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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Fügeverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Das Fügen von keramischen Werkstoffen (artgleich oder artungleich) untereinander sowie das Fügen eines keramischen Fügepartners mit einem Fügepartner aus einem nicht-keramischen Material, wie beispielsweise einem metallischen Werkstoff, ist seit jeher problematisch. Formschlüssige Verbindungen scheiden in der Regel aufgrund der Sprödigkeit von Keramik aus. Bisher sind zum Herstellen von Verbindungen mit mindestens einem keramischen Fügepartner nur wenige Verfahren bekannt. Beispielsweise ist der Einsatz von metallischen Loten oder Glasloten Stand der Technik. Daneben wird das direkte schmelzflüssige Fügen eingesetzt, welches jedoch nur bei ganz bestimmten Keramikwerkstoffgruppen anwendbar ist. Typische Prozesstemperaturen zum schmelzflüssigen Fügen mindestens eines keramischen Fügepartners mit einem weiteren Fügepartner oder zum Aufschmelzen von Glasloten oder metallischen Loten liegen typischerweise in einem Bereich zwischen etwa 900°C und etwa 1600°C. Sollen mit derartigen Verfahren, die noch Gegenstand von Forschungsarbeiten sind und sich nach Kenntnis der Anmelderin noch nicht als serienreife Fertigungsverfahren etabliert haben, beispielsweise hermetisch abgeschlossene Sensoreinheiten hergestellt werden, so sind die benötigten, hohen Prozesstemperaturen wohl kaum realisierbar, da mögliche verbaute Elektronikkomponenten oder zugehörige Anbauteile der Fügepartner diesen hohen Temperaturen nicht standhalten würden.
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Es besteht demnach der Bedarf an einem Fügeverfahren, mit dem zwei artgleiche oder artungleiche Keramiken oder ein keramischer Fügepartner mit einem Fügepartner aus einem nicht-keramischen Material, wie einem Metall, gefügt werden können, wobei das Verfahren, bei Bedarf, so ausführbar sein soll, dass in der Umgebung der Fügestelle angeordnete Anbauteile, elektronische Komponenten, etc. nicht oder nur unwesentlich durch die Fügetemperatur beeinflusst oder gar geschädigt werden.
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Aus der
US 4 757 172 A ist ein Verfahren und eine Vorrichtung für das mikrowellenbasierte Fügen von Keramiken bekannt. Die
US 6 054 693 A offenbart ein Verfahren zum selektiven Erwärmen von Werkstücken während dem Mikrowellenlöten. Aus der
US 6 054 700 A ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden von keramischen Bauteilen bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Fügeverfahren zum Fügen eines ersten, zumindest in einem Fügebereich keramischen Fügepartners mit mindestens einem zweiten Fügepartner vorzuschlagen, wobei das Fügeverfahren, bei Bedarf, so durchführbar sein soll, dass die Temperaturbelastung von temperaturempfindlichen Komponenten oder Anbauteilen, wie elektronischen Bauteilen, gering ist.
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Technische Lösung
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Fügeverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei, von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen rein verfahrensgemäß offenbarte Merkmale auch als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen rein vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, zum Erhitzen des Fügebereichs Mikrowellenstrahlung einzusetzen. Unter Mikrowellenstrahlung wird dabei eine elektromagnetische Strahlung aus einem Frequenzbereich zwischen 0,3 GHz und 300 GHz verstanden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, die zur Anwendung kommende Mikrowellenquelle als primäre oder ggf. sekundäre Wärmequelle einzusetzen, also zusätzlich zu der Mikrowellenwelle eine davon unterschiedliche weitere Energiequelle zum Erhitzen des Fügebereichs einzusetzen. Der Vorteil von Mikrowellen gegenüber bekannten Lötöfen besteht darin, dass eine Vielzahl von technischen Keramiken für Mikrowellenstrahlung, zumindest weitgehend, durchlässig sind, also vorzugsweise lediglich eine Erhitzung der Fügepartner bzw. des zwischen den Fügepartnern angeordneten Lotes im Fügebereich erfolgt. Ferner ist es möglich, die Mikrowellenstrahlung gerichtet einzubringen und im Wesentlichen nur auf den mindestens einen Fügebereich zu konzentrieren, so dass eine Erhitzung der Fügepartner außerhalb des Fügebereichs vermieden wird. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, temperaturkritische Bereiche, wie elektronische Komponenten, etc. durch den Einsatz von später noch zu erläuternden Schutzmasken gegenüber der Mikrowellenstrahlung aus der mindestens einen Mikrowellenquelle abzuschirmen. Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Mikrowellenstrahlung, insbesondere über Kunststofflinsen, unmittelbar auf mindestens einen Fügebereich zu fokussieren und/oder durch Brechung und Interferenz gezielt zu formen und zu überlagern, so dass wärmekritische Bauteile nicht (übermäßig) belastet werden. Ein nach dem Konzept der Erfindung ausgebildetes Fügeverfahren eignet sich insbesondere zum Fügen von Fügepartnern bei denen der Fügebereich für alternative Wärmequellen nicht oder nur schwer zugänglich ist. Beispielsweise ist es mit dem nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Verfahren möglich, einen innerhalb von zwei miteinander verschachtelten Fügepartnern angeordneten Fügebereich gezielt zu erhitzen, ohne die Notwendigkeit, die bei dem Einsatz bekannter Lötöfen bestehen würde, die Fügepartner so lange gesamtheitlich zu erhitzen, bis die Wärmeenergie zum Fügebereich vordringt.
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Bei einem nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Fügeverfahren wird wie folgt vorgegangen: Vorzugsweise vor dem Zusammenführen der Fügepartner und vor dem Einsatz von Mikrowellenstrahlen wird mindestens ein Lot auf den ersten und/oder den zweiten Fügepartner im Fügebereich aufgebracht, woraufhin die Fügepartner zusammengeführt werden, so dass eine Sandwich-Struktur entsteht, bei der zwischen den Fügepartnern das Lot im Fügebereich angeordnet ist. Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, zunächst die Fügepartner zusammenzuführen und daraufhin das Lot im Fügebereich aufzubringen, beispielsweise durch gezieltes Einspritzen des Lots in den Fügebereich. Nach dem Zusammenführen der Fügepartner erfolgt dann die, vorzugsweise gerichtete, Bestrahlung mittels Mikrowellenstrahlung. Insbesondere bei einem automatisierten Fügeverfahren ist es denkbar, mit der Bestrahlung bereits während des Aufbringens des Lotes und/oder während des Zusammenführens der Fügepartner zu beginnen.
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Die Frequenz der zur Anwendung kommenden Mikrowellenstrahlung wird bevorzugt so ausgewählt, dass ein optimales Verhältnis zwischen Erhitzung des Fügebereichs, insbesondere des Lotes, und einer geringen Absorption von Mikrowellenstrahlung in temperaturkritischen (temperaturempfindlichen) Komponenten erreicht wird.
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Mittels des nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Verfahrens können insbesondere hermetisch dichte Baugruppen gefügt werden, ohne die Elektronik und/oder die Keramikkomponenten durch den Fügeprozess zu schädigen. Auf Ofenprozesse mit langen Aufheiz- und Abkühlzeiten kann durch die vergleichsweise geringe, vorzugsweise lokale und selektive Energieeinbringung mittels Mikrowellenstrahlen zumindest weitgehend verzichtet werden. Durch die Energieeinbringung mittels Mikrowellenstrahlung können mehrere Verbindungsstellen zwischen mehreren Fügepartnern gleichzeitig erwärmt und gefügt werden. Durch die Anpassung von Fokussierungen oder Abschirmungen kann dabei die Mikrowellenstrahlung selektiv auf die jeweilige Fügezone zugeschnitten werden.
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Von besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der ein Lot eingesetzt wird, insbesondere ein metallisches Glaslot, welches die Mikrowellenstrahlung gut absorbiert. Mit Vorteil wird das Lot derart ausgewählt, dass es einen größeren Anteil an Mikrowellenstrahlung absorbiert, als mindestens ein temperaturkritisches Bauteil.
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Von besonderem Vorteil ist es, wenn hierzu speziell dotierte Lote eingesetzt werden, d.h. Lote, denen bestimmte, vorzugsweise polare, Substanzen zugemischt sind, die ein gutes Absorptionsverhalten für Mikrowellenstrahlung aufweisen. Dies können sowohl fluidische Substanzen, als auch partikelförmige Substanzen sein. Dabei ist es denkbar, dass es sich bei den Partikeln um Metall-Partikel und/oder Nicht-Metall-Partikel handelt. Von besonderem Vorteil ist es, wenn das Lot, insbesondere ein Glaslot, polare Metalle oder polare Metallalkyle aufweist. Besonders gute Ergebnisse, insbesondere bei einer Mikrowellenfrequenz von mehr als 1,3 GHz, können durch die Beimischung von Carbonyleisenpulver in ein Lot erzielt werden. Das Absorptionsverhalten eines Lotes kann beispielsweise durch die Beimischung von FePO4 und/oder Eisenpulver und/oder Ferritpulver optimiert werden. Bevorzugt handelt es sich auch bei den Nicht-Metall-Partikeln um (stark) polare Substanzen.
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Zusätzlich oder alternativ zur Dotierung des Lotes mit einem die Mikrowellenstrahlung absorbierenden Material ist es erfindungsgemäß vorgesehen, zumindest einen der Fügepartner in seinem Fügebereich, d.h. Kontaktbereich, mit einem die Mikrowellenstrahlung absorbierenden Material zu beschichten. Auf diese Weise ist es möglich, auch Lot einzusetzen, das Mikrowellenstrahlung nicht (ausreichend) absorbiert, wobei die Wärmeenergie in diesem Fall unmittelbar an dem/den Fügepartner (n) im Fügebereich aufgenommen und an das Lot weitergegeben wird.
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Insbesondere für den Fall, dass Elektronikbaukomponenten an mindestens einem der beiden Fügepartner vorgesehen werden, ist der Einsatz von Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz von mehr als 1 GHz vorteilhaft, da bei einer derart hochfrequenten Strahlung der Reflektionsanteil der Mikrowellenstrahlung an Metallen auf Kosten des Absorptionsanteils der Metalle stark zunimmt, so dass selektiv im Wesentlichen nur der Fügebereich und nicht, insbesondere metallische, Bauteile, wie Elektronikkomponenten erhitzt werden.
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Von besonderem Vorteil ist es, wenn, insbesondere extrem, temperaturkritische Bereiche, insbesondere elektronische Bauteile, an zumindest einem Fügepartner durch den Einsatz mindestens einer Schutzmaske vor der Mirowellenstrahlung geschützt werden. Dabei kann die Schutzmaske gezielt um den temperaturkritischen Bereich, zumindest abschnittsweise herum, angeordnet werden. Die Schutzmaske ist bevorzugt aus einem Material beschaffen, das nicht oder nur geringfügig durchlässig für die eingesetzte Mikrowellenstrahlung ist.
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Das beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere zum Fügen von Fügepartnern, die zumindest in ihrem Fügebereich aus einer artgleichen oder artungleichen Keramik ausgebildet sind. Aufgrund des Verfahrens können besonders stabile Verbindungen mit derartig beschaffenen Fügepartnern hergestellt werden.
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In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass, um optimale Fügeergebnisse zu erzielen und um die thermische Belastung so gering wie möglich zu halten, eine Prozessüberwachung und/oder Prozessregelung erfolgt bzw. vorgesehen ist, wobei die Prozessüberwachung und/oder die Prozessregelung als Überwachungs- bzw. Regelgröße die Temperatur, insbesondere im Fügebereich nutzt. Zum Erfassen der Temperatur im Fügebereich ist es vorteilhaft, wenn eine ausreichende Zugänglichkeit des Fügebereichs (Messstelle) gegeben ist, mindestens einen Pyrometer einzusetzen, über den kontaktlos die Temperatur im Fügebereich und/oder in einem temperaturkritischen Bereich, beispielsweise einem Elektronikbauteil, gemessen wird. Es ist auch denkbar, durch eine geeignete Wahl der Messwellenlänge des Pyrometers selektiv durch zumindest einen aus Keramik beschaffenen Fügepartner hindurch zur Messstelle, d. h. zum Fügebereich und/oder einem temperaturkritischen Bereich, zu messen. Begünstigt wird dieses „durch den Fügepartner Hindurchmessen“ dadurch, dass die Absorption und damit die Emission von Glasloten bei zunehmender Erhitzung steigt, wodurch auch die Messung mittels eines Pyrometers, insbesondere durch mindestens einen Fügepartner hindurch, begünstigt wird.
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Zusätzlich oder alternativ zu einer temperaturabhängigen Prozessüberwachung bzw. Prozessregelung ist es möglich, den Fügeprozess in Abhängigkeit der Ermittlung der Abschwächung der Mikrowellenstrahlung zu überwachen bzw. zu regeln. Dies ist möglich, da sich das Absorptionsverhalten der Fügepartner bzw. der Lote bei Erwärmung ändert, so dass bei steigender Temperatur ein geringerer Anteil der zugestrahlten Mikrowellenstrahlung durch mindestens einen Fügepartner hindurch auf einen geeigneten Detektor trifft. Die Abschwächungsrate der Mikrowellenstrahlung ist somit proportional zur Temperatur im Fügebereich.
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Wie eingangs erwähnt, ist es möglich, dass die Mikrowellenstrahlung nur ein Bestandteil der Energieeinbringung ist. Bei Bedarf können zusätzliche Wärmequellen, wie beispielsweise Laserstrahlung, eingesetzt werden. Gegenüber Laserstrahlung hat Mikrowellenstrahlung den Vorteil, dass mit Hilfe von Mikrowellenstrahlung auch von außen nicht sichtbare Fügebereiche (selektiv) erhitzt werden können.
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Vorteilhaft ist auch ein Verbund aus einem ersten, zumindest in einem Fügebereich keramischen, Fügepartner und einem zweiten, vorzugsweise ebenfalls zumindest im Fügebereich keramischen, Fügepartner. Der Verbund zeichnet sich dadurch aus, dass die Fügepartner durch Mikrowellenbestrahlung miteinander verlötet sind.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
- 1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verbundes aus zwei keramischen Fügepartnern, mit von außen zugänglichen Fügebereichen,
- 2: einen alternativen Verbund aus zwei Fügepartnern, wobei die Fügebereiche von außen nicht zugänglich sind,
- 3: ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verbundes aus zwei Fügepartnern, wobei auch hier der Fügebereich schwer zugänglich ist,
- 4: einen Verbund aus drei Fügepartnern mit von außen nicht zugänglichen Fügebereichen und
- 5: eine Fügeanordnung, umfassend eine Mikrowellenquelle, zwei Fügepartner und einen Mikrowellendetektor zur Überwachung des Prozesses.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist ein Verbund 1 aus einem ersten Fügepartner 2 und einem zweiten Fügepartner 3 in einer Schnittansicht gezeigt. In den Fügebereichen 4 ist eine Lotverbindung 5 gezeigt, die durch Mikrowellenbestrahlung hergestellt wurde. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein wannenförmiges, im Querschnitt U-förmiges Bauteil (erster Fügepartner 2), der mit einem Deckel 3 (zweiter Fügepartner 3) verschlossen ist. Beide Fügepartner 2, 3 sind in diesem Ausführungsbeispiel vollständig aus Keramik ausgebildet.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 entspricht der erste Fügepartner 2 dem Fügepartner 2 gemäß 1. Der als Deckel ausgebildete zweite Fügepartner 3 übergreift die Seitenwände des ersten Fügepartners 2, so dass die Fügebereiche 4 von außen nicht sichtbar, d. h. zugänglich, sind. Die Lotverbindung 5 in den Fügebereichen wurde durch Energieeinbringung mittels Mikrowellenstrahlung hergestellt.
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Ein alternativer Verbund 1 ist in 3 gezeigt. Zu erkennen ist ein im Querschnitt U-förmiger erster Fügepartner 2 aus Keramik und ein stabförmiger zweiter Fügepartner 3, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus Metall ausgebildet ist. Der Fügebereich 4 befindet sich zwischen einer Stirnseite des zweiten Fügepartners 3 und einer Seitenwand des ersten Fügepartners 2. Auch diese Lotverbindung 5 wurde durch Energieeinbringung mittels Mikrowellenstrahlung hergestellt.
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In 4 ist ein komplexer Verbund 1, bestehend aus einem ersten plattenförmigen Fügepartner 2 aus Keramik und einem zweiten, baugleichen plattenförmigen Fügepartner 3 aus Keramik, gezeigt. Der Fügebereich 4 zwischen den beiden Fügepartnern 2, 3 befindet sich in einem Durchgangskanal 6 eines dritten Fügepartners 7 aus Metall, wobei der dritte Fügepartner 7 scheibenförmig ausgebildet ist.
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5 zeigt eine Fügeanordnung 8 zum Verbinden eines ersten Fügepartners 2 aus Keramik mit einem zweiten Fügepartner 3, der im Hinblick auf das keramische Material des ersten Fügepartners 2 aus einem artungleichen Keramikmaterial besteht. Zwischen den beiden Fügepartnern 2, 3 befindet sich ein Lot, in diesem Ausführungsbeispiel ein Glaslot, das mit Ferritpartikeln dotiert, d. h. versetzt ist. Der Energieeintrag zum Erhitzen des Lotes 9 im Fügebereich 4 erfolgt durch Bestrahlen mittels Mikrowellenstrahlung 10 aus einer Mikrowellenstrahlenquelle 11. Auf einer der Mikrowellenstrahlenquelle 11 abgewandten Seite der beiden Fügepartner 2, 3 befindet sich ein Mikrowellendetektor 12, mittels dem die Energie der Strahlung 13 gemessen wird, die die beiden Fügepartner 2, 3 durchstrahlt. Diese Durchstrahlungsenergie bzw. das Verhältnis der Durchstrahlungsenergie zu der von der Mikrowellenquelle 11 ausgestrahlten Strahlungsenergie ist proportional zur Erhitzung bzw. Temperatur des Lotes 9 bzw. des Fügebereichs 4. Somit kann die von der Mikrowellenquelle 11 ausgesandte Strahlungsenergie auf Basis des Messergebnisses geregelt werden.
