DE10129004A1

DE10129004A1 - Verfahren zum Aushärten von Stoffen durch Mikrowellenstrahlung

Info

Publication number: DE10129004A1
Application number: DE2001129004
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Ende
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2001-06-15
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2003-01-02
Also published as: WO2003020489A1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zum Aushärten von Stoffen durch Mikrowellenstrahlung, das einen vorteilhaften Härteprozeß hinsichtlich dessen Zeitdauer und der benötigten Leistung der Mikrowellenstrahlung gewährleistet. DOLLAR A Hierzu wird die während des Härteprozesses ermittelte Temperatur des auszuhärtenden Stoffs zur Regelung der Leistung der Mikrowellenstrahlung herangezogen. DOLLAR A Verfahren zum Aushärten von flüssigen Kunststoffklebern zur Realisierung von Klebeschichten.

Description

Härteprozesse zum Aushärten von Stoffen können mit Hilfe von Mikrowellenstrahlung realisiert werden; hierbei wird der auszuhärtende Stoff (das Härtegut) in einen Mikrowellenofen eingebracht, in dem die polaren Moleküle im auszuhärtenden Stoff durch ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld ihrer Ladung gemäß ausgerichtet werden (die polaren Moleküle schwingen mit der Frequenz des Wechselfelds) und so die für den Härteprozeß benötigte Temperatur durch Reibungshitze erzeugen.

Aus der US 5,879,756 ist es bekannt, die Leistung der Mikrowellenstrahlung eines Mikrowellenofens einzustellen, um ein gewünschtes Temperaturprofil für eine Polymerschicht und für ein zur Aufnahme der Polymerschicht vorgesehenes Substrat zu kontrollieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aushärten von Stoffen durch Mikrowellenstrahlung mit vorteilhaften Eigenschaften bezüglich der Prozeßparameter Zeitdauer des Härteprozesses und benötigter Leistung der Mikrowellenstrahlung anzugeben.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch das Merkmal im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Bestandteil der übrigen Patentansprüche.

Da sich jeder Stoff mit Dipolcharakter in der flüssigen Phase aufgrund der Anregung mit Mikrowellenstrahlung erhitzt und diese Wärmeentwicklung mit zunehmendem Aushärten des auszuhärtenden Stoffes (mit zunehmender Verfestigung des Härteguts) abnimmt, kann bei einer Ermittlung der Temperatur des Härteguts während des Aushärtens die Leistung der Mikrowellenstrahlung des Mikrowellenofens (die Mikrowellenleistung) entsprechend der ermittelten Temperatur des Härteguts geregelt werden. Hierdurch kann somit der Aushärtegrad des Härteguts genau kontrolliert werden und die Aushärtezeit bis zum vollständigen Aushärten des Härteguts reduziert werden, da ein Sicherheitszuschlag hinsichtlich der Zeitdauer für das Aushärten nicht erforderlich ist und/oder die Leistung der Mikrowellenstrahlung des Mikrowellenofens so hoch gewählt werden kann, daß die Temperatur im Härtegut zur Optimierung des Härteprozesses über eine bestimmte Zeitdauer konstant gehalten wird.

Die Ermittlung der Temperatur des Härteguts erfolgt vorzugsweise auf indirektem Wege unter Heranziehen der Temperaturstrahlung (Wärmestrahlung) des Härteguts, d. h. durch Erfassung der in ihrer Intensität und spektraler Verteilung von der Temperatur und von den physikalischen Eigenschaften des Härteguts (insbesondere vom Emissionsgrad des Härteguts) abhängigen Temperaturstrahlung. Hierzu wird insbesondere ein Pyrometer (IR-Thermometer) eingesetzt, mit dem die vom Härtegut abgestrahlte Energie gemessen wird; anhand der Messung der abgestrahlten Energie kann auf die Temperatur des Härteguts geschlossen werden. Falls der Emissionsgrad des Härteguts nicht bekannt ist, kann dieser mittels eines Kontaktthermometers in einer Vergleichsmessung bestimmt werden.

Im Zusammenhang mit der Zeichnung (Fig. 1 und 2) soll das Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung den Regelkreis zum Regeln der Mikrowellenleistung in Abhängigkeit der Temperatur im Härtegut während des Aushärtens des Härteguts,
Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Mikrowellenleistung und der Temperatur im Härtegut während des Aushärtens des Härteguts.
Bei einer elektronischen Baugruppe wird zum flächigen Aufkleben eines bsp. als Keramiksubstrat ausgebildeten Schaltungsträgers für eine elektronische Bauteile aufweisende Schaltungsanordnung auf einen bsp. aus Aluminium bestehenden Kühlkörper eine bsp. aus Polyimid bestehende Klebeschicht aus Kunststoff eingesetzt. Zum Aushärten dieses im flüssigen Zustand flächig auf die Aluminiumplatte aufgetragenen Kunststoffklebers wird der Verbund aus Schaltungsträger und Kühlkörper mit dem sich dazwischen befindlichen flächigen Kunststoffkleber als Härtegut in einen Mikrowellenofen eingebracht und während einer bestimmten Zeitdauer eine vorgegebene Mikrowellenleistung appliziert. Bei diesem Mikrowellenofen wird durch ein Magnetron ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt; die (dipolaren) Moleküle des Kunststoffklebers richten sich ihrer Ladung gemäß in diesem Wechselfeld aus, d. h. sie schwingen in der flüssigen Phase aufgrund der hochfrequenten Umpolung im elektromagnetischen Wechselfeld mit der Frequenz des Magnetrons und erzeugen so durch die Anregung im elektromagnetischen Wechselfeld Reibungshitze. Die hierdurch bedingte Wärmeentwicklung nimmt aber mit zunehmendem Aushärtegrad ab, d. h. mit zunehmender Verfestigung des flüssigen Kunststoffklebers. Die Temperatur des Kunststoffklebers wird bsp. über ein sich im Mikrowellenofen oberhalb des Härteguts angebrachtes IR-Thermometer gemessen (indirekte Bestimmung der Temperatur durch Messung der Wärmestrahlung bzw. der vom Kunststoffkleber abgestrahlten Energie).
Gemäß der Fig. 1 wird zur Realisierung einer durchgehärteten Klebeschicht 6 für die Flächenklebung von Kühlkörper und Schaltungsträger (vollständige Aushärtung des flüssigen Kunststoffklebers) ein bestimmter Sollwert T_SOLL für die Härtetemperatur T vorgegeben (Sollwertvorgabe 7). Der in der Regelstrecke 3 des Regelkreises 1 bestimmte Istwert T_IST der Temperatur T des Kunststoffklebers wird während des Härteprozesses zur Regelung der Mikrowellenleistung herangezogen. Als Eingangsgrößen 4 des Regelkreises 1 sind die Materialeigenschaften des Kunststoffklebers und die Mikrowellenleistung des Mikrowellenofens zu berücksichtigen, als Störgrößen 5 der Aushärtegrad des Kunststoffklebers sowie die Masse und die Materialeigenschaften des Kunststoffklebers; im Regler 2 des Regelkreises 1 wird die Mikrowellenleistung des Mikrowellenofens abhängig von der im Vergleichsglied 8 bestimmten Regelabweichung zwischen dem Istwert T_IST der Temperatur T des Kunststoffklebers und dem durch die Sollwertvorgabe 7 festgelegten Sollwert T_SOLL für die Härtetemperatur T vorgegeben.
Für die Flächenklebung von Kühlkörper und Schaltungsträger wird bsp. anstelle eines üblicherweise verwendeten Härteprozesses in einem Umluftofen mit der Applizierung einer Temperatur von bsp. 150°C über einen Zeitraum von bsp. 30 min ein Härteprozeß in einem Mikrowellenofen mit der Applizierung einer bestimmten Mikrowellenleistung über einen Zeitraum von bsp. 5 Minuten bei einer Temperatur von bsp. 150°C eingesetzt. Der zeitliche Verlauf der Mikrowellenleistung P und der Temperatur T des Kunststoffklebers zur Realisierung der ausgehärteten Klebeschicht sind in der Fig. 2 bei einer temperaturabhängigen Regelung der Mikrowellenleistung P und ohne eine Regelung der Mikrowellenleistung P einander gegenübergestellt; hierbei zeigt die Kurve (a) den zeitlichen Verlauf der Mikrowellenleistung P und die Kurve (b) den zeitlichen Verlauf der Temperatur des Kunststoffklebers ohne Regelung, die Kurve (c) den zeitlichen Verlauf der Mikrowellenleistung P und die Kurve (d) den zeitlichen Verlauf der Temperatur T des Kunststoffklebers mit einer temperaturabhängigen Regelung der Mikrowellenleistung P. Ohne Regelung der Mikrowellenleistung P wird ein konstanter Wert für die Mikrowellenleistung P während des gesamten Härteprozesses über eine Zeitdauer t von bsp. 5 Minuten vorgegeben (Kurve a), der Istwert T_IST der Temperatur T des Kunststoffklebers unterschreitet mit zunehmenden Aushärten den gewünschten Sollwert T_SOLL für die Härtetemperatur T von bsp. 150°C deutlich (eine signifikante Abweichung des Istwerts T_IST der Temperatur T vom Sollwert T_SOLL für die Härtetemperatur T tritt bereits zum Zeitpunkt t1 bei ca. 2.5 Minuten und damit der Hälfte der für den Härteprozeß veranschlagten Zeitdauer t von bsp. 5 Minuten auf, siehe Kurve b), sodaß hierdurch ggf. die Eigenschaften der Klebeschicht negativ beeinflußt werden. Mit einer Regelung der Mikrowellenleistung P kann die Strahlungsquelle des Mikrowellenofens bereits vor Ablauf der für den Härteprozeß veranschlagten Zeitdauer t von bsp. 5 Minuten abgeschaltet werden, bsp. bereits zum Zeitpunkt t2 nach ca. 3.7 Minuten; dennoch entspricht der Istwert T_IST der Temperatur T des Kunststoffklebers bis zu diesem Zeitpunkt t1 unverändert dem Sollwert T_SOLL für die Härtetemperatur T von bsp. 150°C, so daß das Aushärten des Kunststoffklebers aus Polyimid zuverlässig und schneller als ohne Regelung erreicht wird.

Claims

1. Verfahren zum Aushärten von Stoffen durch Mikrowellenstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die während des Härteprozesses ermittelte Temperatur (T_IST) des auszuhärtenden Stoffs zur Regelung der Leistung (P) der Mikrowellenstrahlung herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung (P) der Mikrowellenstrahlung so geregelt wird, daß die ermittelte Temperatur (T_IST) des auszuhärtenden Stoffs einer für den Härteprozeß vorgegebenen konstanten Solltemperatur (T_SOLL) entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur (T_IST) des auszuhärtenden Stoffs durch Messung der Wärmestrahlung des auszuhärtenden Stoffs ermittelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Aushärten eines flüssigen Kunststoffklebers.

5. Verfahren nach Anspruch 4 zum Aushärten eines flüssigen Kunststoffklebers aus Polyimid.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Realisierung einer Klebeschicht zwischen zwei Fügeteilen einer elektronischen Baugruppe.