DE102015107223A1

DE102015107223A1 - Mehrschichtige Klebeverbindung

Info

Publication number: DE102015107223A1
Application number: DE102015107223.8A
Authority: DE
Inventors: Xinhe Tang
Original assignee: Rogers Germany GmbH
Current assignee: Rogers Germany GmbH
Priority date: 2015-05-08
Filing date: 2015-05-08
Publication date: 2016-11-10
Anticipated expiration: 2035-05-09
Also published as: DE102015107223B4; WO2016180671A1

Abstract

Klebeverbindung für die Verbindung eines Verbundmaterials, insbesondere für Leiterplatten, bestehend aus einer Keramik und einer auf die Keramik zu klebenden Metallisierung, wobei die Klebeverbindung zumindest zwei Schichten (10, 20) aufweist und wobei eine erste Schicht (10) einen Klebstoff auf Polyimid-Basis oder Epoxid-Basis und eine zweite Schicht (20) einen Klebstoff auf Epoxid-Basis oder Polyimid-Basis aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Klebeverbindung für die Verbindung eines Verbundmaterials, insbesondere für Leiterplatten, bestehend aus einer Keramik und einer auf die Keramik zu klebenden Metallisierung, ein Verbundmaterial, ein Verfahren zur Herstellung des Verbundmaterials sowie die Verwendung einer Klebeverbindung.
Klebeverbindungen werden in der Elektrotechnik zunehmend zur Verbindung verschiedenster Materialien oder Bauteile eingesetzt. Die DE 10 2012 102 611 A1 offenbart beispielsweise ein Verbundmaterial bzw. eine Leiterplatte aus einem Keramiksubstrat, an welcher eine Metallisierung unter Verwendung eines Kunststoffklebers befestigt ist, wobei der Kleber zur Beeinflussung der mechanischen und thermischen Eigenschaften Carbon-Fasern umfasst. Auch die DE 10 2005 062 181 A1 und die DE 10 2009 041 574 A1 offenbaren Klebstoffe, insbesondere für den Einsatz bei Verbundmaterialien wie Leiterplatten, die entsprechende Zusatzstoffe aufweisen, bzw. in bestimmten Schichtdicken verarbeitet werden können. Problematisch bei solchen Klebeverbindungen ist allerdings, dass diese zum Versagen neigen, wenn sie hohen Temperaturen oder oft wechselnden Temperaturen ausgesetzt werden. Diese können beispielsweise beim Löten an den Leiterplatten auftreten, wo zumindest kurzzeitig Temperaturen im Bereich von üblicherweise 250 °C bis 270 °C, teilweise aber auch bis zu 350 °C möglich sind. In der Folge kann es zur Delamination der zuvor über die Klebeverbindung zusammengefügten Materialien/Bauteile kommen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Klebeverbindung, ein Verbundmaterial, ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials sowie eine Verwendung einer Klebeverbindung anzugeben, welche auch bei höheren oder oft wechselnden Temperaturen eine sichere Verbindung bereitstellen bzw. ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Klebeverbindung gemäß Anspruch 1, durch ein Verbundmaterial gemäß Anspruch 5, durch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials gemäß Anspruch 9 sowie durch eine Verwendung einer Klebeverbindung gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und der beigefügten Figur.
Erfindungsgemäß weist eine Klebeverbindung, insbesondere für Leiterplatten, zumindest zwei Schichten auf und ist dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Schicht einen Klebstoff auf Polyimid-Basis oder Epoxid-Basis aufweist, und dass eine zweite Schicht einen Klebstoff auf Epoxid-Basis oder Polyimid-Basis aufweist. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist also die erste Schicht einen Klebstoff auf Polyimid-Basis auf, während die zweite Schicht ebenfalls einen Klebstoff auf Polyimid-Basis aufweist. Alternativ weist die erste Schicht einen Klebstoff auf Polyimid-Basis auf und die zweite Schicht einen Klebstoff auf Epoxid-Basis. Auch kann die erste Schicht einen Klebstoff auf Epoxid-Basis aufweisen und die zweite Schicht einen Klebstoff auf Polyimid-Basis. Es können auch die erste und die zweite Schicht einen Klebstoff auf Epoxid-Basis aufweisen. In bevorzugten Ausführungsformen handelt es sich bei den elektrischen Bauteilen insbesondere um (Hochleistungs-)Leiterplatten. Derartige Leiterplatten weisen eine Tragstruktur, beispielsweise aus einem Keramiksubstrat, auf, an welcher ein- oder beidseitig Metallisierungen zum Anschluss elektrischer Bauteile bzw. zur Kühlung angeordnet sind.
Derartige Leiterplatten haben in bevorzugten Ausführungsformen eine rechteckige Form mit einer Seitenlänge von z. B. 7,5 × 11,5 Zoll. Ein derartiges Format wird auch als Großkarte bezeichnet. Auf die unterschiedlichen Ausführungsformen wird später noch genauer eingegangen. Um den im Stand der Technik auftretenden Nachteil, insbesondere die Delamination der zusammengefügten Fügepartner/Bauteile zu vermeiden, ist die Klebeverbindung mehrschichtig aufgebaut. Dabei hat sich herausgestellt, dass sowohl die Verbindung der beiden Schichten der Klebeverbindung sehr gut bzw. zuverlässig ist, als auch, dass durch die unterschiedlichen Eigenschaften der ersten und zweiten Schicht in Summe eine Klebeverbindung bereitgestellt wird, die widerstandsfähiger ist als jede der Einzelschichten und auch beim Einsatz von stark wechselnden und hohen Temperaturen von bis zu 350° und mehr, wie sie beim Löten zumindest kurzfristig auftreten können, kein Versagen zeigt.
Dabei sind Kleber oder Klebstoffe auf Polyimid-Basis bzw. auf Epoxid-Basis aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt, so dass an dieser Stelle auf die mechanischen und thermischen Eigenschaften bzw. auf deren chemischen Aufbau im Einzelnen nicht eingegangen werden muss. Herausgestellt werden soll aber, dass durch die sehr gute thermische Stabilität des auf Polyimid basierenden Klebstoffs ein Stützen der zweiten Schicht, welche auf dem Klebstoff auf Epoxid-Basis basiert, ermöglicht wird. Zweckmäßigerweise enthält die erste Schicht einen Klebstoff aus einem Polyimid-Harz und die zweite Schicht einen Klebstoff aus einem Epoxid-Harz. Dabei muss grundsätzlich nicht ausgeschlossen sein, dass auch die erste Schicht zumindest anteilig Epoxid aufweist bzw. dass die zweite Schicht zumindest anteilig auch Polyimid aufweist. In einer Ausführungsform kann es sich also bei der ersten und zweiten Schicht um jeweils eine Epoxid-Polyimid-Copolymer-Mischung handeln, wobei bei der ersten Schicht der Polyimid-Anteil überwiegt, während bei der zweiten Schicht zweckmäßigerweise der Epoxid-Anteil überwiegt. Zweckmäßigerweise überwiegt im vorgenannten Fall bei der ersten Schicht das Gewichtsverhältnis der Festsubstanz des Polyimid zur Festsubstanz des Epoxids, während bei der zweiten Schicht das Gewichtsverhältnis der Festsubstanz des Epoxids zur Festsubstanz des Polyimids überwiegt. Auch in diesem Fall gilt, dass die hervorragenden Eigenschaften einer derartigen Klebeverbindung durch die unterschiedlichen Klebstoffe der unterschiedlichen Schichten der Klebeverbindung erzielt werden.
Zweckmäßigerweise beträgt eine Dicke der ersten Schicht etwa 10–60 % einer Dicke der zweiten Schicht, bevorzugt z. B. 30–50 %. Bevorzugt beträgt eine Gesamtdicke der Klebeverbindung nicht mehr als etwa 100 µm. Besonders bevorzugte Werte betragen weniger als 50 µm, beispielsweise etwa 5 µm bis 25 µm. Eine möglichst dünne Klebeverbindung kann von Vorteil sein, um den durch die Klebeverbindung eingebrachten Wärmewiderstand zwischen den zusammengefügten Bauteilen möglichst zu minimieren. Durch die angegebenen Dickenverhältnisse kann nach einer Ausführungsform der Erfindung nicht nur eine sehr haltbare/dauerhafte Klebeverbindung sondern auch eine äußerst kostengünstige Klebeverbindung bereitgestellt werden, da der auf Polyimid basierende Klebstoff in der Regel teurer ist, als der auf Epoxid basierende Klebstoff. Zweckmäßigerweise ist daher die erste Schicht dünner ausgeführt, als die zweite Schicht. Es versteht sich, dass in einigen Ausführungsformen auch die zweite Schicht dicker ausgebildet sein kann als die erste Schicht. In diesem Zusammenhang sei auch erwähnt, dass die Klebeverbindung nicht auf die angesprochene erste und zweite Schicht beschränkt ist, sondern dass die Klebeverbindung sozusagen eine Vielzahl erster und zweiter Schichten aufweisen kann, welche mit Vorteil abwechselnd aufeinander angeordnet sind, z. B. 3, 4, 5, 6, 7, 8 etc. Schichten. In der Folge können auf diese Weise auch Klebeverbindungen mit einer Dicke bereitgestellt werden, die mehr als die vorher erwähnten 100 µm betragen. Hinsichtlich der Dicke der Klebeverbindung sei erwähnt, dass sich diese senkrecht zur Verbindungsfläche zwischen der ersten und zweiten Schicht (wenn die Klebeverbindung zweischichtig ausgebildet ist) bemisst. Bevorzugt ist die Dicke bezogen auf die zu verbindenden Flächen konstant bzw. im Wesentlichen konstant. Möglich ist auch, dass die beiden Schichten (an ihren Oberflächen) ihrerseits mit einer Struktur/Textur versehen sind, die die Verbindung der Schicht untereinander noch verbessern kann. Die erste und zweite Schicht müssen also nicht über eine ebene/glatte Verbindungsfläche in Kontakt stehen. Vielmehr kann diese auch Erhebungen enthalten also gerade nicht glatt sein.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung enthalten die erste Schicht und/oder die zweite Schicht Nanofasermaterial. Dabei bedeutet Nanofasermaterial generell Nanofasern und/oder Nanotubes und dabei speziell auch Carbon-Nanofasern und/oder Nanotubes. Mit Vorteil ist das Nanofasermaterial ein metallfreies oder im Wesentlichen metallfreies Nanofasermaterial, insbesondere ein Nanofasermaterial ohne Ni (Nickel), Fe (Eisen) und/oder Co (Cobalt) und/oder ein chemisch und/oder thermisch vorbehandeltes Nanofasermaterial. Das Nanofasermaterial kann zumindest teilweise mit einem ferromagnetischen Material beschichtet sein, wobei das Aufbringen des ferromagnetischen Materials unter Verwendung eines geeigneten, eine Oberflächenschicht bildenden Polymers wie beispielsweise Polyanilin, erfolgen kann. Eine derartige Beschichtung ermöglicht es, das Nanofasermaterial in Richtung des Wärmeflusses zu orientieren, beispielsweise über das Anlegen eines äußeren Magnetfelds bevor der Klebstoff bzw. die entsprechende Schicht ausgehärtet ist. Dies verbessert die thermischen Eigenschaften der Klebeverbindung und ermöglicht eine ideale Wärmeleitung zwischen den zu verbindenden Fügepartnern bzw. verhindert diese, wenn die Fasern anders ausgerichtet werden.
Sind die Schichten elektrisch leitend ausgebildet, kann eine Nanofasermaterial auf Kohlenstoffbasis enthaltende mehrschichtige Klebeverbindung z. B. überall dort eingesetzt werden, wo eine elektrische Verbindung durch Kleben gewünscht oder erforderlich ist, beispielsweise beim Bestücken von Leiterplatten mit Bauteilen.
Bevorzugt weisen die Nanofasern oder Nanotubes zum größeren Teil, das heißt in der Mehrzahl, eine Länge im Bereich von etwa 1–100 µm auf. Grundsätzlich ist die Länge an eine Dicke der Klebeverbindung bzw. an die Dicke deren Schichten angepasst.
Eine Dicke der Nanofasern oder Nanotubes liegt in bevorzugten Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 1 nm bis 300 nm, beispielsweise im Bereich zwischen etwa 1–100 nm oder im Bereich zwischen 50–150 nm oder im Bereich zwischen etwa 3–75 nm. Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird das Nanofasermaterial vor dem Einbringen in die erste und/oder die zweiten Schicht bzw. in die entsprechenden Klebstoffe in einer Vorbehandlung auf etwa 3000°C aufgeheizt. Zweckmäßigerweise erfolgt das Einbringen des Nanofasermaterials in die entsprechende Schicht bzw. den entsprechenden Klebstoff unter Verwendung eines Lösungsmittels, beispielsweise unter Verwendung von Triethylenglykol Monobutylether. Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist die Zusammensetzung der Klebestoffe bzw. die Dicke der gesamten Klebeverbindung so gewählt, dass über die Klebeverbindung eine gute Wärmeleitung ermöglicht wird. Zweckmäßigerweise beträgt der Anteil an Nanofaser-Material nach einer Ausführungsform der Erfindung etwa 5–30 Gewichts% bezogen auf eine Gesamtmasse der jeweiligen Schicht. Es können dabei sowohl die erste als auch die zweite oder auch nur eine der beiden Schichten Nanofasermaterial umfassen. Dies gilt selbstverständlich auch, wenn mehr als zwei Schichten, beispielsweise 3, 4, 5, 6, 7, 8, etc. Schichten, verwendet werden. Zweckmäßigerweise können die erste und/oder die zweite Schicht auch weitere Zusätze, beispielsweise flammhemmende Zusätze, z. B. Halogenide oder Bor-Verbindungen umfassen. Weiter zweckmäßigerweise können auch pulverförmige Zusätze wie Kohlenstoff, Graphit, Keramik und/oder metallische Zusätze in der ersten und/oder der zweiten Schicht enthalten sein. Zweckmäßigerweise weist der Klebstoff auf Polyimid-Basis eine andere Viskosität auf als der Klebstoff auf Epoxid-Basis. Beispiele geeigneter Kleber sind: Trifunktionales Epoxidharz mit aromatischem Amin-Härter (MY 0510), Hersteller: Huntsman (Deutscher Vertrieb: BodoMöller Chemie) mit Viskositäten von z.B. 550–850 mPa s bei ca. 25°C oder ein Einkomponenten Polyimid (Polytec VP 1400), Hersteller: Polytec mit Viskositäten von z.B. 2000–3000 mPa s bei 23°C.
Bevorzugt ist die Viskosität derart gewählt, dass eine leichte Verarbeitung bzw. ein leichtes Auftragen der Klebeverbindung ermöglicht wird. Zweckmäßigerweise resultieren die unterschiedlichen Viskositäten der angesprochenen Klebstoffe in einer unterschiedlichen Flexibilität, Härte, Steifigkeit und/oder Biegsamkeit der verschiedenen Schichten der Klebeverbindung, wenn diese ausgehärtet sind. Somit können die unterschiedlichen Schichten der Klebeverbindung unterschiedliche Festigkeiten, Härten, Steifigkeiten, etc. aufweisen, wobei es nicht entscheidend ist, dass beispielsweise die Festigkeit der ersten Schicht höher ist als die Festigkeit der zweiten Schicht und umgekehrt. Die angesprochenen Vorteile, insbesondere in Bezug auf die hohe Temperaturstabilität der Klebeverbindung basiert immer auf den unterschiedlichen Eigenschaften der Schichten, wobei es im Detail nicht entscheidend ist, ob beispielsweise die erste Schicht härter ist als die zweite Schicht ist oder umgekehrt. Der Fokus liegt auf dem mehrschichtigen, zumindest zweischichtigen, Aufbau der Klebeverbindung und der Kombination der unterschiedlichen Eigenschaften der Klebstoffe bzw. dem vorteilhaften Effekt, der sich aus der Kombination ergibt.
In einer Ausführungsform umfasst die erste Schicht einen Klebstoff auf Polyimid-Basis, während die zweite Schicht einen Klebstoff auf Epoxid-Basis aufweist. Dies ermöglicht eine sehr gute Verbindung zwischen einem Keramik-Substrat und einer Aluminiumschicht oder einem Aluminiumbauteil. Aluminium ist ein relativ weiches und dehnbares Material, das über einen Klebstoff, der auf Polyimid basiert, gut geklebt werden kann. Eine Keramik ist hingegen ein hartes und sprödes Material, dass sehr gut über einen Klebstoff auf Epoxid-Basis geklebt werden kann. Der Epoxid-Klebstoff verbindet sich wiederum hervorragend mit dem Polyimid-Klebstoff. Eine Klebeverbindung nach vorgenannter Ausführungsform ermöglicht daher eine sehr sichere Verbindung einer Aluminiumschicht oder eines Aluminiumbauteils an ein Keramik-Substrat, da der mehrschichtige Aufbau den Anforderungen der zu fügenden Komponenten gerecht wird.
Zweckmäßigerweise haftet auch die auf Polyimid basierende Kleberschicht sehr gut an der auf Polyimid basierenden Kleberschicht. Auch die Verarbeitung ist einfach, da beispielsweise die Aushärtetemperaturen der beiden Klebstoffe ähnlich sind. In einer anderen Ausführungsform weisen die erste und die zweite Schicht den gleichen Klebestoff auf, welcher entweder auf Polyimid basiert oder auf Epoxid. Eine gute Verbindung der vorgenannten Materialien wird dadurch ermöglicht, dass die Schichten des Klebers sich aneinander abstützen können und einander festigen. In einer weiteren Ausführungsform weist die erste Schicht den Klebstoff auf, der auf Epoxid basiert, während die zweite Schicht den Klebstoff aufweist, der auf Polyimid basiert. Zwar ist ein Epoxid-Klebstoff grundsätzlich nicht ideal zur Verbindung mit Aluminium, die Kombination mit der zweiten Schicht, die den Polyimid-Klebstoff aufweist, ermöglicht aber auch hier eine sichere Verbindung.
Erfindungsgemäß umfasst ein Verbundmaterial, insbesondere ein Mehrschichtmaterial, eine Tragstruktur, an welcher ein Element angeordnet ist, wobei die Tragstruktur und das Element über eine Klebeverbindung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebeverbindung eine erfindungsgemäße mehrschichtige Klebeverbindung ist. Bei dem Verbundmaterial handelt es sich in bevorzugten Ausführungsformen um ein Mehrschichtmaterial und dabei vorzugsweise um ein als Leiterplatte für elektrische Schaltkreise, Module usw. geeignetes Mehrschichtmaterial.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die Tragstruktur bzw. das Trägersubstrat aus einem nichtmetallischen Werkstoff, insbesondere einer Keramik, gebildet, während das Element aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Aluminium, gebildet ist. Die Tragstruktur oder auch das Trägersubstrat ist bevorzugt aus einer Keramik(-Schicht) aus Oxid-, Nitrid- oder Karbidkeramik wie Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid oder Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid mit Zirkonoxid hergestellt. Die Tragstruktur ist in bevorzugten Ausführungsformen plattenförmig oder im Wesentlichen plattenförmig und weist z. B. die eingangs erwähnten Maße von etwa 7,5 × 11,5 Zoll auf. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf Verbundmaterialien dieser Dimension begrenzt ist. Bevorzugt beträgt eine Dicke der (plattenförmigen) Tragstruktur etwa 0,2–3 mm, vorzugsweise auch 0,3–1 mm. Zweckmäßigerweise ist an der Tragstruktur über die Klebeverbindung ein Element, insbesondere ein Element aus Aluminium, angeordnet, welches ebenfalls plattenförmig als Blech oder Folie ausgebildet sein kann und eine Dicke von etwa 0,05–4 mm betragen kann.
Bei dem Element kann es sich also um eine „dünne“ Schicht handeln, z. B. um eine dünne Metallisierung aus Aluminium. Es kann sich aber auch um ein größeres Bauelement/Bauteil handeln, welches anders als die vorgenannte Metallisierung ein gewisses Volumen aufweist, mit anderen Worten also wesentlich dicker/größer ist als die Tragstruktur. Zweckmäßigerweise kann es sich bei dem Element auch um ein anderes Bauteil handeln, an welchem die Tragstruktur über die Klebeverbindung angeordnet ist und welches seinerseits Bestandteil einer größeren Baueinheit ist. Auch dieses Bauteil kann vorteilhafterweise aus Aluminium gefertigt sein. Somit ermöglicht die mehrschichtige Klebeverbindung die Herstellung eines Verbundmaterials, welches leicht herzustellen und äußerst temperaturbeständig ist. Das Element und die Tragstruktur können dabei flächig über die Klebeverbindung verbunden sein. Die Klebeverbindung als solches zwischen der Tragstruktur und dem Element kann aber auch strukturiert ausgebildet sein. Grundsätzlich kann also sowohl eine vollflächige Verbindung über die Klebeverbindung zwischen der Tragstruktur und dem Element realisiert werden als auch eine nur teilweise Verbindung, wodurch sozusagen ein minimaler Raum oder ggf. auch Spalt zwischen dem Element und der Tragstruktur offen bleibt. Zweckmäßigerweise ermöglicht die mehrschichtige Klebeverbindung eine kostengünstige und dauerhafte Verbindung zwischen einem Element aus Aluminium bzw. einer Aluminiumstruktur und einer Tragstruktur bzw. einem Trägersubstrat aus Keramik. Alternativ ist für eine derartige Verbindung aus dem Stand der Technik beispielsweise das DAB-Verfahren bekannt (Direct Aluminum Bonding). Hierbei wird ähnlich dem DCB-Verfahren (Direct Copper Bonding) eine elektrisch-thermische Verbindung ermöglicht, wobei das Verfahren allerdings deutlich aufwendiger gestaltet ist als die in Rede stehende Klebeverbindung.
Zweckmäßigerweise ist die erste Schicht an dem Element angeordnet, während die zweite Schicht an der Tragstruktur angeordnet ist. Mit anderen Worten ist also nach einer Ausführungsform der Erfindung der Klebstoff auf Polyimid-Basis zu dem (Aluminium-)Element hin angeordnet, während der Klebstoff auf Epoxid-Basis zu der Tragstruktur bzw. zu dem Trägersubstrat, bevorzugt aus Keramik, hin angeordnet ist. Ein Epoxid-Klebstoff alleine zwischen Keramik und Aluminium würde bei höheren Temperaturen versagen und delaminieren. Dies gilt in gleicherweise für einen Polyimid-Klebstoff. Nur die erfindungsgemäße mehrschichtige Klebeverbindung ermöglicht eine sichere Klebeverbindung zwischen einem Keramiksubstrat und einem Aluminiumbauteil/-Element. Epoxid-Klebstoff als guter Klebstoff für Keramik ist an sich bekannt. Bekannt ist aber auch, dass zumindest bei höheren Temperaturen oder starken Temperaturschwankungen Epoxid-Klebstoff beim Kleben von Aluminium (aber auch bei Keramik) Schwächen zeigt. Bei einer mehrschichtigen Klebeverbindung gemäß einer der Ausführungsformen der Erfindung werden diese Nachteile durch den mehrschichtigen Aufbau der Klebeverbindung korrigiert. Weisen sowohl die erste als auch die zweite Schicht Epoxid-Klebstoff auf, unterstützt und festigt die zweite Schicht, die die Verbindung mit dem Keramik-Substrat bereitstellt die erste Schicht, die mit dem Aluminium-Bauteil in Kontakt ist und verhindert eine Delamination. Verstärkt wird dieser Effekt, wenn die erste Schicht Polyimid-Klebstoff aufweist, da hierbei dessen hohe Temperaturstabilität die zweite Schicht stützt und festigt.
An dieser Stelle sei nochmals erwähnt, dass die Klebeverbindung auch aus mehr als zwei Schichten bestehen kann bzw. mehrere Schichten umfassen kann. Auch hier gilt allerdings, dass die Schicht, die an der Tragstruktur anliegt, nach einer Ausführungsform der Erfindung auf dem Epoxid-Klebstoff basiert, während die Schicht, die an dem Element anliegt, zweckmäßigerweise auf dem Polyimid-Klebstoff basiert. Alternativ kann bei einer entsprechenden Ausbildung der Schichten bzw. der verwendeten Klebstoffe auch die Schicht, die auf dem Polyimid-Klebstoff basiert, auf/an der Tragstruktur angeordnet sein, während die Schicht, die auf dem Epoxid-Klebstoff basiert, auf/an dem Element angeordnet ist.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist gegenüberliegend dem Element an der Tragstruktur eine Metallisierung angeordnet. Diese dient zur Ausbildung von Leiterbahnen, Kontakten, Kontakt- oder Befestigungsbereichen, etc. Nach einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Verbundmaterial um ein Metall-Keramik-Substrat, welches eine Aktivseite aufweist, welches die gerade angesprochene Metallisierung umfasst und welches eine Passivseite aufweist, welche das Element aus Aluminium aufweist. Nach einer Ausführungsform der Erfindung besteht die Metallisierung aus einer Kupferschicht. Zum Verbinden von Metallschichten oder Blechen bzw. zum Herstellen der Metallisierung ist beispielsweise das sogenannte DCB-Verfahren (Direct Copper Bonding) anwendbar. Ebenso anwendbar ist das sogenannte Aktivlot-Verfahren (Active Metal Brazing, AMB). Zweckmäßigerweise ist die Metallisierung, beispielsweise die Kupferschicht, über das DCB-Verfahren oder das AMB-Verfahren an der Tragstruktur angeordnet. Zweckmäßigerweise beträgt eine Schichtdicke der Metallisierung ca. 0,1–1 mm, vorzugsweise zwischen etwa 0,2 und 0,8 mm.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist das Element ein Kühlelement. Von besonderer Bedeutung bei derartigen Leiterplatten bzw. Verbundmaterialien ist nämlich die Kühlung. Hierzu ist mit Vorteil das Element als Kühlelement aus Aluminium ausgebildet. Beim Einsatz derartiger Verbundmaterialien, z. B. bei Automotive-Anwendungen, ist es besonderes wünschenswert, wenn bereits vorhandene Kühlmittel oder vorhandenes Kühlungsmittel im Fahrzeug genutzt werden können. So kann es sich bei dem Kühlelement beispielsweise um ein bereits in einem Kraftfahrzeug vorhandenes Kühlelement handeln, an welches schnell und dauerhaft über die mehrschichtige Klebeverbindung eine Tragstruktur angeordnet werden soll. Die Tragstruktur selbst ist, wie vorher beschrieben, mit einer Metallisierung versehen, sodass die Funktion einer Leiterplatte bereitgestellt wird. Zweckmäßigerweise umfasst das Kühlelement mehrere Ausnehmungen unterschiedlicher Form und/oder Tiefe oder ist mit geeigneten Strukturen zur Vergrößerung der Oberfläche versehen. Die vorgenannten Ausnehmungen können schlitzartig, oval, langloch-, kreis- oder rautenförmig ausgebildet sein und sich zumindest abschnittsweise oder zumindest über ein Viertel einer Dicke des Elements erstrecken. Das Kühlelement kann derart ausgebildet sein, dass es an einen bestehenden Kühlkreislauf angeschlossen werden kann, wobei dieser beispielsweise ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmedium umfassen kann.
Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Verbundmaterials die Schritte:

– Anbringen der ersten Schicht auf dem Element;
– Anbringen der zweiten Schicht auf der Tragstruktur;
– Verbinden der ersten Schicht und der zweiten Schicht miteinander.

Das Verbinden der ersten und zweiten Schicht kann sowohl bei Raumtemperatur als auch bei einer erhöhten Temperatur stattfinden. Vorteilhaft ist dabei, dass die verwendeten Klebstoffe auf Polyimid-Basis und Epoxid-Basis eine ähnliche Aushärtetemperatur aufweisen. Zweckmäßigerweise kann vor dem Verbinden/Anordnen der verschiedenen Schichten aufeinander das Aufbringen der bereits genannten Struktur/Textur vorgesehen sein, welche eine noch bessere Verbindung zwischen den Schichten ermöglichen kann.
Nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der Epoxikleber bei einer Aushärttemperatur von 100°C bis 200°C über einen Zeitraum von 1 bis 24h, bevorzugt bei ca. 150°C bei einer Aushärtzeit von ca. 12h angebracht. der Polyimidkleber wird bei einer Aushärttemperatur von 100°C bis 350°C über einen Zeitraum von 0,1 bis 3,5 h, bevorzugt bei ca. 250°C bei einer Aushärtzeit von ca. 3,0 h angebracht.
Ein anzubringendes Kühlelement hat z.B. eine Stärke von 1 bis 10mm, mit strukturuerter oder unstrukturierter Unterseite, so z.B. Dimpel (kleine Dellen und Unebenheiten) oder Kuhlen. Es kann aber auch ein Kühlelement mit einer Basisplatte mit einer Stärke von 1 bis 10mm sowie einer Pin- oder Rippenstruktur mit Pins bzw. Rippen eine Länge von 1–10mm angebracht sein, z.B. gestanzte Pins (z.B. rund, Bsp. Googe Metals), geschnittene Pins (z.B. Wolverine Microcool) oder gefräste Pins (z.B. Rauten, Hofmann GmbH).
Nach einer weiteren Variante der Erfindung wird eine weitere metallische Schicht auf der Tragstruktur (30), insbesondere eine Kupferschicht, z.B. mittels DCB-Bondens (Direct Copper Bonding), aufgebracht. Dieser Schritt erfolgt dann vor dem Verkleben, d.h. vor dem Anbringen des Elements, da die Klebeverbindung die beim DCB-Bonden hohen Temperaturen von über 1000°C nicht aushalten würde. Natürlich kann die weitere metallische Schicht ebenfalls durch eine erfindungsgemäße Klebeverbindung oder durch AMB (Active Metal Brazing) angebracht werden. Somit erhält man kostengünstig eine Leiterplatte, die auf der einen Seite die notwendige Leiterplattenstruktur aus Kupfer (mit bekannten Verbindungstechniken) und auf der anderen Seite die zur Kühlung notwendige Aluminiummetallisierung oder einen Aluminiumkörper mittels der Klebeverbindung der Erfindung aufweist.
Die Erfindung umfasst auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Klebeverbindung zur Verbindung einer nichtmetallischen Struktur mit einer metallischen Struktur. Insbesondere ist die Klebeverbindung dazu vorgesehen, eine Aluminiumstruktur oder ein Aluminiumelement und eine Keramikstruktur oder ein Keramikelement miteinander dauerhaft und temperaturstabil zu verbinden.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Klebeverbindung mit Bezug auf die beigefügte Figur.
Es zeigt:
1 eine skizzenhafte Darstellung einer Ausführungsform einer Klebeverbindung bzw. eines Verbundmaterials.
1 verdeutlicht den grundsätzlichen Aufbau eines Verbundmaterials, welches auf einer Tragstruktur 30 basiert, an welchem eine Metallisierung 50 angeordnet ist und an welchem gegenüberliegend der Metallisierung 50 ein Element 40 über eine Klebeverbindung umfassend eine erste Schicht 10 und eine zweite Schicht 20 angeordnet ist. Dabei ist die erste Schicht 10 durch einen Klebstoff auf Polyimid-Basis gebildet, während die zweite Schicht 20 durch einen Klebstoff auf Epoxid-Basis gebildet ist. Sowohl eine Dicke D10 in der ersten Schicht als auch eine Dicke D20 der zweiten Schicht sind in 1 im Wesentlichen gleich ausgebildet, können aber in anderen Ausführungsformen auch unterschiedlich dimensioniert sein, wobei bevorzugt eine Dicke D10 der ersten Schicht etwa 10–60 % einer Dicke D20 der zweiten Schicht beträgt oder umgekehrt. Das Element 40 ist bevorzugt aus Aluminium gebildet und kann eine zur Verbesserung der Kühleigenschaften angepasste Geometrie, wie Ausnehmungen, Löcher, Öffnungen und dergleichen (hier nicht dargestellt) aufweisen. Die Metallisierung 50, welche vorzugsweise aus Kupfer gebildet ist und bevorzugt eine Schichtdicke zwischen 0,1 und 1 mm aufweist, ist bevorzugt über das DCB- bzw. das AMB-Verfahren an der Tragstruktur 30 befestigt. 1 zeigt also eine Leiterplatte mit eine Aktivseite, die durch die Metallisierung 50 dargestellt wird, sowie mit einer Passivseite, die der Kühlung der Leiterplatte dient und durch das Element 40, welches besonders bevorzugt aus Aluminium ist, realisiert wird.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann für 250°C-Anwendungen (z.B. Sintertechnologie) Epoxi auf die Passivseite, d.h. die sog. Keramikrückseite des einseitig mit dem DCB-Verfahren ausgestatteten Kupfer-Keramiksubstrates, aufgebracht werden und dies direkt auf das Element, d.h. den Aluminiumkühler aufgeklebt werden.
Nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann für 350°C-Anwendungen (z.b. für die Löttechnologie) Epoxi auf die Passivseite, d.h. die sog. Keramikrückseite des einseitig mit dem DCB-Verfahren ausgestatteten Kupfer-Keramiksubstrates, aufgebracht werden, dann Polyimid auf der Oberfläche des Elements, d.h. auf der Aluminiumoberfläche, nach Trocknung des Polyimids (zur Entfernung des Lösemittels), werden die Epoxi-/Polyimid-Schichten (mit dem DCB-Substrat auf der einen und dem Aluminiumelement auf der anderen Seite) miteinander gefügt und verklebt. Dabei ist ein zu schnelles, zu heißes Aushärten zu vermeiden, da dies zu starker Durchbiegung des Substrates führt. Beispielsweise erfolgt die Aushärtung bei 120 bis 180°C und einer Fügekraft von 15KN über eine Zeit van 20min und anschließend bei 180°C mit 17KN über eine Zeitdauer von 3.5h. Es ist sinnvoll, ein stufenförmiges Aushärten mit unterschiedlichen Verweildauern bei unterschiedlichen Temperaturen zu wählen.
Bezugszeichenliste

10: erste Schicht
20: zweite Schicht
30: Tragstruktur
40: Element
50: Metallisierung
D10: Dicke der ersten Schicht
D20: Dicke der zweiten Schicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012102611 A1 [0002]
DE 102005062181 A1 [0002]
DE 102009041574 A1 [0002]

Claims

Klebeverbindung für die Verbindung eines Verbundmaterials, insbesondere für Leiterplatten, bestehend aus einer Keramik und einer auf die Keramik zu klebenden Metallisierung, wobei die Klebeverbindung zumindest zwei Schichten (10, 20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Schicht (10) einen Klebstoff auf Polyimid-Basis oder Epoxid-Basis aufweist, und dass eine zweite Schicht (20) einen Klebstoff auf Epoxid-Basis oder Polyimid-Basis aufweist.
Klebeverbindung nach Anspruch 1, wobei eine Dicke (D10) der ersten Schicht etwa 10–60 %, bevorzugt 30–50 %, einer Dicke (D10) der zweiten Schicht beträgt oder umgekehrt.
Klebeverbindung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Schicht (10) und/oder die zweite Schicht (20) Nanofasermaterial enthält.
Klebeverbindung nach Anspruch 3, wobei die erste Schicht (10) und/oder die zweite Schicht (20) bezogen auf das jeweilige Gesamtgewicht 5–30 Gewichts% Nanofasermaterial enthalten.
Klebeverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Klebstoff auf Polyimid-Basis eine andere Viskosität aufweist als der Klebstoff auf Epoxid-Basis.
Verbundmaterial, insbesondere Mehrschichtmaterial, umfassend eine Tragstruktur (30), an welcher ein Element (40) angeordnet ist, wobei die Tragstruktur (30) und das Element (40) über eine Kleberverbindung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebeverbindung eine mehrschichtige Klebeverbindung nach einem der Ansprüche 1–4 ist.
Verbundmaterial nach Anspruch 6, wobei die Tragstruktur (30) aus einem nicht-metallischen Werkstoff, insbesondere einer Keramik gebildet, ist, und wobei das Element (40) aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Aluminium, gebildet ist.
Verbundmaterial nach Anspruch 6 oder 7, wobei die erste Schicht (10) an dem Element (40) angeordnet ist, und wobei die zweite Schicht an der Tragstruktur (30) angeordnet ist.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 6–8, wobei das Element (30) ein Kühlelement ist.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials nach einem der Ansprüche 6–9, umfassend die Schritte: – Anbringen der ersten Schicht (10) auf dem Element (40); – Anbringen der zweiten Schicht (20) auf der Tragstruktur (30); – Verbinden der ersten Schicht (10) und der zweiten Schicht (20) miteinander.
Verfahren nach Anspruch 10, umfassend den weiteren Schritt: – Anbringen einer weiteren metallischen Schicht auf der Tragstruktur (30), insbesondere einer Kupferschicht.
Verwendung einer Klebeverbindung nach einem der Ansprüche 1–5 zur Verbindung einer nicht-metallischen Struktur mit einer metallischen Struktur.