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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines
mindestens einen Mikrohohlraum aufweisenden Bauteils (mikrostrukturiertes
Bauteil) sowie ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen mikrostrukturierten
Bauteils. Derartige Verfahren sind insbesondere zur Herstellung
von mit Fluidkanälen
versehenen mikrostrukturierten Bauteilen, vor allem Mikroreaktoren,
Mikrokühlern,
Mikrowärmetauschern
und Mikromischern, geeignet.
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In
der Literatur wird seit einiger Zeit über mikrostrukturierte Bauteile,
insbesondere Mikroreaktoren, Mikrokühler, Mikrowärmetauscher
und Mikromischer, berichtet, die gegenüber herkömmlichen Produktionsanlagen
zur Herstellung chemischer Verbindungen, Kühlern, Wärmetauschern bzw. Mischern
Vorteile aufweisen, die darin bestehen, dass im Labormaßstab gewonnene
Erkenntnisse über
die Verfahrensführung
einer chemischen Reaktion üblicherweise
nicht direkt in den großtechnischen
Maßstab übernommen
werden können
(scale-up-Problem). Zur Lösung
dieses Problems werden Mikroreaktoren eingesetzt. Hierbei handelt
es sich um eine Anordnung mehrerer Reaktionszellen, deren Abmessungen
von wenigen Mikrometern bis zu einigen Millimetern betragen. Auch
zur Kühlung
von Fluiden haben Mikrowärmetauscher
und zur Kühlung
von Halbleiterbauelementen Mikrokühler gegenüber herkömmlichen Wärmetauschern bzw. Kühlern erhebliche
Vorteile, da deren Handhabbarkeit wegen der geringen Größe und Effizienz überragend
ist.
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Zur
Herstellung der mikrostrukturierten Bauteile gibt es eine Reihe
von Vorschlägen,
wobei in den meisten Fällen
Bleche oder anderes Flachmaterial mit für die Mikrohohlräume in den
Bauteilen vorgesehenen Vertiefungen versehen werden und das mikrostrukturierte
Flachmaterial dann in mehreren Lagen gestapelt und mit einem Fügeverfahren
miteinander verbunden wird (z. B.
DE 197 08 472 C2 ,
DE 102 51 658 B4 ,
DE 198 01 374 C1 ). Ein
geeignetes Verfahren ist das Thermodiffusionsschweißverfahren,
da damit eine monolithische Fügeverbindung
zwischen den Lagen gebildet werden kann, d. h. eine Verbindung,
deren ursprüngliche
Naht in einem Querschliff nicht mehr erkennbar ist. Allerdings sind
diese Verfahren nachteilig, da die thermische Belastung des Bauteils
sehr hoch ist. Alternativ kann auch ein Diffusionslötverfahren
eingesetzt werden, beispielsweise ein Schmelzdiffusionslötverfahren.
Das hierzu erforderliche Lot wird auf die Lagen abgeschieden, beispielsweise
mit einem galvanischen Verfahren (
DE 198 01 374 C1 ).
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Zur
Herstellung der Mikrovertiefungen im Flachmaterial sind ebenfalls
verschiedene Verfahren angegeben worden, beispielsweise Ätz-, Fräs-, Präge-, Stanz-
oder Drahterosionsverfahren (
DE 198 01 374 C1 ) sowie Metallabscheideverfahren
(z. B.
DE 197 08 472
C2 ).
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Von
K.-J. Matthes, S. Meyer, H. Latsch und J.-U. Müller in: Fügen von mikrogeprägten Wärmetauscherstrukturen
in: Hart- und Hochtemperatur/dten und Diffusionsschweißen, – Vorträge und Posterbeiträge des 6.
Internationalen Kolloquiums in Aachen vom B. bis 10 Mai 2001, s.
264–267
ist ferner von einem Prägeverfahren
zur Herstellung von mikrogeprägten
Wärmetauscherstrukturen
berichtet worden. Zu deren Herstellung werden eine Kühlerdeckplatte
und eine geprägte
Nutzstruktur in einer weiteren Kühlerlage
mit einem Diffusionslötverfahren
miteinander verbunden. Die zum Löten
benötigte
Lotschicht aus B-Ag72Cu-780 wird auf eine Seite der Deckplatte,
die aus Kupfer besteht, galvanisch aufgebracht. Die weitere Kühlerlage
wird durch Prägen
mit der Nutzstruktur versehen. Es wird angegeben, dass das Lot in
die Kanäle
fließt,
wenn die Lotschicht eine Dicke von 20 μm aufweist und die Kanäle der Nutzstruktur
eine Tiefe von etwa 100 μm
haben.
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Die
genannten Verfahren eignen sich zwar grundsätzlich für die Herstellung von mikrostrukturierten Bauteilen.
Jedoch sind deren Herstellkosten relativ hoch. Außerdem wird
wiederholt das Problem erörtert, dass
Lot leicht in die Kanäle
gelangen und diese verschließen
kann (z. B. 198 01 374 01, K.-J. Matthes et al.).
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Der
vorliegenden Erfindung liegt von daher das Problem zugrunde, dass
die Herstellung mikrostrukturierter Bauteile zu aufwändig ist
und insbesondere bei der Herstellung von Bauteilen mit sehr feinen
Hohlräumen
die Gefahr besteht, dass die Hohlräume mit Lotmaterial verstopft
werden, wenn ein Diffusionslötverfahren eingesetzt
wird. Andererseits besteht das Problem übermäßiger thermischer Belastung
der Lagen und des gefügten
Bauteils, wenn anstelle eines Lötverfahrens
ein Schweißverfahren
eingesetzt wird, etwa ein Thermodiffusionsschweißverfahren.
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Von
daher besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein
Verfahren zum Herstellen von mikrostrukturierten Bauteilen zu finden,
mit dem die Bauteile einfach und ohne wesentlichen Aufwand in großer Stückzahl produziert
werden können.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
zum Herstellen der mikrostrukturierten Bauteile zu finden, mit dem
vermieden wird, dass die Mikrohohlräume in dem Bauteil durch Lot
verstopft werden.
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Noch
eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
Verfahren zum Herstellen der mikrostrukturierten Bauteile zu finden,
das es erlaubt, die Bauteile möglichst
schonend, d. h. bei relativ geringer Temperaturbelastung herzustellen.
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Noch
eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
Verfahren zum Herstellen der mikrostrukturierten Bauteile zu finden,
die für
die Herstellung von Mikrokühlern
mit einer möglichst
hohen Kühlleistung
verwendet werden.
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Die
Aufgaben werden gelöst
durch das Verfahren zum Herstellen eines mindestens einen Mikrohohlraum
aufweisenden Bauteils nach Anspruch 1 und das Verfahren zum Herstellen
eines mikrostrukturierten Bauteils nach Anspruch 15. Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In
der vorliegenden Anmeldung steht der Begriff „Flachmaterial" für ein flaches
Material, etwa Platten- oder Folienmaterial, das aus beliebigen
Werkstoffen oder Werkstoffkombinationen bestehen kann, beispielsweise
aus Metall oder metallbeschichteten Keramikfolien. Besteht das Flachmaterial
aus Metall, handelt es sich um Blech oder Metallfolien. Flachmaterial
kann beispielsweise in Rollenform in beliebiger Länge, aus
dem Stücke
in der gewünschten
Größe für eine bestimmte
Anwendung vereinzelt werden, oder als Flachmaterialstück in der
für ein
Bauteil gewünschten
Größe bereitgestellt
werden. Flachmaterial besteht erfindungsgemäß vorzugsweise aus Kupfer,
beispielsweise weichem Kupfer wie F20 oder F25, etwa SF-Cu F25,
oder aus Aluminium oder aus den Legierungen dieser Metalle, beispielsweise
aus Reinaluminium oder aus AlMg3 oder auch aus Silber. Werden mehrere
Lagen des Flachmaterials zu einem Bauteil gestapelt und gefügt, so können die
gestapelten Flachmateriallagen aus dem gleichen Material, etwa ausschließlich aus
Silber, oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Beispielsweise
können
Lagen aus verschiedenen Kupferlegierungen oder Lagen aus Kupfer
mit Lagen aus Aluminium bzw. deren Legierungen gestapelt und gefügt werden.
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In
der vorliegenden Anmeldung steht der Begriff „Bauteil" für
ein Produkt, das aus mehreren Lagen des Flachmaterials durch Fügen gebildet
wird. Das Bauteil selbst kann ein Fertigprodukt oder ein Halbprodukt sein.
Beispielsweise kann das Bauteil ein Halbprodukt zur Herstellung
eines Mikroreaktors, Mikrowärmetauschers,
Mikrokühlers
oder Mikromischers sein.
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In
der vorliegenden Anmeldung steht der Begriff „Mikrohohlräume" für Fluidströmungswege
in einem mikrostrukturierten Bauteil, die sich entweder innerhalb
einer Bauteillage (Kanäle)
oder die Bauteillage durchsetzend (Verbindungskanäle) erstrecken.
Andere Mikrohohlräume
sind ebenfalls möglich,
beispielsweise Mischkammern und Reaktionskammern. Die Mikrohohlräume weisen
eine Tiefe in einem Bereich von 50–10.000 μm, insbesondere in einem Bereich
von 50–2.500 μm auf.
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In
der vorliegenden Anmeldung steht der Begriff „Mikrovertiefungen" zum einen für Ausnehmungen
im Flachmaterial, insbesondere in den Platten oder Folien, die für die Bildung
von Kanälen
(Mikrohohlräumen) lang
gestreckt sind und das Flachmaterial nicht vollständig durchsetzen,
und zum anderen für
Perforationen, die das Flachmaterial für die Bildung von Durchlässen zwischen
verschiedenen Lagen vollständig
durchsetzen. Andere Vertiefungen und Perforationen sind ebenfalls
möglich,
beispielsweise nicht lang gestreckte, das Flachmaterial nicht vollständig durchsetzende
Ausnehmungen oder lang gestreckte (das Flachmaterial vollständig durchsetzende)
Perforationen. Aus den Mikrovertiefungen werden beim Stapeln von
mikrostrukturierten Lagen Mikrohohlräume gebildet.
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In
der vorliegenden Anmeldung steht der Begriff „mikrostrukturierte Bauteile" für solche
Bauteile, die Mikrohohlräume
aufweisen, vor allem Fluidhohlräume.
Mikrostrukturierte Bauteile werden insbesondere als mikrostrukturierte
Reaktoren (Mikroreaktoren), Mischer (Mikromischer), Kühler (Mikrokühler) und
Wärmetauscher
(Mikrowärmetauscher)
eingesetzt.
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In
der vorliegenden Anmeldung stehen die Begriffe „Mikroreaktor", „Mikromischer", „Mikrokühler" und „Mikrowärmetauscher" für mikrostrukturierte
Bauteile, die Kanalhohlräume
für Fluide
aufweisen. Die Mikrowärmetauscher
weisen zwei voneinander getrennte Kanalhohlraumsysteme auf, zwischen
denen keine Fluidverbindung besteht, die aber in engem thermischem
Kontakt stehen, so dass Wärme
von in einem Kanalsystem fließendem
Fluid zu Fluid in dem anderen Kanalsystem gelangen kann. Bekannt
sind z. B. Kreuzwärmetauscher,
die kreuzweise übereinander
angeordnete Kanalhohlräume
aufweisen, die alternierend den beiden Kanalsystemen angehören. Mikrokühler weisen
nur ein Kanalsystem auf. Wärme
wird dem in diesem Kanalsystem zirkulierenden Fluid von einer Kühlfläche aus
zugeführt.
Mikromischer weisen ebenfalls üblicherweise
nur ein Kanalsystem auf: Mindestens zwei Fluide, die über jeweilige
Einlässe
in den Mischer eintreten, gelangen in ein Mischkammersystem und
werden dort gemischt. Das gemischte Fluid gelangt über einen
einzigen Auslass aus dem Mischer heraus. Mikroreaktoren weisen ebenfalls üblicherweise
nur ein einziges Kanalsystem auf. Die Reaktoren können u.
a. auch Mikromischer und Mikrowärmetauscher
enthalten, um Recktanten zu mischen bzw. vorzuheizen oder vorzukühlen oder
nachträglich
zu heizen oder zu kühlen.
Gegebenenfalls gemischte und gegebenenfalls aufgeheizte oder abgekühlte Recktanten
werden in einem Reaktionsraum chemisch umgesetzt. Die genannten
Bauteile können
weitere Elemente, wie Sensoren, Aktoren sowie Heiz- und Kühlelemente
enthalten. Alle erwähnten
Kanalhohlräume
weisen die für
mikrostrukturierte Bauteile erwähnten Dimensionen
auf. Mikroreaktoren, Mikrowärmetauscher,
Mikrokühler
und Mikromischer werden vor allem in der Chemie, u. a. in der chemischen
Technik, beispielsweise Medizintechnik und chemischen Reaktionstechnik,
sowie in der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt.
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In
der vorliegenden Anmeldung steht der Begriff „Fluid" für
eine Flüssigkeit
oder ein Gas.
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In
der vorliegenden Anmeldung steht der Begriff „elektrolytisches Metallabscheideverfahren" für ein Verfahren
zum Herstellen einer Metallschicht auf einer Unterlage mit einem
nasschemischen (galvanotechnischen) Verfahren, bei dem die Metallschicht
aus einer chemischen Behandlungsflüssigkeit, beispielsweise einer
Lösung,
Suspension oder Dispersion, unter Anwendung eines elektrischen Stromes
zwischen der Unterlage und einer Gegenelektrode (Anode) auf der
Materialoberfläche
gebildet wird. Beispielsweise kann Kupfer aus einer schwefelsauren
Kupfersulfatlösung
elektrolytisch abgeschieden werden. Gleichfalls können auch andere
Metalle und Metalllegierungen abgeschieden werden, beispielsweise
Nickel, Kobalt, Chrom, Zink, Zinn, Blei, Eisen, Gold, Palladium,
Rhodium, Platin, Silber und Cadmium.
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In
der vorliegenden Anmeldung steht der Begriff „chemisches Metallabscheideverfahren" für ein Verfahren
zum Herstellen einer Metallschicht auf einer Unterlage mit einem
galvanotechnischen Verfahren, bei dem die Metallschicht aus einer
chemischen Behandlungsflüssigkeit,
beispielsweise einer Lösung,
Suspension oder Dispersion, ohne Anwendung eines elektrischen Stromes
auf der Materialoberfläche
gebildet wird. Es wird unterschieden zwischen (außen)stromlosen/autokatalytischen
Verfahren, bei denen zur Metallabscheidung Reduktionsmittel für die Reduktion
von Metallionen zu Metall unter Bildung der Metallschicht verwendet werden,
und zementativen Verfahren, bei denen keine derartigen Reduktionsmittel
eingesetzt werden. Bei den stromlosen Verfahren ist die Abscheidungsflüssigkeit
gegen Zersetzung metastabil. Bei den zementativen Verfahren werden
die Metallionen durch einen Ladungsaustausch zwischen diesen und einer
metallischen Unterlage, auf der die Metallschicht abgeschieden wird,
reduziert, indem das Metall der Unterlage durch Oxidation aufgelöst und die
Metallionen unter Reduktion abgeschieden werden (Abscheidung durch
Ladungsaustauschreaktion). Beispielsweise können Nickel und dessen Legierungen
mit Metalloiden sowie Kupfer stromlos abgeschieden werden. Als Reduktionsmittel
dienen Hypophosphitsalze und deren Säure, Dimethylaminboran und
Natriumborhydrid sowie Formaldehyd. Eine bevorzugte stromlose Nickelabscheidelösung enthält ein Nickelsalz,
beispielsweise Nickelsulfat, und Natriumhypophosphit als Reduktionsmittel.
Ferner kann beispielsweise Zinn mit einem zementativen Verfahren
auf Kupferoberflächen
abgeschieden werden, wenn die Abscheidelösung Thioharnstoff enthält. In diesem
Falle löst
sich Kupfer auf, und Zinn scheidet sich ab.
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Soweit
nachfolgend in der Anmeldung auf eine Fügeschicht Bezug genommen wird,
ist darunter sowohl eine einzelne Fügeschicht als auch ein Ensemble
von mehreren insbesondere aufeinander liegenden Fügeschichten
zu verstehen (Sandwich). Die Fügeschichten
werden vorzugsweise durch ein galvanotechnisches Verfahren gebildet,
d. h. mit einem chemischen oder elektrolytischen Verfahren. Als
Fügeschicht
wird vorzugsweise eine Lotschicht gebildet, die je nach den Anforderungen
an das gefügte
Bauteil und das Material der Lagen des Bauteils ausgewählt wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
dient zum Herstellen von Bauteilen, die Mikrohohlräume aufweisen, so
genannte mikrostrukturierte Bauteile, beispielsweise Mikroreaktoren,
Mikrowärmetauscher,
Mikrokühler und
Mikromischer. Das Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:
- a) Bereitstellen von Flachmaterial;
- b) Beschichten des Flachmaterials an mindestens einer Seite
ganzflächig
mit jeweils mindestens einer Fügeschicht;
- c) Bilden mindestens einer dem mindestens einen Mikrohohlraum
entsprechenden Mikrovertiefung an mindestens einer Seite in dem
Flachmaterial mit einem Prägeverfahren
unter Bildung von mikrostrukturiertem Flachmaterial;
- d) Bilden eines Stapels von mindestens zwei Lagen von Flachmaterial,
von denen mindestens eine Lage mit mikrostrukturiertem Flachmaterial
gebildet ist, wobei mindestens eine mit jeweils mindestens einer
Mikrovertiefung versehene Seite des mikrostrukturierten Flachmaterials
in dem Stapel an einer benachbarten Lage von Flachmaterial anliegt;
und
- e) Verbinden der Lagen des Flachmaterials im Stapel unter Bildung
des mindestens einen mikrostrukturierten Bauteils mit einem Fügeverfahren.
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Die
mindestens eine Mikrovertiefung wird in erfindungsgemäßer Weise
an der oder den mit der mindestens einen Fügeschicht zuvor ganzflächig beschichteten
Seite/n des Flachmaterials gebildet.
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Dadurch
dass ein Prägeverfahren
für die
Erzeugung der Mikrovertiefungen in den Flachmateriallagen für das Bauteil
eingesetzt wird, können
die Vertiefungen in einfacher Weise schnell reproduzierbar und kostengünstig mit
(voll)automatisierten Verfahren gebildet werden. Gegenüber Strukturierungsverfahren,
bei denen die Vertiefungen mit einem Ätzverfahren gebildet werden,
lässt sich
eine wesentliche Kosteneinsparung bei der Herstellung der Bauteile
erreichen. Dies gelingt insbesondere durch die Vereinfachung des
Verfahrensablaufes (keine aufwändige
und kostspielige Erzeugung einer Resistschicht und kein aufwändiges und
kostspieliges Ätzverfahren
der zu strukturierenden Oberfläche
erforderlich) sowie die weitgehende Automatisierbarkeit des Verfahrens,
wobei die Vereinfachung des Verfahrensablaufes zu der größten Kosteneinsparung
führt.
Weitere Kosten können
auch eingespart werden, wenn es gelingt, erforderliche Anschlüsse für in ein
fertig gestelltes Bauteil hinein fließendes bzw. aus dem Bauteil
heraus fließendes
Fluid bereits zusammen mit den Vertiefungen beim Prägen in die
das Bauteil abschließenden
Boden- und Deckplatten zu erzeugen. Weiterhin können die mit dieser Verfahrenstechnik
erzeugten Vertiefungen ein Aspektverhältnis (Verhältnis der Tiefe der Vertiefung
zu deren Ausdehnung parallel zur Flachmaterialoberfläche, insbesondere
der Breite) von über
1 erreichen, beispielsweise von 3 oder mehr. Durch das höhere Aspektverhältnis lassen
sich darüber
hinaus wesentlich erweiterte Designregeln (Regeln für die Auslegung
der Mikrohohlräume
im Bauteil) realisieren. Dies erlaubt beispielsweise eine reduzierte
Lagenanzahl in einem Mikrokühler
und eine Ver besserung von dessen Leistungsdaten. Die Anforderungen
an die Oberflächengüte der geprägten Materialien
sind nicht übermäßig hoch.
Jedenfalls sind sie niedriger als beim Münzprägen. Daher können geringfügige Oberflächenfehler,
die durch das Prägeverfahren
verursacht werden, etwa Grate, unberücksichtigt gelassen werden.
Beispielsweise können
die geprägten
Strukturen daher ohne weitere Bearbeitung, d. h. beispielsweise
ohne Abschleifen der geprägten
Oberfläche,
einer weiteren Bearbeitung zugeführt
werden. Ferner erlaubt das Prägeverfahren
auch eine beidseitige Strukturierung in einem Schritt.
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Im
Gegensatz zu dem bekannten Verfahren (K.-J. Matthes et al., ibid.),
bei dem die Fügeschicht
erst nach dem Prägevorgang
auf die zu fügende
Oberfläche
aufgebracht wird, kann bereits mit der Fügeschicht beschichtetes Material
eingesetzt werden, das dann durch Prägen mit den Vertiefungen versehen
wird.
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Daraus
ergeben sich erhebliche Kostenvorteile: Vor dem Prägen kann
das noch unstrukturierte Flachmaterial zunächst an der gesamten Oberfläche deckend
(vollflächig)
beschichtet werden. Beispielsweise kann das Flachmaterial in Rollenform
vorliegen und kann dann in einer Bandanlage (Rolle-zu-Rolle) beschichtet werden.
Dadurch wird ein sehr kostengünstiges
Prägeverfahren
ermöglicht,
da das Material mangels ansonsten erforderlicher Handhabungsschritte,
etwa zur Einzelhalterung für
das Metallbeschichten, bereits in großer Menge beschichtet zur Verfügung steht.
Das dabei entstehende beschichtete Halbzeug in Form von beschichtetem
Bandmaterial kann zwischengelagert und bei Bedarf weiterverarbeitet
werden. Außerdem
kann beim Arbeiten mit Mehrfachnutzen vor dem Prägen auch auf eine Vereinzelung
von Flachmaterialstücken
aus dem Material verzichtet werden. Falls erforderlich, können vor
der Metallbeschichtung Durchgangslöcher in das Flachmaterial gebohrt
oder gestanzt (oder geätzt)
werden.
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Für einen
Fachmann ist es keinesfalls selbstverständlich, dass die Fügeschicht
und gegebenenfalls weitere sequenziell aufgebrachte Funktionsschichten,
wie eine Korrosions-, Diffusionssperr- und Haftschicht, beim Prägevorgang
unbeschädigt
bleiben und darüber
hinaus noch ihre Funktion der Lotschicht und gegebenenfalls Korrosions-,
Diffusionssperr- und Haftschicht auch nach dem Präge- und
Fügevorgang
noch erhalten bleiben. Kritische Stellen, an denen der Fachmann
erwartet hätte,
dass sich maßgebliche
Beeinträchtigungen der
genannten Schichten und ihrer Funktionen einstellen, sind Orte mit
sehr geringen Radien, etwa Kanalecken und Kanalkanten. Hier war
zu erwarten, dass sich Risse bilden oder dass sich. die Funktionsschichten sogar
vom Grundmaterial lösen.
Ferner ist es insbesondere beim erfindungsgemäßen Verfahren auch nicht selbstverständlich,
dass die Bauteile nach dem Fügen
dicht und ausreichend druckbeständig
sind, da die Präzision
geprägter
Bleche hinsichtlich der Oberflächengeometrie
naturgemäß geringer
ist als die von geätztem und
nachträglich
chemisch oder elektrolytisch beschichtetem Flachmaterial.
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Es
hat sich jedoch herausgestellt, dass sich die genannten Probleme
praktisch nicht einstellen und die Funktionsfähigkeit von damit hergestellten
Bauteilen, etwa eines Mikrokühlers,
nicht beeinträchtigen:
Weder eine mangelnde Druckbeständigkeit
noch ein Verstopfen der Kanäle
in derartigen Bauteilen konnte beobachtet werden. In den weiter
unten angegebenen Beispielen wurde gefunden, dass die Druckbeständigkeit
eines Kühlers
und dessen Leistung zur Abführung
von Wärme
sehr gut sind.
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Das
Flachmaterial besteht vorzugsweise aus Metall. Dadurch wird eine
hohe Verformbarkeit für
den Prägevorgang,
Fügbarkeit
zur Erzielung der erforderlichen Druckbeständigkeit von mikrostrukturierten
Bauteilen sowie Korrosionsstabilität gegenüber verwendeten Fluiden möglich. Insbesondere
wenn das Flachmaterial aus Kupfer, Aluminium und/oder Silber besteht,
können
die vorgenannten Aufgaben in einem Bauteil verwirklicht werden.
Besonders geeignet sind duktile Grundmaterialien als Flachmaterial,
beispielsweise Reinaluminium und weich getempertes Kupfer. Mit diesen
Materialien können
Fügeparameter
gefunden werden, die trotz größerer geometrischer
Toleranz der Bleche oder Metallfolien (gegenüber chemisch geätzten Strukturen
in den Blechen oder Metallfolien) eine zuverlässige Fertigung ermöglichen.
Dazu kann beispielsweise ein Schichtaufbau mit einer Nickelschicht
mit Diffusionssperr-, Haft- und Korrosionsschutzfunktion und einer
oder mehreren Schichtkombinationen (Sandwiches) übereinander aus Silber- und
Zinnschicht verwendet werden ((Ag-Sn)x mit
x = 2, 3 ...). Eine Sandwichanordnung der Schichtenfolgen erhöht die Verfahrenssicherheit.
Anstelle von weich getempertem Kupfer oder Reinaluminium oder AlMg3
kann grundsätzlich
auch ein härte res Basismaterial,
wie normales Kupfer (mit größerer Härte als
F25) oder eine härtere
Aluminiumlegierung, etwa AlMgSi, verwendet werden.
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Anstelle
der Kupfer- oder Aluminiumlagen kann das Flachmaterial auch aus
Silber bestehen. In diesem Falle kann vorzugsweise eine Zinnschicht
als Lot aufgebracht werden. Zinn diffundiert sehr leicht in Silber, so
dass sich beim Fügen
monolithische Bauteile bilden, wenn keine Diffusionsbarriere, etwa
aus Nickel, verwendet wird. Grundsätzlich kann natürlich auch
eine Diffusionsbarriere zwischen dem Flachmaterial aus Silber und
der Zinn-Fügeschicht
vorgesehen werden. Silber ist vorteilhaft, weil es wegen dessen
sehr hoher Duktilität leicht
geprägt
werden kann. Außerdem
besteht über
die Prägebedingungen
von Silberteilen aus der Münzprägetechnik
erhebliches Know How. Die aus Silber hergestellten Bauteile können natürlich leicht
wieder recycled werden.
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Das
Flachmaterial wird zunächst
mit mindestens einer Fügeschicht
versehen und zwar entweder nur auf einer Seite oder auf beiden Seiten.
Die Fügeschicht/en
besteht/bestehen bevorzugt aus einer Metallschicht bzw. mehreren
Metallschichten. Jede Metallschicht kann entweder aus einem einzigen
Metall bestehen oder aus einer Legierung. Falls es sich um mehrere
Metallschichten handelt, können
die Schichten aus unterschiedlichen Metallen oder Legierungen bestehen.
Eine Schichtenfolge kann beispielsweise aus zwei Metallen bestehen,
die die Schichten alternierend bilden, entweder in einer Schichtenfolge
von zwei Metallschichten aus einem ersten bzw. zweiten Metall (Sandwich)
oder in einer Schichtenfolge von mehr als zwei Metallschichten (beispielsweise
mehrere derartiger Sandwiches übereinander).
Das Material der Fügeschicht
achtet sich nach der Art des Fügeverfahrens.
Vorzugsweise wird ein Lötverfahren
eingesetzt, so dass die Fügeschicht
eine Lotschicht ist. In diesem Falle besteht die Fügeschicht
vorzugsweise aus einer hoch schmelzenden und einer niedrig schmelzenden
Metallkomponente. Details hierzu werden weiter unten angegeben.
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Nach
dem Beschichten des Flachmaterials mit der Fügeschicht werden die Vertiefungen
an der Seite in das Flachmaterial mit einem Prägeverfahren eingedrückt, auf
der eine Fügeschicht
gebildet worden ist. Dabei hat sich gezeigt, dass die Fügeschicht
abhängig
vom Prägedruck
an der Wand der eingeprägten
Vertiefungen mehr oder minder verschmiert wird, wobei sich aber
keine Risse in den Fügebereichen
bilden. An den sich im Wesentlichen senkrecht zur Prägedruckrichtung
bildenden Wänden
der Vertiefungen kann die Schicht allerdings weitgehend verschmiert
oder sogar auseinander gerissen sein, so dass entweder nur noch
eine äußerst dünne Schicht
verbleibt oder keine Schicht mehr vorliegt. Es zeigt sich überdies,
dass die Haftfestigkeit der Fügeschicht
auf den Wänden
der Vertiefungen und auf der Oberfläche des Flachmaterials durch
den Prägevorgang
nicht beeinträchtigt
wird.
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Zum
Prägen
wird vorzugsweise ein mit einem lithographischen Verfahren hergestelltes
Prägewerkzeug
verwendet. Derartige Werkzeuge sind dem Fachmann bekannt und werden
je nach der Stückzahl
der zu prägenden
Teile und den Prägebedingungen
(z. B. Pressdruck) gewählt.
Die Entformungsschräge
(Neigung der seitlichen Begrenzung einer durch Prägen erzeugten
Mikrovertiefung gegen die Normale) wird gemäß den einem Fachmann bekannten
Erfahrungen auf dem Prägegebiet
eingestellt und kann beispielsweise 0° betragen. Der aufzuwendende
Prägedruck
beträgt
vorzugsweise 40 MPa–100
MPa, insbesondere bevorzugt 50 MPa–70 MPa.
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Beim
Prägen
werden die Vertiefungen gebildet. Ferner können mit dem Prägeverfahren
auch dreidimensionale Konturen am Flachmaterial gebildet werden:
Beispielsweise können
an Boden- und/oder Deckplatten für
ein mikrostrukturiertes Bauteil Anschlussmittel zum Ein- und Auslass
von Fluiden in die Mikrohohlräume
hinein bzw. aus den Mikrohohlräumen
heraus durch Umformen gebildet werden.
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Die
Verfahrensschritte b) (Bilden der Fügeschicht) und c) (Bilden der
Vertiefungen mit dem Prägeverfahren)
werden vorzugsweise nicht an vereinzelten Flachmaterialstücken sondern
mit einem Rollenmaterial durchgeführt. Dies ermöglicht,
wie vorstehend erläutert,
eine Massenfertigung der geprägten
und mit der Fügeschicht
beschichteten Flachmaterialstücke
in einer für
die Bauteilherstellung richtigen Größe und Form, weil das Flachmaterial
zunächst
beispielsweise in Rollenform vorgelegt und mit der Fügeschicht
in einer Rolle-zu-Rolle-Anlage beschichtet (Bandgalvanik) und danach
geprägt
werden kann, ohne dass die schließlich benötigten Stücke in der richtigen Größe und Form
bereits bei diesen Verfahrensschritten durch Vereinzelung aus der
Rolle gebildet werden müssten.
Dadurch kann das Verfahren äußerst kostengünstig für die Herstellung einer
großen
Anzahl von Stücken
gestaltet werden, weil Handhabungskosten weitgehend entfallen. Die
Stücke werden
dann vorzugsweise erst unmittelbar vor dem Stapeln aus dem beschichteten
und geprägten
Flachmaterial gebildet, beispielsweise durch Schneiden, Fräsen, Ätzen, Stanzen
oder mit einem dazu ähnlichen
Verfahren.
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Zur
Durchführung
mindestens eines der Verfahrensschritte b) und c) wird insbesondere
eine Rolle-zu-Rolle-Bearbeitungsanlage eingesetzt, mit der sowohl
das Aufbringen der Fügeschicht
als auch der Prägevorgang
durchgeführt
werden kann. Hierzu wird das Flachmaterial auf einer Zufuhrrolle
zur Verfügung
gestellt, von dort abgerollt und durch die Anlage geleitet, wo die
erforderlichen Bearbeitungsschritte kontinuierlich durchgeführt werden.
Nach Durchführung
aller erforderlichen Bearbeitungsschritte kann das Material wieder auf
eine Rolle aufgewickelt werden, oder aus dem mit Vertiefungen versehenen
Material werden Materialstücke
automatisch herausgetrennt, deren Form und Größe den Materiallagen im Bauteil
entsprechen. Wird das bearbeitete Material zunächst wieder auf eine Rolle
aufgewickelt, kann es zunächst
in Rollenform gelagert und später
in einzelne Flachmaterialstücke
vereinzelt werden.
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Selbstverständlich können die
Flachmaterialstücke
aber auch schon vor dem Aufbringen der Fügeschicht oder danach, aber
vor dem Bilden von Vertiefungen mit dem Prägeverfahren, durch Vereinzeln
aus dem Flachmaterial gebildet werden. In diesem Falle ergibt sich
allerdings ein erhöhter
Handhabungsaufwand.
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Die
gebildeten Flachmaterialstücke,
die die Fügeschicht
aufweisen und mit den Vertiefungen versehen sind, werden dann gemäß den Verfahrensschritten
d) und e) gestapelt und gefügt.
Zum Stapeln werden die Stücke
registriert, etwa über
Registrierlöcher,
die in den Stücken
angebracht sind, und dabei übereinander
gelegt, indem die Lagen in dem für
den vorgesehenen Anwendungszweck des Bauteils geeigneten Design
angeordnet werden. Die Lagen werden vorzugsweise so gestapelt, dass
Seiten der Stücke
mit Vertiefungen an anderen Flachmaterialstücken, insbesondere nicht mit
Vertiefungen versehenen Flachmaterialstücken anliegen. Außerdem werden
vorzugsweise Boden- und
Deckplatten auf den Außenseiten
des Stapels platziert.
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Danach
werden die Stapel gefügt.
Zum Fügen
wird der Stapel vorzugsweise einem Druck ausgesetzt, mit dem der
Stapel zusammengedrückt
wird. Der Druck kann im Bereich von 5 MPa bis 30 MPa liegen.
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Das
Fügeverfahren
ist vorzugsweise ein Lötverfahren.
Damit wird gewährleistet,
dass, anders als im Falle des Schweißverfahrens, keine besonders
hohen Anforderungen an die Oberflächengüte der Fügepartner gestellt werden,
da das Lot Unebenheiten der aneinander angrenzenden Fügeflächen in
gewissen Grenzen ausgleichen kann, und dass trotzdem eine feste
Fügeverbindung
gewährleistet
wird. Vorzugsweise ist das Lötverfahren
ein Schmelzdiffusionslötverfahren
(SDL), insbesondere ein isothermes SDL-Verfahren. Darunter ist ein
Lötverfahren
zu verstehen, bei dem mehrere Elemente des Lotes interdiffundieren
und dabei intermetallische Phasen bilden. Sofern lediglich ein reines
Metall als Lot eingesetzt wird, kann dieses Metall in einen der beiden
Fügepartner
eindiffundieren. Auch dabei können
intermetallische Phasen entstehen. Beispielsweise kann die Zusammensetzung
und Dicke der Lotteilschichten beim Schmelzdiffusionslötverfahren
so aufeinander abgestimmt werden, dass sich beim Fügevorgang
ein initiales Eutektikum bildet. Somit wird anfänglich eine sehr niedrige Schmelztemperatur
erreicht. Durch Interdiffusion der Elemente des Lotes zwischen verschiedenen
Lotschichten verschiebt sich der Schmelzpunkt während des Lötprozesses nach und nach zu
einem höheren
Wert. Durch Tempern der Fügeverbindung
wird beim Schmelzdiffusionslöten
also allmählich
eine feste Lötverbindung
mit einem Schmelzpunkt erhalten, der wesentlich höher liegt
als der sich anfänglich
beim Aufschmelzen der Lotschicht einstellende Schmelzpunkt. Als
besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn eine Lotschicht
hergestellt wird, die aus mindestens einer Lotteilschicht und insbesondere
aus zwei Lotteilschichten besteht. Durch Diffusion der Elemente
der verschiedenen Lotteilschichten ineinander wird ein hoch schmelzendes
Lot erreicht. Alternativ kann die Lötschicht auch durch gemeinsame
Abscheidung von mehreren Metallen in einer Schichtenfolge gebildet
werden.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung besteht darin, als eine der Lotteilschichten mindestens
eine hoch schmelzende Lotteilschicht und als andere der beiden Lotteilschichten
mindestens eine niedrig schmelzende Lotteilschicht vorzusehen, wobei
die hoch schmelzende Lotteilschicht insbesondere zuerst und die
niedrig schmelzende Lotteilschicht danach abgeschieden wird. Durch
diese Ausführungsform
wird eine besonders hohe Festigkeit der Lötverbindung erreicht. Durch
die Wahl der Zusammensetzung der Lotteilschichten kann die Wiederaufschmelztemperatur
der Lötverbindung
gezielt beeinflusst werden. So kann beispielsweise durch einen Überschuss
an der höher
schmelzenden Lotkomponente die Wiederaufschmelztemperatur durch
Ausbildung fester Lösungen
und/oder intermetallischer Phasen mit einem starken Überschuss
an höher schmelzender
Lotkomponente gezielt erhöht
werden. Die für
Mikrostrukturbauteile sehr wichtige Druckstabilität (Berstdruck)
liegt besonders dann sehr hoch, wenn die Lotschicht aus den genannten
Lotteilschichten besteht. Die Elemente der beiden Lotteilschichten
werden vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, in der Stöchiometrie
gewünschter
intermetallischer Phasen miteinander kombiniert. Im Falle der Ausbildung
gewünschter
fester Lösungen
wird die Menge der niedrig schmelzenden Komponente entsprechend
minimiert. Werden die Elemente der beiden Lotteilschichten so gewählt, dass
die beiden Elemente ein Eutektikum bilden können, so kann die Löttemperatur
unterhalb der Schmelztemperatur jedes einzelnen Lotelements eingestellt werden,
sofern die Löttemperatur
oberhalb der Schmelztemperatur der eutektischen intermetallischen
Phase liegt. Entspricht die Zusammensetzung der Lotteilschichten
nicht ihrem Eutektikum, wird vorzugsweise die Temperatur knapp oberhalb
der Schmelztemperatur der niedrig schmelzenden Lotteilschicht gewählt. Sind
die Bauteilanforderungen hinsichtlich Druckstabilität und Festigkeit
nicht sehr hoch, so kann die Prozesszeit in beiden oben beschriebenen
Fällen
dadurch verkürzt
werden, dass ein Temperungsschritt (nachträgliche Temperaturbehandlung)
dem verkürzten
Lötprozess
folgt. Dieser führt
selbst ohne zusätzlichen
Anpressdruck zu verbesserten Druckstabilitäten und Festigkeiten der Bauteile,
die für
bestimmte Anwendungen ausreichend sein können. Ist der verfügbare Temperaturbereich
des Presswerkzeugs begrenzt, so kann ein Pressvorgang auch bei geringerer
Temperatur durchgeführt
werden. Die nachträgliche
Temperung bei höherer
Temperatur ohne Presswerkzeug führt
wiederum zu höheren
Bauteilfestigkeiten. Der Temperungsschritt dient hierbei zur Fortführung der
Interdiffusion und/oder Phasenausbildung und/oder der Ausbildung
der festen Lösung
als Funktion der Tempe rungszeit und der Temperatur nach dem verkürzten Lötprozess.
Die Abkühlung
kann hierbei passiv oder aktiv, z. B. durch Verwendung einer Kühlpresse,
erfolgen.
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Daher
kann insgesamt mit einer sehr niedrigen Löttemperatur gearbeitet werden.
Insbesondere dadurch wird eine sehr schonende Behandlung der einzelnen
Bauteillagen erreicht, so dass ein Verzug der einzelnen Lagen, einschließlich der
Boden- und Deckplatten, durch thermische Belastung praktisch auszuschließen ist.
Der Temperungsvorgang (Lötprozess)
wird vorzugsweise bei konstanter Temperatur (isotherm) durchgeführt. Während des
Temperungsvorganges kann außerdem
gleichmäßiger Druck
auf die Fügepartner
ausgeübt
werden, um eine homogene innige Verbindung der Fügepartner miteinander zu erreichen.
Um sicherzustellen, dass sich beim Löten nicht erneut Oxidschichten
auf dem Grundmaterial bzw. auf der Lotschicht bilden, werden die
zu lötenden
Bauteile bevorzugt im Vakuum oder unter Inertgasatmosphäre (beispielsweise
Argon, Stickstoff) gelötet.
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Die
Bauteillagen werden insbesondere durch gleichzeitige Anwendung von
Wärme und
Anpressdruck miteinander verbunden. Durch Bilden schmelzflüssiger Phasen
beim Aufschmelzen des Lotes und einer isothermen Temperung kann
eine sehr homogene Fügenaht
erzeugt werden, die äußerst korrosionsbeständig ist und
eine sehr hohe Festigkeit aufweist.
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Die
hoch schmelzende und die niedrig schmelzende Lotteilschicht können ein-
oder beidseitig in verschiedenen Abfolgen auf jede und/oder z. B.
auf nur jede zweite Flachmateriallage vollflächig aufgebracht werden. Wird
eine Lotschicht aus mindestens einer hoch schmelzenden und mindestens
einer niedrig schmelzenden Lotteilschicht gebildet, so kann die
hoch schmelzende Lotteilschicht aus mindestens einem Metall, ausgewählt aus
der Gruppe, vorzugsweise umfassend Nickel, Silber, Gold und Kupfer,
gebildet werden. In diesem Falle kann die niedrig schmelzende Lotteilschicht
aus mindestens einem Metall, ausgewählt aus der Gruppe, vorzugsweise
umfassend Zinn, Indium und Wismut, gebildet werden.
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Beim
Aufschmelzen der aus den beiden Lotteilschichten bestehenden Lotschicht
bildet sich somit eine intermetallische Phase, z. B. bestehend aus
Gold, Silber, Nickel und/oder Kupfer einerseits und Zinn und/oder Indium
und/oder Wismut andererseits. Nach ausreichend langer Interdiffusion
der Metalle der hoch schmelzenden und der niedrig schmelzenden Lotteilschicht
beim Tempern entsteht eine Lotverbindung, die eine hohe Festigkeit
und insbesondere eine hohe Schmelztemperatur aufweist, die deutlich
oberhalb der Löttemperatur liegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung besteht die Fügeschicht
aus einem Sandwich aus einer Silberschicht und einer Zinnschicht.
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Die
Dicke der Lotschichten beträgt
vorzugsweise etwa 1–20 μm. Insbesondere
kann eine erste Schicht von Silber in der Schichtenfolge von Silber
und Zinn eine Dicke in einem Bereich von 2–7 μm und eine zweite Schicht von
Zinn in der Schichtenfolge eine Dicke in einem Bereich von 1–4 μm haben.
Auch die Lotschichten werden vorzugsweise durch chemische oder elektrolytische
Metallabscheideverfahren erzeugt. Durch sorgfältige Kontrolle der Schichtdicke
des abgeschiedenen Lotmaterials und somit der Menge des abgeschiedenen Materials
wird gewährleistet,
dass das Lot nicht in die sehr feinen Mikrokanäle der einzelnen Bauteillagen
eindringt und diese verstopft. Daher ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
eine sichere Fertigung der mikrostrukturierten Bauteile mit geringem
Strömungswiderstand
erreichbar.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird das Flachmaterial vor dem Beschichten mit der
Fügeschicht
mit mindestens einer Diffusionssperr-, Korrosionsschutz- und Haftschicht
beschichtet. Diese Schicht hat die Aufgabe, die Diffusion von Lot
in das angrenzende Flachmaterial sowie die Diffusion von dort in
die Lotschicht zu vermeiden, um die Bildung von Sprödphasen
zu verhindern. Außerdem verbessert
diese Schicht die Haftfestigkeit einer nachfolgend aufgebrachten
Lotschicht auf dem Flachmaterial und vermindert die Anfälligkeit
gegen Korrosion. Diese Schicht besteht vorzugsweise aus Nickel oder
einer Nickellegierung. Deren Dicke beträgt bevorzugt 1–4 μm. Ebenso
wie die Lotschicht kann die Diffusionssperr-, Korrosionsschutz-
und Haftschicht mit einem chemischen oder elektrolytischen Metallabscheideverfahren
gebildet werden. Die Schicht kann auf beiden zu fügenden Oberflächen aufgebracht
sein, um die Diffusion von Elementen von dem Grundmaterial in die
Fügenaht
und von dort in das Grundmaterial zu verhindern. Eine besonders
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist daher eine Schichtenfolge, bei der
auf das Flachmaterial zunächst
eine Nickelschicht und darauf eine Schichtenfolge (Sandwich) von
zunächst
Silber und darauf Zinn und gegebenenfalls darauf weitere derartige
Sandwiches gebildet werden: Ni-(Ag-Sn)x mit
x = 1, 2, 3 ....
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Wird
keine Diffusionssperr-, Korrosionsschutz- und Haftschicht auf das
Flachmaterial aufgebracht, können
das Lotmaterial in das Flachmaterial und das Flachmaterial in die
Fügenaht
diffundieren. Um in diesem Falle die Bildung von Sprödphasen
zu verhindern, sind sehr dünne
Lotschichten einzusetzen, beispielsweise höchstens 5 μm dicke Schichten, vorzugsweise
höchstens
2 μm dicke
Schichten. In diesem Falle können
das Lotmaterial in das angrenzende Flachmaterial und das Flachmaterial
in die Lotschicht diffundieren, so dass die Lotschicht allmählich verschwindet
und somit vorzugsweise ein monolithischer Verbund gebildet wird.
Wird eine Fügetemperatur
unter dem anfänglichen
Schmelzpunkt der Lotschicht gewählt,
findet eine reine Festkörperdiffusion
statt; keines der beteiligten Materialien wird während dieses Prozesses flüssig. Wird
dagegen eine Fügetemperatur über dem
anfänglichen
Schmelzpunkt der Lotschicht gewählt,
wird die Lotschicht zumindest anfänglich flüssig (Schmelzdiffusionsverfahren).
Durch die Diffusion des Materials der Lotschicht in die angrenzenden
Materialien und des angrenzenden Materials in die Lotschicht verschiebt
sich der Schmelzpunkt der Lotschicht jedoch üblicherweise zu einer höheren Temperatur,
so dass die Lotschicht erstarrt, wenn deren Schmelzpunkt über die
Fügetemperatur
ansteigt. Allmählich
verschwindet auch in diesem Falle die Lotschicht, so dass sich ein
monolithischer Verbund bildet.
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Das
Bauteil, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden
kann, ist vorzugsweise ein Mikroreaktor, Mikrowärmetauscher, Mikrokühler oder
Mikromischer. Zu deren Herstellung werden die vorstehend beschriebenen
Verfahrensschritte ausgeführt.
Außerdem
werden Anschlussmittel zum Ein- und Auslass von Fluiden in die Mikrohohlräume hinein
bzw. aus den Mikrohohlräumen
heraus gebildet. Derartige Anschlussmittel können insbesondere Anschlussstutzen
für die
fluiddichte Befestigung von Fluidleitungen sein. Wenn diese Anschlussmittel
nicht bereits beim Prägevorgang
an den Deckplatten gebildet worden sind, werden diese entweder vor
dem Stapeln oder auch nachträglich
am gefügten
Stapel angebracht, beispielsweise an die Deckplatten angelötet. Zur
Herstellung eines chemischen Mikroreaktors können beispielsweise Silberbleche
verwendet werden, die mit Zinn als Lot beschichtet sind. Derartige
Bleche können
nach dem Prägevorgang
und Stapeln nahtlos gefügt
werden, weil das Zinn beim Fügeprozess
eine feste Lösung
im Silber bildet. Die Herstellung eines derartigen Reaktors mit
anderen Strukturierungsverfahren, insbesondere mit chemischen Ätzverfahren,
ist problematisch, weil Silber nur schwierig ätzbar und ein hohes Aspektverhältnis mit
letzterem Verfahren nicht realisierbar ist.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele und Figuren näher erläutert. Es
zeigen im Einzelnen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Prägevorrichtung;
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2a eine
lichtmikroskopische Aufnahme eines Querschliffes durch eine durch
Prägen
erzeugte Kanalstruktur bei 5-facher Vergrößerung;
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2b eine
Querschliff-Aufnahme der Kanalstruktur von 2a bei
10-facher Vergrößerung;
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3a,
b Vermessungskurven der Querschliffaufnahmen von 2a,
b bei unterschiedlicher Vergrößerung;
-
4 eine
lichtmikroskopische Aufnahme einer Oberfläche eines Flachmaterialstücks, beschichtet
mit einer Lotschicht, im Querschliff (ungeprägt);
-
5 eine
lichtmikroskopische Aufnahme einer teilweise sichtbaren durch Prägen mit
einem Prägedruck
von 20 MPa erzeugten Vertiefung, beschichtet mit einer Lotschicht,
im Querschliff;
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6a,
b lichtmikroskopische Aufnahmen von durch Prägen mit einem Prägedruck
von 40 MPa erzeugten Vertiefungen (teilweise sichtbar in 5b), beschichtet mit einer Lotschicht,
im Querschliff;
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7a,
b lichtmikroskopische Aufnahmen von durch Prägen mit einem Prägedruck
von 50 MPa erzeugten Vertiefungen (teilweise sichtbar in 6a),
beschichtet mit einer Lotschicht, im Querschliff;
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8a,
b lichtmikroskopische Aufnahmen von durch Prägen mit einem Prägedruck
von 60 MPa erzeugten Vertiefungen, beschichtet mit einer Lotschicht,
im Querschliff;
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9a,
b lichtmikroskopische Aufnahmen von durch Prägen mit einem Prägedruck
von 70 MPa erzeugten Vertiefungen, beschichtet mit einer Lotschicht,
im Querschliff;
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10 lichtmikroskopische
Aufnahme einer teilweise sichtbaren durch Prägen mit einem Prägedruck von
40 MPa erzeugten Vertiefung, beschichtet mit einer Lotschicht, im
Querschliff (Prägetiefe
50 μm);
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11a, b lichtmikroskopische Aufnahmen einer teilweise
sichtbaren durch Prägen
mit einem Prägedruck
von 50 MPa erzeugten Vertiefung, beschichtet mit einer Lotschicht,
im Querschliff (Prägetiefe
175 μm);
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12a, b lichtmikroskopische Aufnahmen einer teilweise
sichtbaren durch Prägen
mit einem Prägedruck
von 70 MPa erzeugten Vertiefung, beschichtet mit einer Lotschicht,
im Querschliff.
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In 1 ist
eine Prägevorrichtung
schematisch dargestellt. Die Vorrichtung weist eine Halterung 1 für ein Prägewerkzeug 2 an
einem Hydraulikstempel 3 auf. Das Prägewerkzeug wird mit einer Kraft
auf das Flachmaterial F gepresst (Kraftrichtung gemäß Pfeil),
das auf einer Unterlage 4 ruht.
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In
einem ersten Versuch wurde ein Prägevorgang mit einem Prägewerkzeug
mit geschlossenem Umformraum untersucht, das Kanäle zwischen Rippen aufwies,
die jeweils 0,3 mm breit waren, wobei die Rippenhöhe 0,4 mm
hoch war. Die Enfformungsschräge
betrug 0°.
Die von der Prägevorrichtung
aufgebrachte Kraft betrug 400 kN. Das untersuchte Flachmaterial
war SF-Cu mit einer Dicke von 1 mm. Von den geprägten Proben wurden Schliffe
angefertigt, die lichtmikroskopisch untersucht wurden. Die erhaltenen
Strukturen sind in den Aufnahmen in den 2a und 2b wiedergegeben.
Vermessungen der Profile der Kanalstrukturen aus den Querschliffen
sind in den 3a und 3b wiedergegeben.
Es wurden exakt senkrechte Strukturen mit einer gleichmäßigen Tiefe
gebildet. Das Aspektverhältnis
der Kanäle
betrug 1,3.
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In
weiteren Versuchen wurden Bleche aus SF-Cu elektrolytisch mit Nickel
(5 μm dick),
Silber (5 μm dick)
und Zinn (3 μm
dick) beschichtet. Hierzu wurden handelsübliche Beschichtungsbäder eingesetzt.
Anschließend
wurden diese Bleche unter verschiedenen Drucken geprägt. Die
aufgewendeten Drucke und Kräfte,
die Eindrucktiefe h sowie die Flankenbreite der Eindrücke auf
der linken Seite (bl) und rechten Seite (br) (siehe
1)
sind in Tab. 1 wiedergegeben: Tabelle 1:
| Druck
p [MPa] | Kraft
F [kp] | h
[mm] | bl
[cm] | br
[cm] |
| 70 | 7939 | 1,4 | 0,6 | 0,5 |
| 60 | 6804 | 1,4 | 0,8 | 0,8 |
| 50 | 5670 | 1,4 | 0,6 | 0,7 |
| 40 | 4536 | 1,4 | 0,8 | 0,7 |
| 30 | 3402 | 1,4 | 0,7 | 0,8 |
| 20 | 2268 | 1,4 | 0,7 | 0,8 |
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Von
den erhaltenen Blechen wurden Querschliffaufnahmen angefertigt und
mittels optischer Mikroskopie untersucht. Die Ergebnisse sind in
den 4, 5, 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8b, 9a und 9b dokumentiert.
Die Figuren zeigen jeweils im unteren Bereich das aus Kupfer bestehende Flachmaterial
und darauf eine elektrolytisch abgeschiedene Nickelschicht (Dicke
5 μm) und
eine elektrolytisch abgeschiedene Lotschicht (zuerst 5 μm Silber
und dann 3 μm
Zinn). Im oberen Bereich der Figuren ist das Einbettmaterial der
Schliffprobenzu erkennen.
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In
den Figuren ist ferner zu erkennen, dass der Prägevorgang zu keiner Beeinträchtigung
der Haftfestigkeit der abgeschiedenen Metallschichten (Ni-Schicht)
auf dem Flachmaterial geführt
hat. Bei tieferen Kanälen
reißt
die anfänglich
zusammenhängende
Schicht auseinander. In 10 ist
eine zusammenhängende Schicht
für eine
Probe gezeigt, die bei 40 MPa geprägt wurde und in der die gebildeten
Kanäle
eine Tiefe von 50 μm
haben. In 11a mit Detailvergrößerung in 11b ist zu erkennen, dass die Schicht nach einem
Prägevorgang
mit einem Druck von 50 MPa im unteren Bereich der Kanäle auseinander
gerissen ist (Tiefe der Kanäle
175 μm).
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Die 12a und 12b zeigen
ferner Querschliffaufnahmen von Proben, die mit einem Prägedruck von
70 MPa umgeformt wurden. Auch hier ist die Haftfestigkeit der abgeschiedenen
Metallschichten sehr gut. In den Aufnahmen ist ein unbeschichteter
Bereich zu erkennen, an dem die Schicht auseinander gerissen ist.
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In
weiteren Versuchen wurden Kühler
hergestellt, die aus einem Deckblech und einem Bodenblech bestanden.
Das Bodenblech enthielt durch Prägen
gebildete Kanäle:
Am Deckblech wurden Anschlussstutzen angebracht.
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In
einem ersten Versuch wurde ein Deckblech aus AlMg3 und ein Bodenblech
aus Reinaluminium (Al 99,5%) verwendet. Das Bodenblech wurde zunächst mit
einer 5 μm
dicken Nickelschicht, darauf einer 5 μm dicken Silberschicht und darauf
einer 3 μm
dicken Zinnschicht ganzflächig
elektrolytisch beschichtet. Die Nickelschicht diente als Sperrschicht,
Korrosionsschutz und als Haftvermittler. Dann wurde das Bodenblech
geprägt,
wobei sich parallel zueinander angeordnete Kanäle mit einer Tiefe von 400 μm und einer
Breite von 300 μm
bildeten. Das geprägte
Bodenblech und das Deckblech wurden so übereinander gelegt, dass die
die Kanäle
aufweisende Seite des Bodenblechs am Deckblech anlag. Der gebildete
Stapel wurde während
einer Lötzeit
von 60 min bei einer Löttemperatur
von 300°C
und unter einem Anpressdruck während
des Lötens
von 15 MPa im Vakuum (10–3 hPa) gelötet.
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Nachdem
Anschlussstutzen am Deckblech befestigt waren, wurden Dichtigkeitstests
am Kühler
durchgeführt.
Hierzu wurde das Bauteil unter Wasser mit Druckluft bis 0,3 MPa
beaufschlagt. Es zeigten sich keine Undichtigkeiten. Ferner wurde
ein Leistungstest des Kühlers
als Kühler
für ein
Halbleiterbauelement (CPU: central processing unit) durchgeführt, bei
der die CPU eine Temperatur von 98°C hatte. Bei einem Durchfluss von
Kühlwasser
durch den Kühler
bei 120 hPa (entsprach einem Volumenstrom von 0,15 l/min) betrug
die abgeführte
Leistung 150 W.
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In
einem weiteren Versuch wurde ein Kühler mit einem Deckblech aus
Kupfer und einem Bodenblech aus Cu F25 hergestellt. Die Herstellungsbedingungen
waren zu denen des zuvor beschriebenen Kühlers identisch. Auch in diesem
Falle zeigte der Kühler
keine Undichtigkeiten. Der Leistungstest mit einer CPU mit einer Betriebstemperatur
von 95,6°C
zeigte bei einem Durchfluss von 0,12 l/min ebenfalls eine abgeführte Leistung von
150 W.