DE102005029221A1

DE102005029221A1 - Kleber sowie Verbund

Info

Publication number: DE102005029221A1
Application number: DE200510029221
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr. Simons; Martin Dr. Schlott; Peter Preissler; Josef Heindel
Original assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Current assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Priority date: 2005-06-22
Filing date: 2005-06-22
Publication date: 2006-12-28
Also published as: WO2006136310A3; WO2006136310A2; KR20080028955A; US20100038240A1; EP1910585A2; CN101248207A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kleber, insbesondere zum Verkleben leitfähiger Materialien, aufweisend mindestens eine Klebstoffkomponente und Füllstoffe, wobei die Füllstoffe Fasern oder eine Faser-Pulver-Geschmische enthalten und die Fasern und/oder Pulver aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen. Sie betrifft weiterhin einen Verbund aus einem Sputtertargetmaterial und einem Trägermaterial mit einem Kleber.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrisch und thermisch leitfähigen Kleber sowie einen Verbund aus mindestens einem Sputtertargetmaterial und einem Trägermaterial.

Leifähige Kleber sind beispielsweise aus JP 01279986 A , JP 11092727 A , JP 63066278 A , DE 19640192 A1 bekannt. Zur Montage von Mikrochips wird hier ein anisotrop elektrisch leitender Kunststoff (anisotropic conductive adhesive = ACA), der senkrecht zur Flip-Chip-Kontaktierungsebene elektrisch leitfähig und in der Kontaktierungsebene isolierend wirkt, eingesetzt. Als elektrisch leitende Partikel werden z. B. Metalle angegeben, sowie insbesondere mit gut leitenden Schichten aus beispielsweise Graphit überzogene scharfkantige Keramik- oder Kristallteilchen. Derartige Partikel können aber nur Substrate ausreichender Ebenheit kontaktieren.

Zur Dünnfilmbeschichtung von Substraten wie z.B. im Bereich der Großflächenbeschichtung von Fenster-/Architekturglas oder von Bildschirmscheiben, Folien, u.a., wird häufig die Sputtertechnik eingesetzt. Hierbei wird ein Beschichtungswerkstoff in einem Sputterprozess kathodisch geschaltet und atomar zerstäubt und direkt oder in Reaktion mit einem Gas als Reaktivpartner auf das Substrat abgeschieden. Die hierbei entstehenden Schichten zeichnen sich durch eine hohe Konformität und Schichtdickenhomgenität aus. Der Beschichtungswerkstoff wird als sogenanntes Sputtertarget bezeichnet und liegt in fester Form z.B. als zylindrische Scheibe oder quaderförmige Platte ausgebildet vor, man spricht hierbei vom Flach- oder Planartarget. Meist wird dieser Werkstoff auf eine Trägerplatte aus z.B. Kupfer fixiert. Über diese Trägerplatte findet die Montage in die Sputteranlage statt. Die Trägerplatte selbst steht in direktem oder indirekten Kontakt mit einem Kühlmedium, meist Wasser, da der größte Teil der Sputterenergie in Wärme umgewandelt wird, die wiederum aus dem Sputtertargetwerkstoff abzuführen ist. Neben o.a.

Flach- oder Planartargets existieren zunehmend auch Rohr- oder zylindrische Targets. Hierbei ist der Targetwerkstoff zum Rohr ausgebildet und ist in der Regel auf einem Trägerrohr aus Edelstahl fixiert. Die Abfuhr der Sputterenergie erfolgt durch Innenkühlung des Trägerrohres. Bei allen diesen Anwendungen kommt der Fixierung (thermische und elektrische Verbindung) des Targetwerkstoffes auf seinem Träger (Platte oder Rohr) große Bedeutung zu, da die Art und Weise der Fixierung auch den Wärmetransport vom Targetwerkstoff zum Träger entscheidend bestimmt. Sofern der Targetwerkstoff hochschmelzend und elastisch ist, kann diese Fixierung über eine Klemmung stattfinden, sofern der Targetwerkstoff niedrig schmelzend, sehr spröde, oder wärmedämmend ist, wird als Fixierung eine Lötung bevorzugt, die einen 100%igen Kontakt zwischen Targetwerkstoff und Träger gewährleisten soll. In Einzelfällen finden auch Klebungen zwischen Targetwerkstoff und Träger Anwendung. Klebungen haben den Vorteil im kalten Zustand durchgeführt werden zu können. Bei der Klebung eines rohrförmigen Targetwerkstoffes auf ein Trägerrohr wird z.B. das Problem der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen zwischen Rohrtargetwerkstoff und Trägerrohrwerkstoff umgangen, welches beim Lötprozess auftritt und häufig einen unerwünschten Lotspalt zwischen Targetwerkstoff und Trägerrohr oder Rißbildung provoziert, insbesondere, wenn ein sprödes Targetmaterial verwendet wird. Klebungen können auch bei schwierig zu benetzenden Oberflächen die Lötung ersetzen. Desweiteren sind Klebungen in der Regel prozesstechnisch einfach zu beherrschen. Jedoch müssen diese Klebungen elektrisch leitfähig und wärmeleitfähig sein. Eigenleitfähige Kleber zeigen hierbei meist um Größenordnungen zu schwache Eigenschaften. Daher werden die in Frage kommenden Kleber auf z.B. Epoxydharzbasis meist mit Metallpulvern gefüllt.

Es zeigt sich jedoch, dass die metallgefüllten Kleber elektrische Leitfähigkeit nur unter Anwendung von Druck beim Kleben entwickeln. Hierbei werden die Metallpartikel aneinander geschoben und ermöglichen somit einen partiellen Metallkontakt, sodass elektrische Leitfähigkeit auftritt. Bei der Klebung von Rohrtargets kann kein Druck auf den Kleber ausgeübt werden, sodass der Kleber keine oder nur eine äußerst schwache elektrisch leitfähige Verbindung zwischen Targetwerkstoff und Trägerrohr erzeugt. Es zeigt sich außerdem, dass die marktüblichen Kleber in der Regel für Klein- und Kleinstflächenklebungen/Punktklebungen angeboten werden und für großflächige Anwendungen unwirtschaftlich teuer sind.

Ein weiteres Problem ist die schlechte Benetzbarkeit langer Zylinderrohre, insbesondere beim Löten, aufgrund der räumlichen Enge.

Bekannte spröde Werkstoffe sind z.B. ITO (Indium-Zinn-Oxid) und IZO (Indium-Zink-Oxid), ZnO:Al und TiO₂ Keramiken, Si sowie viele Legierungen mit einem hohen Gehalt an intermetallischen Phasen. Schwer benetzbar sind außerdem viele Übergangs- und Refraktärmetalle.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten thermisch und elektrisch leitfähigen Kleber zu entwickeln, um unter anderem eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit zwischen Targetwerkstoff und Träger, auch bei Ausbildung als Rohrtarget mit Trägerrohr, insbesondere auf Basis keramischer oder anderer spröder Werkstoffe sowie auf Basis schlecht benetzbarer Übergangs- oder Refraktärmetalle, bei prozesstechnisch einfacher Herstellbarkeit zu gewährleisten. Außerdem soll die Entstehung von Rissen vermieden werden.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße Kleber, insbesondere zum Verkleben leitfähiger Materialien, weist mindestens eine Klebstoffkomponente und Füllstoffe auf, wobei die Füllstoffe Fasern oder Faser-Pulver-Gemische enthalten und die Fasern und/oder Pulver aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen. Bevorzugt ist das Pulver und/oder die Fasern aus einem Material der Gruppe Ag, Au, Al, Cu, Fe, Ni, Edelstahl, W, Zn, C und deren Legierungen gebildet. Zweckmäßig ist es, dass die Klebstoffkomponente in eine Matrix aus Fasern oder einem Faser-Pulver-Gemisch eingebettet ist. Die Fasern oder das Faser-Pulver-Gemisch können auch in eine Klebstoff-Matrix eingebettet sein. Insbesondere können die Fasern ein Gewebe, Gewirke, Gestrick oder Flies bilden. Vorteilhaft ist es weiterhin, dass die Füllstoffe, insbesondere die Fasern, einen Anteil von 5 bis 60 Vol-% des Klebers aufweisen. Die Klebstoffkomponente kann auf Basis eines Monomers oder Polymers, insbesondere auf Basis einer Epoxyverbindung oder eines Epoxydharzes gebildet und vorzugsweise bei Temperaturen kleiner 100°C aushärtbar sein.

Der erfindungsgemäße Verbund aus einem Sputtertargetmaterial und einem Trägermaterial, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Sputtertargetmaterial auf das Trägermaterial aufgeklebt ist und der Klebspalt durch einen erfindungsgemäßen Kleber überbrückt ist. Vorzugsweise ist das Sputtertargetmaterial aus einem Werkstoff auf der Basis von Mo, Nb, Cr, W, Ta, Zr, Al, Si oder aus einer Keramik, insbesondere auf der Basis von Zinnoxid, Zinkoxid, Titanoxid, Indiumoxid, Tantaloxid oder Nioboxid gebildet. Insbesondere sind das Sputtertargetmaterial als mindestens ein Sputtertargetrohr und das Trägermaterial als Trägerrohr ausgebildet. Die Rohre können auch als Teilrohre, zum Beispiel als Rohrsegmente, also zum Beispiel längsgeteilt ausgebildet sein.

Erste Versuche mit herkömmlichen metallgefüllten Klebern an rohrförmigen Sputtertargets ergaben, dass sich keine zuverlässige vollflächige Kontaktierung ergibt. Im Gegensatz zum Kleben planarer Sputtertargets fehlt bei der Zylinderanordnung eines Rohrtargets der notwendige Druck, der etwas Kleber herauspresst und so über die Metallpartikel viele gute elektrischen Pfade zwischen Sputtertargetmaterial und Trägermaterial bildet. Aus diesem Grund wurde nach einer alternativen Möglichkeit gesucht, diese elektrische und thermische Verbindung herzustellen. Überraschenderweise zeigte es sich, dass man sehr gute Ergebnisse erhält, wenn man den Zwischenraum zwischen Sputtertargetrohr und Trägerrohr mit einem Fließ, einer Matte oder einem Gewebe aus elektrisch und thermisch leitfähigem Material ausfüllt. Wenn man die Stärke dieses faserbasierten Füllmaterials so auslegt, dass dieses Füllmaterial beim Schieben der Zylinder auf das Trägerrohr leicht komprimiert wird, ergibt sich in Verbindung mit einer Füllung der Hohlräume durch einen Kleber wie z.B. ein Epoxidharz/Elastomere eine zuverlässige elektrische und thermische Verbindung.

Die Aufgabe wird insbesondere gelöst durch einen Kleber, der mit Partikeln eines Pulver-Faser-Gemischs elektrisch leitfähiger Materialien gefüllt ist. Vorzugsweise besteht die Partikelmischung aus Metallpulver und Grafitfasern. Überraschenderweise ermöglicht erst die Beimischung von Fasern, insbesondere Grafitfasern, eine ausreichende Kontaktierung und Brückenbildung zwischen den elektrisch leitfähigen Partikeln.

Nachstehend wird die Erfindung beispielhaft anhand einer Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

1 einen Meßaufbau zur Messung des elektrischen Widerstandes.

Zur Herstellung eines Klebers wird eine Metallpulver-Grafitfaser-Mischung erzeugt und anschließend in den Kleber eingerührt. Hierbei muss das Einbringen von Luftblasen vermieden werden. Das Einrühren unter Vakuum ist von Vorteil.

Der Kleber kann auf organischer oder anorganischer Basis aufgebaut sein. Das Pulver sollte grobkörnig im Körnungsbereich 50-250μm sein und aus einem elektrisch und wärmeleitfähigen Metall bestehen. Bewährt haben sich hierbei Al, Ag, Cu, Ni-Pulver. Die Fasern sollten Faserlängen größer 0,2mm (und kleiner 0,5mm) besitzen und einen Gewichtsanteil von mind. 5% in der Faser-Pulver-Mischung tragen. Die gesamte Faser-Pulver-Mischung sollte einen Anteil von mind. 40 Gew.-% der Gesamtklebermasse betragen.

Beispiel 1:
Es werden 100g einer Partikelmischung aus z.B. Cu-Pulver (Korngröße 70-150μm) mit Grafitfasern (Faserlänge 0,3mm) im Massen-Verhältnis 9:1 hergestellt. Die Mischung wird in einem Taumelmischer vorbereitet. Anschließend wird die Mischung vorsichtig in 100g eines Epoxydharzklebers eingerührt.
Mit diesem Kleber werden zwei 10 × 10cm² große Kupferplatten 1; 3 flächig miteinander verklebt. Der Klebespalt wird dazu auf 0,5mm eingestellt und mit dem Kleber 2 gefüllt. Anschließend wird der elektrische Widerstand in einfacher Weise mit einem Ohmmeter 4 gemessen (1) und mit Widerstandswerten anderer Klebungen verglichen (Tabelle 1).
Tabelle 1:
Beispiel 2:
Es werden 100g einer Partikelmischung aus z.B. Cu-Pulver (Korngröße 70-150μm) mit Grafitfasern (Faserlänge 0,3mm) im Massen-Verhältnis 9:1 hergestellt. Die Mischung wird in einem Taumelmischer vorbereitet. Anschließend wird die Mischung vorsichtig in 100g eines Epoxydharzklebers eingerührt. Das rohrförmige Targetsegment z.B. aus einer elektrisch leitfähigen Keramik wie ITO oder ZnO mit der Länge 300mm, Außendurchmesser 154mm und Innendurchmesser 135mm wird nun auf das Trägerrohr mit Außendurchmesser 133mm geschoben. Der sich ergebende Bondspalt wird an einem Ende abgedichtet. Anschließend wird in die oben vorbereitete Klebermischung die Härterkomponente nach Herstellerangaben eingerührt und der Bondspalt zwischen Tagetrohrsegment und Trägerrohr mit dem Kleber gefüllt. Hierbei ist auf langsames Befüllen ohne Luftblaseneinschlüse zu achten. Nach Füllen des Bondspaltes verbleibt das System in Ruhe zur Aushärtung.
Beispiel 3:
Eine Edelstahlhülse mit einem Außendurchmesser von 133mm und einer Länge von 700mm wird mit einem 500mm langen gestrickten Cu-Schlauch überzogen, der eine Wandstärke von ca. 3mm aufweist. Der mit dem Schlauch überzogenen Bereich wird gut mit einem Epoxidharz bestrichen. Anschließend wird hierauf ein 500mm langes Cr-Rohr mit einem Innendurchmesser von 136mm und einem Außendurchmesser von 155mm geschoben. Vor dem Ineinanderschieben wurde auch das Cr-Rohr von innen mit Epoxidharz benetzt. Nach dem Aushärten bei etwa 60°C ergab sich eine elektrisch und thermisch gut leitfähige Verbindung.

Claims

Kleber, insbesondere zum Verkleben leitfähiger Materialien, aufweisend mindestens eine Klebstoffkomponente und Füllstoffe, wobei die Füllstoffe Fasern oder eine Faser-Pulver-Gemische enthalten und die Fasern und/oder Pulver aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen.
Kleber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Pulver und/oder Fasern aus einem Material der Gruppe Ag, Au, Al, Cu, Fe, Ni, Edelstahl, W, Zn, C und deren Legierungen gebildet sind.
Kleber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebstoffkomponente in eine Matrix aus Fasern oder einem Faser-Pulver-Gemisch eingebettet ist oder dass die Fasern oder das Faser-Pulver-Gemisch die Klebstoff-Matrix eingebettet sind.
Kleber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern ein Gewebe, Gewirke, Gestrick oder Flies bilden.
Kleber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffe, insbesondere die Fasern, einen Anteil von 5 bis 60 Vol-% des Klebers aufweisen.
Kleber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebstoffkomponente auf Basis eines Monomers oder Polymers, insbesondere auf Basis einer Epoxyverbindung oder eines Epoxydharzes gebildet ist.
Kleber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebstoffkomponente bei Temperaturen kleiner 100°C aushärtbar ist.
Verbund aus einem Sputtertargetmaterial und einem Trägermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass das Sputtertargetmaterial auf das Trägermaterial aufgeklebt ist und der Klebspalt durch einen Kleber nach einem der Ansprüche 1 bis 7 überbrückt ist.
Verbund nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sputtertargetmaterial aus einem Werkstoff auf der Basis von Mo, Nb, Cr, W, Ta, Zr, Al, Si gebildet ist.
Verbund nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sputtertargetmaterial aus einer Keramik, insbesondere auf der Basis von Zinnoxid, Zinkoxid, Titanoxid, Indiumoxid, Tantaloxid oder Nioboxid gebildet ist.
Verbund nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Sputtertargetmaterial als mindestens ein Sputtertargetrohr und das Trägermaterial als Trägerrohr ausgebildet sind.