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Die Erfindung betrifft ein Fügeverfahren für thermisch empfindliche Strukturen, wobei zumindest zwei Bauteile funktionell in Wirkverbindung gebracht werden, indem zunächst ein Fügehilfsmittel zwischen zwei einander zugeordnete Flächenabschnitte dieser Bauteile eingebracht wird und indem dieses Fügehilfsmittel nachfolgend die Ausbildung einer Verbindungsstruktur bewirkt.
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Für zahlreiche Anwendungen müssen Komponenten miteinander verbunden werden, um ein technisches Objekt verschiedenartiger Ausführung erzeugen zu können. Hierfür werden neben konventionellen Fügetechniken wie zum Beispiel Schweißen, Kleben oder Schrauben zunehmend moderne Verfahren und Vorrichtungen eingesetzt.
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Ein diesbezüglich typisches Beispiel sind Anwendungen für optische und elektronische Bauteile, die vorzugsweise durch Hartlöten oder Löten zu einer Baugruppe zusammengefügt werden. Derartige Baugruppen können hergestellt werden, indem zunächst ein Hartlot oder ein Lot zwischen zwei miteinander in Wirkverbindung stehende Flächen der jeweiligen Komponenten eingebracht wird und indem die Struktur sowie das Lot nachfolgend erhitzt werden.
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Nachteilig ist hierbei jedoch der hohe Wärmeeintrag, der insbesondere an temperaturempfindlichen Strukturkomponenten Wärmeschäden hervorrufen kann. Dies ist damit begründet, dass flächige Kontaktierungen mittels klassischen Löten und Schweißen eine relativ hohe Wärmezufuhr erfordern, bis die notwendige Fügetemperatur auf der gesamten Fügefläche erreicht wird. Somit kann zumindest teilweise die Grenztemperatur von empfindlichen Bauteilen überschritten werden. Weiterhin wird durch die Verwendung eines Lötofens oder Lötbrenners nicht nur die eigentliche Füge- bzw. Kontaktstelle erhitzt, sondern auch der gesamte zu fügende Körper oder zumindest ein erheblicher Teil des Körpervolumens um die eigentliche Fügezone.
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Diese Durchwärmung ist bei klassischen Lötanwendungen notwendig, um eine ausreichende Oberflächenbindung des Lotmaterials mit den Fügeflächen zu erreichen. Je nach Material und Beschaffenheit der Fügeoberflächen sind dafür verschiedene Maßnahmen notwendig. Das kann durch hochflüssige Lote mit speziellen Adhäsions- und Kohäsionseigenschaften sowie durch Materialdiffusionsvorgänge zwischen dem Lot und der Fügematerialoberfläche erreicht werden. Bei den klassischen Lotanwendungen wird dies durch thermische, chemische und zeitliche Parameteranpassungen des Lotvorganges realisiert.
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Die oben benannten Aspekte bedingen, dass überwiegend nur Werkstoffe gefügt werden, die erheblich wärmestabiler sind als der jeweilige Lotwerkstoff. Dabei sind oftmals erhebliche Energiemengen notwendig, um die Fügeteile zu durchwärmen. Ferner werden benachbarte Strukturen, deren Wärmeverträglichkeit unter der Fügetemperatur liegt, bei der vollständigen Durchwärmung geschädigt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fügeverfahren zur Ausbildung von Verbundstrukturen zwischen mindestens zwei Bauteilen zu schaffen, das für fügetemperaturkritische Strukturen geeignet ist und sehr gute mechanische Eigenschaften gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird gelöst, indem das Fügehilfsmittel als eine reaktive Nanofolie ausgestaltet ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Nanofolie zeitlich und/oder örtlich mehrfach zündbar, so dass eine optimierte Energieausnutzung erzielt wird.
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Die reaktive Nanofolie kann vorzugsweise für ein thermisches Fügen von Bauteilen innerhalb räumlicher Strukturen eingesetzt werden, bei denen die Fügeflächen nicht mechanisch von außen zugänglich sind.
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Eine weitere bevorzugte Anwendung ergibt sich für Bauteile, bei denen die Fügetemperatur sehr nahe der maximal zulässigen thermischen Belastung der zu fügenden Bauteile liegt, d. h., die Fügetemperatur liegt also geringfügig unter oder über der Belastungsgrenze oder entspricht dieser. Ebenso vorteilhaft ist eine Anwendung für solche Bauteile, bei denen ein Wärmeeintrag bis zur Fügetemperatur außerhalb der unmittelbaren Fügeflächen unzulässig ist.
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Weiterhin kann die Nanofolie zum Fügen von Bauteilen mit energetisch transparenten Strukturen mit thermischen Hilfsmitteln und ohne zusätzliche Oxidationshilfsmittel zum Fügen von Bauteilen eingesetzt werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass ohne mechanischen und elektrischen Kontakt der Fügevorgang ausgelöst werden kann. Somit ist auch eine Zündung der reaktiven Nanofolie in transparenten Bauteilen mittels durchdringend gerichteter Energieformen möglich, indem beispielsweise ein Laser durch Glas geleitet wird. Folglich ist die Zündung der reaktiven Nanofolie mittels interner Laserreflexionen und -beugungen in Glaskörpern auslösbar, indem die Energie an den lokalen Zündpunkt des exothermisch reaktiven Hilfsmittels (Wärmequelle) herangeführt wird.
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Schließlich wird vorgeschlagen, dass die Fügeflächen der zu verbindenden Bauteile eine spezifische Ausgestaltung zur Erhöhung der Wärmeausnutzung der nanothermischen Reaktion und Lothaftfestigkeit aufweisen.
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Die Gestaltung der Fügeflächen kann im Vorfeld mit Hilfe moderner Beschichtungsverfahren für die Kontaktierung vorbereitet werden. Mit der Teillotschichterzeugung vor dem eigentlichen Fügevorgang ist es möglich, fügestoffindividuelle separate Teillotschichten auf den späteren Fügeflächen vorzukonfektionieren. Durch diese Entkopplung der Erzeugung von Lotmaterialschichtsystemen auf den späteren Fügeflächen können gezielt spezielle Eigenschaften wie zum Beispiel Untergrundhaftung, Wärmetransmission und Reflexion, Stoffphasenmischzonen und topologische Strukturen erzeugt werden. Diese Erzeugung der separaten Lotmaterialschichtsysteme kann somit unabhängig von physikalisch-chemischen Beschränkungen durch gegenüberliegende Fügestoffe erfolgen. Dadurch können spezielle Maßnahmen zum Wachstum der für die Haftfestigkeit relevanten Diffusionsschichten vom Fügezeitpunkt entkoppelt und optimiert werden. Der eigentliche Fügevorgang realisiert dabei die abschließende stoffliche Schmelzverbindung der stoffgleichen Oberflächen der beiden Lotmaterialschichten.
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Mit der erfindungsgemäßen technischen Lösung wird ein thermisches Fügeverfahren mit lokal stark begrenztem Energieeintrag verfügbar, das ein schnelles Fügen von Bauteilen ohne Kleber durch lokale Löt-, Schweiß- oder Schmelzverbindungen innerhalb von Körpern und Strukturen ermöglicht. Dadurch können nunmehr auch solche Fügestellen in thermisch empfindlichen Strukturen präzise lokal realisiert werden, die bei klassischen Verfahren durch ihre Unzugänglichkeit im vorgefügten Zugang nicht möglich waren.
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Die Nanofolie wird demzufolge während des Fügens als exothermes Fügehilfsmittel wirksam. Das Fügehilfsmittel lässt sich unter bestimmten Umständen durch energetisch transparente Fügemedien ohne direkte mechanische oder elektrische Kontaktierung zünden. Ein Ausführungsbeispiel einer indirekten Zündung kann mittels Laser durch ein gläsernes Fügemedium erfolgen. Durch den somit realisierbaren schnellen sowie zeitlich, mengenmäßig und lokal begrenzten Energieeintrag an der Fügefläche wird eine Reduzierung des gesamten Energieaufwandes erreicht. Schließlich ist über eine zeitliche Triggerung des Fügevorganges eine optimale Ausnutzung der nanoreaktiv erzeugten Wärme möglich.
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Zusammenfassend sind als wesentliche Vorteile gegenüber bisher eingesetzten technischen Lösungen insbesondere zu nennen:
- – minimaler Energieeintrag an den Füge- bzw. Kontaktierungsflächen
- – zeitlich und örtlich exakt begrenzter, auch kontaktfrei auslösbarer thermischer Vorgang
- – Einsetzbarkeit für punktuelle oder flächige Bestückungs- und Freiformmontageaufgaben
- – Vorkonfektionierbarkeit der Fügeflächen mit Lotmaterial und anwendungsspezifischen Haftuntergrund bzw. Funktionsschichtsystemen
- – Vorkonfektionierbarkeit der Fügeflächen durch Dick- und Dünnbeschichtungstechniken
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein dreidimensionales Fügen mit optimierter Wärmeausnutzung durch abgestimmte Zündung der Nanofolie
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2 innen liegende Fügeflächen mit Initialisierungsfenstern
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3 einen Fügevorgang bei innen liegenden Fügeflächen unter Ausnutzung von Transmissions- und Reflexionseigenschaften eines Fügematerials
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4 einen Fügevorgang von Baugruppen auf vorkonfektionierten Fügepositionen
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5 Maßnahmen zur Unterstützung einer Hartlotfügung
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6 Maßnahmen zur optimierten Zündung mit Zündmustersetzung
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Gemäß der Erfindung wird ein Fügeverfahren für Bauteile aus metallischen und gläsernen Werkstoffen angewendet, das einen lediglich begrenzten thermischen Energieeintrag in der Fügezone bewirkt. Hierfür wird eine reaktive Nanofolie als Wärmequelle genutzt, wobei die notwendigen Fügetemperaturen nur an den jeweiligen Fügeoberflächen erzeugt werden. Somit können Flächenverbindungen mit elektrischen oder mechanischen Funktionen realisiert werden, ohne dass diese Fügeflächen von außen mechanisch zugänglich sein müssen. Die Bauteile können sowohl monolithische als auch aus Verbundmaterialien bestehende elektrische oder elektronische Bauteile sein. Für die Initialisierung des Fügevorganges sind keine externen großflächigen Wärmequellen notwendig. Die Einbringung der Initialenergie kann punktförmig an einer Stelle am Rand der reaktiven Nanofolie erfolgen.
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1 und 2 zeigen in mehreren Details Ausführungen, bei denen für Montagevorgänge in Körpern und Strukturen die Initialenergie drahtlos durch entsprechend transparente Medien an die Fügestelle gerichtet wird. Diesbezügliche Anwendungen ergeben sich speziell für elektrische und elektronische Bauelemente und Baugruppen, bei denen somit ein selektives Kontaktieren dieser elektrischen und elektronischen Komponenten unter Verwendung der Nanofolientechnologie realisiert wird.
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3 zeigt den prinzipiellen Ablauf des Fügevorganges bei innen liegenden Fügeflächen, die über interne Reflexionen oder Beugungseffekte von der Initialisierungsenergie erreicht werden können.
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4 zeigt den Aufbau und das Prinzip von Kontaktierungsverfahren für elektronische und elektrische Bauelementen auf bzw. innerhalb von dreidimensionalen Strukturen. Hier sollen z. B. Bauteile gefügt und kontaktiert werden, deren thermische Gesamtverträglichkeit bei oder unter der Fügetemperatur liegt. Dies ist notwendig, um beispielsweise hochtemperaturstabile Kontaktierungen bzw. Verbindungen zu erhalten, die bis zur thermischen Belastbarkeit der eigentlichen Bauteile heran reichen. Über die Weichlot-Temperaturfestigkeit belastete elektronische oder elektrische Hochtemperaturbauteile müssen bisher lasergeschweißt oder gebondet werden. Das ist in der Handhabung kompliziert und für flächige Kontaktierungsaufgaben extrem aufwändig. Die erfindungsgemäße technische Lösung ergibt demgegenüber erhebliche Vorteile.
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Während 4a eine Kontaktierung von Baugruppen direkt auf tragenden Metallstrukturen zeigt, ist aus 4b ein flächiges Kontaktieren elektrischer und elektronischer Bauelemente auf Dickschichtleiterzügen ersichtlich. Hierbei ist ein Vorkonfektionieren von Bauteilen, Kontakten oder Leiterstrukturen mit einer Nanofolie zur Realisierung von „selbstverlötenden” Bauelementen bzw. Bauelementverbindungen möglich. Diese Vorkonfektionierung kann so ausgeführt werden, dass ein finales Kontaktieren der Bauelemente mit einem elektrischen oder optischen Impuls durch die Kontaktstrecken ausgelöst werden kann, siehe 4b. Hingegen zeigt 4c das Kontaktieren und Finalisieren dreidimensionaler Baugruppen mit kombinierten mechanischen und elektrischen Funktionsflächen.
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5 zeigt den prinzipiellen Verfahrensablauf zur Herstellung von Hartlotverbindung in bzw. an bzw. durch energetisch transparente Strukturen mit vorbeschichteten Kontaktsystemen.
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Aus 5a ist die entsprechende Lot-Vorbereitung ersichtlich. Dabei erfolgt zunächst eine Vorbeschichtung der Verbindungsflächen mit Lotmaterial. Durch Einsatz von Nanofolien mit metallischem Schichtsystem kann eine intermetallische Reaktion mit einem erheblichen Wärmeüberschuss realisiert werden. Weiterhin wird durch eine spezielle Gestaltung der Oberflächentopologie von Bauteil und Lotmaterial eine schnelle Wärmeableitung verhindert. Der Lotschichtuntergrund kann als elektrisch leitende Wärmesperre ausgeführt werden. Ferner kann ein Mehrschichtlotsystem eine sekundäre Lotschicht (auf dem Haftgrund mit bspw. stofflichen Diffusionsphasenübergängen zum Haftgrund-Material) sowie eine primäre Lotschicht (in schmelzoptimierter Form zum Erzeugen der stofflichen Verbindung zum gegenüberliegenden Fügeflächensystem) umfassen.
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Aus 5b ist die Erzeugung einer dreidimensionalen Lötzone ersichtlich mit strukturierten Lotkörperoberflächen und Fügekraft-Ausrichtungen zur formschlüssigen Fixierung von Lotfolien.
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5c zeigt die Lot-Unterstützung mittels unterkritischer Vorwärmstrategien mit nur lokalem Energieeintrag, wobei ein Einsatz von Mikrowellen, Induktionen oder IR-Bestrahlung zum entsprechend unterkritischen Vorwärmen der zu lötenden Strukturen vorgeschlagen wird.
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In 6 ist der Ablauf des eigentlichen Lot-Vorganges dargestellt. Es wird eine Anwendung von Zündmustern mit mehreren Zündstellen vorgeschlagen, wobei die Reaktionsfronten der einzelnen Zündpunkte aufeinander zulaufen sollen, um die Wärmeentwicklung im Zentrum der Fügeflächen zu konzentrieren. Vorzugsweise erfolgt die Zündung der thermischen Reaktion lokal. Dabei wird die Zündenergie durch energetisch transparente Komponenten zur Fügestelle gerichtet, wodurch Lötvorgänge auch an mechanisch und/oder elektrisch nicht zugänglichen Fügestellen ermöglicht werden. Die hierfür notwendige Zündenergie kann zum Beispiel eingebracht werden mittels Laserzündung durch gläserne Deckkörper oder mittels Mikrowellenstrahlung durch keramische Deckkörper.
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Bezugszeichenliste
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- 1.1
- energetisch intransparentes Fügeteil
- 1.2
- energetisch transparentes Fügeteil
- 1.3
- thermoreaktive Lötfolie
- 1.4
- Fügerichtung
- 1.5
- Initialisierung des exothermen Vorganges
- 1.6
- Laser zur Initialisierung des exothermen Vorganges
- 1.7
- Richtung der exothermen Reaktionsfront
- 1.8
- Steuerung des Laserzündsystems
- 2.1
- energetisch intransparentes Fügeteil
- 2.2
- energetisch transparentes Fügeteil
- 2.3
- thermoreaktive Lötfolie
- 2.4
- Fügerichtung
- 2.5
- Initialisierung des exothermen Vorganges
- 2.6
- Laser zur Initialisierung des exothermen Vorganges
- 2.7
- Richtung der exothermen Reaktionsfront.
- 2.8
- Initialisierungsfenster innerhalb einer Fügefläche
- 2.9
- Energiequelle zur Initialisierung des Fügevorganges
- 3.1
- energetisch intransparentes Fügeteil
- 3.2
- energetisch transparentes Fügeteil
- 3.3
- thermoreaktive Lötfolie
- 3.4
- Fügerichtung
- 3.5
- Initialisierung des exothermen Vorganges
- 3.6
- Laser zur Initialisierung des exothermen Vorganges
- 3.7
- Richtung der exothermen Reaktionsfront
- 4.1
- elektrische bzw. elektronische Baugruppe/Bauelement
- 4.2
- Kontaktsystem Baugruppe/Bauelement mit Lotmaterial
- 4.3
- thermoreaktive Nanolotfolie
- 4.4
- metallische Strukturen mit elektrischen und tragenden Funktionalitäten
- 4.5
- Laser zur Initialisierung des exothermen Vorganges
- 4.6
- Initialisierung des exothermen Vorganges
- 4.7
- thermoreaktive Nanolotfolie, auf Kontaktflächen von Bauelementen vorfixiert
- 4.8
- thermoreaktive Nanolotfolie, auf Kontaktflächen von Leiterbahnen vorfixiert
- 4.9
- Leiterbahnen auf isolierendem Trägermaterial
- 4.10
- isolierendes Trägermaterial
- 4.11
- Fügerichtung der Bauelemente bzw. Baugruppen
- 4.12
- dreidimensionales (3D) Kontaktsystem
- 4.13
- energetisch intransparentes Fügeteil – Grundwerkstoff
- 4.14
- energetisch transparentes Fügeteil – Grundwerkstoff
- 4.15
- Sichtkanal zur Zündung der Nanolotfolie
- 4.16
- Lotmaterial-Schichtsystem
- 5.1
- energetisch transparentes Fügeteil – Grundwerkstoff
- 5.2
- Zusatzwerkstoff (z. B. Hartlot)
- 5.3
- Nanofolie als Wärmequelle
- 5.4
- Zusatzwerkstoff (z. B. Hartlot)
- 5.5
- energetisch intransparentes Fügeteil – Grundwerkstoff
- 5.6
- Lotschichtsystem mit angepassten Wärmeübertragungsverhalten
- 5.7
- Lotschichtsystem in schmelzoptimierter Form
- 5.8
- Kraft zum Einpressen der Nanofolie in die Oberflächen-Topologie der Fügeflächen
- 5.9
- Topologie zur Vergrößerung der Fügeflächen
- 5.10
- Unterkritische Vorwärmung zur Reduzierung der Wärmeableitung (Aufheizverluste) in die kühleren Umgebungskörper
- 6.1
- Zündenergiequelle (z. B. Laser)
- 6.2
- Zündenergieführung
- 6.3
- Zündenergieverteiler
- 6.4
- Zündenergieumlenk- und Focuseinrichtung
- 6.5
- Zündinitialisierungsstellen (Eintrag Zündenergie in Nanofolie)
- 6.6
- Ausrichtung des primären Verlaufs der thermischen Reaktion
- 6.7
- thermische Reaktionsfront
- 6.8
- Nanofolie vor der thermischen Reaktion
- 6.9
- Nanofolie nach der thermischen Reaktion
