Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Vakuumschaltröhren oder Baugruppen von Vakuumschaltröhren und Vakuumschaltröhre

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Vakuumschaltröhren oder Baugruppen von Vakuumschaltröhren mit einer Lötprozesskammer.

Ein derartiges Verfahren ist aus der EP-A-0682351 bekannt.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der EP 1 148 526 A2 bekannt. Bei dem dort offenbarten Verfahren zur Herstellung von Vakuumschaltröhren werden vormontierte Vakuumschaltröhren, d. h. Vakuumschaltröhren, welche aus allen Bauteilen zusammengesetzt sind, aber noch nicht endmontiert, d. h. vakuumdicht verlötet sind, in eine Lötprozesskammer überführt, welche auf Hochvakuum evakuiert wird. Nach Erreichen des Hochvakuums wird die Lötprozesskammer auf eine Löttemperatur erwärmt, wobei die Löttemperatur die Temperatur darstellt, bei welcher in der vormontierten Vakuumschaltröhre an den zu verlötenden Stellen eingebrachtes Lot flüssig wird und eine vakuumdichte Lötung ausgebildet wird. Nach Abschließen des Lötprozesses wird die Lötprozesskammer abgekühlt, belüftet und die verlötete Vakuumschaltröhre kann entnommen werden. Mit einem derartigen Lötprozess ist es möglich, Vakuumschaltröhren mit einem Enddruck im Bereich von 10^-6 mbar herzustellen. Nachteilig bei dem Verfahren der eingangs erwähnten Art ist, dass die Lötprozesskammer den gesamten Temperatur- und Druckbereich des Prozesses von Umgebungsbedingungen, also Raumtemperatur und Normaldruck, bis Hochvakuum und Löttemperatur, durchläuft. Dies führt dazu, dass durch das Beaufschlagen der Lötprozesskammer während des Beladens mit Atmosphärendruck das Abpumpen auf Hochvakuum einen langen Zeitraum in Anspruch nimmt. Das Abkühlen der Prozesskammer auf Umgebungstemperatur bei jedem Chargenwechsel führt zu langen Wiedererwärmungszeiten, bis die Prozesskammer wieder auf die Löttemperatur erwärmt ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art weiterzubilden, welches bei verkürzten Prozesszeiten eine flexiblere Verfahrensführung bei gleichzeitiger Verbesserung der Qualität der Vakuumschaltröhren ermöglicht.

Erfindungsgemäß gelöst wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch, dass bei dem Verfahren zur Herstellung von Vakuumschaltröhren mit einer Lötprozesskammer

1. a) mindestens eine vormontierte Vakuumschaltröhre oder Baugruppe in eine der Lötprozesskammer vorgeordnete Vorbehandlungskammer eingebracht und vorerwärmt und vorevakuiert wird;
2. b) die vorbehandelte Vakuumschaltröhre oder Baugruppe in die Lötprozesskammer überführt und unter Hochvakuum auf eine Löttemperatur gebracht wird; und danach
3. c) die gelötete und evakuierte Vakuumschaltröhre oder Baugruppe in eine Abkühlprozesskammer transportiert und dort abgekühlt wird;

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also in einer Vorbehandlungskammer vorerwärmt und vorevakuiert, so dass unter den vorliegenden Vakuumbedingungen eine Entgasung von an den vormontierten Vakuumschaltröhren oder Baugruppen vorhandenen Restgasen oder Niederschlägen stattfindet. Durch das anschließende Überführen unter Vakuumbedingungen in eine Lötprozesskammer, in welcher die Erwärmung auf eine Löttemperatur T_Löt stattfindet, bei der das Lotmaterial sich verflüssigt, ist es daher möglich, die Lötprozesskammer dauerhaft unter Hochvakuumbedingungen und in einem Temperaturbereich nahe der Löttemperatur zu halten, so dass die Lötprozesskammer insbesondere zu keiner Zeit mit Umgebungsluft beaufschlagt werden muss und daher eine größere Reinheit aufweist. Durch die größere Reinheit wird somit in vorteilhafter Weise die Qualität der hergestellten Vakuumschaltröhren verbessert, und durch die ständige Beaufschlagung der Lötprozesskammer mit Hochvakuum und das Halten in einem Temperaturbereich nahe der Löttemperatur wird die Zeit zum Erreichen der Prozessbedingungen durch Reduktion der Heiz- und Pumpzeiten reduziert. Baugruppen von Vakuumschaltröhren bedeutet in Sinn der Erfindung dabei jede Zusammenstellung von Bauteilen einer Vakuumschaltröhre, an welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist, also eine Zusammenstellung von Bauteilen einer Vakuumschaltröhre, welche unter Vakuumbedingungen verlötet werden kann, beispielsweise Kontaktstücke und daran anzulötende Kontaktscheiben eines Kontaktsystems der Vakuumschaltröhre.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die mindestens eine vormontierte Vakuumschaltröhre oder Baugruppe zunächst in eine Beladeprozesskammer der Vorbehandlungskammer eingebracht und bei Niedrigvakuum auf eine oberhalb der Umgebungstemperatur liegende Temperatur erwärmt, und anschließend unter Hochvakuumbedingungen in eine Erwärmungsprozesskammer der Vorbehandlungskammer transportiert und unter Hochvakuum auf eine Temperatur unterhalb der Löttemperatur erwärmt wird.

Ein derartiges Verfahren ist vorteilhaft, weil durch die Erwärmung auf eine oberhalb der Umgebungstemperatur liegende Temperatur T₁ unter Niedrigvakuum bereits in einem ersten Schritt ein großer Teil der in den vormontierten Vakuumschaltröhren enthaltenen Gase und Niederschläge abgepumpt bzw. entfernt werden kann, so dass sich die Prozesszeit insgesamt weiter reduziert.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach dem Abkühlen der mindestens einen Vakuumschaltröhre oder Baugruppe in der Abkühlprozesskammer ein weiteres Überführen in eine Belüftungskammer durchgeführt.

Ein derartiges Verfahren zur Herstellung von Vakuumschaltröhren ist vorteilhaft, weil für jeden Verfahrensschritt jeweils mindestens eine Vakuumschaltröhre oder Baugruppe sich in der dem jeweiligen Verfahrensschritt zugeordneten Prozesskammer befindlich sein kann, so dass eine getaktete Teilprozessführung mit mehreren Chargen in verschiedenen Prozesskammern gleichzeitig möglich ist. Dies führt insgesamt zu einer deutlicheren Reduzierung der erforderlichen Prozesszeiten. Weiterhin werden durch die unterschiedlichen Temperatur- und Druckdifferenzen für die jeweiligen Prozesskammern die Energiekosten gesenkt, weil für jede Kammer nur eine vergleichsweise geringere Druck- bzw. Temperaturdifferenz durchlaufen werden muss.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens sind jeweilige Zeitintervalle eines Verfahrensschrittes in der Vorbehandlungskammer, der Lötprozesskammer, der Abkühlprozesskammer und der Belüftungskammer gleich lang. Dadurch wird die Prozesszeit noch weiter verkürzt, weil mehrere Chargen von Vakuumschaltröhren gleichzeitig in der Vorrichtung produziert werden können, weil bei jedem Wechsel von einer zur nächsten Prozesskammer jeweils eine weitere Charge in die Vorrichtung eingeschleust werden kann.

Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens umfassend

• eine einer Lötprozesskammer (4) vorgeordnete Vorbehandlungskammer (2, 3) zum Vorerwärmen und Vorevakuieren mindestens einer vormontierten Vakuumschaltröhre (7);
• eine der Lötprozesskammer (4) nachgeordnete Abkühlprozesskammer (5) zum Abkühlen der Vakuumschaltröhre (7) auf Umgebungstemperatur, und

Mit einer derartigen Vorrichtung ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Lötprozesskammer ständig unter den für den Lötprozess nötigen Prozessbedingungen, als unter Hochvakuum und auf einer Temperatur nahe der Löttemperatur, zu halten, wodurch eine höhere Qualität durch die Reinheit der Lötprozesskammer erreicht wird und durch die geringeren Heiz- und Pumpzeiten auch eine geringere Prozesszeit bei gleichzeitiger Energieeinsparung erreicht ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorbehandlungskammer eine Beladeprozesskammer mit Niedrigvakuum und eine Erwärmungsprozesskammer mit Hochvakuum auf. Eine solche Ausbildung der Vorbehandlungskammer ist vorteilhaft, weil dadurch eine weitere Reduzierung der Prozesszeit erreicht ist, indem verschiedene Schritte in verschiedenen Prozesskammern durchführbar sind.

In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Abkühlprozesskammer eine Belüftungsprozesskammer nachgeordnet.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Beladeprozesskammer und die Belüftungsrozesskammern durch ein und dieselbe Kammer gebildet, wobei die Überführungseinheit karussellartig ausgebildet ist.

Eine derartige Vorrichtung ist besonders vorteilhaft, weil bei einer karussellartigen Ausbildung der Überführungseinheit beispielsweise vier Chargen von Vakuumschaltröhren parallel in der Vorrichtung vorhanden sein können, jeweils eine in jeder Prozesskammer, so dass eine kontinuierliche Verfahrensführung mit gleichen Prozesszeiten für die einzelnen Prozessschritte zu einer Verringerung der insgesamt benötigten Prozesszeit führt.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vakuumschaltröhre oder Baugruppe, die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren wie oben beschrieben hergestellt ist. Derartige Vakuumschaltröhren sind vorteilhaft, weil sie bei hoher Qualität durch geringe Prozesszeiten flexibel und damit kostengünstig herstellbar sind.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung und eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1

ein schematisches Diagramm des Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Figur 2

eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figur 1 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm in einer XY-Darstellung, wobei die X-Achse der Prozesszeit t entspricht und die Y-Achse im oberen Bereich der in der jeweiligen Prozesskammer vorherrschenden Temperatur entspricht und die Y-Achse im unteren Bereich des Diagramms einer logarithmischen Darstellung des in der jeweiligen Prozesskammer herrschenden Druckes entspricht. Im Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 1 wird in einem ersten Zeitintervall t₁ eine Beladeprozesskammer 2 auf einen Druck unterhalb des Umgebungsdruckes im Niedrigvakuumbereich abgepumpt und gleichzeitig auf eine Temperatur T1 oberhalb der Raumtemperatur erwärmt. Nach Abschluss des Zeitintervalls t₁ wird eine Aufnahmeeinheit mit mindestens einer vormontierten Vakuumschaltröhre oder Baugruppe mittels einer Überführungseinheit in eine Erwärmungsprozesskammer unter Vakuumbedingungen überführt, in welcher innerhalb eines Zeitintervalls t₂ Hochvakuumbedingungen, d. h. Drucke im Bereich <10^-5 mbar erzeugt werden und gleichzeitig auf eine Temperatur T₂, welche unterhalb einer Löttemperatur T_Löt liegt, bei welcher sich das als Lot verwendete Material verflüssigt, erwärmt. In dieser Erwärmungsprozesskammer werden somit Restgase und Niederschläge an den vormontierten Vakuumschaltröhren entfernt. Die Erwärmung von Raumtemperatur auf T1 in der Beladeprozesskammer ist dabei optional und kann auch in der Erwärmungsprozesskammer innerhalb des Zeitintervalls t2 durchgeführt werden. Nach Abschluss des Zeitintervalls t₂ wird wiederum durch die Überführungseinheit die Aufnahmeeinheit mit der mindestens einen Vakuumschaltröhre in die Lötprozesskammer unter Aufrechterhaltung der Vakuumbedingungen überführt, so dass während eines Zeitintervalls t₃ in der Lötprozesskammer unter Hochvakuumbedingungen auf eine Löttemperatur T_Löt erwärmt wird, welche so gewählt ist, dass ein in den vormontierten Vakuumschaltröhren oder Baugruppen eingebrachtes Lot zum vakuumdichten Verlöten der Bauteile miteinander sich verflüssigt und somit die vakuumdichte Verlötung der Bauteile miteinander ausbildet. Nach Erreichen der Löttemperatur T_Löt wird noch innerhalb der Lötprozesskammer ein Abkühlen auf eine Temperatur unterhalb der Löttemperatur T_Löt bewirkt. Nach Abschluss des Zeitintervalls t₃ wird die Aufnahmeeinheit mit den nun verlöteten Vakuumschaltröhren oder Baugruppen unter Aufrechterhaltung von Vakuumbedingungen mittels der Überführeinheit in eine Abkühlprozesskammer überführt, in welcher die Vakuumschaltröhren unter Niedrigvakuumbedingungen auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden, so dass am Ende des Zeitintervalls t4 ein Belüften ermöglicht ist und die fertig gestellten Vakuumschaltröhren der Vorrichtung entnommen werden können. Die den Zeitintervallen t₁ bis t₄ entsprechenden Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens finden in den Zeitintervallen t₁ bis t₄ also folgendermaßen statt: die Erwärmung der Vakuumschaltröhre auf eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur im Intervall t₁, der Schritt der Erwärmung auf eine Temperatur T₂ unterhalb der Löttemperatur im Intervall t₂ und der Schritt der Erwärmung auf eine Temperatur T_Löt entsprechend der Löttemperatur in dem Intervall t₃, wobei weiterhin der Schritt der Evakuierung der Beladeprozesskammer auf Niedrigvakuum im Intervall t₁ stattfindet, wobei weiterhin der Schritt auf Hochvakuum im Intervall t₂ stattfindet, und wobei in dem Intervall t₄ der Schritt des Abkühlens der Vakuumschaltröhre in der Abkühlprozesskammer stattfindet. Die Zeitintervalle t1, t2, t3 und t4 sind dabei vorzugsweise gleich lang.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Überführungseinheit 1, welche im Ausführungsbeispiels karussellartig ausgebildet ist und ein Überführen unter Vakuumbedingungen von einer Belade-/Belüftungsprozesskammer 2, die ein und dieselbe Kammer bilden, in eine Erwärmungsprozesskammer 3 und eine Lötprozesskammer 4 sowie eine Abkühlprozesskammer 5 ermöglicht, indem durch Absenken und Anheben einer Aufnahmeeinheit 6, welche mit mindestens einer Vakuumschaltröhre 7 oder Baugruppe, im Ausführungsbeispiel der Figur 2 einer Mehrzahl von Vakuumschaltröhren 7 versehen ist, unter den mit Bezug auf Figur 1 beschriebenen Vakuum- und Temperaturbedingungen ein Einbringen in die jeweiligen Prozesskammern entlang der strichliert dargestellten Linie ermöglicht ist. Die Belade-/Belüftungsprozesskammer 2, die Erwärmungsprozesskammer 3, die Lötprozesskammer 4 sowie die Abkühlprozesskammer 5 sind dabei über der Überführungseinheit 1 angeordnet und mittels geeigneter Vakuumschieber- und Schleusensysteme (figürlich nicht dargestellt) mit dieser verbunden, so dass durch Absenken und Anheben der Aufnahmeeinheit 6 ein Überführen ermöglicht ist.

Im Ausführungsbeispiels der Figur 2 ist die Überführungseinheit karussellartig ausgebildet, so dass die Belade- und die Belüftungsprozesskammer 2 durch ein und dieselbe Prozesskammer gebildet sind und sowohl zum Beladen als auch zum Entladen vorgesehen ist. Es sind auch andere Ausführungsformen einer Vorrichtung denkbar, beispielsweise mit einer linearen Überführungseinheit, wobei in diesem Fall die Beladeprozesskammer am Anfang der Vorrichtung und die Belüftungsprozesskammer am Ende der Vorrichtung angeordnet sind mit dazwischen angeordneten Erwärmungsprozess- und Lötprozesskammern.

Durch gleich lang gewählte Zeitintervalle t1 bis t4 für die verschiedenen Prozessschritte ist es somit möglich, mehrere Chargen von Vakuumschaltröhren gleichzeitig in der Vorrichtung zu produzieren, in dem beim Überführen einer ersten Aufnahmeeinheit 6 mit vormontierten Vakuumschaltröhren aus der Belade-/Belüftungsprozesskammer 2 in die Erwärmungsprozesskammer 3 eine nächste Aufnahmeeinheit 6 in die Belade-/Belüftungsprozesskammer 2 eingebracht wird, und auch jeweils beim Wechsel von der Erwärmungsprozesskammer in die Lötprozesskammer und in die Abkühlprozesskammer, so dass bei jedem Wechsel von einer zur nächsten Prozesskammer jeweils eine weitere Charge in die Vorrichtung eingeschleust werden kann.