DE102013109879A1

DE102013109879A1 - Fügeverfahren, Material- oder Phasentransformationsverfahren, Sicherungsverfahren, Fügemittel und Sicherheitssystem unter Verwendung reaktiver Materialsysteme

Info

Publication number: DE102013109879A1
Application number: DE102013109879.7A
Authority: DE
Inventors: Jörg Bräuer; Jan Besser; Frank Roscher; Tobias Seifert; Maik Wiemer; Mario Baum; Thomas Gessner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2013-09-10
Filing date: 2013-09-10
Publication date: 2015-03-12
Also published as: WO2015036908A2; WO2015036908A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Fügepartnern, wobei zwischen den über- und/oder nebeneinander angeordneten Fügepartnern ein reaktives Materialsystem aus wenigstens zwei exotherm miteinander reagierenden Reaktionspartnern vorgesehen wird, durch wenigstens eine lokale elektrische, optische, mechanische, magnetische, elektro-magnetische, chemische, thermische und/oder auf Röntgenstrahlung basierende Energiebeaufschlagung am reaktiven Materialsystem eine exotherme Reaktion der Reaktionspartner ausgelöst wird und bei dieser Reaktion entstehende Reaktionswärme zur Verbindungsausbildung zwischen den Fügepartnern verwendet wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Fügemittel, das zwischen wenigstens zwei Fügepartnern positioniert wird und eine Verbindung zwischen den Fügepartnern herstellt. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Material- oder Phasentransformation des Materials wenigstens einer Schicht oder Struktur auf einem Bauteil oder Substrat sowie ein Verfahren zum Sichern wenigstens eines Bauteils oder Substrates sowie ein Sicherheitssystem mit wenigstens einem Bauteil oder Substrat, das wenigstens ein aktives Bauelement, wenigstens ein passives Bauelement, wenigstens einen Speicher und/oder wenigstens eine Leitbahn aufweist. Charakteristisch an den erfindungsgemäßen Verfahrens- und Systemaspekten ist, dass die Reaktionspartner des reaktiven Materialsystems direkt abgeschieden werden und kein Lotmaterial angewendet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Fügepartnern, wobei zwischen den über- und/oder nebeneinander angeordneten Fügepartnern ein reaktives Materialsystem aus wenigstens zwei exotherm miteinander reagierenden Reaktionspartnern vorgesehen wird, durch wenigstens eine lokale elektrische, optische, mechanische, magnetische, elektro-magnetische, chemische, thermische und/oder auf Röntgenstrahlung basierende Energiebeaufschlagung am reaktiven Materialsystem eine exotherme Reaktion der Reaktionspartner ausgelöst wird und bei dieser Reaktion entstehende Reaktionswärme zur Verbindungsausbildung zwischen den Fügepartnern verwendet wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Fügemittel, das zwischen wenigstens zwei Fügepartnern positioniert wird und eine Verbindung zwischen den Fügepartnern herstellt.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Material- oder Phasentransformation des Materials wenigstens einer Schicht oder Struktur auf einem Bauteil oder Substrat.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Sichern wenigstens eines Bauteils oder Substrates sowie ein Sicherheitssystem mit wenigstens einem Bauteil oder Substrat, das wenigstens ein aktives Bauelement, wenigstens ein passives Bauelement, wenigstens einen Speicher und/oder wenigstens eine Leitbahn aufweist.
Fügeverfahren stellen für neuartige Produkte eine große technologische Herausforderung dar. So müssen in der heutigen Verbindungstechnik unterschiedlichste Komponenten, Materialien oder gar komplette Systeme stoffschlüssig miteinander kombiniert werden. Die Fügefläche reicht dabei von großflächigen Fügezonen, wie beispielsweise von einigen Quadratmetern, im Maschinenbau bis hin zu stark miniaturisierten Fügeflächen in Bereichen von wenigen Quadratmikrometern im Bereich der Mikrosystemtechnik bzw. Mikroelektronik.
Die Anforderungen an die Fügeverbindung sind dabei sehr vielfältig. So müssen beispielsweise temperaturempfindliche Polymere, organische Stoffe und/oder Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wie z. B. Metall/Keramik oder Metall/Halbleiter und Komponenten mit temperaturempfindlichen Materialien mitei- nander verbunden werden. Des Weiteren sind in vielen Anwendungen temperaturempfindliche Bauelemente mit einem Substrat oder anderen Bauelementen hermetisch dicht zu verschließen. Hinzu kommen spezielle Anwendungsgebiete, bei welchen die Fügestellen schwer erreichbar sind. Fügeverfahren wie das Drahtbonden und Waferbonden sowie Schweiß- und Lötverfahren werden hierfür heutzutage kommerziell eingesetzt. Diese gelangen jedoch mit der Erhöhung der Integrationsdichte, der Materialienvielfalt, der ungenügenden Erreichbarkeit der Fügestellen, wie z. B. bei der 3D-Integration, und der unzureichenden Benetzbarkeit von beispielsweise Weich- und/oder Hartloten an ihre Grenzen. Weiterhin lassen sich Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf Grund der relativ hohen Fügetemperaturen schlecht bzw. nicht fügen.
Das Verbinden/Bonden zweier Substrate oder Wafer ist ein wichtiger Prozessschritt in der Herstellung von mikroelektronischen Systemen und MEMS (mikroelektromechanischen Systemen). Dabei hat sich innerhalb der letzten Jahre eine Vielzahl dieser Verbindungsverfahren entwickelt. Im Folgenden sollen die zurzeit verwendeten Waferbondverfahren zum besseren Verständnis kurz erläutert werden.
Während des Direkt- oder Fusionsbondens werden zwei Wafer ohne bzw. mit geringem Druck, elektrischen Feldern oder Zwischenschichten zusammengeführt. Dabei müssen die Oberflächen der Fügepartner eine sehr hohe Oberflächengüte aufweisen. Typische Temperaturen zur Erhöhung der Festigkeit bei Silizium-Silizium-Direktbonden liegen zwischen 600 °C und 1050 °C. In aktuellen Untersuchungen werden speziell vorbehandelte Wafer bei Temperaturen kleiner als 400 °C verbunden.
Das anodische Bonden basiert auf der Verbindung eines elektrisch leitfähigen Materials mit einem Material, das eine ionische Leitfähigkeit aufweist. Die Substrate werden auf 180 °C bis 500 °C aufgewärmt. Um die Ionen zu mobilisieren, wird eine Spannung von 200 V bis 1500 V angelegt. Die Spannung erzeugt ein starkes elektrisches Feld, welches die Waferoberflächen in direkten Kontakt bringt und die Substrate miteinander verbindet. Wie auch beim Direktbonden müssen die zu fügenden Komponenten eine nahezu ideale Oberfläche aufweisen.
Beim Bonden mittels Lot werden oft auf den Oberflächen abgeschiedene metallische Schichten oder Metalllegierungen benutzt, um die Substrate miteinander zu verbinden. Die Wafer werden in Kontakt gebracht und bis zur Schmelztemperatur des Lotes (150 °C bis 400 °C) erwärmt. Das Lot wird dadurch flüssig, benetzt die Oberflächen und stellt somit die Verbindung her.
Das eutektische Bonden ist eine Variante des Bondens mittels Lot. Hierbei werden niedrigschmelzende eutektische Legierungen verwendet, um die Verbindung zu erzeugen. Es können Wafer verbunden werden, die aus unterschiedlichen Oberflächenmaterialien bestehen. Die Bondverbindung wird durch Diffusionsmechanismen der sich in engem Kontakt befindenden Substrate hergestellt. Die Fügetemperaturen richten sich nach der Kombination der eutektisch reagierenden Materialien und liegen bei einigen 100 °C.
Beim adhäsiven Bonden wird eine Zwischenschicht, wie z. B. Polymer-Klebstoff, zwischen die zu verbindenden Komponenten gebracht. Diese soll die Verbindung herstellen und die Substrate zusammenhalten. Je nach Verfahren werden die Substrate zusammengepresst und mit UV-Strahlung bzw. Wärme ausgehärtet. Mittels adhäsiver Fügetechnik können kaum hermetisch dichte Verbindungen hergestellt werden.
Wie es der obige Überblick zeigt, ist es bei herkömmlichen Bondverfahren notwendig, die Fügepartner komplett zu erwärmen. Dies erschwert ein Verbinden von Komponenten mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten sowie temperaturempfindlichen Materialien.
Ein neuer und bereits angewendeter Fügevorgang eröffnet sich durch den Einsatz reaktiver Materialsysteme (RMS). Solche RMS, hier speziell Multilagensysteme, bestehen aus einer Vielzahl von wenigen Nanometern dicken alternierenden Schichten. Die einzelnen Schichten müssen dabei aus Materialien bestehen, deren Mischung zu einer exothermen Reaktion führt. Zur Initiierung einer selbst ausbreitenden Reaktion muss ein kleiner Bereich innerhalb des Schichtstapels auf eine für jedes Schichtsystem charakteristische Temperatur erwärmt werden. Nach der lokalen Initiierung werden benachbarte Atome aus den einzelnen Lagen zur Bildung intermetallischer Phasen angeregt. Die Diffusionsrichtung verläuft dabei senkrecht zu den Einzelschichten. Zur Vereinfachung wird angenommen, dass sich die Reaktionstemperatur sehr schnell über die Gesamthöhe ausbreitet, sodass die Wärme in dieser Richtung einheitlich generiert wird. Die damit erzeugte thermische Energie regt weitere Atome zur Diffusion an, dabei wird die Wärme entlang der Einzelschichten weitergeleitet. Wird Energie in der entstandenen Reaktionszone schneller generiert, als diese dem System entzogen wird, breitet sich diese mit einem selbst ausbreitenden Charakteristikum durch das unreagierte Material aus. Für eine Selbstausbreitung sollte die Vermischungswärme bzw. die Standardbildungsenthalpie der Reaktionspartner mindestens –30 kJ/mol-Atom sein.
Nach Initiierung der Reaktion führt die frei werdende Reaktionswärme zum Aufschmelzen umgebender Weich- bzw. Hartlotschichten und somit zur Erzeugung stoffschlüssiger Verbindungen. Dem geht bei den aus dem Stand der Technik bekannten Fügeverfahren eine entsprechende Beschichtung der Fügepartner mit Lotbenetzungsschichten voraus. Auf Grund der Reaktionscharakteristika, wie sehr schnellen Aufwärm- und Abkühlraten und hohen Reaktionsgeschwindigkeiten, erfolgt die Wärmeeinbringung ausschließlich in unmittelbarer Nähe der exothermen Reaktion. Ein weiterer prinzipieller Vorteil eines solchen Verfahrens besteht darin, dass die freiwerdende Wärmemenge durch die Menge des reagierenden Schichtmaterials, d. h. durch die Anzahl und Dicke der Schichten, begrenzt und kontrolliert werden kann, sowie die für die thermisch induzierte Verbindungsbildung nötige Temperaturerhöhung nur sehr kurzzeitig auftritt. Auf diese Weise kann die Reaktion so gesteuert werden, dass eine thermische Schädigung temperaturempfindlicher Substrate vermieden wird.
Ein solches Verfahren wird zum gegenwärtigen Zeitpunkt bereits evaluiert. Hierbei kommen relativ dicke makroskopische Multilagenfolien in Kombination mit Lotschichten als Zwischenschicht zum Einsatz, um Komponenten mit einer auf der Fügefläche vorgesehenen Benetzungsschicht zu fügen.
Heute verfügbare reaktive Multilagenfolien bestehen aus einem Schichtstapel aus alternierend übereinander angeordneten Aluminium- und Nickelschichten. Diese Schichten werden mittels PVD-Verfahren, d. h. durch physikalische Abscheidung aus der Gasphase, hergestellt. Die hergestellten Schichtfolgen werden kommerziell als freistehende Folien angeboten. Die Al/Ni-Folien werden konventionell in Lotblättchen eingebettet und zwischen den zu fügenden und vorbenetzten Komponenten positioniert. Die Bauteile werden anschließend zusammengepresst, und im eingespannten Zustand wird die chemisch exotherme Reaktion initiiert. Die erzeugte Wärmemenge der Folien reicht aus, um das Lot aufzuschmelzen und so Bauteile und Folie zu benetzen und eine stoffschlüssige Verbindung zu erzeugen. Laut Anbieter können die verschiedensten Werkstoffe miteinander verbunden werden. Bei einem Fügen unter Verwendung von in Lot eingebetteten, aus exotherm reagierenden Schichten zusammengesetzten Multilagenfolien kann zwar eine Kompletterwärmung der zu fügenden Fügepartner vermieden werden, allerdings ist sowohl die Herstellung als auch die Applikation und Handhabung der momen- tan verfügbaren Multilagenfolien sehr aufwändig und damit kostenintensiv, sodass sie sich bisher im kommerziellen Maßstab nur eingeschränkt etablieren konnten.
Ferner werden selbst ausbreitende exotherme Reaktionen in Stoffgemischen heutzutage zur Synthese neuartiger Materialien verwendet. Zur Synthese der Materialien werden Pulvergemische verwendet, die nach der Reaktionsinitiierung eine Legierung mittels SHS (Self-propagating high-temperature synthesis) bilden.
Die vorliegende Erfindung hat daher die Aufgabe, ein Fügeverfahren und ein Fügemittel zur Verfügung zu stellen, bei welchen eine Kompletterwärmung der Fügepartner vermieden werden kann, die aber dennoch ein zuverlässiges und im industriellen Maßstab effizient anwendbares Fügen ermöglichen. Die vorliegende Erfindung soll gegebenenfalls außerdem weitere Verfahrensmöglichkeiten bzw. ein sich daraus ergebendes System vorschlagen, bei welchen das beim erfindungsgemäßen Fügen verwendete Grundprinzip der Applikation reaktiver Materialsysteme zum Einsatz kommen kann.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren zum Fügen von Fügepartnern gelöst, wobei zwischen den über- und/oder nebeneinander angeordneten Fügepartnern ein reaktives Materialsystem aus wenigstens zwei exotherm miteinander reagierenden Reaktionspartnern vorgesehen wird, durch wenigstens eine lokale elektrische, optische, mechanische, magnetische, elektro-magnetische, chemische, thermische und/oder auf Röntgenstrahlung basierende Energiebeaufschlagung am reaktiven Materialsystem eine exotherme Reaktion der Reaktionspartner ausgelöst wird und bei dieser Reaktion entstehende Reaktionswärme zur Verbindungsausbildung zwischen den Fügepartnern verwendet wird, wobei zwischen den Fügepartnern und dem reaktiven Materialsystem kein Lotmaterial verwendet wird, die Reaktionspartner des reaktiven Materialsystem direkt auf wenigstens einem der Fügepartner abgeschieden werden.
Ein wesentlicher Gesichtspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass das reaktive Materialsystem als integriertes, direkt auf wenigstens einen der Fügepartner abgeschiedenes Dünnschichtsystem ohne zusätzliche Verwendung von Lotmaterial als Zwischenschicht abgeschieden wird. Bei der direkten Bauteilbeschichtung werden erfindungsgemäß sogenannte integrierte nanoskalige und exotherm reagierende Materialsysteme (iRMS) erzeugt.
Bei dem erfindungsgemäßen Fügeverfahren kann die Abscheidung der iRMS an die konkreten Gegebenheiten und Erfordernisse der Verbindung angepasst werden. Dabei kann beispielsweise die Ausdehnung des jeweiligen reaktiven Materialsystems an die Geometrie der Verbindungsstelle angepasst werden. Ferner ist es möglich, die Ausbildung des reaktiven Materialsystems so vorzunehmen, dass bei der exothermen Reaktion am reaktiven Materialsystem eine ausreichende, aber nicht zu einer übermäßigen Erwärmung der Fügepartner führende Wärmemenge für eine zuverlässige Verbindung der Fügepartner entsteht. Das Auslösen der exothermen Reaktion der Fügepartner wird begünstigt, wenn die Fügepartner durch äußeren Druck gegeneinander gedrückt werden.
Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kein Lotmaterial als Zwischenschicht zwischen den Fügepartnern und dem reaktiven Materialsystem eingesetzt wird, vereinfacht sich die Gesamttechnologie, da ein Aufbringen von Lot entfällt. Außerdem entfällt hierdurch der Zwischenschritt des Lotaufschmelzens nach erfolgter Reaktionsinitiierung an dem reaktiven Materialsystem und den Fügepartnern. Das heißt, die bei der exothermen Reaktion des reaktiven Materialsystems entstehende Wärme kann direkt für die Ausbildung der Verbindung zwischen den Fügepartnern genutzt werden. Dabei dient insbesondere das reagierte reaktive Materialsystem als Fügemittel zwischen den Fügepartnern. Die bei der exothermen Reaktion entstehende Wärme kann jedoch bei der vorliegenden Erfindung auch so hoch bemessen werden, dass die an das reaktive Materialsystem angrenzenden Oberflächenbereiche der Fügepartner zumindest partiell mit dem Reaktionsprodukt des reaktiven Materialsystems verschmelzen, in dieses diffundieren und/oder mit diesem reagieren.
Auf Grund der immens hohen Reaktionstemperaturen und der freiwerdenden Reaktionswärme bei der nach der Initiierung des reaktiven Materialsystems ablaufenden exothermen Reaktion werden bei dem erfindungsgemäßen Fügeverfahren die Fügepartner direkt, aber sehr lokal aufgeschmolzen. Begünstigt wird dies, da die Ausgangsstoffe der iRMS so ausgewählt werden, dass diese während der exothermen Reaktion flüssig werden und somit auch eine definierte Rauheit der Fügeflächen der Fügepartner ausgleichen können.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird in einem zweiten Erfindungsaspekt durch ein Verfahren zur Material- oder Phasentransformation des Materials wenigstens einer Schicht oder Struktur auf einem Bauteil oder Substrat gelöst, bei dem die wenigstens eine Schicht oder Struktur mit wenigstens einem, direkt auf dem Bauteil oder Substrat ohne Lotmaterial abgeschiedenen reaktiven Materialsystem aus wenigstens zwei exotherm miteinander reagierenden Reaktionspartnern gekoppelt wird und elektrisch, optisch, mechanisch, magnetisch, elektro-magnetisch, chemisch, thermisch und/oder durch Röntgenstrahlung eine exotherme Reaktion zwischen den Reaktionspartnern ausgelöst wird.
Eine zusätzliche Lösung der Aufgabe ergibt sich gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren zum Sichern wenigstens eines Bauteils oder Substrates, das wenigstens ein aktives Bauelement, wenigstens ein passives Bauelement, wenigstens einen Speicher und/oder wenigstens eine Leitbahn aufweist, wobei direkt auf dem Bauteil oder Substrat wenigstens ein reaktives Materialsystem aus wenigstens zwei exotherm miteinander reagierenden Reaktionspartnern ohne Lotmaterial abgeschieden wird, und wobei das wenigstens eine aktive Bauelement, das wenigstens eine passive Bauelement, der wenigstens eine Speicher und/oder die wenigstens eine Leitbahn mit dem reaktiven Materialsystem gekoppelt wird.
Bei den oben aufgeführten Erfindungsaspekten kann das reaktive Materialsystem auf verschiedene Weise direkt abgeschieden werden.
So ist es in einer Variante der vorliegenden Erfindung vorgesehen, das reaktive Materialsystem durch physikalische Gasphasenabscheidung von Schichten und/oder Strukturen zu erzeugen, wobei entweder die Reaktionspartner bei einer Abscheidung oder abwechselnd in wenigstens zwei nacheinander erfolgenden Abscheidungen erzeugt werden.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Reaktionspartner entweder einzeln in wenigstens einer Kugelmühle zu Pulver zermahlen und nachfolgend durchmischt, oder die Reaktionspartner werden gemeinsam in einer Kugelmühle zermahlen und durchmischt, wobei das wenigstens die Reaktionspartner enthaltende Pulvergemisch unter Ausbildung des reaktiven Materialsystems auf wenigstens einen der Fügepartner auf das Bauteil oder das Substrat aufgebracht wird.
In einem weiteren Beispiel der vorliegenden Erfindung wird das reaktive Materialsystem durch elektrochemisches Abscheiden aus wenigstens einem ionischen Liquid erzeugt, wobei entweder die Reaktionspartner gemeinsam in einem Elektrolytbad oder die Reak- tionspartner durch alternierende Verwendung unterschiedliche Elektrolytbäder abgeschieden werden.
In einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verfahrensaspekte wird das reaktive Materialsystem durch Drucken oder Sprühen von Aerosol(en) erzeugt, wobei entweder die die Reaktionspartner enthaltenden Aerosole vor dem Drucken oder Aufsprühen zusammengeführt werden oder die die Reaktionspartner enthaltenden Aerosole separat voneinander aufgedruckt oder aufgesprüht werden.
Es ist bei den erfindungsgemäßen Verfahrensaspekten auch günstig, wenn das reaktive Materialsystem durch Tintenstrahldrucken erzeugt wird, wobei entweder eine, die wenigstens zwei Reaktionspartner enthaltende Tinte gedruckt wird oder wenigstens zwei, verschiedene Reaktionspartner enthaltende Tinten separat voneinander gedruckt werden.
Ferner ist es bei der vorliegenden Erfindung auch möglich, dass das reaktive Materialsystem durch Siebdrucken erzeugt wird, wobei zum Siebdrucken entweder eine, die wenigstens zwei Reaktionspartner enthaltende Paste verwendet wird oder wenigstens zwei, verschiedene Reaktionspartner enthaltende Pasten separat voneinander gedruckt werden.
Es hat sich zudem bei allen erfindungsgemäßen Verfahrensaspekten als vorteilhaft erwiesen, wenn das reaktive Materialsystem durch Aufschleudern oder Rotationsbeschichten erzeugt wird, wobei entweder eine, die wenigstens zwei Reaktionspartner enthaltende Lösung aufgebracht wird oder wenigstens zwei, verschiedene Reaktionspartner enthaltende Lösungen separat voneinander aufgebracht werden und die Lösung(en) nachfolgend durch Rotation verteilt wird bzw. werden.
Möglich ist es auch bei der vorliegenden Erfindung, dass das reaktive Materialsystem durch Tiefdrucken erzeugt wird, wobei zum Tiefdrucken entweder eine, die wenigstens zwei Reaktionspartner enthaltende Paste verwendet wird oder wenigstens zwei, verschiedene Reaktionspartner enthaltende Pasten separat voneinander gedruckt werden.
In einer anderen bevorzugten Ausbildung der vorliegenden Erfindung wird das reaktive Materialsystem dadurch hergestellt, dass flächig nebeneinander auf einem der Fügepartner eine Opferschicht und eine Haftschicht ausgebildet werden; auf der Haftschicht und der Opferschicht entweder wenigstens zwei, die Reaktionspartner bildenden oder enthaltenden Einzelschichten abgeschieden werden oder eine, die Reaktionspartner enthaltende Mischschicht abgeschieden wird; die Opferschicht selektiv entfernt wird; die Einzelschichten oder die Mischschicht zu einer Schichtrolle aufgerollt werden bzw. wird; und die Schichtrolle auf einem der Fügepartner ausgebildet oder auf diesen aufgebracht wird und beim Aufbringen des weiteren Fügepartners zusammengedrückt wird.
Bei allen erfindungsgemäßen Verfahrensaspekten kann das reaktive Materialsystem wenigstens eine Mischschicht aus den wenigstens zwei Reaktionspartnern und/oder wenigstens eine Mischschicht aus die wenigstens zwei Reaktionspartner in durchmischter Form enthaltenden Komplexen und/oder wenigstens eine Multischicht aus alternierenden, die Reaktionspartner bildenden Einzelschichten und/oder wenigstens eine Multischicht aus die Reaktionspartner in Form von Partikeln enthaltenden Lagen aufweisen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird außerdem durch ein Fügemittel gelöst, das zwischen wenigstens zwei Fügepartnern positioniert wird und eine Verbindung zwischen den Fügepartnern herstellt, wobei das Fügemittel ein an Kontur und/oder Form der Fügepartner angepasster Vorformkörper ist, der einen Vorformträger aufweist, auf dessen den Fügepartnern zugewandten Seiten jeweils wenigstens ein ohne Lotmaterial ausgebildetes reaktives Materialsystem aus wenigstens zwei exotherm miteinander reagierenden Reaktionspartnern abgeschieden ist, wobei die exotherme Reaktion elektrisch, optisch, mechanisch, magnetisch, elektro-magnetisch, chemisch, thermisch und/oder durch Röntgenstrahlung auslösbar ist, wobei der Vorformkörper ohne Lotmaterial zwischen den Fügepartnern vorgesehen wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fügemittels ist der Vorformträger selbst auch aus einem reaktiven Materialsystem aus wenigstens zwei exotherm miteinander reagierenden Reaktionspartnern ausgebildet.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fügemittels sind die wenigstens zwei reaktiven Materialsysteme schichtförmig auf dem Vorformträger ausgebildet.
Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise besitzen die Fügepartner einander gegenüber befindliche, an die Form des Vorformkörpers angepasste Aufnahmen für den Vorformkörper.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird darüber hinaus durch ein Sicherheitssystem mit wenigstens einem Bauteil oder Substrat, das wenigstens ein aktives Bauelement, wenigstens ein passives Bauelement, wenigstens einen Speicher und/oder wenigstens eine Leitbahn aufweist, gelöst, wobei das wenigstens eine aktive Bauelement, das wenigstens eine passive Bauelement, der wenigstens eine Speicher und/oder die wenigstens eine Leitbahn mit wenigstens einem, auf dem Bauteil oder Substrat ohne Lotmaterial abgeschiedenen reaktiven Materialsystem aus wenigstens zwei exotherm miteinander reagierenden Reaktionspartnern gekoppelt ist und das Bauteil oder Substrat wenigstens eine Initiiervorrichtung zum elektrischen, optischen, mechanischen, magnetischen, elektro-magnetischen, chemischen, thermischen und/oder durch Röntgenstrahlung erfolgenden Auslösen einer exothermen Reaktion zwischen den Reaktionspartnern aufweist oder mit einer solchen Initiiervorrichtung gekoppelt ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau, Funktion und Vorteile werden im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert, wobei
die 1 bis 5 schematisch einen Prozessablauf gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens zeigen;
6 schematisch einen Prozessablauf zur Abscheidung eines reaktiven Materialsystems zur Anwendbarkeit in den erfindungsgemäßen Verfahrensaspekten durch Abscheidung von Einzelschichten des reaktiven Materialsystems aus ionischen Liquiden zeigt;
die 7 und 8 schematisch einen Prozessablauf zur Abscheidung eines reaktiven Materialsystems zur Anwendbarkeit in den erfindungsgemäßen Verfahrensaspekten durch Aerosoljet-Abscheidung oder Sprühbeschichtung zeigen;
die 9 und 10 schematisch einen Prozessablauf zur Abscheidung eines reaktiven Materialsystems zur Anwendbarkeit in den erfindungsgemäßen Verfahrensaspekten durch Inkjet-Abscheidung zeigen;
die 11 und 12 schematisch einen Prozessablauf zur Abscheidung eines reaktiven Materialsystems zur Anwendbarkeit in den erfindungsgemäßen Verfahrensaspekten mittels Siebdruck zeigen;
die 13 und 14 schematisch einen Prozessablauf zur Abscheidung eines reaktiven Materialsystems zur Anwendbarkeit in den erfindungsgemäßen Verfahrensaspekten durch Rotationsbeschichten zeigen;
15 schematisch einen Prozessablauf zur Abscheidung eines reaktiven Materialsystems zur Anwendbarkeit in den erfindungsgemäßen Verfahrensaspekten durch Tiefdruck-Abscheidung zeigt;
die 16 bis 19 schematisch einen Prozessablauf zur Abscheidung eines reaktiven Materialsystems zur Anwendbarkeit in den erfindungsgemäßen Verfahrensaspekten durch Ausbilden, Aufrollen und Zusammendrücken einer die Reaktionspartner des reaktiven Materialsystems enthaltenden Schichtrolle zeigen;
die 20 und 21 schematisch Beispiele von Fügemitteln gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen;
die 22 bis 26 schematisch einen Prozessablauf zur Herstellung eines Sicherheitssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen; und
die 27 bis 29 schematisch einen Prozessablauf für ein reaktives Sintern gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Material- oder Phasentransformation zeigen.
Die 1 bis 5 zeigen schematisch einen Prozessablauf gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens zur Erzeugung einer lotmittelfreien Fügeverbindung zwischen zwei Fügepartnern 1, 2.
1 zeigt dabei zunächst schematisch die Fügepartner 1, 2. Die Fügepartner 1, 2 können dabei sowohl makroskopische Bauteile, wie beispielsweise Stahlträger, Bleche, Leitungs-, Wasser- und/oder Gasrohre, Unterlegscheiben, Schrauben, Muttern, Solarzellen, Gläser, Leiterplatten (z. B. FR4, LTCC), Polymerfolien (z. B. PMMA, PDMS) schwer lötbare Materialien (z. B. Al, Edelstähle) als auch mikroskopische Bauteile, wie beispielweise Leuchtdioden, Mikro-Elektro-Mechanische-Systeme (MEMS) aller Art (z. B. Druck- sensoren, Beschleunigungssensoren, Neigungssensoren, Feuchtesensoren), Mikro- Opto-Elektro-Mechanische-Systeme (MOEMS) aller Art (z. B. Mikrospiegel, Mikrobolometer, optische Schalter), integrierte Schaltkreise (z. B. ASIC), Wafer (z. B. aus Si, Glas, GaAs, Keramik, LiTaO₃, LiNbO₃, Quartz) optional mit unterschiedlichsten Funktionsschichten (z. B. PZT), Leitbahnen (z. B. Al, Au, Cu, Pt) bzw. Strukturen (z. B. MEMS, MOEMS) sein.
In dem Ausführungsbeispiel von 1 ist ein reaktives Materialsystem 3 auf dem Fügepartner 2 vorgesehen. Dabei ist es generell gleich, auf welchem der Fügepartner 1, 2 das reaktive Materialsystem 3 vorgesehen ist. Das reaktive Materialsystem 3 kann auch auf beiden der Fügepartner 1, 2 vorgesehen sein. Die vorliegende Erfindung ist, obwohl dies in den Figuren nicht gezeigt ist, auch zur Verbindung von mehr als zwei Fügepartnern einsetzbar.
Das reaktive Materialsystem 3 wird vorzugsweise direkt auf dem Fügepartner 2 abgeschieden. Das heißt, der zweite Fügepartner 2 weist dabei typischerweise keine zusätzliche Benetzungs- oder Lotschicht auf. Grundsätzlich ist es jedoch erfindungsgemäß möglich, dass auf dem zweiten Fügepartner 2 und/oder dem ersten Fügepartner 1 wenigstens eine Benetzungsschicht vorgesehen ist. Es ist jedoch kein Lotmaterial zwischen den Fügepartnern 1, 2 vorgesehen.
Das reaktive Materialsystem 3 ist ein sogenanntes iRMS, das heißt, ein integriertes nanoskaliges und exotherm reagierendes Materialsystem. Das reaktive Materialsystem 3 ist dabei aus mindestens einer exotherm reagierenden Schicht, welche aus mindestens zwei Reaktionspartner bzw. Edukten aufgebaut ist.
Die exotherm reagierende Schicht kann dabei aus einer Mischschicht und/oder mindestens einer Multischicht aufgebaut sein. Die Mischschicht kann in einer ersten Variante aus mindestens zwei Reaktionspartnern in einer Schicht und in einer zweiten Variante aus mehreren Komplexen, welche mindestens zwei Reaktionspartner aufweisen, bestehen. Die Multischicht besteht aus mindestens zwei Einzelschichten und/oder mindestens zwei Mischschichten der ersten Variante und/oder der zweiten Variante. Die Einzelschichten bestehen aus genau einem Reaktionspartner und können sowohl aus Lagen als auch aus Partikeln bestehen.
Als reaktives Materialsystem 3 kann beispielsweise Al in Kombination mit CuO_x, Fe₂O₃, Ni, Pd, Pt und Zr, aber auch mit Ti/B, Ti/Si, Zr/Si, Ni/Si, Pd/Si, Pd/Sn, Pd/Zn, Pt/Sn und Pt/Zn als Reaktionspartner verwendet werden.
Zusätzlich und/oder alternativ zu den genannten Zweistoffsystemen können für das Materialsystem 3 auch Mehrstoffsysteme mit drei und mehr Materialpartnern eingesetzt werden. Die Dickenabmessungen der einzelnen Reaktionspartner können dabei beispielsweise zwischen 10 nm und 1000 nm gewählt werden. Die Gesamtschichtdicken können beispielsweise im Bereich von 1 µm bis 40 µm liegen.
Die Reaktionspartner bzw. die Einzelschichten oder Einzelkomponenten des reaktiven Materialsystems 3 können als Multilagenschichten (Multilayer), als Partikel, als Pasten, als aufgerollte Systeme (Rolled Up) und/oder als vertikale Systeme, das heißt, als senkrecht auf wenigstens einem der Fügepartner ausgebildete Strukturen, abgeschieden werden.
Multilagenschichten können beispielsweise mittels PVD (Physikalische Gasphasenabscheidung) hergestellt werden. Ferner ist es möglich, Multilagenschichten des reaktiven Materialsystems 3 mittels ECD (elektrochemische Abscheidung) abzuscheiden. Zur Erzeugung des reaktiven Materialsystems 3 können ferner weitere unterschiedliche, wie beispielsweise die nachfolgend im Zusammenhang mit den 6 bis 19 beschriebenen Verfahrensweisen, angewendet werden.
So kann, wie es im Folgenden bezüglich 6 näher erläutert ist, beispielsweise eine alternierende Abscheidung ionischer Liquide eingesetzt werden.
Neben dem Multilagenansatz können auch reaktive Partikel zur Ausbildung des reaktiven Materialsystems 3 genutzt werden.
Die Erzeugung des reaktiven Materialsystems 3 kann auch durch die Abscheidung von Partikeln mittels AerosolJet, Inkjet, Siebdruck, Spin Coating, Tiefdruck und Spray Coating vorgenommen werden. Dabei können die Edukte sowohl als kolloiddisperses System, wie z. B. Nanopartikeltinte, oder ionendisperses System, wie z. B. als Ionisches Liquid, oder als Metallorganische-Dekomposition(MOD)-Tinten, vorliegen. Dispersionsmedien können beispielsweise mit organischen Materialien, wie ein- oder mehrwertigen Alkoholen, wie z. B. Ethylenglycol oder Terpineole, und aromatischen Kohlenwasserstof- fen, wie z. B. Xylol, oder auch wasserbasiert erzeugt werden. Der Einsatz von zusätzlichen Stoffen, wie synthetischen Polymeren, Sodium n-dodecylbenzenesulfonat, Hexadecylamin und Alkylthiol, kann in Sonderfällen genutzt werden, um die Dispersion zu stabilisieren, d. h. die Agglomerationen zu verhindern.
Ein weiterer Ansatz zur Herstellung des reaktiven Materialsystems 3 für iRMS bilden aufgerollte Systeme, sogenannte Rolled Ups. Hierbei wird, wie es nachfolgend im Zusammenhang mit den 16 bis 19 näher erläutert ist, mindestens eine exotherm reagierende Einzelschicht zu einem reaktiven Zylinder aufgerollt.
Eine weitere Variante für die iRMS-Abscheidung bildet die vertikale Anordnung der Edukte. Vertikal ausgebildete reaktive Materialsysteme aus wenigstens zwei exotherm miteinander reagierenden Reaktionspartnern sind beispielsweise in dem deutschen Patent DE 10 2009 006 822 B4 beschrieben, auf dessen Inhalt hiermit vollumfänglich verwiesen wird, wobei jede der in der vorliegenden Erfindung enthaltenen Ausführungsformen mit wenigstens einem Fügepartner, der auf Basis der in dem Patent DE 10 2009 006 822 B4 beschriebenen vertikalen reaktiven Strukturen hergestellt ist, ausgebildet werden kann.
Die geometrische Anpassung des reaktiven Materialsystems 3 kann mittels strukturierter Abscheidung, z. B. durch Anwendung schreibender Verfahren oder eine Lift-off-Technik, und/oder, wie es in 2 gezeigt ist, durch eine nachträgliche Strukturierung, wie z. B. durch Nass- oder Trockenätzen, erfolgen.
In dem in 2 dargestellten optionalen Schritt wurde das reaktive Materialsystem 3 strukturiert. In Sonderformen der erfindungsgemäßen Verfahren können die in den 1 und 2 gezeigten Schritte miteinander kombiniert werden.
Typische Fügeflächen reichen dabei von wenigen nm² bis einigen m². In einem nächsten, in 3 schematisch dargestellten Schritt werden die Fügepartner 1, 2 zueinander positioniert, und ein Fügedruck 33 wird appliziert. Optional können alle am Fügeprozess beteiligten Partner einer definierten Atmosphäre, z. B. einem definierten Vakuum oder einer definierten Atmosphäre, ausgesetzt sein und/oder zusätzlich erwärmt werden.
Wie es in 4 dargestellt ist, erfolgt nachfolgend eine Initiierung bzw. Zündung der exothermen Reaktion zwischen Reaktionspartnern des reaktiven Materialsystems 3. Für eine einmalige Initiierung der chemisch exothermen Reaktion können unterschiedliche lokale Energieimpulse 34 in das reaktive Materialsystem 3 eingebracht werden. Dies können elektrische, thermische, mechanische, optische, insbesondere laseroptische, magnetische oder elektromagnetische Energieimpulse 34 sein.
Die Fügepartner 1, 2 werden während des Fügeprozesses nur sehr lokal erwärmt, wie es in 4 schematisch durch den Bereich 35 angedeutet ist.
Der Fügevorgang ist dabei, wie es in 5 veranschaulicht ist, innerhalb weniger Millisekunden beendet. Die erzeugte Fügeverbindung besteht aus dem reagierten iRMS 36 und aus einer Interdiffusionszone 37, 37‘ zwischen dem reagierten iRMS 36 und den Fügepartnern 1, 2. Die gefügten Bauteile 38 können unmittelbar nach dem Fügevorgang weiter bearbeitet werden.
In einigen Sonderfällen soll die erzeugte Fügeverbindung hermetisch dicht (Leckraten kleiner 1 × 10^–8 mbar-l/s), mechanisch sehr fest (Scherfestigkeiten zwischen 30 MPa und 400 MPa), biokompatibel und/oder resistent gegenüber aggressiven Medien (z. B. gegenüber Öl oder Säure) sein.
Eine typische Anwendung für die lotfreie Fügetechnik mit iRMS ist beispielsweise das Waferbonden, d. h. das sogenannte reaktive Waferbonden, unterschiedlichster Materialien. So können MEMS-Wafer und/oder Sensor/Aktuator-Wafer und/oder Wafer mit integrierten Schaltkreisen in einer Waferbondvorrichtung bei Raumtemperatur verbunden werden. Mit der hier vorgestellten Technologie können in einem Sonderfall die Leitbahnen, wie z. B. aus Al, von beispielsweise MEMS als Fügeschichten ohne zusätzliche Oberflächenvorbehandlung, z. B. ohne Entfernen von natürlichen Oxiden, verwendet werden. So können zusätzliche Prozessschritte eingespart werden, was die Prozesskosten stark reduziert. Die Waferbondvorrichtung ist dabei exakt auf die Gegebenheiten des reaktiven Bondens angepasst. Vorteile dieses Waferbondverfahrens sind zum einen ein Bonden auf Waferebene von Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen, eine vergleichsweise geringe Einbringung thermo-mechanischer Spannungen im System und zum anderen die geringe Waferbondzeit von wenigen Millisekunden.
Die exotherm reagierenden Schichtsysteme bzw. iRMS dienen bei dem erfindungsgemäßen Fügeverfahren als integrierte Energiequelle für das Verbinden von halbleitertypischen Komponenten und Systemen, von temperaturempfindlichen Bauteilen und von unterschiedlichen Substraten und Materialien wie Polymeren, Keramiken oder Metalle. Eine Verbesserung zum bisherigen Stand der Technik stellt neben den selbstausbreitenden Reaktionen ohne weitere Energiezufuhr und geringem Wärmeeintrag die nicht mehr benötigte Verwendung von Lotschichten dar. Anforderungen hinsichtlich fester, stabiler und hermetisch dichter Verbindungen, niedriger Bondtemperaturen, wie z. B. im Bereich der Raumtemperatur sowie hinsichtlich geringen Wärmeeintrags in umgebendes Material und kurzer Prozesszeiten, können mit dieser neuen Technologie erfüllt werden.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens liegt demnach hauptsächlich in der Verwendung einer lotfreien Verbindung, aber auch in der lokalen, kurzfristigen Temperaturausbreitung nur im Bereich dieser strukturierten Rahmen und genau in der Größenordnung, die ausreicht, um die Fügepartner lokal aufzuschmelzen und/oder in diese zu diffundieren und die Verbindung herzustellen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der In-situ-Abscheidung der Schichten des reaktiven Materialsystems 3. So kann die Abscheidung beispielsweise im Vakuum durchgeführt werden, wodurch lunkerfreie und oxidfreie Schichten abgeschieden werden können. Erfindungsgemäß ist zudem ein Verbinden von schwer lötbaren und/oder heterogenen Materialien möglich. Ferner ermöglicht die erfindungsgemäße Vorgehensweise ein mikrometergenaues Alignment der zu fügenden Fügepartner 1, 2.
Das erfindungsgemäße Fügeverfahren erlaubt zudem ein selektives Bonden der Fügepartner 1, 2. Zudem ist mit dem erfindungsgemäßen Fügeverfahren eine dünne Fügezone von einer Größenordnung < 20 µm ausbildbar. Die Flächenausdehnung der erfindungsgemäß ausbildbaren Fügezone reicht von wenigen Quadratnanometern bis zu einigen Quadratmetern.
Bei dem erfindungsgemäßen Fügeverfahren ist es außerdem möglich, die Energiefreisetzung bei der exothermen Reaktion des reaktiven Materialsystems 3 einzustellen und gewünschte Verbindungseigenschaften zu definieren. Schließlich erlaubt es das erfindungsgemäße Fügeverfahren, ein Fügen an unzugänglichen Stellen vorzunehmen. Da bei dem erfindungsgemäßen Fügeverfahren kein Weichlot zum Einsatz kommt, können hohe Betriebstemperaturen von über 300 °C eingesetzt werden.
Insgesamt ergibt sich bei Einsatz der erfindungsgemäßen Fügetechnologie eine erhöhte Qualität und Lebensdauer sowie eine erhöhte Zuverlässigkeit und Sicherheit der gefügten Bauteile durch geringere Temperaturschwankungen beim Herstellprozess. Da das erfindungsgemäße Fügeverfahren ein Verbinden bei niedriger Temperaturbelastung der Substrate ermöglicht, können neuartige Materialienkombinationen gefügt werden, wodurch sich wiederum neue Einsatzbereiche, wie z. B. das Aufschmelzen von Hartlot (Einsatzbereiche weit über 450 °C), erschließen lassen.
6 zeigt schematisch einen Prozessablauf zur Abscheidung eines reaktiven Materialsystems zur Anwendbarkeit in den erfindungsgemäßen Verfahrensaspekten durch Abscheidung von Einzelschichten des reaktiven Materialsystems aus ionischen Liquiden 5, 5‘. Typische ionische Liquide sind beispielsweise (1-Butyl-1-Methylpyrrolidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imid, 1-Ethyl-3-Methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imid, Trihexyltetradecylphosphonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imid) und 1-Ethyl-3-Methylimidazoliumchlorid ([EMIm]+Cl-).
Die aus ionischen Liquiden 5, 5‘ aufgebauten reaktiven Materialsysteme 3, die hier ioLi-iRMS genannt werden, bestehen typischerweise aus mindestens einer Multischicht.
Bei der elektrochemischen ioLi-RMS-Abscheidung existieren prinzipiell zwei Ansätze, wobei in einer Zweibad-Methode zwei getrennte ionische Liquide benutzt werden und jede Einzelschicht in einem separaten Elektrolyt abgeschieden wird. In der alternativ einsetzbaren Einbad-Methode liegen in einem ionischen Liquid mindestens zwei Reaktionspartner gemeinsam vor. In 6 ist der Prozessablauf zur ioLi-iRMS-Abscheidung beispielhaft für die Zweibad-Methode dargestellt. Dabei werden ionische Liquide 5, 5‘ genutzt, um Edukte von Multischichten 8 auf einem Substrat 4, wie beispielsweise auf den Fügepartner 2 aus 1, elektrochemisch abzuscheiden.
Zur Abscheidung von Multischichten wird das Substrat 4 durch alternierendes Wechseln 6 zwischen den Behältern 7, 7‘, in denen sich die ionischen Liquide 5, 5‘, welche jeweils wenigstens einen Reaktionspartner aufweisen, befinden, mit den ioLi-iRMS 8 beschichtet. Die ioLi-iRMS 8 können dabei strukturiert und/oder vollflächig abgeschieden werden. In einer nicht dargestellten Sonderform, der Einbad-Methode, befinden sich mindestens zwei Reaktionspartner in einem Behälter, d. h. in einem ionischen Liquid, und die Multischichten werden durch geeignete Signalführung erzeugt.
Bei der Aerosoljet-iRMS-Abscheidung von Mischschichten wird zwischen dem Drucken eines gemischten Aerosols aus zwei separat erzeugten Aerosolen, welche jeweils einen Reaktionspartner enthalten, und/oder einem Mischaerosol, welcher mindestens zwei Reaktionspartner enthält, unterschieden. Durch mehrfaches Abscheiden von mindestens zwei Mischschichten können Multischichten erzeugt werden. Die Aerosoljet-iRMS-Abscheidung von Multischichten bestehend aus Einzelschichten wird mit jeweils einem Aerosol, welches je einen Reaktionspartner enthält, durch alternierendes Wechseln der Aerosole erzeugt. Die exotherm reagierenden Schichten können sowohl im Trocken- als auch im Nassdruck hergestellt werden. In einer Sonderform der Aerosole können die Reaktionspartner in dispergierten Phasen in einem Dispersionsmedium vorliegen. Die exotherme Reaktion kann durch die Trennung von Dispersionsmedium und dispergierten Phasen als Vorbereitungsschritt der finalen Reaktionsinitiierung jeweils durch Zuführung von externer Energie eingeleitet, unterstützt oder abgeschlossen werden. Die Durchmischung wird dadurch weiter beeinflusst und verändert. Die Zuführung der Energie kann dabei vor, während und/oder nach Beendigung eines Einzel- oder Gesamtdruckprozesses erfolgen.
In allen beschriebenen Varianten können sowohl Einzel- als auch Multidüsendruckköpfe sowie Breitstrahldüsen zum Einsatz kommen. Neben zu druckenden Vollflächen können auch feinste Strukturen gedruckt werden.
Die 7 und 8 zeigen schematisch einen Prozessablauf zur Abscheidung eines reaktiven Materialsystems zur Anwendbarkeit in den erfindungsgemäßen Verfahrensaspekten durch Aerosoljet-Abscheidung im Nassdruck.
In einem in 7 schematisch dargestellten ersten Schritt erfolgt ein Positionieren und Aktivieren von mindestens einem Druckkopf 9. Zur Abscheidung von exotherm reagierenden Schichten werden die Aerosole 10, 11, welche aus mindestens einem Reaktionspartner bestehen, zusammengeführt und/oder in einer Sonderform ein Aerosol, welches aus mindestens zwei Reaktionspartnern besteht, auf mindestens ein Substrat 4 gesprüht, wie es durch den Pfeil 12 schematisch gezeigt ist. In einer weiteren Sonderform werden die Aerosole 10, 11, welche aus mindestens einem Reaktionspartner bestehen, ohne Zusammenführung auf das Substrat 4 gesprüht.
In einem zweiten, in 8 schematisch dargestellten Schritt wird das Aerosol 39 durch Bewegen des Druckkopfes 9 über dem Substrat 4 auf diesem gemäß eines definierten Druckpfades 13 als Aerosoljet-iRMS 14 abgeschieden. In einer Sonderform können die Schritte aus den 7 und 8 zur Erzeugung von Multischichten mindestens einmal wiederholt werden. Mittels Inkjetdruck können Inkjet-iRMS erzeugt werden.
Bei der Inkjet-iRMS-Abscheidung von Mischschichten wird eine Mischtinte, welche mindestens zwei Reaktionspartner enthält, verwendet. Durch mehrfaches Abscheiden von mindestens zwei Mischschichten können Multischichten erzeugt werden. Die Inkjet-iRMS-Abscheidung von Multischichten, bestehend aus Einzelschichten, wird durch alternierendes Wechseln von Tinten, welche je einen Reaktionspartner enthalten, erzeugt. Die exotherm reagierenden Schichten können sowohl im Trocken- als auch im Nassdruck hergestellt werden. In einer Sonderform können die Reaktionspartner in dispergierten Phasen in einem Dispersionsmedium vorliegen. Die exotherme Reaktion kann durch die Trennung von Dispersionsmedium und dispergierten Phasen als Vorbereitungsschritt der finalen Reaktionsinitiierung jeweils durch Zuführung von externer Energie eingeleitet, unterstützt oder abgeschlossen werden. Die Durchmischung wird dadurch weiter beeinflusst und verändert. Die Zuführung der Energie kann dabei vor, während und/oder nach Beendigung eines Einzel- oder Gesamtdruckprozesses erfolgen.
In allen Varianten können sowohl Einzel- als auch Multidüsendruckköpfe zum Einsatz kommen. Neben zu druckenden Vollflächen können auch feinste Strukturen gedruckt werden.
Die 9 und 10 zeigen schematisch einen Prozessablauf zur Abscheidung eines reaktiven Materialsystems zur Anwendbarkeit in den erfindungsgemäßen Verfahrensaspekten durch Inkjet-Abscheidung.
In einem ersten, in 9 schematisch dargestellten Schritt erfolgt ein Positionieren und Aktivieren von mindestens einem Druckkopf und mindestens einer Düse 15. Zur Abscheidung von exotherm reagierenden Schichten wird Tinte 16, welche aus mindestens einem Reaktionspartner besteht, auf mindestens ein Substrat 4 gedruckt.
In einem zweiten, in 10 schematisch gezeigten Schritt wird die Tinte 16 durch Bewegen des Druckkopfes über dem Substrat 4 auf diesem gemäß einem definierten Druckpfad 17 als Inkjet-iRMS 18 abgeschieden. In einer Sonderform können die Schritte aus den 9 und 10 zur Erzeugung von Multischichten mindestens einmal wiederholt werden.
Mittels Siebdruck können iRMS erzeugt werden. Der Druckprozess des Siebdrucks kann dabei mit Flachsiebdruck und/oder Rotationssiebdruck ausgeführt werden. Bei der Siebdruck-iRMS-Abscheidung von Mischschichten wird eine Mischpaste, welche mindestens zwei Reaktionspartner enthält, verwendet. Die Siebdruck-iRMS-Abscheidung von Einzelschichten wird mit einer Paste, welche einen Reaktionspartner enthält, erzeugt. Durch alternierendes Abscheiden von mindestens zwei Einzelschichten und/oder Mischschichten können Multischichten erzeugt werden. Die exotherm reagierenden Schichten können sowohl im Trocken- als auch im Nassdruck hergestellt werden. In einer Sonderform können die Reaktionspartner in dispergierten Phasen in einem Dispersionsmedium vorliegen. Die exotherme Reaktion kann durch die Trennung von Dispersionsmedium und dispergierten Phasen als Vorbereitungsschritt der finalen Reaktionsinitiierung jeweils durch Zuführung von externer Energie eingeleitet, unterstützt oder abgeschlossen werden. Die Durchmischung wird dadurch weiter beeinflusst und verändert. Die Zuführung der Energie kann dabei vor, während und/oder nach Beendigung eines Einzel- oder Gesamtdruckprozesses erfolgen. Neben zu druckenden Vollflächen können auch feinste Strukturen gedruckt werden.
Die 11 und 12 zeigen schematisch einen Prozessablauf zur Abscheidung eines reaktiven Materialsystems zur Anwendbarkeit in den erfindungsgemäßen Verfahrensaspekten mittels Flachsiebdruck.
Mittels Rakel 19 wird eine Paste 20, welche mindestens einen Reaktionspartner enthält, auf mindestens einem Substrat 4 durch ein Sieb 21 gedruckt. Die druckenden Stellen 22 sind im Sieb 21 geöffnet, um das Siebdruck-iRMS 23 aufzubringen. In einer Sonderform kann das Drucken zur Erzeugung von Multischichten mindestens einmal wiederholt werden.
Mittels Rotationsbeschichten können sogenannte spin-coated-iRMS erzeugt werden. Bei der spin-coated-iRMS-Abscheidung von Mischschichten wird eine Lösung bzw. eine Tinte, welche mindestens einen Reaktionspartner enthält, verwendet. Die spin-coated-iRMS-Abscheidung von Einzelschichten wird mit einer Tinte, welche einen Reaktionspartner enthält, erzeugt. In einer Sonderform können die Reaktionspartner in dispergierten Phasen in einem Dispersionsmedium vorliegen. Die exotherme Reaktion kann durch die Trennung von Dispersionsmedium und dispergierten Phasen als Vorbereitungsschritt der finalen Reaktionsinitiierung jeweils durch Zuführung von externer Energie eingeleitet, unterstützt oder abgeschlossen werden. Die Durchmischung wird dadurch weiter beeinflusst und verändert. Die Zuführung der Energie kann dabei vor, während und/oder nach Beendigung eines Einzel- oder Gesamtbeschichtungsprozesses erfolgen.
Die 13 und 14 zeigen schematisch einen Prozessablauf zur Abscheidung eines reaktiven Materialsystems zur Anwendbarkeit in den erfindungsgemäßen Verfahrensaspekten durch Rotationsbeschichtung.
In einem ersten, in 13 schematisch dargestellten Schritt erfolgt auf mindestens einem Substrat 4 ein Aufbringen einer Lösung 24, welche mindestens einen Reaktionspartner enthält. In einem zweiten, in 14 schematisch dargestellten Schritt wird die aufgebrachte Lösung 24 durch Rotation 25 des Substrates 4 auf diesem verteilt und erzeugt somit das spin-coated-iRMS 26. In einer Sonderform kann das Aufbringen der Lösung zur Erzeugung von Multilagenschichten mindestens einmal wiederholt werden.
Mittels Tiefdruck können iRMS erzeugt werden. Bei der Tiefdruck-iRMS-Abscheidung von Mischschichten wird eine Mischpaste, welche mindestens zwei Reaktionspartner enthält, verwendet. Die Tiefdruck-iRMS-Abscheidung von Einzelschichten wird mit einer Paste, welche einen Reaktionspartner enthält, erzeugt. Durch alternierendes Abscheiden von mindestens zwei Einzelschichten und/oder Mischschichten können Multischichten erzeugt werden, wobei nur eine Abscheidung im Trockendruck möglich ist. In einer Sonderform können die Reaktionspartner in dispergierten Phasen in einem Dispersionsmedium vorliegen. Die exotherme Reaktion kann durch die Trennung von Dispersionsmedium und dispergierten Phasen als Vorbereitungsschritt der finalen Reaktionsinitiierung jeweils durch Zuführung von externer Energie eingeleitet, unterstützt oder abgeschlossen werden. Die Durchmischung wird dadurch weiter beeinflusst und verändert. Die Zuführung der Energie kann dabei vor, während und/oder nach Beendigung eines Einzel- oder Gesamtdruckprozesses erfolgen. Neben zu druckenden Vollflächen können auch feinste Strukturen gedruckt werden.
15 zeigt schematisch einen Prozessablauf zur Abscheidung eines reaktiven Materialsystems zur Anwendbarkeit in den erfindungsgemäßen Verfahrensaspekten durch Tiefdruck-Abscheidung.
Aus einem Reservoir 26 wird eine Paste 27, welche mindestens einen Reaktionspartner enthält, entnommen. Die Paste 27 wird auf einen Gravurzylinder 28 aufgebracht und das überschüssige Material mittels Rakel 29 entfernt. Das Bedrucken mit Tiefdruck-iRMS 30 von mindestens einem Substrat 4 erfolgt zwischen Druckzylinder 31 und Gravurzylinder 28. In einer Sonderform kann das Aufbringen der Paste 27 zur Erzeugung von Multischichten mindestens einmal wiederholt werden und/oder es können mehrere Tiefdruck-Module 32, welche aus den Komponenten 26, 28, 29 und 31 bestehen, nacheinander aufgebaut und/oder Kombinationen daraus erstellt werden.
Bei der spray-coated-iRMS-Abscheidung bzw. Sprühabscheidung von Mischschichten wird zwischen dem Drucken eines gemischten Spray-Aerosols aus zwei separat erzeugten Spray-Aerosolen, welche jeweils einen Reaktionspartner enthalten, und/oder einem Spray-Mischaerosol, welche mindestens zwei Reaktionspartner enthält, unterschieden. Die spray-coated-iRMS-Abscheidung von Einzelschichten wird mit einem Spray-Aerosol, welches einen Reaktionspartner enthält, erzeugt. Durch alternierendes Abscheiden von mindestens zwei Einzelschichten und/oder Mischschichten können Multischichten erzeugt werden. Die exotherm reagierenden Schichten können sowohl im Trocken- als auch im Nassdruck hergestellt werden. In einer Sonderform der Spray-Aerosole können die Reaktionspartner in dispergierten Phasen in einem Dispersionsmedium vorliegen. Die exotherme Reaktion kann durch die Trennung von Dispersionsmedium und dispergierten Phasen als Vorbereitungsschritt der finalen Reaktionsinitiierung jeweils durch Zuführung von externer Energie eingeleitet, unterstützt oder abgeschlossen werden. Die Zuführung der Energie kann dabei vor, während und/oder nach Beendigung eines Einzel- oder Gesamtdruckprozesses erfolgen.
In allen beschriebenen Varianten können sowohl Einzel- als auch Multidüsendruckköpfe sowie Breitstrahldüsen zum Einsatz kommen. Neben zu druckenden Vollflächen können auch feinste Strukturen gedruckt werden.
Ein Verfahrensablauf zur Sprühabscheidung auf Substraten zur Erzeugung reaktiver Materialsysteme zum Einsatz in den erfindungsgemäßen Verfahrensaspekten wird nachfolgend anhand der 7 und 8 erläutert, da das Verfahren zur Sprühabscheidung grundsätzlich ähnlich zu dem oben bereits erläuterten Verfahren zur Aerosoljet-Abscheidung ist.
In einem ersten, schematisch in 7 gezeigten Schritt erfolgt ein Positionieren und Aktivieren von mindestens einem Druckkopf 9. Zur Abscheidung von exotherm reagierenden Schichten werden die Spray-Aerosole 10, 11, welche aus mindestens einem Reaktionspartner bestehen, zusammengeführt und/oder in einer Sonderform ein Spray-Aerosol 10+11, welches aus mindestens zwei Reaktionspartnern besteht, auf mindestens ein Substrat 4 gesprüht. In einer weiteren Sonderform werden die Spray-Aerosole 10, 11, welche aus mindestens einem Reaktionspartner bestehen, ohne Zusammenführung auf das Substrat 4 gesprüht. In einem zweiten, schematisch in 8 dargestellten Schritt wird das Spray-Aerosol 39 durch Bewegen des Druckkopfes 9 über dem Substrat 4 auf diesem gemäß eines definierten Druckpfades 13 als spray-coated-iRMS 14 abgeschieden. In einer Sonderform können der erste und der zweite Schritt zur Erzeugung von Multilagenschichten mindestens einmal wiederholt werden.
Bei rolled-up-iRMS wird zwischen dem Abscheiden von Einzelschichten und Mischschichten, welche jeweils mindestens einen Reaktionspartner enthalten, unterschieden. Nach mindestens einem Aufrollprozess dieser Schichten wird mindestens eine Multischicht erzeugt.
Die 16 bis 19 zeigen schematisch einen Prozessablauf zur Abscheidung eines reaktiven Materialsystems zur Anwendbarkeit in den erfindungsgemäßen Verfahrensaspekten durch Ausbilden, Aufrollen und Zusammendrücken einer die Reaktionspartner des reaktiven Materialsystems enthaltenden Schichtrolle.
In einem ersten, in 16 schematisch dargestellten Schritt werden auf einem Substrat 4 mindestens eine Opferschicht 40 und eine Haftschicht 41 abgeschieden und/oder strukturiert. Obwohl in der in 16 dargestellten Ausführungsform die Opferschicht 40 und die Haftschicht 41 in einer Ebene nebeneinander vorgesehen sind, ist es in anderen, nicht gezeigten Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung alternativ und/oder ergänzend auch möglich, Opferschicht 40 und Haftschicht 41 auf- bzw. übereinander, wie beispielsweise bei Nutzung mehrerer Lithografieebenen, anzuordnen. Typische Materialien für die Haftschicht 41 sind: Au, Al, Cu, Cr, Si, SiO₂, Sn, SnAg, SnAu bzw. Ti und für die Opferschicht 40 sind: SiO₂, PSG (Phosphorsilikatglas) bzw. Fotoresist (z. B. PMMA oder Polyimid). Auf den Schichten 40, 41 werden mindestens zwei Einzelschichten und/oder mindestens eine Mischschicht unter Ausbildung eines reaktiven Materialsystems 42 vollflächig und/oder strukturiert abgeschieden.
In einem darauffolgenden, in 17 schematisch gezeigten Schritt wird die Opferschicht 40 in einem Bereich 65 selektiv entfernt. Abhängig vom Opferschichtmaterial können hierfür Lösungsmittel, wie z. B. Aceton, oder Nassätzchemikalien, wie z. B. HF, oder auch Trockenätzprozesse, z. B. unter Verwendung CF₄, verwendet werden.
Das exotherm reagierende reaktive Materialsystem 42 rollt sich durch den Strukturierungsprozess zu einer Schichtrolle, dem rolled-up-iRMS 43, wie in 18 schematisch gezeigt, auf.
In einem in 19 schematisch dargestellten optionalen Schritt können die rolled-up-iRMS 43 durch Andrücken eines weiteren Substrates 1‘, wie es durch die Pfeile 44 schematisch veranschaulicht ist, zu einer dichteren Multischicht 43‘ weiter komprimiert werden und durch Initiieren der dichteren iRMS 43‘ eine Fügeverbindung zwischen Substrat 4 und Substrat 1‘ erzeugt werden.
Ein Anwendungsgebiet für das beispielsweise in 19 dargestellte Fügeverfahren ist die Verwendung abdichtender Unterlegscheiben bzw. nicht lösbarer Schraubverbindungen. Die Unterlegscheiben bzw. Schrauben werden an der Fügefläche mit iRMS beschichtet. Der eigentliche Fügeprozess kann dabei durch Festziehen der Bauteile, d. h. durch mechanische Initiierung, erfolgen. Auch andere Initiiervarianten sind dabei möglich. Ein großer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass keine zusätzlichen Lotschichten benötigt werden und dass der Fügevorgang innerhalb weniger Millisekunden beendet ist.
Die 20 und 21 zeigen schematisch ein Beispiel eines Fügemittels 66 und eine mögliche Anwendung des Fügemittels 66 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
20 zeigt schematisch ein Fügemittel 66 in einer geschnittenen Seitenansicht. Das Fügemittel 66 weist einen Vorformträger 67 und beidseitig an dem Vorformträger 67 vorgesehene iRMS-Schichten 68 auf. Der Vorformträger 67 besteht aus einem Material, welches die Verbindungseigenschaften beeinflussen kann und die iRMS-Preform handhabbar macht. Der Vorformträger 67 kann beispielsweise aus Glas, Stahl, Titan, PMMA oder einem anderen hierfür geeigneten Material ausgebildet sein. In einer Sonderform kann der Vorformträger 67 zwischen den iRMS-Schichten 68 auch weggelassen werden.
Das Fügemittel 66 besitzt beispielsweise eine Dicke d von wenigen Mikrometern bis einigen Metern.
21 zeigt schematisch eine mögliche Anwendung des Fügemittels 66 aus 20 in einer geschnittenen Seitenansicht. In dem Ausführungsbeispiel von 21 ist das Fügemittel 66 eine iRMS-Preform in Form einer Unterlegscheibe. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Fügemittel 66 auch andere, an die jeweilige Fügesituation angepasste Formen aufweisen.
Das Fügemittel 66 wird in 21 dazu verwendet, zwei Fügepartner 69, 70 zu verbinden. Für die herzustellende Fügeverbindung weist weder das Fügemittel 66 noch die Fügepartner 69, 70 Lotmaterial auf.
Zum Fügen der Fügepartner 69, 70 wird das Fügemittel 66 geeignet zwischen den Fügepartnern 69, 70 angeordnet. Hierfür kann beispielsweise wenigstens einer der Fügepartner, wie der Fügepartner 69 in 21, eine an die Form des Fügemittels 66 angepasste Oberflächenform aufweisen. Umgekehrt kann natürlich auch das Fügemittel 66 so ausgestaltet sein, dass es an wenigstens eine Oberflächenkontur der zu fügenden Fügepartner 69, 70 angepasst ist, sodass es geeignet auf wenigstens einen der Fügepartner 69, 70 aufgebracht werden kann.
Das Fügen erfolgt in der Ausführungsform von 21 durch Druck 71, 71', welcher derart auf die Fügepartner 69, 70 ausgeübt wird, dass diese gegen das Fügemittel 66 drücken. Infolge des mechanischen Druckes 71, 71' wird in der Ausführungsform von 21 eine exotherme Reaktion in den iRMS-Schichten 68 des Fügemittels 66 ausgelöst, wobei durch die entstehende Wärme die Fügepartner 69, 70 miteinander verbunden werden.
Bei dem in 21 schematisch dargestellten Fügevorgang wird, wie es oben bereits erläutert ist, kein Lotmaterial eingesetzt. Darüber hinaus ist es möglich, auch auf Benetzungsschichten zu verzichten, sodass lediglich das Fügemittel 66 zwischen den zu fügenden Fügepartnern 69, 70 platziert werden muss, um deren Fügen zu ermöglichen.
Bei dem in 21 dargestellten Fügeverfahren ergibt sich eine sehr kurze Fügezeit. Dabei können die Eigenschaften der Verbindungsgrenzfläche in Abhängigkeit von den jeweiligen Verbindungserfordernissen modifiziert werden. Es wird jedoch in jedem Fall eine hochfeste und hochtemperaturstabile Verbindung zwischen den Fügepartnern 69, 70 erzielt.
Die durch die iRMS erzeugten exothermen Reaktionen können in anderen Aspekten der vorliegenden Erfindung auch verwendet werden, um gezielt aktive und passive Bauelemente, Speicher und/oder Leitbahnen zu zerstören. Dadurch sollen beispielsweise Signale unterbrochen werden, wodurch Komponenten unbrauchbar werden.
Die 22 bis 26 zeigen schematisch einen Prozessablauf zur Herstellung eines Sicherheitssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In einem ersten, in den 22 und 23 dargestellten Schritt werden Bauteile und/oder Substrate 45 mit aktiven und passiven Bauelementen, Speichern und/oder Leitbahnen 46, die mit Leitern 47 elektrisch, optisch und/oder mechanisch verbunden sind, mit einem optional strukturierten iRMS 48 versehen. 23 zeigt dabei eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A' von 22. In einem Sonderfall kann das Substrat 45 ein aktives und/oder passives Bauelement und/oder Speicher sein. Der Zeitpunkt der iRMS-Abscheidung kann dabei vor oder nach der Montage bzw. Abscheidung der aktiven und passiven Bauelemente, Speicher und/oder Leitbahnen 46 und/oder der Leiter 47 erfolgen. Zusätzlich kann eine Initiiervorrichtung 49 im oder am Bauteil integriert werden. Auch eine externe Initiierung ist möglich.
Wie es in 24 schematisch gezeigt ist, wird nachfolgend mittels der Initiiervorrichtung 49 bzw. durch externe Initiierung eine exotherme Reaktion an dem iRMS 48 elektrisch, optisch, mechanisch, magnetisch, elektro-magnetisch, chemisch, thermisch und/oder mittels Röntgenstrahlung initiiert. Beispielsweise können als Initiiervorrichtung 49 Batterien, mechanische Impulsgeber und/oder Leuchtquellen verwendet werden. Infolge der exothermen Reaktion findet eine Materialtransformation des Materials der aktiven und passiven Bauelemente, Speicher und/oder Leitbahnen 46 und/oder der Leiter 47 statt, wodurch die korrekte elektrische Funktion der aktiven und passiven Bauelemente, Speicher und/oder Leitbahnen 46 und/oder der Leiter 47 geändert wird. Beispielsweise findet durch die exotherme Reaktion eine Leitbahnzerstörung statt, infolge welcher wenigstens eine der Leitbahnen 46 elektrisch unterbrochen oder kurzgeschlossen wird.
Zur Vermeidung von elektrischen Kurzschlüssen zwischen den einzelnen Leitern 47 durch die meist metallischen iRMS 48 werden die Leiter 47 mit Isolationsschichten 50 versehen, was beispielsweise aus 23 gut ersichtlich ist. Diese Isolationsschichten 50 können auch gleichzeitig als Edukt dienen, um viel Energie an den Leitern 47 freizusetzen. Die Komponenten 46 bis 50 können mit einer Hausung 51 versehen werden. Hierfür denkbar sind beispielsweise metallische Gehäuse, wie z. B. aus Al, Cu oder Stahl, Polymerkappen, z. B. aus Teflon, Gläser, wie z. B. Borosilikatglas, Keramiken, wie z. B. AlN, Halbleiter, wie z. B. Si, und/oder Vergussmassen bzw. alle Kombinationen aus den vorgenannten Materialien.
Das so erhaltene Bauteil 52 wird in einem in 24 dargestellten Schritt zur Auslösung der exothermen Reaktion der iRMS 48 einem Impuls 53 ausgesetzt. Dieser Impuls 53 kann beispielsweise anstelle oder parallel zu der oben beschriebenen elektrischen Initiierung eine mechanische Belastung, wie z. B. eine Stoßbelastung oder ein Aufbrechen, eine Röntgenstrahlung, ein Ultraschallsignal, ein Funksignal und/oder ein Laserimpuls sein, welches bzw. welcher direkt oder indirekt auf die iRMS 48 wirken kann. Infolge der Impulseinwirkung wird die oben erörterte, selbst ausbreitende exotherme Reaktion 54 initiiert. In einem Sonderfall wird dieser Impuls 53 verwendet, um das Substrat 45 von der Hausung 51 zu trennen.
Die durch die Bildung des Reaktionsproduktes 55 erzeugte Energie 56 wird in dem in 25 schematisch dargestellten Schritt ausgenutzt, um gezielt und lokal begrenzt aktive und passive Bauelemente, Speicher und/oder Leitbahnen 46 zu zerstören, wie es im Bereich 57 von 26 gezeigt ist, und so die Funktionsweise des Bauteils 52 nicht mehr zu gewährleisten.
Typische Anwendungsgebiete der in den 22 bis 26 gezeigten Verfahrensweise sind z. B. die Zerstörung von Schaltkreisen in Geldkarten durch ein Funksignal oder auch die Zerstörung von Transistoren auf Grund einer unerlaubten Bauteilanalyse, wie z. B. einer Röntgenanalyse, von Bauelementen, um Produkte zu kopieren, wodurch der Produktpiraterie Einhalt geboten werden kann.
Der Vorteil dieses Aspektes der vorliegenden Erfindung liegt hauptsächlich in der zuverlässigen Zerstörung von Bauteilen und/oder Beeinträchtigung der Funktionsweise von Bauteilen und/oder von Komponenten. Weitere Vorteile sind die Möglichkeit der Integration des erfindungsgemäßen Sicherheitssystems in Produkte auf kleinstem Raum, ein lokales und selektives Einwirken der Energie, vielfältige Initiierungsvarianten und dadurch hohe Einsatzflexibilität.
Ähnlich wie bei dem erfindungsgemäßen Fügeverfahren können auch beim Herstellen des erfindungsgemäßen Sicherheitssystems dünne Reaktionsschichten mit einer Dicke < 20 µm abgeschieden werden. Mögliche Anwendungsflächen reichen von wenigen Quadratnanometern bis einigen Quadratmetern.
Bei dem erfindungsgemäßen Sicherheitssystem ist die Energiefreisetzung einstellbar und eine Energiefreisetzung an unzugänglichen Stellen möglich.
Durch das erfindungsgemäße Sicherheitssystem sind ein zuverlässiger Schutz von sicherheitsrelevanten Bauteilen und/oder Komponenten und dadurch ein Schutz von Daten und/oder Technologie-Know-how möglich.
Außerdem führen vielfältige Integrationsvarianten des erfindungsgemäßen Sicherheitssystems zu multiplen Anwendungen und dadurch zur Erschließung neuer Märkte. Dabei kann eine lokale Energiefreisetzung unter Verwendung von Nanotechnologien genutzt werden, welche für unterschiedlichste Substrate anwendbar ist. Insgesamt ergibt sich durch das erfindungsgemäße Sicherheitssystem ein hohes Potenzial für eine Kostenreduzierung und Energieeinsparung, verbunden mit erhöhter Zuverlässigkeit und Sicherheit.
Die durch iRMS, hier insbesondere Partikel, erzeugten exothermen Reaktionen können in einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um gezielt gedruckte Leitbahnen zu sintern bzw. anderweitige Material- oder Phasentransformationen an Materialien vorzunehmen.
Die 27 bis 29 zeigen schematisch einen Prozessablauf für ein reaktives Sintern gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Material- oder Phasentransformation.
In dem in 27 schematisch gezeigten Schritt wird ein Substrat 58 mit unterschiedlichen aktiven und passiven Bauelementen, wenigstens einem Speicher 59 sowie elektrischen Anschlusspads 60 und/oder Leiterbahnen 61 mit iRMS 62 versehen. Als Substrate 58 können starre Substrate, wie z. B. Keramiken, z. B. AlN, Leiterplatten, wie z. B. FR4 oder LTCC), Si, Metalle und/oder Glas und flexible Substrate, wie z. B. flexible Leiterplatten, z. B. aus PET, PEN oder PMMA, verwendet werden. Typische Materialien für die Leiterbahnen 61 sind z. B. Al, Ag, Au, Cu, Ni. Die iRMS 62 können dabei auch 3-dimensional über Bauteile gedruckt werden.
In einem weiteren, in 28 schematisch gezeigten Schritt wird eine exotherme Reaktion 63 in den iRMS 62 initiiert. Die Reaktion 63 kann dabei optisch, elektrisch, mechanisch, magnetisch, elektro-magnetisch, thermisch und/oder mittels Laserimpulsen initiiert werden. Nach der Initiierung führt die in der Reaktionszone freiwerdende Wärme 64, wie in 29 gezeigt, dazu, dass die Partikel in der Leiterbahn 61 sintern. Das Kornwachstum der Partikel wird durch den hohen Energieeintrag der exothermen Reaktion beschleunigt und/oder verbessert. Weitere Vorteile können beispielsweise sein: eine erhöhte Adhäsion der leitfähigen Struktur auf dem Substrat 58 im Vergleich zu herkömmlichen Sinterverfahren wie Laser und Heizplatte, beschleunigtes Sinterverfahren durch höhere Temperaturen der iRMS 62 und hohe Prozessgeschwindigkeiten durch hohe Reaktionsgeschwindigkeiten. Des Weiteren ist ein Sintern auch 3-dimensional möglich, wodurch ein leichtes Handling und keine speziellen und/oder zusätzlichen Werkzeuge notwendig werden, um die gedruckten Strukturen in einen leitfähigen Zustand zu überführen.
Mögliche Applikationen für das reaktive Sintern sind die 3D-Kontaktierung von Chips und die heterogene Integration von Verkapselungen.
Der Vorteil dieses Aspektes der Erfindung liegt hauptsächlich im lokalen Wärmeeintrag durch die iRMS 62 und die Einsparung von Kosten durch den Entfall von zusätzlichen Sinterprozessen, welche insbesondere bei temperaturempfindlichen Substraten 58 vermieden werden sollten. Des Weiteren ist durch diesen erfindungsgemäßen Verfahrensaspekt ein Sintervorgang auf temperatursensitiven Substraten 58, ein lokales und selektives Einwirken der Wärme und ein mikrometergenaues Sintern von Leiterbahnen 61 möglich.
Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahrensaspekt existieren vielfältige Initiierungsvarianten, wodurch sich eine hohe Einsatzflexibilität ergibt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Material- und Phasentransformation, das beispielhaft anhand des in den 27 bis 29 dargestellten Sinterverfahrens demonstriert ist, ist es möglich, dünne Leiterbahnen 61 mit einer Dicke von beispielsweise < 20 µm zu sintern. Mögliche Anwendungsflächen reichen von wenigen Quadratnanometern bis einigen Quadratmetern.
Bei dem erfindungsgemäßen Material- und Phasentransformationsverfahren ist die Energiefreisetzung einstellbar und eine Energiefreisetzung an unzugänglichen Stellen möglich. Zudem ergibt sich eine Verbesserung des Sinterverhaltens durch die möglichen hohen Sintertemperaturen.
Insgesamt ergibt sich bei Einsatz des erfindungsgemäßen Material- und Phasentransformationsverfahrens eine erhöhte Qualität und Lebensdauer der erfindungsgemäß bearbeiteten Bauteile durch die exakt bei dem Verfahren kontrollierbaren Reaktionseigenschaften. Außerdem sind vielfältige Integrationsvarianten denkbar, welche zu multiplen Anwendungen und dadurch zur Erschließung neuer Märkte führen. In jedem Fall ergibt sich bei Verwendung des erfindungsgemäßen Material- und Phasentransformationsverfahrens eine beträchtliche Kostenreduzierung und Energieeinsparung sowie eine erhöhte Zuverlässigkeit der hergestellten Bauteile.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009006822 B4 [0068, 0068]

Claims

Verfahren zum Fügen von Fügepartnern (1, 2), wobei zwischen den über- und/oder nebeneinander angeordneten Fügepartnern (1, 2) ein reaktives Materialsystem (3) aus wenigstens zwei exotherm miteinander reagierenden Reaktionspartnern vorgesehen wird, durch wenigstens eine lokale elektrische, optische, mechanische, magnetische, elektro-magnetische, chemische, thermische und/oder auf Röntgenstrahlung basierende Energiebeaufschlagung am reaktiven Materialsystem (3) eine exotherme Reaktion der Reaktionspartner ausgelöst wird und bei dieser Reaktion entstehende Reaktionswärme zur Verbindungsausbildung zwischen den Fügepartnern (1, 2) verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Fügepartnern (1, 2) und dem reaktiven Materialsystem (3) kein Lotmaterial verwendet wird und die Reaktionspartner des reaktiven Materialsystems direkt auf wenigstens einem der Fügepartner (1, 2) abgeschieden werden.
Verfahren zur Material- oder Phasentransformation des Materials wenigstens einer Schicht oder Struktur auf einem Bauteil oder Substrat (58), dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schicht oder Struktur mit wenigstens einem, auf dem Bauteil oder Substrat (58) ohne Lotmaterial aufgebrachten reaktiven Materialsystem (62) aus wenigstens zwei exotherm miteinander reagierenden Reaktionspartnern gekoppelt wird und elektrisch, optisch, mechanisch, magnetisch, elektro-magnetisch, chemisch, thermisch und/oder durch Röntgenstrahlung eine exotherme Reaktion zwischen den Reaktionspartnern ausgelöst wird.
Verfahren zum Sichern wenigstens eines Bauteils (52) oder Substrates (45), das wenigstens ein aktives Bauelement, wenigstens ein passives Bauelement, wenigstens einen Speicher und/oder wenigstens eine Leitbahn (46) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Bauteil (52) oder Substrat (45) wenigstens ein reaktives Materialsystem (48) aus wenigstens zwei exotherm miteinander reagierenden Reaktionspartnern ohne Lotmaterial aufgebracht wird, wobei das wenigstens eine aktive Bauelement, das wenigstens eine passive Bauelement, der wenigstens eine Speicher und/oder die wenigstens eine Leitbahn (46) mit dem reaktiven Materialsystem (48) gekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Materialsystem (3, 62, 48) durch physikalische Gasphasenabscheidung von Schichten und/oder Strukturen erzeugt wird, wobei entweder die Reaktionspartner bei einer Abscheidung oder abwechselnd in wenigstens zwei nacheinander erfolgenden Abscheidungen erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionspartner entweder einzeln in wenigstens einer Kugelmühle zu Pulver zermahlen und nachfolgend durchmischt werden oder die Reaktionspartner gemeinsam in einer Kugelmühle zermahlen und durchmischt werden, und das wenigstens die Reaktionspartner enthaltende Pulvergemisch unter Ausbildung des reaktiven Materialsystems (3, 62, 48) auf wenigstens einen der Fügepartner (1, 2), auf das Bauteil (52) oder das Substrat (45, 58) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Materialsystem (3, 62, 48) durch elektrochemisches Abscheiden aus wenigstens einem ionischen Liquid (5, 5') erzeugt wird, wobei entweder die Reaktionspartner gemeinsam in einem Elektrolytbad (7) oder die Reaktionspartner durch alternierende Verwendung unterschiedliche Elektrolytbäder (7, 7') abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Materialsystem (3, 62, 48) durch Drucken oder Sprühen von Aerosol(en) (10, 11) erzeugt wird, wobei entweder die die Reaktionspartner enthaltenden Aerosole (10, 11) vor dem Drucken oder Aufsprühen zusammengeführt werden oder die die Reaktionspartner enthaltenden Aerosole (10, 11) separat voneinander aufgedruckt oder aufgesprüht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Materialsystem (3, 62, 48) durch Tintenstrahldrucken erzeugt wird, wobei entweder eine, die wenigstens zwei Reaktionspartner enthaltende Tinte (16) gedruckt wird oder wenigstens zwei, verschiedene Reaktionspartner enthaltende Tinten (16) separat voneinander gedruckt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Materialsystem (3, 62, 48) durch Siebdrucken erzeugt wird, wobei zum Siebdrucken entweder eine, die wenigstens zwei Reaktionspartner enthaltende Paste (20) verwendet wird oder wenigstens zwei, verschiedene Reaktionspartner enthaltende Pasten (20) separat voneinander gedruckt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Materialsystem (3, 62, 48) durch Aufschleudern oder Rotationsbeschichten erzeugt wird, wobei entweder eine, die wenigstens zwei Reaktionspartner enthaltende Lösung (24) aufgebracht wird oder wenigstens zwei, verschiedene Reaktionspartner enthaltende Lösungen (24) separat voneinander aufgebracht werden und die Lösung(en) (24) nachfolgend durch Rotation (25) verteilt wird bzw. werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Materialsystem (3, 62, 48) durch Tiefdrucken erzeugt wird, wobei zum Tiefdrucken entweder eine, die wenigstens zwei Reaktionspartner enthaltende Paste (27) verwendet wird oder wenigstens zwei, verschiedene Reaktionspartner enthaltende Pasten separat voneinander gedruckt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Materialsystem (3, 62, 48) dadurch hergestellt wird, dass flächig nebeneinander auf einem der Fügepartner (4) eine Opferschicht (40) und eine Haftschicht (41) ausgebildet werden; auf der Haftschicht (41) und der Opferschicht (40) entweder wenigstens zwei, die Reaktionspartner bildenden oder enthaltenden Einzelschichten abgeschieden werden oder eine, die Reaktionspartner enthaltende Mischschicht (42) abgeschieden wird; die Opferschicht (40) selektiv entfernt wird; die Einzelschichten oder die Mischschicht (42) zu einer Schichtrolle (43) aufgerollt werden bzw. wird; und die Schichtrolle (43) auf einem der Fügepartner (4) ausgebildet oder auf diesen aufgebracht wird und beim Aufbringen des weiteren Fügepartners (1') zusammengedrückt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Materialsystem (3, 62, 48) wenigstens eine Mischschicht aus den wenigstens zwei Reaktionspartnern und/oder wenigstens eine Mischschicht aus die wenigstens zwei Reaktionspartner in durchmischter Form enthaltenden Komplexen und/oder wenigstens eine Multischicht aus alternierenden, die Reaktionspartner bildenden Einzelschichten und/oder wenigstens eine Multischicht aus die Reaktionspartner in Form von Partikeln enthaltenden Lagen aufweist.
Fügemittel (66), das zwischen wenigstens zwei Fügepartnern (69, 70) positioniert wird und eine Verbindung zwischen den Fügepartnern (69, 70) herstellt, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügemittel (66) ein an Kontur und/oder Form der Fügepartner (69, 70) angepasster Vorformkörper ist, der einen Vorformträger (67) aufweist, auf dessen den Fügepartnern (69, 70) zugewandten Seiten jeweils wenigstens ein ohne Lotmaterial ausgebildetes reaktives Materialsystem (68) aus wenigstens zwei exotherm miteinander reagierenden Reaktionspartnern abgeschieden ist, wobei die exotherme Reaktion elektrisch, optisch, mechanisch, magnetisch, elektro-magnetisch, chemisch, thermisch und/oder durch Röntgenstrahlung auslösbar ist, wobei der Vorformkörper ohne Lotmaterial zwischen den Fügepartnern (69, 70) vorgesehen wird.
Fügemittel nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorformträger (67) selbst auch aus einem reaktiven Materialsystem (68) aus wenigstens zwei exotherm miteinander reagierenden Reaktionspartnern ausgebildet ist.
Sicherheitssystem mit wenigstens einem Bauteil (52) oder Substrat (45), das wenigstens ein aktives Bauelement, wenigstens ein passives Bauelement, wenigstens einen Speicher und/oder wenigstens eine Leitbahn (46) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine aktive Bauelement, das wenigstens eine passive Bauelement, der wenigstens eine Speicher und/oder die wenigstens eine Leitbahn (46) mit wenigstens einem, auf dem Bauteil (52) oder Substrat (45) ohne Lotmaterial abgeschiedenen reaktiven Materialsystem (48) aus wenigstens zwei exotherm miteinander reagierenden Reaktionspartnern gekoppelt ist und das Bauteil (52) oder Substrat (45) wenigstens eine Initiiervorrichtung zum elektrischen, optischen, mechanischen, magnetischen, elektro-magnetischen, chemischen, thermischen und/oder durch Röntgenstrahlung erfolgenden Auslösen einer exothermen Reaktion zwischen den Reaktionspartnern aufweist oder mit einer solchen Initiiervorrichtung gekoppelt ist.