Die vorliegende Erfindung betrifft ein polymerfreies Verfahren zum Verbinden von Elementen aus Ferrit mit Metallträgern, und ein Gerät, in dem die Verbindung von Metallkomponenten und Ferritkomponenten mittels des Verfahrens vorgesehen wird.

Es ist bekannt, dass ein zum Verbinden einer Metallfläche und eines nicht-metallischen Materials, wie beispielsweise ein Ferrit, verwendetes geläufiges Verfahren ein Zwischenfügen eines Polymermaterials, typischerweise ein Epoxidharz, zwischen diese zwei Komponenten erforderlich macht. Die Verwendung von Verbindungen, welche Polymermaterialien einsetzen, ist jedoch aufgrund des beträchtlichen Unterschiedes bezüglich der mechanischen Festigkeit und des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Harz, der Metallkomponente und der nicht-metallischen Komponente äußerst kritisch, insbesondere in dem Fall von Vorrichtungen wie beispielsweise Schaltern, Drucksensoren und dergleichen. In diesen Fällen unterliegt die Verbindung aufgrund der Bedingungen, unter denen die Vorrichtung arbeitet, in der Praxis mechanischen und thermischen Belastungen. Solche Belastungen können geometrische/volumetrische Veränderungen daran bewirken, welche aufgrund des Phänomens der thermischen Hysterese nicht wiederhergestellt werden können; diese Veränderungen verursachen Fehlfunktionen in den Vorrichtungen oder sogar den Ausfall der Verbindung.

Es wurden Versuche unternommen, diese Nachteile durch Vorsehen von Verbindungen zwischen metallischen Teilen und nicht-metallischen Elementen, zum Beispiel Ferritelementen, ohne Verwendung von Polymermaterialien, sondern statt dessen Zwischenfügen von Schichten eines metallischen Materials zu überwinden. Obwohl diese Lösung im Vergleich zu der zuvor erwähnten vorteilhaft ist, hat sie im derzeitigen Stand der Technik einige Nachteile. Insbesondere ist ein bedeutendes Problem die Tatsache, dass die Haftung der Metallschichten an der Oberfläche des Ferrits sehr schwierig ist und einen geringen Widerstand gegen mechanische Belastungen besitzt. Außerdem bringt die Lötbehandlung zum Verbinden der Metallteile mit den Metallschichten und dem Ferrit Temperaturniveaus mit sich, welche den Verlust der magnetischen Eigenschaften des Ferrits bewirken. Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist es notwendig, in die Verbindung eine oder mehrere Schichten eines metallischen Materials einzubringen, das als Zwischenmedium dient und niedrigere Löttemperaturen zu verwenden erlaubt. Ein diesbezügliches Beispiel ist durch das US-Patent Nr. 4,643,347 vorgesehen. Diese Lösung macht jedoch eine zusätzliche Verwendung von metallischem Material erforderlich, was die Fertigungskosten und -zeiten negativ beeinflusst. Dieser Nachteil erscheint ziemlich relevant, wenn man bedenkt, dass entscheidende Eigenschaften dieser Art von Verfahren die Wiederholbarkeit und Eignung für Vollautomatisierung sein sollten.

Außerdem ist die in dem oben genannten Patent beschriebene Lösung nur für einige Arten magnetischer Elemente wie beispielsweise jene auf Basis von Aluminium, Nickel und Cobalt (AlNiCo) anwendbar. Beispiele eines bekannten Verfahrens der Art mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 können in den Patenten US 3,940,051; US 3,518,066; US 3,793,705 gefunden werden.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verbinden von Elementen aus Ferrit und Metallkörpern vorzusehen, bei welchem die Verbindung zwischen diesen Elementen ohne Zwischenfügen von Polymermaterialien vorgesehen wird.

Innerhalb dieses Ziels ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verbinden von Elementen aus Ferrit und Metallkörpern vorzusehen, welches für die Vollautomatisierung geeignet ist, um so Fertigungskosten und -zeiten zu reduzieren.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verbinden von Elementen aus Ferrit und Metallkörpern vorzusehen, welches Wiederholbarkeitseigenschaften aufweist.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verbinden von Elementen aus Ferrit und Metallkörpern vorzusehen, bei dem die magnetischen Eigenschaften des Ferrits unverändert bleiben.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verbinden von Elementen aus Ferrit und Metallkörpern vorzusehen, bei dem die Verbindung in der Lage ist, mechanischen und thermischen Belastungen ohne Veränderung ihrer physikalischen Eigenschaften zu wiederstehen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verbinden von Elementen aus Ferrit und Metallkörpern vorzusehen, das höchst zuverlässig, relativ einfach durchzuführen und bei wettbewerbsfähigen Kosten ist.

Dieses Ziel, diese Aufgaben und Weiteres, das nachfolgend offensichtlich wird, werden durch ein Verfahren zum Verbinden eines Ferrits mit einem Metallkörper erzielt, mit den Schritten:

• a) Metallisieren des Ferrits durch Abscheiden wenigstens einer Metallschicht auf wenigstens einen Teil einer Oberfläche davon;
• b) Verlöten des metallisierten Ferrits mit dem Metallkörper;
  
  dadurch gekennzeichnet, dass es vor der Phase b) des Lötens die folgenden Schritte aufweist:
• a.1) Abscheiden einer ersten Schicht Nickel und einer zweiten Schicht Silber auf dem Metallkörper; und
• a.2) Abscheiden einer Schicht lötbaren Materials auf der Schicht Silber.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter, aber nicht ausschließender Ausführungsbeispiele des Verfahrens gemäß der Endung, die anhand eines nicht-beschränkenden Beispiels in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht ist, offensichtlich. Darin zeigen:

1 eine schematische Darstellung des Schritts der Metallisierung eines Elements aus Ferrit in einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung;

2 eine schematische Darstellung des Schritts zur Metallisierung eines Elements aus Ferrit in einem alternativen Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung;

3 eine schematische Darstellung des Schritts zum Abscheiden einer Schicht lötbaren Materials auf einen Metallkörper in einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung;

4 eine schematische Darstellung des Schritts zum Verlöten eines Elements aus Ferrit mit einem Metallkörper in einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung.

Bezug nehmend auf die obigen Figuren, weist das Verfahren gemäß der Erfindung einen ersten Schritt zum Metallisieren eines Ferritelements 1 auf. Aufgrund dieser Metallisierung ist wenigstens ein Teil der Oberfläche des Ferritelements mit wenigstens einer Schicht Metall 3 überzogen. In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung ist die Schicht Metall vorzugsweise aus einer einzelnen Schicht Silber oder Kupfer gebildet. Als Alternative weist die Schicht Metall 3 zwei unterschiedliche Schichten eines metallischen Materials auf: die erste Schicht 3' haftet an dem Ferrit und die zweite Schicht 3'' haftete an der ersten Schicht. Insbesondere wurde die Metallisierung, wie in 1 dargestellt, an den Wänden eines in einem Ferritelement 1 gebildeten Loches 2 vorgesehen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Metallabscheidung durch Unterziehen des Ferritteils einer elektrolytischen Mehrlagenmetallisierung unter Verwendung von zum Beispiel chemischem Palladium, chemischem Kupfer und elektrolytischem Kupfer durchgeführt.

Als Alternative können andere Techniken derselben Art wie beispielsweise eine Bedampfung im Hochvakuum, Sputtern, Elektronenkanonenabscheidung oder plasmaunterstützte Abscheidung verwendet werden. Mittels dieser Metallisierung wird die erste Schicht eines metallischen Materials 3' an den Wänden des Loches 2 abgeschieden; in dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Schicht aus chemischem Palladium. Vorteilhafterweise haftet das Palladium dank seiner chemisch-physikalischen Eigenschaften direkt an dem Ferrit, ist fest mit ihm verbunden und vereinfacht somit eine wesentliche Verbesserung des Prozesses der Metallisierung der Ferritoberfläche und der mechanischen Festigkeit der Verbindung. Die Metallisierung wird dann durch Abscheiden einer zweiten Schicht 3'' aus einem metallischen Material, welches vorzugsweise aus Kupfer besteht, auf der Schicht Palladium vervollständigt. Die Wahl von Kupfer erleichtert dank seiner exzellenten Löteigenschaften die Verbindung zwischen dem Ferrit und dem Metallkörper.

Es sollte beachtet werden, dass das oben beschriebene Metallisierungsverfahren bei einer Temperatur durchgeführt wird, welche normalerweise unter dem Curiepunkt von Ferrit liegt. Diese Grenze ist durch physikalische Zwänge gesetzt, welche bei höheren Temperaturen Ferrit seine magnetischen Eigenschaften verschlechtern lassen. Außerdem kann im Fall von speziellen Formen, zum Beispiel eines Loches, oder im Fall von besonderen Anwendungserfordernissen, zum Beispiel der Produktion von Vorrichtungen wie beispielsweise induktiven Sensoren, Positionssensoren, usw., ein metallselektives Ätzen benutzt werden. Tatsächlich ist es möglich, das selektive Ätzen der Bereiche des Ferrits, die nicht mit Metall beschichtet werden dürfen, zum Beispiel unter Verwendung von Eisenchlorid anzuwenden. Diese Tatsache vermeidet die Beschichtung von Bereichen des Ferritelements mit Metall, welche die magnetische Schaltung der Vorrichtung modifizieren und ihr brauchbares Signal gefährden könnten.

Das Verfahren gemäß der Erfindung weist dann einen Schritt zum Verlöten des Metallkörpers mit dem Ferrit auf; in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Metallkörper aus einer Kugel 4 aus Stahl wie beispielsweise AISI 420 gebildet. Um dieses Löten zu erzielen, wird ein vorzugsweise scheibenförmiges Element aus lötbarem Material 6 im voraus auf die Oberfläche des Metallkörpers gelegt, wie in 3 dargestellt. Dieses scheibenförmige Element 6 ist vorzugsweise aus einer Legierung auf Zinn- und Wismuth-Basis gebildet. Alternativ kann eine Staublegierung mit einem bereits gemischten Oxidationsinhibitor auf einer Indium-(80%), Blei-(15%) und Silber-(5%) Basis verwendet werden.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Löten durch Heißluftlöten erzielt, was das Schmelzen der Legierung 7 lötbaren Materials erlaubt, sodass es an der Metallisierung des Ferritteils haftet, wie in 4 dargestellt.

Als Alternative könnte Induktions- oder Ofen- oder Laserlöten verwendet werden.

Um die Haftung der Legierung an dem Ferrit zu erleichtern, ist es vorteilhafterweise zweckmäßig, ein als Flussmittel dienendes Oxidationsinhibitorelement (Lötlegierung) zu verwenden, wie durch die Bezugsziffer 40 in 3 angedeutet.

Um den Körper für die Haftung an der Legierung des lötbaren Materials geeignet zu machen, wird er einer Oberflächenbeschichtung mit einem metallischen Material nach Anspruch 1 unterzogen. Wie in 5 dargestellt, erhält man die Beschichtung durch Abscheiden einer ersten Schicht 5 Nickel direkt auf der Oberfläche der Kugel; wobei diese Schicht vorzugsweise 1 bis 3 &mgr;m dick ist. Eine zweite Schicht Silber 6 wird dann auf dieser Schicht abgeschieden; wobei die zweite Schicht vorzugsweise eine Dicke zwischen 5 und 15 &mgr;m besitzt; die Schicht Silber erlaubt eine Verbesserung der Löteigenschaften des Metallkörpers bezüglich der Legierung. Insbesondere wird die Beschichtung der Kugel durch Verzinken erzielt.

Geeignete Spannvorrichtungen werden verwendet, um die Ferritelemente während des Lötens richtig zu positionieren. Diese Spannvorrichtungen halten das Ferrit mittels ihrer magnetischen Eigenschaften in der passenden Höhe und sind geeignet geformt, um Luft hoher Temperatur das scheibenförmige Element aus der Lötlegierung erreichen zu lassen.

In der Praxis wurde beobachtet, dass das erfindungsgemäße Verfahren das vollständige Erreichen des beabsichtigten Ziels erlaubt, da es eine direkte Verbindung eines Ferrits mit einer Metalloberfläche ohne Zwischenfügen eines Polymermaterials erlaubt. Außerdem ist das oben beschriebenen Verfahren für die Automatisierung geeignet, welche durch hohe Reproduzierbarkeit und keine Veränderung der magnetischen Eigenschaften des Ferrits gekennzeichnet ist.