DE102005039830A1

DE102005039830A1 - Verbinden von zwei Elementen mittels eines Klebers

Info

Publication number: DE102005039830A1
Application number: DE102005039830A
Authority: DE
Inventors: Sergej Dr. Lopatin
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2005-08-22
Filing date: 2005-08-22
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2025-08-23
Also published as: DE102005039830B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Elements (1) mit einem zweiten Element (2) unter Verwendung mindestens eines thermoplastischen Klebers, wobei der Kleber mindestens in einem Lösungsmittel befindliche Kunststoffpartikel aufweist. Das Verfahren umfasst folgende Schritte, wobei auf mindestens einer ersten Klebestelle (3) des ersten Elements (2) mindestens eine erste Schicht (5) einer vorgebbaren Menge des Klebers aufgebracht wird, wobei der Kleber der ersten Schicht (5) zumindest teilweise getrocknet wird, wobei auf die erste Schicht (5) des Klebers und/oder auf einer zweiten Klebestelle (4) des zweiten Elements (2) mindestens eine zweite Schicht (6) einer vorgebbaren Menge des Klebers aufgebracht wird, wobei die erste Klebestelle (3) des ersten Elements (1) und die zweite Klebestelle (4) des zweiten Elements (2) in Kontakt miteinander gebracht werden und wobei die Kunststoffpartikel des Klebers der ersten Schicht (5) und die Kunststoffpartikel des Klebers der zweiten Schicht (6) zumindest teilweise miteinander verschmolzen werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Elements mit einem zweiten Element unter Verwendung eines thermoplastischen Klebers, wobei der Kleber mindestens in einem Lösungsmittel befindliche Kunststoffpartikel aufweist. Bei dem Kleber oder dem Klebstoff handelt es sich insbesondere um einen thermoplastischen Kleber, welcher – möglicherweise bzw. teilweise koagulierte – Kunststoffpartikel aufweist. Die beiden Elemente sind beispielsweise zwei Bauteile eines Messgeräts der Prozess- und Automatisierungstechnik, wie z. B. ein Druck-, Füllstands-, Dichte-, Viskositäts-, Durchfluss- oder auch pH-Sensors.

Im Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren bekannt, um einzelne Elemente oder Bauteile z. B. eines Messgeräts miteinander zu verbinden:
Schweißen, Löten, Nieten, Pressen oder Kleben. Beim Kleben wird im Allgemeinen ein Kleber oder Klebstoff zwischen den zu verbindenden Elementen aufgebracht und ausgetrocknet oder ausgehärtet. Klebestellen haben in manchen Ausgestaltungen den Vorteil, dass sie elastisch sind und somit beispielsweise mechanische Spannungen oder Belastungen, die beispielsweise aus unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Elemente resultieren, auffangen bzw. vermindern. Wichtig ist es bei Klebeverbindungen vor allem, dass die zu verbindenden Klebestellen möglichst vollständig mit Kleber verbunden sind. So sind beispielsweise Lücken oder Poren, die zwischen den Rändern des getrockneten bzw. gehärteten Klebers und somit im im Allgemeinen nicht zugänglichen und somit kaum kontrollierbaren Innenbereich der Klebestelle liegen, sehr gefährlich, da in diesen Bereichen der Lücken die Elemente nicht miteinander verbunden sind und somit die Haftung zwischen den Elementen reduziert ist.

Bei Druckmessgeräten als ein Beispiel für ein Messgerät wird das Kleben teilweise verwendet, um z.B. einen piezoresistiven Drucksensor – einen sog. Chip – auf einen Träger zu befestigen. Der Träger ist ein Teil, aus welchem sich das Gehäuse ergibt, bzw. welcher in ein entsprechendes Gehäuse eingebaut wird. Siehe hierzu beispielsweise DE 101 34 359 A1 oder US 5,551,303 .

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein Klebeverfahren, vorzuschlagen, welches möglichst zuverlässige Ergebnisse liefert und welches insbesondere zu porenfreien Verbindungen führt. Dieses Verfahren kann insbesondere auch für die Fertigung von Messgeräten, speziell für die Chipmontage verwendet werden.

Die Erfindung löst die Aufgabe mit einem Verfahren zum Verbinden eines ersten Elements mit einem zweiten Element unter Verwendung mindestens eines thermoplastischen Klebers, wobei der Kleber mindestens in einem Lösungsmittel befindliche Kunststoffpartikel aufweist, wobei auf mindestens einer ersten Klebestelle des ersten Elements mindestens eine erste Schicht einer vorgebbaren Menge des Klebers aufgebracht wird, wobei der Kleber der ersten Schicht zumindest teilweise getrocknet wird, wobei auf die erste Schicht des Klebers und/oder auf einer zweiten Klebestelle des zweiten Elements mindestens eine zweite Schicht einer vorgebbaren Menge des Klebers aufgebracht wird, wobei die erste Klebestelle des ersten Elements und die zweite Klebestelle des zweiten Elements in Kontakt miteinander gebracht werden, und wobei die Kunststoffpartikel des Klebers der ersten Schicht und die Kunststoffpartikel des Klebers der zweiten Schicht zumindest teilweise miteinander verschmolzen werden. Im erfindungsgemäßen Verfahren findet somit das Auftragen des Klebers in zumindest zwei Schritten statt. Zunächst wird eine Schicht auf einer Klebestelle aufgebracht und zumindest teilweise getrocknet, d. h. dem Kleber wird zumindest bis zu einem gewissen Anteil das Lösungsmittel entzogen. In einer Ausgestaltung wird der Kleber vollständig ausgetrocknet.

Anschließend wird auf diese erste Schicht oder entsprechend auf die zweite Klebestelle des zweiten Elements eine zweite Schicht des Klebers aufgebracht und die beiden Klebestellen werden durch den Kleber bedingt in mittelbaren Kontakt zueinander gebracht, so dass sich also folgender Aufbau ergibt: erste Klebestelle des ersten Elements – getrocknete erste Schicht – zweite Schicht – zweite Klebestelle des zweiten Elements. Durch ein auf den Kleber abgestimmtes Verfahren werden dann die beiden Klebeschichten und somit die beiden Elemente/Bauteile miteinander verbunden, indem vorzugsweise die Kunststoffpartikel miteinander verschmolzen werden. Dass zuerst der Kleber in einer ersten Schicht aufgebracht und angetrocknet wird, hat den Vorteil, dass somit die Unterfläche für das Aufbringen der zweiten Schicht optimiert und somit quasi für die zweite Schicht eine entsprechende Strukturierung geschaffen wird, in welche sich der Kleber und insbesondere die darin befindlichen Partikel der zweiten Schicht optimal verteilen und einpassen können. Als möglicher Kleber ist beispielsweise der thermoplastische Kleber der Staystik Produktfamilie zu nennen. Bei thermoplastischen Klebern, welche als Pasten oder Kolloidflüssigkeiten angewendet werden, befinden sich Kunststoffpartikel in einem Lösungsmittel. Durch die Trocknung – z. B. durch Wärmeeinwirkung – verschwindet das Lösungsmittel. Wird anschließend eine höhere Temperatur auf den Kleber wirken gelassen, so verschmelzen die Partikel miteinander und bilden eine entsprechende homogene Einheit, die je nach der Ausgestaltung der Partikel unterschiedliche Eigenschaften oder auch Elastizitäten aufweisen kann. Das Verschmelzen erlaubt es somit, dass sich die Partikel in den beiden Schichten und daher die beiden Schichten selbst miteinander verbinden und dass sich eine entsprechende Kunststoffstruktur zwischen den beiden Klebestellen der beiden Elemente/Bauteile ausbildet. Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise bei der Chipmontage in der Fertigung von Messgeräten Verwendung finden. In jeder der beiden Schichten wird vor allem jeweils der gleiche Kleber verwendet. Die für die beiden Schichten verwendeten Mengen des Klebers können gleich oder auch unterschiedlich sein. Die Mengen hängen auch von der Beschaffenheit des Klebers und den sonstigen Verarbeitungsbedingungen ab. Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine zuverlässige und porenfreie Verbindung auch ohne die Anwendung von Druck auf die zu verbindenden Teile erzeugt wird. Dies ist insbesondere wichtig, wenn es sich bei mindestens einem der Teile um ein druckempfindliches Bauteil handelt. Als solche Bauteile sind beispielsweise mikromechanische Chips, welche z. B. bei Druckmesszellen von Druckmessgeräten verwendet werden, zu nennen.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass vor dem Verschmelzen des Klebers der ersten Schicht und des Klebers der zweiten Schicht der Kleber der zweiten Schicht zumindest teilweise getrocknet wird. In diesem Schritt wird somit der zweiten Schicht des Klebers somit ebenfalls das Lösungsmittel durch eine zumindest teilweise Trocknung entzogen. Dies geschieht vor dem Schritt, in welchem die beiden Schichten bzw. die Kunststoffpartikel miteinander verbunden bzw. verschmolzen werden.

Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass das erste Element nach dem Aufbringen der ersten Schicht des Klebers auf die erste Klebestelle oder nach dem zumindest teilweisen Trocknen des Klebers der ersten Schicht gelagert wird. In dieser Ausgestaltung findet somit nicht sogleich eine Weiterverarbeitung statt, sondern das erste Element mit der applizierten ersten Schicht wird zunächst einmal gelagert oder in eine beliebige andere Wartestellung gebracht. Zwischen den einzelnen Verfahrensschritten wird somit eine Verweilzeit eingeschoben, welche beispielsweise auch einer zusätzlichen, weiteren Trocknung der ersten Schicht dienen kann.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass nach dem Aufbringen der zweiten Schicht des Klebers das erste Element gegenüber dem zweiten Element oder das zweite Element gegenüber dem ersten Element ausgerichtet wird. Ist der Kleber noch flüssig oder zumindest von ausreichender Beweglichkeit bzw. Fließfähigkeit – z. B. vor dem Trocknen – so können die beiden Elemente nach gegeneinander verschoben und insbesondere gegeneinander orientiert oder ausgereichtet werden. Der flüssige Anteil des Klebers sorgt dabei für eine gute Vernetzung der Fügeteile/Bauteile/Elemente.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die zweite Schicht des Klebers nach dem Aufbringen und vor dem In-Kontakt-Bringen der ersten Klebestelle und der zweiten Klebestelle zumindest teilweise getrocknet wird, dass anschließend mindestens eine dritte Schicht einer vorgebbaren Menge des Klebers zwischen der zweiten Schicht und der zweiten Klebestelle des zweiten Elements oder zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht aufgebraucht wird, und dass die Kunststoffpartikel der ersten, der zweiten und der dritten Schicht miteinander verschmolzen werden. In dieser Ausgestaltung wird sowohl auf der ersten, als auch auf der zweiten Klebestelle eine Schicht des Klebers aufgebracht und angetrocknet. Dann wird zwischen diesen beiden Schichten eine dritte Schicht aufgebracht und anschließend erst das Verschmelzen der drei Schichten resp. der darin enthaltenen Partikel durchgeführt.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die erste Klebestelle und/oder die zweite Klebestelle gereinigt und/oder getrocknet werden. Damit keine Verunreinigungen die Klebung stören und damit der Kleber möglichst optimal und an den Klebestellen haftet, wird vorher eine Reinigung – z. B. auch insbesondere eine Entfettung – der Klebestellen vorgenommen.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass der Kleber der ersten Schicht derartig getrocknet wird, dass der Gehalt des Lösungsmittels in der ersten Schicht unter einem vorgebbaren Wert liegt. Es wird also eine bestimmte und vorgebbare „Trockenheit" der ersten Schicht erzielt.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Kleber der ersten Schicht derartig getrocknet wird, dass die Beweglichkeit der Partikel im aufgebrachten Kleber unter einem vorgebbaren Wert liegt. Die Beweglichkeit/Verschiebbarkeit der Partikel hängt auch vom Grad der Trockenheit ab.

Und eine weitere Ausgestaltung beinhaltet, der Kleber der ersten Schicht derartig getrocknet wird, dass die Beweglichkeit der Partikel im aufgebrachten Kleber vernachlässigbar ist. In einer Ausgestaltung wird der Kleber der ersten Schicht vollständig getrocknet.

In diesen vorhergehenden Ausgestaltungen wird jeweils ein Maß für die Trocknung der ersten Schicht angegeben. Die Trocknung sollte jeweils den Anteil des Lösungsmittels auf ein gewisses, vorgegebenes Maß reduzieren. Die Reduktion des Anteils des Lösungsmittels trägt dazu bei, dass sich unter anderem die Partikel in der Schicht immer weniger bewegen können und somit eine immer starrere Struktur vorgeben. Ein gewisses Maß an „Verschieblichkeit" der Partikel kann dabei gegebenenfalls gewünscht oder gänzlich vermieden werden. Durch das Trocknen der ersten Schicht wird damit den Partikeln der zweiten Schicht eine immer festere Struktur zum sich Einfügen oder Einlegen vorgegeben, je stärker die Trocknung vorgenommen wird. Das Maß der Trocknung ist dabei gegebenenfalls in Abhängigkeit vom Kleber, von den Elementen und der Art der anschließenden Anwendung bzw. Belastung der verbundenen Elemente/Bauteile festzulegen.

Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass es sich bei dem ersten Element und dem zweiten Element um Bauteile eines Messgerätes handelt, und dass das Verfahren ein Teil des Verfahrens der Herstellung des Messgerätes ist. Beispielsweise handelt es sich bei dem ersten oder zweiten Element um ein Gehäuseelement oder um ein anderes, beliebiges Trägerelement und bei dem zweiten oder ersten Element um einen Halbleiterchip oder allgemein um einen mikromechanischen Chip. Beide zusammen bilden eine sog. Messzelle, welche wiederum in einem entsprechenden Messgerät eingebaut wird. Bei der Druckmesstechnik z.B. wird im Stand der Technik häufig ein Sensorchip mit dem zu messenden Druck beaufschlagt. Für die Anwendung wird dieser Chip dann häufig in einem Gehäuse eingebaut, wobei das entsprechende Gehäuseelement gegebenenfalls besonders ausgestaltet ist, um z. B. einen Referenzdruck auf den Sensor wirken zu lassen. Somit kann das Verfahren auch ein Bestandteil der Fertigung eines Druckmessgerätes sein.

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Messgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße, in welchem mindestens ein erstes Element und ein zweites Element nach dem Verfahren in mindestens einer der oben genannten Ausgestaltungen miteinander verbunden sind. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um den Füllstand, den Durchfluss, den Druck, die Viskosität, die Dichte, die elektrische Leitfähigkeit oder den pH-Wert eines Mediums – z.B. einer Flüssigkeit oder eines Schüttguts – in einem Behälter oder in einer Rohrleitung.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figur näher erläutert. Dabei zeigt:
1: eine schematische Darstellung der zu verbindenden Elemente zwischen zwei Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In der 1 ist beispielhaft für die Herstellung eines Messgerätes ein Druck-Sensor-Chip als zweites Element 2 dargestellt, welches auf ein Gehäuseelement eines Druckmessgerätes als erstes Element 1 aufgeklebt wird. Das Gehäuseelement 1 weist nach unten eine rohrförmige Öffnung auf, über welche ein Referenzdruck an die Rück- bzw. hier Unterseite des Chips 2 gegeben werden kann. Der zu messende Druck wirkt hier – z. B. über eine hier nicht gezeigte Ölvorlage vermittelt – auf die Oberseite des Chips 2. Mit dem Referenzdruck ist somit eine Relativdruckmessung möglich. Ist der Durchgang des ersten Elements 1 verschlossen, so lässt sich ein anstehender Druck absolut messen. Da der Chip 2 und die Unterlage 1 üblicherweise unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, wird für die Verbindung häufig ein thermoplastischer Kleber verwendet, über welchen sich die Elemente 1, 2 leicht gegeneinander verschieben können. Damit lassen sich mechanische Spannungen bei einem Temperaturwechsel schnell ausgleichen. Die zur Druckmessung verwendeten mikromechanischen Chips sind im Allgemeinen sehr druckempfindlich, so dass bei der Fertigung der Druckmesszelle als Teils der Herstellung des Messgerätes möglichst kein Druck beim Kleben angewendet werden sollte. Daher ist das erfindungsgemäße sehr vorteilhaft.
Die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verkleben von zwei Elementen 1, 2 mit einem solchen Kleber sind folgende:

– Vorteilhafterweise werden die beiden Klebstellen 3, 4 gereinigt, insbesondere entfettet und auch von Feuchtigkeiten befreit, also getrocknet. Dies kann beispielsweise in einer Plasmareinigungsanlage geschehen.
– Auf das erste Element 1 wird eine erste Schicht 5 des Klebers aufgebracht. Die Menge des Klebers für diese erste Schicht 5 ist dabei beliebig vorgebbar und hängt u. a. von der Beschaffenheit des Klebers, von der zu erzielenden Klebewirkung oder auch von dem zulässigen Abstand zwischen den beiden Elementen 1, 2 ab.
– Diese erste Schicht 5 wird sodann z.B. durch die Einwirkung von Wärme in einem Temperaturschrank getrocknet.
– Anschließend oder gegebenenfalls vor der Trocknung kann das erste Element 1 auch je nach den Anforderungen oder den Fertigungsbedingungen oder -möglichkeiten gelagert werden.
– Dann wird eine zweite Schicht 6 des Klebers entweder auf die erste Schicht 5 oder auf die zweite Klebestelle 4 aufgebracht. Mit anderen Worten: Die zweite Schicht 6 wird zwischen der ersten Schicht 5 und der zweiten Klebestelle 4 erzeugt.
– Anschließend werden die beiden Klebestellen 3, 4 miteinander in Kontakt gebracht, indem beispielsweise das zweite Element 2 auf dem ersten Element 1 positioniert bzw. aufgesetzt wird. Der noch feuchte Kleber der zweiten Schicht 6 erlaubt es dabei, die beiden Elemente 1, 2 gegeneinander zu orientieren und optimal zu fügen.
– Der Kleber der zweiten Schicht 6 wird – zumindest teilweise, so dass ein gewisser Anteil des Lösungsmittels verbleibt – getrocknet. Dieser Schritt kann ggf. auch ein Bestandteil des folgenden Schritts sein, so dass also die (An-)Trocknung quasi die erste Phase des Verschmelzens ist.
– Zum Schluss werden die beiden Schichten 5, 6 und damit die Elemente 1, 2 miteinander verbunden, indem z. B. durch Erhitzen bei einer Temperatur, die Oberhalb der zur Trocknung der ersten Schicht 5 verwendeten Temperatur liegt, die im Kleber befindlichen Partikel miteinander verschmolzen werden. Mögliche, jedoch vom verwendete Kleber abhängige Temperaturbereiche können sein: (150–250)°C für die Trocknung und (350–370)°C für das Verschmelzen. Bei der Einwirkung von Hitze hängt somit der Grad der Trocknung des Klebers von der Behandlungszeit ab. Der in der Abbildung gezeigte Sensor befindet sich also gerade in diesem Zustand vor dem Verschmelzen der Partikel der Kleber in den beiden Schichten 5, 6.

Ein Vorteil der Erfindung liegt somit darin, dass die Kunststoffpartikel des thermoplastischen Klebers der zweiten Schicht 6 die die Struktur eindringen, welche sich aus den Partikeln der getrockneten ersten Schicht 5 ergeben hat.

1: Erstes Element
2: Zweites Element
3: Erste Klebestelle
4: Zweite Klebestelle
5: Erste Schicht
6: Zweite Schicht

Claims

Verfahren zum Verbinden eines ersten Elements (1) mit einem zweiten Element (2) unter Verwendung mindestens eines thermoplastischen Klebers, wobei der Kleber mindestens in einem Lösungsmittel befindliche Kunststoffpartikel aufweist, wobei auf mindestens einer ersten Klebestelle (3) des ersten Elements (2) mindestens eine erste Schicht (5) einer vorgebbaren Menge des Klebers aufgebracht wird, wobei der Kleber der ersten Schicht (5) zumindest teilweise getrocknet wird, wobei auf die erste Schicht (5) des Klebers und/oder auf einer zweiten Klebestelle (4) des zweiten Elements (2) mindestens eine zweite Schicht (6) einer vorgebbaren Menge des Klebers aufgebracht wird, wobei die erste Klebestelle (3) des ersten Elements (1) und die zweite Klebestelle (4) des zweiten Elements (2) in Kontakt miteinander gebracht werden, und wobei die Kunststoffpartikel des Klebers der ersten Schicht (5) und die Kunststoffpartikel des Klebers der zweiten Schicht (6) zumindest teilweise miteinander verschmolzen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei vor dem Verschmelzen des Klebers der ersten Schicht (5) und des Klebers der zweiten Schicht (6) der Kleber der zweiten Schicht (6) zumindest teilweise getrocknet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Element (1) nach dem Aufbringen der ersten Schicht (5) des Klebers auf die erste Klebestelle (3) oder nach dem zumindest teilweisen Trocknen des Klebers der ersten Schicht (5) gelagert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach dem Aufbringen der zweiten Schicht (6) des Klebers das erste Element (1) gegenüber dem zweiten Element (2) oder das zweite Element (2) gegenüber dem ersten Element (1) ausgerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Schicht (6) des Klebers nach dem Aufbringen und vor dem In-Kontakt-Bringen der ersten Klebestelle und der zweiten Klebestelle zumindest teilweise getrocknet wird, wobei anschließend mindestens eine dritte Schicht einer vorgebbaren Menge des Klebers zwischen der zweiten Schicht (6) und der zweiten Klebestelle (4) des zweiten Elements (2) oder zwischen der ersten Schicht (5) und der zweiten Schicht (6) aufgebraucht wird, und wobei die Kunststoffpartikel der ersten (5), der zweiten (6) und der dritten Schicht miteinander verschmolzen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kleber der ersten Schicht (5) derartig getrocknet wird, dass der Gehalt des Lösungsmittels in der ersten Schicht (5) unter einem vorgebbaren Wert liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kleber der ersten Schicht (5) derartig getrocknet wird, dass die Beweglichkeit der Partikel im aufgebrachten Kleber unter einem vorgebbaren Wert liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kleber der ersten Schicht (5) derartig getrocknet wird, dass die Beweglichkeit der Partikel im aufgebrachten Kleber vernachlässigbar ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei es sich bei dem ersten Element (1) und dem zweiten Element (2) um Bauteile eines Messgerätes handelt, und wobei das Verfahren ein Teil des Verfahrens der Herstellung des Messgerätes ist.
Messgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße, in welchem mindestens ein erstes Element (1) und ein zweites Element (2) nach dem Verfahren in Anspruch 9 miteinander verbunden sind.