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Die Erfindung betrifft ein Fügeverfahren für thermisch empfindliche Strukturen, wobei zwei Bauteile unter Nutzung eines als reaktive Nanofolie ausgestalteten Fügehilfsmittels funktionell in Wirkverbindung gebracht werden, indem die Nanofolie zunächst zwischen zugeordnete Flächenabschnitte der miteinander zu fügenden Bauteile eingebracht wird und hier nachfolgend eine zumindest abschnittsweise Ausbildung einer Verbindungsstruktur bewirkt. Weiterhin wird ein hierfür geeignetes Lotschichtsystem vorgeschlagen.
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Für zahlreiche technische Anwendungen müssen Bauteile, Baugruppen und dergleichen miteinander verbunden werden, wobei neben langjährig bewährten Fügetechniken wie Schweißen, Kleben oder Schrauben zunehmend auch moderne Verfahren benutzt werden.
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Ein typisches Beispiel sind elektronische Bauteile, die zusammengefügt werden, indem zunächst ein Lotmaterial zwischen zwei miteinander in Wirkverbindung stehende Flächen der jeweiligen Komponenten eingebracht wird und indem nachfolgend die Struktur und das Lot erhitzt werden. Problematisch ist der hohe Wärmeeintrag, der insbesondere an temperaturempfindlichen Strukturkomponenten Wärmeschäden hervorrufen kann. Die hohe Wärmezufuhr ist jedoch notwendig, um auf der gesamten Fügefläche eine ausreichend hohe Fügetemperatur und Benetzung mit Lotmaterial zu erreichen. Somit wird teilweise die Grenztemperatur empfindlicher Bauteile überschritten, wobei nicht nur die eigentliche Füge- oder Kontaktstelle erhitzt wird, sondern auch ein Bauteilabschnitt neben der tatsächlichen Fügestelle. Zur Vermeidung derartiger Nachteile werden mittels Löten ganz überwiegend nur solche Werkstoffe gefügt, die deutlich wärmestabiler sind als der jeweilige Lotwerkstoff. Hierdurch ergeben sich jedoch ebenfalls Nachteile. So sind beispielsweise erhebliche Energiemengen notwendig, um die Fügeteile zu durchwärmen und der Fügestelle benachbarte Strukturen, deren Wärmeverträglichkeit unter der Fügetemperatur liegt, werden bei einer vollständigen Durchwärmung beschädigt.
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Eine hierzu interessante Alternative ist aus der älteren Anmeldung
DE 10 2012 014 711.2 bekannt. Diese Lösung beschreibt ein Fügeverfahren zur Ausbildung von Verbundstrukturen zwischen mindestens zwei Bauteilen, das für fügetemperaturkritische Strukturen geeignet ist und gleichzeitig sehr gute mechanische Eigenschaften erzielt. Dabei wird als Fügehilfsmittel eine reaktive Nanofolie verwendet, die in einer vorteilhaften Ausgestaltung zeitlich und/oder örtlich verteilt mehrfach zündbar ist, so dass eine optimierte Energieausnutzung erzielt wird. Erste praktische Versuche lassen breite Einsatzmöglichkeiten dieser technischen Lösung erwarten, beispielsweise für das Fügen von Bauteilen innerhalb räumlicher Strukturen, bei denen die Fügeflächen nicht mechanisch von außen zugänglich sind oder für Bauteile, bei denen die Fügetemperatur sehr nahe der maximal zulässigen thermischen Belastung der zu fügenden Bauteile liegt. Allerdings besteht weiterhin Entwicklungsbedarf, um insbesondere an den Kontaktflächen der miteinander zu fügenden Komponenten sowohl eine ausreichende Belotung als auch eine dauerhaft stabile Verbindung erreichen zu können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine technische Lösung zu schaffen, mit der eine Hartlotkontaktierung unter Verwendung einer thermisch, zeitlich und räumlich limitierten sowie von der Umgebung unabhängigen Wärmequelle erzeugt werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst, indem durch Aktivierung einer Nanofolie zunächst ein Aufschmelzen einer weitgehend festen Lot-Verbindungsschicht auf beiden einander zugeordneten Flächenabschnitten der miteinander zu fügenden Bauteile erfolgt und indem nachfolgend das jeweils lokal auf einen Flächenabschnitt begrenzte Schmelzgut mit den Reaktionsresten (Reaktanten) der nanoreaktiven Folie und durch entstehende Poren und Spalten mit dem ebenfalls lokal begrenzten Schmelzgut des gegenüberliegenden Flächenabschnittes derart vermischt wird, dass nach Abkühlung und Verfestigung des gesamten Schmelzgutes eine funktionale Hartlotverbindung ausgestaltet wird, wobei die für das Aufschmelzen notwendige thermische Belastung lediglich innerhalb der Konturabschnitte der zu fügenden Kontakte ausschließlich auf Lotverbindungsschichten des Lotschichtsystems eingebracht wird. Hierfür wird ein Lotschichtsystem vorgeschlagen, welches an seinen für die Kontaktierung ausgestalteten Oberflächen eine Lot-Verbindungsschicht aufweist, die aufschmelzbar ausgeführt ist und eine funktionale Wirkverbindung zum Kontakt und zum Fügepartner bewirkt. Vorteilhafte Ausgestaltungen von Fügeverfahren und Lotschichtsystem werden in Unteransprüchen beschrieben.
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Der grundlegende Lösungsansatz besteht demzufolge in der Ausbildung und Verwendung von Kontaktflächen mit einem vorgefertigten Lotschichtsystem. Dadurch ergeben sich zahlreiche Einsatzmöglichkeiten, wobei als eine bevorzugte Anwendung solche Verfahren zur Herstellung von keramischen Hybridkomponenten für Elektrotechnik und Elektronik zu nennen sind, die bisher mit Weichlot, mit durch Glaslot fixierten Pondverbindungen, mit Strahllot, mit Laserlötverfahren oder auch mit Schweißverfahren realisiert worden sind. Somit können nunmehr elektronische und elektrische Bauteile mit Hartlot kontaktiert werden, wobei die entsprechend erzeugten Kontaktierungen bis zu Temperaturen von über 500°C dauerbelastbar sind.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch den Einsatz reaktiver Nanofolie als Wärmequelle. Dadurch wird der Handhabungs- und Energieaufwand beim Fügevorgang durch einen sehr exakt begrenzten thermischen Energieeintrag in die Fügezone reduziert. Weiterhin ist somit gewährleistet, dass die notwendigen Fügetemperaturen nur an den Fügeoberflächen und ohne nachteiligen Wärmeeintrag in weitere Strukturabschnitte erzeugt werden.
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Die notwendigen Maßnahmen zur Herstellung einer funktional geforderten Lotbenetzung und Haftfestigkeit im Wirkverbund von Lotmaterial und Kontaktmaterial werden als vorgelagerte Verfahrensschritte außerhalb des eigentlichen Fügevorganges durchgeführt. Demzufolge werden Vorgänge und Wechselwirkungen bezüglich Diffusion und Immission zwischen dem Lotwerkstoff und dem Kontaktwerkstoff im Rahmen der Herstellung des Kontaktbauteiles zeitlich und räumlich unabhängig von der Ausbildung der Hartlotverbindung realisiert. Nach Abschluss der Erzeugung einer jeweils funktionsspezifischen Lot-Basisschicht auf dem Kontakthalbzeug wird eine weitere Lot-Schicht aufgebracht die bei der Aufbringung eine stoffschlüssige Verbindung mit der Lot-Basisschicht eingeht. Die derart kombinierte Werkstoffschicht wird als Lot-Verbindungschicht ausgeführt und dient zum Aufschmelzen und Verschmelzen mit Resten der Reaktanten des nanoreaktiven Foliensystems und derjenigen Lot-Verbindungschicht, die auf der dem Kontakthalbzeug gegenüberliegenden Seite aufgebracht worden ist.
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Mit der erfindungsgemäßen technischen Lösung werden Mängel des Standes der Technik überwunden, wobei insbesondere zu nennen sind:
Zur Erlangung einer stoffschlüssigen Verbindung des Lotwerkstoffs sind teilweise erhebliche Temperaturen notwendig, um das Oberflächengefüge vom Kontakt- zum Lotwerkstoff benetzungsfähig zu machen. Zur Sicherstellung der Benetzung kann es notwendig sein, dass die Kristallphase und/oder die chemische Zusammensetzung des Kontaktflächenwerkstoffes durch Erwärmung geändert werden muss. Das erfordert eine gewisse Zeit. Die Flüssigphase des Lotwerkstoffes muss ein bestimmtes Verhältnis zur Oberflächenbeschaffenheit des Kontaktes einnehmen, um sich an der Oberfläche anlagern zu können. Weiterhin benötigt die Wechselwirkung von Adhäsion und Kohäsion ebenfalls Zeit und Wärme, damit der flüssige Lotwerkstoff einen Kontakt zu den Fügepartnern herstellen kann. Bei verschiedenen Fügestoffpaarungen sind chemische Umwandlungen der Lotverbindungen und der Kontaktoberfläche notwendig, damit sich eine Haftvermittlungsschicht aufbauen kann. Diese Diffusions- und Immissionsvorgänge werden normalerweise über lange Zeiträume und bei hohen Temperaturen sowie spezifischen atmosphärischen Sonderzuständen realisiert.
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Durch die vorgeschlagene Verfahrensweise ergeben sich demzufolge wesentliche Vorteile, die nachfolgend nochmals stichpunktartig benannt werden:
- – schnelle Herstellung einer finalen Fügeverbindung
- – genaue Dosierung der notwendigen Fügewärmemenge
- – empfindliche Komponenten von elektronischen Baueinheiten werden nur gering thermisch belastet, indem Gehäusekontakte mit einem angepassten Hartlotschichtsystem vorgefertigt werden können, die zur Bestückung von Keramikleiterplatten genutzt und mit Nanofolien als Wärmequellen auf diesen kontaktiert werden
- – das Bauteilsystem ist im Gesamtbestand höchsttemperaturfähig und benötigt demzufolge keine Klimatisierung, wie dies zum Beispiel bei Weichlotkonstruktionen notwendig ist
- – Entkopplung der Kriterien Haftwachstum, Benetzungsvorgänge und künstliche Alterungsvorgänge zum Abbau von thermisch-mechanischen Spannungen, wodurch sich eine Erhöhung der thermischen Zyklusstabilität der Kontaktflächen ergibt
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 den Aufbau und die funktionelle Zuordnung der Elemente eines erfindungsgemäßen Lotschichtsystems im Ausgangszustand
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2 Details für die Gewährleistung der angestrebten Benetzungs- und Hafteigenschaften
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3 das nach 1/2 vorbereitete Lotschichtsystem im verarbeitungsfähigem Zustand
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4 die Anordnung des vollständigen Lotschichtsystems beim Fügen der Kontaktflächen
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5 das Fügen des Lotschichtsystems unter Einsatz von nanoreaktiven Fügehilfsmitteln
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6 die Verarbeitung des Lotschichtsystems beim Fügen
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Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel betrifft elektronische Bauelemente, die im Wesentlichen aus mehreren elektronischen Wirkkomponenten mit einem jeweils internen und externen Kontaktierungssystem sowie einer umhüllenden und tragenden Umhausung bestehen. Die Umhausungen sollen die sehr empfindlichen elektronischen Komponenten im Innenraum der Umhausung schützen. Derartige Umhausungen können gemäß der Erfindung nunmehr vorteilhaft mit Hartlot gefügt werden.
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Unabhängig von Unterschieden im Detail in Abhängigkeit der jeweils konkret eingesetzten Materialien wird stets eine ausreichende Benetzung mit dem Lotwerkstoff bei der Verbindung der Fügepartner erzielt. Hierbei werden Diffusionsvorgänge und ein Haftschichtwachstum auf der Fügefläche eines Fügepartners bei der Herstellung der Fügefläche in Form einer haftoptimierten Lot-Basisschicht mit entsprechenden Benetzungseigenschaften realisiert.
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Außerdem wird eine weitere Lotstoffschicht als Lot-Verbindungsschicht auf der Lot-Basisschicht ausgestaltet, die stoffschlüssig ist und das Lotschmelzgut für die Verbindung zu dem anderen Fügepartner bereitstellt. Weiterhin kann je nach konkreter Kontaktierungsaufgabe zwischen der Lot-Basisschicht und der Lot-Verbindungsschicht eine weitere lotstoffhaltige Schicht als Wärme-Management-Lotschicht ausgestaltet werden, wodurch der Wärmehaushalt gezielt beeinflussbar ist
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Für die Realisierung des Lotvorganges durch das Aufschmelzen der äußeren Deckschicht ist die Lot-Verbindungsschicht so ausgeführt, dass durch Einsatz einer limitierten Wärmemenge ein Aufschmelzen dieser Lotschicht erfolgt. Dabei erzeugt das Aufschmelzen der links- und rechtseitigen Lot-Verbindungsschicht eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem links- und rechtsseitigen Lotschichtsystem sowie Resten der Reaktanten des nanoreaktiven Foliensystems und somit zwischen den zu fügenden Bauteilen. Während des nanoreaktiven Vorganges wird das Nano-Schichtsystem in seiner Struktur zu einer schollenartigen Folienstruktur umgewandelt. Durch das Aufschmelzen der links- und rechtsseitigen Lotverbindungsschichten wird auf den Oberflächen der Schollen eine Lotverbindung mit dem jeweils gegenüberliegenden Fügepartner hergestellt und durch Risskanten der Schollen wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem rechten und dem linken Lotschichtsystem hergestellt.
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Eine nanoreaktive Wärmeerzeugung mit einer räumlich, zeitlich und thermisch limitierten Wärmequelle wird realisiert, indem als Wärmequelle für das Aufschmelzen ein nanoreaktives Schichtfoliensystem genutzt wird, welches im Ergebnis einer intermetallischen Reaktion eine limitierte Wärmemenge über einen begrenzten Zeitraum erzeugt. Dabei ist die nanoreaktive Folie derart auszuwählen, dass eine Aufschmelzung der Lot-Verbindungsschicht gewährleistet wird, ohne dass hierbei die darunter liegende Lotschicht (bzw. auch mehrere eventuelle vorhandene Schichten) geschädigt wird. Weiterhin ist die nanoreaktive Folie so ausgewählt, dass sich eine offenporige bzw. schollenartige Restestruktur bildet, die sich mit dem Lot-Schmelzgut verbindet und durch deren offene Poren und Spalten eine Verbindung mit dem Schmelzgut der gegenüberliegenden Lotverbindungsschicht herstellt. Die Restestruktur der Reaktanten des nanoreaktiven Foliensystems verbleibt somit in der Fügeverbindung und bildet einen Teil des finalen Lot-Schichtensystems.
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Bezugszeichenliste
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- 1.1
- Füge-/Kontaktfläche
- 1.2
- Material der Lot-Basisschicht zur Realisierung der Lotstoffverbindung mit der Kontaktfläche
- 1.3
- Material der Lot-Verbindungsschicht zur Realisierung der Verbindung des Lotmaterials mit der Lot-Verbindungsschicht der gegenüberliegenden Kontaktfläche
- 2.1
- Füge-/Kontaktfläche
- 2.2
- Lot-Basisschicht mit optimaler Benetzung zur Kontaktfläche
- 2.3
- Unterstützungsmaßnahmen zur Benetzung für die Haftoptimierung des Lotschichtsystems
- 3.1
- Füge-/Kontaktfläche
- 3.2
- Lot-Basisschicht mit optimaler Benetzung zur Kontaktfläche
- 3.3
- Aufbringen der Lot-Verbindungsschicht
- 3.4
- Lot-Verbindungsschicht
- 3.5
- Kontaktflächen mit Lotschichtsystem im verarbeitungsfähigem Zustand
- 4.1
- linksseitige Füge-/Kontaktfläche
- 4.2
- linksseitige Lot-Basisschicht mit optimaler Benetzung zur Kontaktfläche
- 4.3
- linksseitige Lot-Verbindungsschicht
- 4.4
- folienartiges nanoreaktives Schichtsystem als Wärmequelle zum Aufschmelzen der Lot-Verbindungsschichten
- 4.5
- rechtsseitige Lot-Verbindungsschicht
- 4.6
- rechtsseitige Lot-Basisschicht
- 4.7
- rechtsseitige Füge-/Kontaktfläche
- 4.8
- Fügerichtungen
- 5.1
- linksseitige Füge-/Kontaktfläche
- 5.2
- linksseitige Lot-Basisschicht mit optimaler Benetzung zur Kontaktfläche
- 5.3
- Lot-Verbindungsschicht
- 5.4
- Initialisierung der intermetallischen Reaktion im nanoreaktivem Schichtsystem
- 5.5
- verschmolzene Lot-Verbindungsschichten
- 5.6
- Reste (der Reaktanten) des folienartigen nanoreaktiven Schichtsystems nach Einsatz als Wärmequelle
- 5.7
- exotherme intermetallische Reaktionsfront im nanoreaktiven Schichtsystem
- 5.8
- Verlaufsrichtung der exothermen intermetallischen Reaktionsfront
- 5.9
- rechtsseitige Lot-Basisschicht
- 5.10
- rechtsseitige Füge-/Kontaktfläche
- 5.11
- folienartiges nanoreaktives Schichtsystem, in dem noch keine intermetallische Reaktion abgelaufen ist
- 6.1
- linksseitige Füge-/Kontaktfläche
- 6.2
- linksseitige Lot-Basisschicht mit optimaler Benetzung zur Kontaktfläche
- 6.3
- verschmolzene Lot-Verbindungsschichten
- 6.4
- Reste (der Reaktanten) des folienartigen nanoreaktiven Schichtsystems nach Einsatz als Wärmequelle
- 6.5
- rechtsseitige Lot-Basisschicht
- 6.6
- rechtsseitige Füge-/Kontaktfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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