontaktauflagen ge- schaffen werden.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die aufgebrachte Lotschicht aufgeschmolzen wird, wobei beim Aufschmelzen die freie Oberfläche der Lotschicht mit einem Material abgedeckt ist, das mit Silber und Kupfer keine Löslichkeit besitzt. Dieses Verfahren kann vorteilhaft sowohl für einzelne Koπtaktstücke, aber auch für Kontakt¬ bänder bzw. Folien angewendet werden.

Im Rahmen der Erfindung entsteht ein Halbzeug zur Verwen¬ dung als Kontaktauflagen, bei dem die Lotschicht über ihre gesamte Fläche in stoffschlüssiger Verbindung mit der Lot¬ seite der Kontaktauflage steht und bei dem die Lotschicht

ein Schmelzgefuge hat. Vorteilhafterweise liegt die Lot¬ schicht weitgehend blasenfrei auf der Lotseite der Kon¬ taktauflage auf und hat zumindest keine Blase, deren Durchmesser größer als die Dicke der Lotschicht ist. Bei einem Zweischichtkontaktstück mit einer Silber-Metall¬ oxidschicht auf der Kontaktseite und einer Reinsilber¬ schicht auf der Lotseite und einem Kupfer-Silber-Hartlot mit einem Gehalt an Phosphor besteht das Schmelzgefuge aus einem ternären Eutektikum und kupfer- oder silberreichen Mischkristallen. Dabei sind die Gebrauchseigenschaften der Lotschicht insbesondere nicht durch angelöstes Silber beeinträchtigt.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann das Material zum Ab- decken der freien Oberfläche der Lotschicht in einer ersten Alternative eine Abdeckung unter der auf ihrer Lotseite mit der Lotschicht versehenen Kontaktauflage bilden. In einer zweiten Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das -Material zum Abdecken der freien Ober- fläche der Lotschicht eine Abdeckung über der auf ihrer

Lotseite mit der Lotschicht versehenen Kontaktauflage bil¬ den. In diesem Fall wird für den Aufschmelzvorgang der Kontakt umgekehrt angeordnet. In beiden Fällen kann die Abdeckung auch durch eine um ihre Achse rotierende Walze gebildet werden, in der ein Kontaktband bzw. -profil ein¬ schließlich Lotband durchlaufend geführt ist.

Als Material zur Bildung der Abdeckung kann entweder ein hochschmelzendes Metall, z.B. Tantal (Ta), Molybdän (Mo) oder Wolfram (W), oder aber Keramik verwendet werden.

Wesentlich ist dabei neben den thermodynamischen Eigen¬ schaften des Materials, wie die Unlöslichkeit mit Kupfer und Silber, weiterhin die Forderung, keine oder nur eine

sehr geringe Benetzbarkeit des Abdeckmaterials mit flüs¬ sigem Lot zuzulassen. Damit wird in überraschender Weise erreicht, daß ein Kriechen von flüssigem Lot zu uner¬ wünschten Stellen der Kontaktstücke verhindert wird. Ins¬ besondere wird damit erreicht, daß zumindest die der Lot¬ schicht gegenüberliegende Seite der Kontaktauflage frei von Lot ist. Auch eine Benetzung der Kontaktschmalseiten mit flüssigem Lot kann damit weitestgehend ausgeschlossen werden.

Die Erfindung hat sich insbesondere beim Beloten von Zwei¬ schicht-Kontaktstücken bewährt, die aus einer Silber-Me¬ talloxid-Schicht auf der Kontaktseite und aus einer Rein¬ silberschicht auf der Lotseite bestehen und die mit einem phosphorhaltigen Lot, z.B. L-Agl5P, belotet werden. Dabei hat es sich als besonders geeignet erwiesen, das Auf¬ schmelzen durch induktive Erwärmung vorzunehmen, womit eine lokal gezielte Erwärmung erreicht wird und wobei die Temperaturzeitkurve zur Prozeßkontrolle dienen kann. Es ist aber auch eine Ofenerwärmung möglich, wenn die Halte¬ zeit entsprechend kurz gewählt wird. Weiterhin bieten sich für eine schnelle und lokale Erwärmung ein Laser oder auch eine Hochleistungslampe an. In allen Fällen erfolgt das Aufschmelzen der Lotschicht zweckmäßigerweise unter Schutzgas, vorzugsweise unter Edelgas oder Stickstoff.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Aus¬ führungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen

Figur 1 ein erstes Beispiel zur Verdeutlichung der erfin¬ dungsgemäßen Vorgehensweise mit einer Abdeckung unter einem beloteten Kontaktstück,

Figur 2 das gemäß Figur 1 belotete Kontaktstück in Unter¬ ansicht, Figur 3 ein Temperatur-Zeit-Diagramm bei einer Anordnung gemäß Figur 1, Figur 4 ein Beispiel für eine zu Figur 1 alternative Vor¬ gehensweise mit einer Abedeckung auf dem beloteten Kontaktstück, Figur 5 ein zu Figur 1 entsprechendes Beispiel zur Her¬ stellung von Kontaktbändern bzw. -profilen und Figur 6 das Mikrogefüge einer Lotschicht bei einem Halb¬ zeug für Kontaktauflagen.

Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben:

In Figur 1 kennzeichnet 1 einen Formkörper aus Tantal, der eine Unterlage für ein mit einer ebenen Schicht 13 zu be¬ lotendes Kontaktstück 10 bildet. Dabei ist die Unterlage 1 an ihrer Oberseite mit Aussparungen 2 und 3 profiliert, wobei die Aussparung 2 an Größe und Form des Kontakt- Stückes 10 und die Aussparung 3 an Größe und Form der Lotschicht 13 angepaßt ist.

Das Kontaktstück 10 ist als Zweischichtkontaktstück aus¬ gebildet und hat als Kontaktauflage eine Schicht 11 aus Silbermetalloxid, beispielsweise AgSn0 ₂ Bi2θ3CuO. Da dieses Material nicht lötfähig ist, wird bereits bei der im all¬ gemeinen sintertechnischen Herstellung des Kontaktstückes 10 dessen Unterseite mit einer Reinsilberschicht 12 ver¬ sehen, welche gut lötbar ist. Auf die Reinsilberschicht 12 wird die Lotschicht 13 aufgebracht, mittels der später das Kontaktstück 10 zur bestimmungsgemäßen Verwendung an einen (nichtdargestellten) Kontaktträger eines Schaltge- rätεs befestigt werden kann. Insbesondere wird zur Bil-

düng der Lotschicht 13 eine Folie aus einem geeigneten Hartlot auf CuAg-Basis, insbesondere L-Agl5P (sog. Sil- fos-Lot) , verwendet, das einen Schmelzbereich zwischen 650 und 800°C und eine Arbeitstemperatur von ca. 710 ^β C hat.

Eine derartige Lotfolie 13 kann in geeigneter Größe von einem durchgehenden Band abgelängt werden und wird in die Aussparung 3 der Unterlage 1 eingefügt. Darauf wird das Kontaktstück 10 mit seiner Reiπsilberschicht 12 einge¬ setzt, so daß die Unterseite dicht auf der Lotfolie 13 aufliegt. Um dies zu gewährleisten, kommt es auf exakte Maßhaltigkeit bzw. Anpassung der entsprechenden Ausspa¬ rungen 2 und 3 in der Unterlage 1 an.

Aus Figur 2 ist die Geometrie des fertig beloteten Kon¬ taktstückes 10 in Rechteckform ersichtlich: Die Reinsil¬ berschicht 12 hat eine größere Fläche als die darauf auf¬ gebrachte Lotschicht 13 mit einem von Lot freien Randbe¬ reich. Wesentlich ist dabei insbesondere, daß die Lot- schicht 13 mit ihrer Oberfläche eben ist, daß keine zen¬ trale Blase zwischen Lotschicht 13 und Silberschicht 12 entsteht und daß die fertige Lotschicht 13 durchgehend eben mit konstanter Dicke und scharfen Konturen von defi¬ nierter Geometrie ausgebildet ist. Insbesondere letztere Nebenbedingungen können im Normalfall beim Aufschmelzen einer Lotfolie 13 verlorengehen. Es kann sich dann flüssi¬ ges Lot über die Silberschicht 12 Undefiniert über die Kanten hinweg ausbreiten und auch zu einer Benetzung der Seitenflächen des Kontaktstückes 10 mit Lot kommen.

Die Unterlage 1 gemäß Figur 1 mit den Aussparungen 2 und 3 vermeidet letzteren unerwünschten Effekt. Dabei ist wich¬ tig, daß das Tantal selbst für flüssiges Lot so gut wie

keine Benetzbarkeit aufweist. Weiterhin hat Tantal keine Löslichkeit für Silber und Kupfer. Ein sich theoretisch bildendes Tantalphosphit hat einen hohen Schmelzpunkt, so daß es unschädlich ist.

In Figur 1 sind zum Aufschmelzen der Lotschicht 13 ober¬ halb des Kontaktstückes 10 Windungen eines Induktors 20 angeordnet. Damit läßt sich eine schnelle und gezielte Erwärmung der Anordnung mit dem Kontaktstück 10 und der Lotfolie 13 erreichen. Zur Prozeßkontrolle wird ein Tem¬ peratursensor 30 auf die Oberfläche des Kontaktstückes 10 gerichtet. Der Temperatursensor 30 arbeitet beispiels¬ weise nach dem Infrarotstrahlungsprinzip. Weiterhin ist noch ein Gewicht 31 oberhalb des Induktors 20 vorhanden, mit dem die Anordnung aus Kontaktstück 10 und Lotschicht 13 über ein nicht näher bezeichnetes Zwischenstück bela¬ stet wird, um einen guten Wärmeübergang zwischen Kontakt¬ stück 10, Lotfolie 13 und Tantal-Unterlage 1 zu erzielen.

Aus Figur 3 ist die Temperaturführung im einzelnen er¬ kennbar. Durch die mittels des an eine Wechselstromquelle angeschlossenen Induktors 20 im metallischen Werkstoff hervorgerufenen Wirbelströme erfolgt zunächst eine Erwär¬ mung des Kontaktstückes 11 mit in etwa gleichmäßigem Tem- peraturanstieg. Wird bei t _* die untere Temperatur des

Schmelzbereiches des verwendeten Lotes - und zwar ca. Tς = 650 ^β C beim Silfos-Lot - erreicht, tritt in der Zeit-Tem¬ peratur-Kurve 50 eine Senke 55 auf, da Schmelzwärme be¬ nötigt wird und ein Wärmeausgleich zwischen dem wärmeren Kontaktstück 10 und der kälteren Tantalunterlage 1 er¬ folgt. Anschließend erwärmt sich die Anordnung: Kontakt¬ stück 10-Lotschicht 13-Tantalunterlage 1 mit langsamerer Aufheizgeschwindigkeit. Bei der Zeit t _E , bei der die obere

Temperatur des Schmelzbereiches, d.h. die Liquiduslinie im Zustandsdiagramm, im allgemeinen noch nicht erreicht ist, sondern man sich vielmehr bei der Arbeitstemperatur des verwendeten Lotes befindet, wird abgeschaltet, so daß die gesamte Anordnung abkühlt.

Durch die Temperaturkurve T = f(t) läßt sich der Proze߬ verlauf mit Aufschmelzen und Anschmelzen der Lotschicht 13 regeln. Insbesondere durch die induktive Erwärmung ist dabei vorteilhafterweise der rasche Temperaturanstieg zunächst im Kontaktstück erreicht. Das Aufschmelzen des Lotes und Anschmelzen der Lotschicht 13 erfolgt dann in kürzester Zeit. Da weiterhin durch die Profilierungen 2 und 3 in der Tantalunterlage 1 Barrieren gebildet werden, kann praktisch kein Lot auf die Seitenflächen des Kon¬ taktstückes 10 gelangen.

In Figur 4 ist das Kontaktstück 10 gemäß Figur 1 in um¬ gekehrter Orientierung dargestellt. Dies bedeutet, daß sich an der Unterseite die Kontaktauflage 11 und an der Oberseite die Reinsilberschicht 12 befindet. Auf die Silberschicht 1 ist eine Hartlotfolie zur Bildung der Lotschicht 13 gelegt und darüber eine Abdeckung 5 mit Randprofil 6 aufgebracht. Die gesamte Anordnung befindet sich auf einem Band 8, das als Durchlaufband durch einen Wärmeofen geführt werden kann.

Bei der Anordnung gemäß Figur 4 bildet die Abdeckung 5 der Lotschicht 13 eine Auflage für das Kontaktstück 10 und besteht in diesem Fall beispielsweise aus Keramik, die von dem Lot nicht benetzt wird und keine Löslichkeit für Kup¬ fer und Silber besitzt. Vorteilhaft bei dieser Anordnung ist, daß Gase durch das flüssige Lot nach oben entweichen

können.

In Figur 5 ist eine um ihre Mittelachse A drehbare Walze 15 vorhanden, die dort als Unterlage für ein Kontaktband 100 dient. Das Kontaktband 100 wird beispielsweise durch Strangpressen eines Pulverrohlings hergestellt und durch Walzplattieren mit einem Lotband 130 verbunden. Das Kon¬ taktband 100 einschließlich Lotband 130 kann auch profil¬ artig ausgebildet sein. Von derartigen Bändern oder Pro- filen lassen sich später zur bestimmungsgemäßen Verwendung Kontaktstücke ablängen. Die Walze 15 hat in ihrer Ober¬ fläche Aussparungen 22 und 23 zur Aufnahme von Kontaktband 100 und Lotband 130, wozu ein Induktor 20 gemäß Figur 1 vorhanden ist. Bei Rotation der aus hochschmelzendem Me- tall oder Keramik bestehenden Walze 15 wird der im Wir¬ kungsbereich des Induktors 20 liegende Lotabschnitt als ebene Schicht aufgeschmolzen, wobei seitlich wiederum die exakt definierte Kontur eingehalten wird.

In Figur 5 ist die Walze 15 als Unterlage für das durch¬ laufende Kontaktband 100 mit Lotschicht 130 dargestellt. Bei umgekehrter Anordnung kann das Kontaktband 100 mit Lotschicht 130 auch unterhalb der Walze 15 durchlaufen. In beiden Fällen ist die Funktion einer Abdeckung gewährlei- stet.

Der Vorbelotungsprozeß mit dem Aufschmelzen des Lotes findet in allen Beispielen unter Schutzgas, vorzugsweise Edelgas wie insbesondere Argon und Helium oder unter Stickstoff, statt, im Ergebnis entsteht dabei ein Halb¬ zeug, bei dem die Lotschicht ein Schmelzgefuge hat. Da die Kontaktauflage vorzugsweise pulvermetallurgisch her¬ gestellt wird, haben die Kontaktschicht - und bei einem

Zwei-Schichten-Aufbau auch dessen lotfähige Silberschicht - ein Sintergefüge und die Lotschicht ein Schmelzgefuge. Eine lichtmikroskopische Darstellung zeigt dabei einen scharfen Phasenübergang zwischen den Schichten, wobei aber ein fester Materialverbund besteht. Ein störendes Anlösen des im Kontakt vorhandenen Silbers tritt praktisch nicht auf. Insbesondere die Lotoberfläche ist dann frei von Fehlern.

Aus Figur 6 wird deutlich, daß die aufgeschmolzene Lot¬ schicht in stoffschlüssiger Verbindung mit der Lotseite der Kontaktauflage steht und ein Schmelzgefuge hat. Durch die nur kurzeitige Erwärmung ist Silber auf der Lotseite des Kontaktstückes nur geringfügig angelöst. Allenfalls im Übergangsbereich bis zu einer Dicke von maximal einem

Drittel der Lotschicht können sich Silberdendriten ausbil¬ den. Vereinzelt noch vorhandene Gaseinschlüsse sind so klein, daß sie die Oberfläche der Lotschicht nicht beein¬ flussen und daher nicht stören.

Die Lotschicht 13 bzw. 130 ist gemäß Figur 6 weitgehend frei von Silberdendriten. Das Gefüge der Lotschicht be¬ steht entsprechend dem Zustandsdiagramm Cu-Ag-P im wesent¬ lichen aus einem ternären Eutektikum und weiterhin aus kupfer- oder silberreichen Mischkristallen. Durch das ge¬ zielte Aufschmelzen der Lotschicht unterhalb der Liquidus- linie im Zustandsdiagramm sind die Gebrauchseigenschaften des Lotes ohne Änderung der Arbeitstemperatur erhalten.

In gleicher Weise wie bei den beschriebenen Verfahren können auch Kontaktauflagen auf der Basis von Silber-Me¬ tall, beispielsweise Silber-Nickel, oder auf der Basis anderer Silber-Metallverbindungen mit dafür geeignetem Lot

beschichtet werden. Statt einer Lotfolie können gegebenen¬ falls auch Lotpasten zur Bildung der Lotschicht verwendet werden. Als Material für die Abdeckung unter oder über der Kontaktauflage können neben Tantal oder Keramik auch Wolfram oder Molybdän oder andere geeignete Metalle verwen¬ det werden.