DE102018213719A1 - Fügeverfahren und System zum Verbinden von Bauteilen - Google Patents

Abstract

Offenbart ist ein Fügeverfahren (80) zum ortsfesten Verbinden von einem ersten Bauteil (10) mit einem zweiten Bauteil (20) unter Druckbeaufschlagung, wobei das erste Bauteil (10) zwischen einem Stempel (40) und dem zweiten Bauteil (20) angeordnet wird, ein Umgebungsdruck (p) des ersten Bauteils (10) und ein Umgebungsdruck (Pi) des zweiten Bauteils (20) synchron auf einen Arbeitsdruck erhöht werden, nach Erreichen des Arbeitsdrucks der Arbeitsdruck für eine definierte Dauer aufrechterhalten oder der Umgebungsdruck (p) des ersten Bauteils zum Erzeugen einer Druckdifferenz stetig reduziert wird. Des Weiteren ist ein System (100) offenbart.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Fügeverfahren zum ortsfesten Verbinden von einem ersten Bauteil mit einem zweiten Bauteil unter Druckbeaufschlagung sowie ein System zum Verbinden von einem ersten Bauteil mit einem zweiten Bauteil.
• In vielen technischen Bereichen besteht die Notwendigkeit, mehrere Bauteile, insbesondere stoffschlüssig, miteinander zu verbinden. Beispielsweise können bei elektronischen Komponenten die zu kühlenden Bauteile mit einem Kühlkörper derart verbunden werden, dass ein möglichst verlustarmer Wärmetransport vom Bauteil in den Kühlkörper entsteht. Hierfür können die entsprechenden Bauteile mit dem Kühlkörper verschraubt, vernietet, verlötet oder verklebt werden. Derartige Bauteile können beispielsweise Halbleiter oder Halbleitermodule sein.
• Abhängig von den Materialen der miteinander zu verbindenden Bauteile kann jedoch eine langfristig haltbare stoffschlüssige Verbindung durch Löten oder Kleben technisch nicht oder nur schwer umsetzbar sein. Daher können Bauteile durch Sintern miteinander stoffschlüssig verbunden werden. Da bei einem Sinterprozess ein hoher Anpressdruck auf die Verbindungsstelle ausgeübt und diese zusätzlich auf 180°C bis 300°C erhitzt wird, ist dieses Verfahren hauptsächlich auf mechanisch stabile Bauteile beschränkt, da die Festigkeitseigenschaften des Materials durch den Sinterprozess negativ beeinträchtigt werden.
• Die DE 10 2014 114 095 B4 beschreibt eine Sintervorrichtung, bei der eine elektronische Baugruppe mit einer mechanisch stabilen Unterlage durch Sintern verbindbar ist. Die Unterlage dient gleichzeitig als ein Unterstempel und ist nicht verformbar, sodass die elektronische Baugruppe mit einem Druckkissen formstabil gegen die Unterlage pressbar ist.
• Die bisher bekannten Sintervorrichtungen und Sinterverfahren können jedoch zu einer Beschädigung der zu verbindenden Bauteile führen, wenn diese Bauteile dünnwandig oder spröde ausgestaltet sind. Bei derartigen Bauteilen ist auch die Herstellung einer durch Reibungswärme entstehenden stoffschlüssigen Verbindung, wie beispielsweise Reibschweißen, problematisch.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System zum Verbinden von empfindlichen Bauteilen unter Druckbeaufschlagung zu schaffen.
• Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 und im Anspruch 8 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
• Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Fügeverfahren zum ortsfesten Verbinden von einem ersten Bauteil mit einem zweiten Bauteil unter Druckbeaufschlagung bereitgestellt. In einem Schritt wird das erste Bauteil zwischen einem Stempel und dem zweiten Bauteil angeordnet. Es wird anschließend ein Umgebungsdruck des ersten Bauteils und ein Umgebungsdruck des zweiten Bauteils gleichzeitig auf einen Arbeitsdruck erhöht. Nach Erreichen des Arbeitsdrucks wird der Arbeitsdruck für eine definierte Dauer aufrechterhalten oder der Umgebungsdruck des ersten Bauteils zum Erzeugen einer Druckdifferenz stetig reduziert.
• Es entsteht ein synchroner Aufbau des Umgebungsdrucks um das erste und das zweite Bauteil auf ein gleiches Druckniveau. Der Arbeitsdruck kann beispielsweise ein für einen Sinterprozess, einen Reibschweißprozess, einen Klebeprozess, Lötprozess und dergleichen notwendiger Anpressdruck sein. Die Hülle des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils ist durch die gleichmäßige Druckverteilung an allen Stellen druckausgeglichen und wird somit nicht verformt. Insbesondere kann eine plastische und/oder elastische Verformung der Bauteile während des Fügevorgangs unterbunden werden. Hierdurch können Beschädigungen des ersten und des zweiten Bauteils trotz Druckbeaufschlagung vermieden werden. Der Umgebungsdruck der Bauteile kann durch eine räumliche Trennung und eine hydraulische oder pneumatische Kopplung der jeweiligen Aufnahmeräume der Bauteile eingestellt werden. Bevorzugterweise können die Aufnahmeräume mit Druckluft, einer Flüssigkeit oder einem Festkörper, beispielsweise in Pulverform, befüllt werden, um den jeweiligen Umgebungsdruck auf den Arbeitsdruck zu steigern.
• Durch Reduzieren des Umgebungsdrucks des ersten Bauteils kann zusätzlich ein kontrolliertes Ungleichgewicht hergestellt werden, durch welches die Verbindungsstelle zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil mit der Druckdifferenz beaufschlagt wird. Dabei kann das erste Bauteil zwischen dem Stempel und dem zweiten Bauteil durch die Druckdifferenz verpresst werden. Der Stempel kann zusätzlich zum initialen Positionieren bzw. Ausrichten des ersten Bauteils gegenüber dem zweiten Bauteil eingesetzt werden.
  Bevorzugterweise ist ein Bereich, in dem der Umgebungsdruck des ersten Bauteils wirkt, hermetisch von einem Bereich, in dem der Umgebungsdruck des zweiten Bauteils wirkt, abgetrennt. Dies kann durch eine oder mehrere optionale Dichtungen oder Dichtkonturen ausgestaltet sein.
• Durch das erfindungsgemäße Verfahren können kurze Haltezeiten zum Positionieren der zu befestigenden Bauteile sowie kurze Prozesszeiten zum automatisierbaren Verbinden der Bauteile realisiert werden.
• Nach dem Beaufschlagen der beiden Bauteile mit Druck kann die Verbindungsstelle und die beiden miteinander verbundenen Bauteile entlastet werden, indem die Umgebungsdrücke auf beiden Seiten der Verbindungsstelle kontinuierlich und gleichmäßig auf einen Atmosphärendruck reduziert werden.
• Im Vergleich zu anderen uns bekannten Lösungen kann durch das Verfahren beispielsweise ein zu kühlendes elektrische Bauteil in oder an einem Kühlprofil angeordnet werden, ohne eine Beschädigung des Bauteils oder des Kühlprofils zu riskieren. Aufgrund einer entsprechenden räumlichen Trennung des elektrischen Bauteils von einem Kühlmedium kann die Gefahr einer Korrosion oder eines Kurzschlusses beseitigt werden.
• Eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil kann vielseitig hergestellt werden, wenn das erste Bauteil direkt auf dem zweiten Bauteil oder mittels eines Fügematerials auf dem zweiten Bauteil angeordnet wird, d.h. es wird ein Fügematerial zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil angeordnet. Beispielsweise kann eine schmelzbare Lotschicht, eine aktivierbare oder aushärtbare Klebeschicht oder eine Sintermaterialschicht als ein Fügematerial zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil angeordnet werden. Das zwischen den Bauteilen angeordnete Fügematerial bildet somit eine Verbindungsstelle der Bauteile. Durch die beidseitige, in Richtung der Verbindungsstelle gerichtete Beaufschlagung der Bauteile mit Druck kann eine gleichmäßige Kraftverteilung entlang der Verbindungsstelle hergestellt werden, wodurch eine besonders robuste und haltbare stoffschlüssige Verbindung entsteht.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird bei einem stetigen Reduzieren des Umgebungsdrucks des ersten Bauteils eine umgekehrt proportionale Erhöhung eines Anpressdrucks durch den Stempel durchgeführt. Hierbei kann der Stempel als ein aktiver Stempel ausgestaltet sein, welcher hydraulisch oder pneumatisch antreibbar ist. Es kann somit eine synchrone Kraftbeaufschlagung des zu befestigenden ersten Bauteils über dem Anpresstempel gewährleistet werden. Durch die umgekehrt proportionale Steuerung der Drücke entspricht die Summe aus der Flächenpressung am zu befestigenden ersten Bauteil und dem Umgebungsdruck des ersten Bauteils jederzeit dem Umgebungsdruck des zweiten Bauteils. Das hierdurch entstehende Kräftegleichgewicht verhindert eine Beschädigung des ersten Bauteils. Der Umgebungsdruck des ersten Bauteils wirkt hierbei parallel bzw. neben dem Stempel. Durch den Stempel kann das erste Bauteil mit einem zusätzlichen Druck, mit Wärme und/oder mit einer Bewegung beaufschlagt werden.
• Die auf das zweite Bauteil projizierte Fläche einer Anpresskammer, in der der Umgebungsruck des ersten Bauteils wirkt, ist vorzugsweise nur unwesentlich größer als das zu befestigende erste Bauteil. Darüber hinaus können Flächendifferenzen durch eine anpassbare Druckführung in den räumlich getrennten Kammern für das erste und zweite Bauteil ausgeglichen werden. Vorzugsweise können die jeweiligen Umgebungsdrücke gemessen und über eine Steuereinheit eingestellt werden. Die Steuereinheit kann als eine Prozesssteuerung für das Verfahren ausgestaltet sein.
• Eine besonders materialschonende Druckbeaufschlagung der Bauteile wird ermöglicht, wenn bei einem Durchführen des Verfahrens eine Summe aus einer Anpresskraft durch den Stempel und einer Kraft auf das erste Bauteil durch den Umgebungsdruck des ersten Bauteils einer Kraft durch den Umgebungsdruck des zweiten Bauteils entspricht. Vor einem Beaufschlagen der jeweiligen Bauteile mit einem Überdruck kann der Druck in den jeweiligen Kammern auf Atmosphärendruck reduziert bzw. angeglichen werden. Durch die synchrone Kraftbeaufschlagung des zu befestigenden ersten Bauteils über den als einen Anpresstempel ausgestalteten Stempel wird eine Deformation des ersten und des zweiten Bauteils verhindert, wodurch die Gefahr einer Beschädigung durch Verformung sinkt.
• Nach einer weiteren Ausführungsform ist das zweite Bauteil ein Hohlkörper und/oder ein Strangpressprofil, wobei der Innendruck des zweiten Bauteils dem Umgebungsdruck des zweiten Bauteils entspricht. Das zweite Bauteil kann somit ein Kühlkörper und insbesondere ein Strangpressprofil sein, welches auch Hohlräume aufweisen kann. Derartige Strangpressprofile können aufgrund der für einen Sinterprozess notwendigen Druckbeaufschlagung verformt werden und somit ein stoffschlüssiges Verbinden erschweren oder verhindern. Durch die gleichmäßige und synchrone Belastung der Bauteile kann ein Verformen der miteinander zu verbindenden Bauteile verhindert oder zumindest verringert werden. Somit können auch dünnwandige und leicht verformbare Bauteile durch das erfindungsgemäße Verfahren unter Druck miteinander verbunden werden.
• Das erste Bauteil kann direkt auf der einen Außenseite einer Strangpressgeometrie bzw. des zweiten Bauteils angebracht werden, wobei sich der flüssigkeitsführende Bereich der Strangpressgeometrie innen befindet. Die Strangpressgeometrie kann aus z.B. strangpressfähigen Materialien, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer, Messing und dergleichen bestehen. Es kann eventuell aber neben einem flüssigkeitsführenden Medium auch ein gasförmiges Kühlmittel, wie beispielsweise Luft, eingesetzt werden. Die Strangpressgeometrie kann auch im Bereich des Kühlmittelkontaktes noch oberflächenvergrößernde Geometrie bzw. Konturierung aufweisen.
• Eine derartige Geometrie des zweiten Bauteils bzw. Strangpressprofils kann auch durch ein anderes Herstellungsverfahren wie beispielsweise 3D-Druck, Gussverfahren oder Stanzbiegeverfahren hergestellt werden.
• Nach dem synchronen Herstellen eines Arbeitsdrucks oder nach einem Verringern des Umgebungsdrucks des ersten Bauteils wird gemäß einer Ausführungsform ein Verbindungsbereich zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil oder das Fügematerial mit Wärme oder Strahlung zum Erzeugen einer stoffschlüssigen Verbindung beaufschlagt. Durch eine dem Verfahren angepasste Druckführung über ein hydraulisches oder pneumatisches oder ein aus Feststoffen (z.B. Pasten oder Sanden) gebildetes Fluid in den Kammern der jeweiligen Bauteile kann ein zu jeder Zeit druckausgeglichener Sinterprozess oder ein beliebiger anderer Fügeprozess unter Einwirkung von Druck und Temperatur durchgeführt werden. Die jeweiligen Umgebungsdrücke können entsprechend einer Fluiderwärmung und der hieraus resultierenden Volumenausdehnung zum Kompensieren von lokalen Überdrücken angepasst werden.
• Die Wärme kann durch Erwärmen des Stempels, durch lokales oder vollständiges Erwärmen des zweiten Bauteils und/oder durch Bestrahlen der Verbindungsstelle mit einem Laser eingebracht werden. Nach einem durchgeführten Fügevorgang bzw. nachdem der Wärmeeintrag abgeschlossen ist, kann der Druck beider Bauteile synchron reduziert werden.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden nach Erreichen des Arbeitsdrucks oder nach einem Verringern des Umgebungsdrucks des ersten Bauteils das erste Bauteil und/oder das zweite Bauteil mit einer Bewegung zum Erzeugen von Reibungswärme beaufschlagt. Hierdurch kann eine Relativbewegung erzeugt werden, die in einer Reibungswärme resultiert. Aufgrund der Reibungswärme kann entweder ein Fügematerial temporär geschmolzen oder die Materialgrenze im Verbindungsbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil geschmolzen werden. Es ist somit möglich, die Bauteile durch Reibschweißen oder Kontaktschweißen stoffschlüssig miteinander zu verbinden.
• Die Relativbewegung kann beispielsweise durch den Stempel oder eine Bauteilaufnahme des zweiten Bauteils verursacht werden.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System zum Verbinden von einem ersten Bauteil mit einem zweiten Bauteil und zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt. Das System weist eine Fügevorrichtung mit einer Anpresskammer und einer Bauteilkammer auf, wobei die Anpresskammer einen Stempel zum einseitigen Kontaktieren des ersten Bauteils aufweist. Erfindungsgemäß sind die Anpresskammer und die Bauteilkammer unabhängig voneinander mit einem Überdruck beaufschlagbar, wobei das erste Bauteil in der Anpresskammer und das zweite Bauteil in der Bauteilkammer derart anordenbar sind, dass das zweite Bauteil die Anpresskammer luftdicht von der Bauteilkammer abtrennt.
• Der Umgebungsdruck in der Anpresskammer und der Bauteilkammer kann separat durch eine Steuereinheit eingestellt und geregelt werden. Bei einem eingesetzten zweiten Bauteil in der Bauteilkammer kann ein fluiddichter Abschluss erzeugt werden, welcher die beiden Kammern voneinander abdichtet. Hierdurch können unterschiedliche oder gleiche Drücke in den Kammern eingestellt werden, um einer Verformung der Bauteile entgegenzuwirken.
• Insbesondere kann eine Verformung des zweiten Bauteils, welches dünnwandig ausgestaltet sein kann, verhindert werden.
• Durch eine angepasste Druckführung über ein geeignetes Fluid in der Bauteilkammer und der Anpresskammer kann ein zu jeder Zeit druckausgeglichener Fügeprozess, wie beispielsweise Sinterprozess, durchgeführt werden. Dabei können die Bauteile und/oder die Kammern neben einer Druckbeaufschlagung mit einer definierten Temperatur beaufschlagt werden.
• Durch das System können beispielsweise elektrische Bauteile, wie Halbleitermodule, auf Hohlkörpern stoffschlüssig angeordnet werden. Der Hohlkörper bzw. das zweite Bauteil kann als ein Strangpressprofil ausgestaltet sein und als ein Kühlkanal zum Kühlen des ersten Bauteils dienen.
• Die beiden Kammern können besonders effizient durch das zweite Bauteil voneinander getrennt werden, wenn die Anpresskammer eine endseitige Dichtung zum Ausbilden einer Dichtzone aufweist. Vorzugsweise kann die Dichtung derart bemessen sein, dass durch ein Eindrücken der Dichtung eine Flächenpressung auf die Verbindungsstelle ermöglicht wird. Darüber hinaus können Fertigungstoleranzen durch die Dichtung ausgeglichen werden.
• Gemäß einer Ausführungsform ist der Stempel unbeweglich oder als ein Anpressstempel mit einer einstellbaren Anpresskraft ausgestaltet. Dabei kann das erste Bauteil von dem zweiten Bauteil gegen einen passiv ausgestalteten Stempel gedrückt werden. Alternativ kann der Stempel als ein aktiver Stempel ausgestaltet sein, welcher eine individuelle Anpresskraft auf das erste Bauteil aufbringen kann. Die Anpresskraft kann parallel zu einer Druckbeaufschlagung in der Anpresskammer erfolgen.
• Das erste Bauteil kann vorzugsweise innerhalb oder außerhalb eines ausgeprägten Kühlprofils an dem zweiten Bauteil angeordnet werden. Hierdurch kann das erste Bauteil besonders platzsparend mit dem zweiten Bauteil verbunden werden.
• Durch das System und das Verfahren können beispielsweise elektrische Bauteile, welche eine Kühlung benötigen, stoffschlüssig mit entsprechenden Kühlstrukturen verbunden werden. Diese können zum Beispiel im Bereich von Kraftfahrzeugen, elektronischen Steuerungen, Nutzfahrzeugen, Krafträdern, Blockheizkraftwerken, elektrischen Geräten und dergleichen eingesetzten werden.
• Nachstehend werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
• 2 eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und
• 3 ein Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen eines Fügeverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
• Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 100 zum Verbinden von einem ersten Bauteil 10 mit einem zweiten Bauteil 20 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
• Das erste Bauteil 10 ist als ein Halbleitermodul ausgestaltet, welches auf das zweite Bauteil 20 aufgebracht wird. Das zweite Bauteil 20 ist als ein rohrförmiges und als ein bereichsweise geöffnetes Strangpressprofil mit einem Hohlraum 21 ausgeführt.
• Zwischen dem ersten Bauteil 10 und dem zweiten Bauteil 20 ist ein Fügematerial 11 angeordnet. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist das Fügematerial 11 ein Sintermaterial.
• Das erste Bauteil 10 und das zweite Bauteil 20 können hierbei dünnwandig und/oder mechanisch labil ausgestaltet sein und eine beliebige Form aufweisen.
• Das System 100 weist eine Fügevorrichtung 30 auf, welche eine Anpresskammer 31 und eine Bauteilkammer 32 aufweist. Die Anpresskammer 31 weist einen Stempel 40 auf, welcher über einen Antrieb 41 zum Ausüben einer Anpresskraft F_Anpress auf das erste Bauteil 10 steuerbar ist. Der Antrieb 41 kann somit eine Flächenpressung p_St durch den Stempel 40 erzeugen. Der Stempel 40 ist mit einem ersten Hydrauliksystem 50 fluidleitend verbunden und kann somit Energie in Form von hydraulischem Druck zum Betreiben des Antriebs 41 aufnehmen.
• Die Anpresskammer 31 ist über eine Fluidleitung 33 mit einem zweiten Hydrauliksystem 51 verbunden. Die Bauteilkammer 32 ist mit einem dritten Hydrauliksystem 52 über eine weitere Fluidleitung 34 gekoppelt. Hierdurch können die Hydrauliksysteme 51, 52 die jeweiligen Kammern 31, 32 mit einer Hydraulikflüssigkeit füllen oder die Hydraulikflüssigkeit indirekt dazu nutzen einen Umgebungsdruck p_Kammer , p_i in den Kammern 31, 32 einzustellen. Alternativ kann der Umgebungsdruck p_Kammer , p_i in den jeweiligen Kammern 31, 32 durch pneumatische Systeme eingestellt werden.
• Zum Durchführen einer Temperaturbeaufschlagung des Fügematerials 11 kann der Stempel 40 und/oder die Fügevorrichtung 30 aufheizbar ausgestaltet sein.
• Die Anpresskammer 31 weist endseitig eine Dichtkontur 35 auf. Das zweite Bauteil 20 ist derart in der Bauteilkammer 32 angeordnet, dass es gegen die Dichtkontur 35 gepresst ist, wodurch das zweite Bauteil 20 als eine hermetische Trennwand zwischen der Bauteilkammer 32 und der Anpresskammer 31 dient. Insbesondere dient ein Flächenabschnitt A_Kammer des zweiten Bauteils 20 als Trennwand.
• Die Hydrauliksysteme 50, 51, 52 können unabhängig voneinander betrieben werden und weisen drei Steuergeräte 60, 61, 62 auf, die dazu ausgestaltet sind, die Hydrauliksysteme 50, 51, 52 zu steuern und zu regeln. Die Steuergeräte 60, 61, 62 können gemäß dem Ausführungsbeispiel miteinander kommunizieren und eine optimierte Druckverteilung zwischen der Bauteilkammer 32, der Anpresskammer 31 und dem Stempel 40 einstellen. Die optimierte Druckverteilung zeichnet sich vorzugsweise durch keine oder eine minimale Verformung des ersten Bauteils 10 und des zweiten Bauteils 20 aus. Dabei können die initialen Formen und Konturen der Bauteile 10, 20 auch unter erhöhtem Druck und einer erhöhten Temperatur aufrecht erhalten werden. Beispielsweise ist für einen Sintervorgang notwendig, dass neben der Wärme ein Druck von beispielsweise 20 N/mm² aufgebracht werden muss. Damit das zweite Bauteil 20 beim Aufbringen des ersten Bauteils 10 seine Form nicht verändert, sich elastisch verformt oder gar plastisch verbogen oder im Extremfall zerstört wird, wird durch entsprechende Druckbeaufschlagung erreicht, dass das zweite Bauteil 20 auch bei Aufbringen des Anpressdruckes p_St seine Form nicht verändert.
• Damit die Form der zweiten Bauteils 20 erhalten bleibt können die Steuergeräte 60, 61, 62 die Druckkräfte des Systems 100 gemäß der folgenden Gleichung einstellen: $${\text{F}}_{\text{p}\_\text{innen}}={\text{F}}_{\text{Anpress}}+{\text{F}}_{\text{p}\_\text{Kammer}}$$

  
• Dabei entspricht die Druckkraft F_{p_innen} durch den Umgebungsdruck p_i in der Bauteilkammer 32 der Summe aus der Anpresskraft F_Anpress durch den Stempel 40 und der Druckkraft F_{p_Kammer} durch den Umgebungsdruck p_Kammer in der Anpresskammer 31. Die Druckkräfte F_{p_innen} , F_{p_Kammer} wirken hier im Wesentlichen auf den Flächenabschnitt A_Kammer des zweiten Bauteils 20 und sind gegeneinander gerichtet. Abhängig von der Größe des Stempels 40 kann dieser zumindest bereichsweise auf den Flächenabschnitt A_Kammer des zweiten Bauteils 20 wirken.
• In einer alternativen Ausgestaltung kann der Stempel 40 orthogonal zur Druckrichtung mechanisch antreibbar sein, wodurch eine Relativbewegung zwischen den Bauteilen 10, 20 erzeugbar ist. Durch die Relativbewegung kann Reibungswärme erzeugt und die Bauteile 10, 20 unmittelbar stoffschlüssig, beispielsweise durch Verschweißen, miteinander verbunden werden.
• In der 2 ist eine schematische Darstellung eines Systems 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Im Unterschied zum System 100 gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform, ist insbesondere der Stempel 40 starr ausgestaltet. Dabei ist der Stempel 40 als ein unbewegliches Bestandteil der Fügevorrichtung 30 ausgeführt. Da eine aktive Beaufschlagung des ersten Bauteils 10 durch den Stempel 40 entfällt, ändert sich die Gleichung für eine optimale Druckverteilung der beiden Bauteile 10, 20: $${\text{F}}_{\text{p}\_\text{innen}}={\text{F}}_{\text{p}\_\text{Kammer}}$$

  
• Abhängig von einem Fügeverfahren kann auch ein kontrolliertes Ungleichgewicht zwischen den Druckkräften F_{p_innen} , F_{p_Kammer} eingestellt werden, sodass das erste Bauteil 10 und das Fügematerial 11 zwischen dem Stempel 40 und dem zweiten Bauteil 20 zusammengepresst werden. Durch das Zusammenpressen des ersten Bauteils 10 mit dem zweiten Bauteil 20 entsteht durch das thermisch aktivierbare Fügematerial 11 ein Verbindungsbereich 70, welcher die Bauteile 10, 20 stoffschlüssig miteinander verbindet.
• Gemäß dem Ausführungsbeispiel sind die Hydrauliksysteme 50, 52 mit einem zentralen Steuergerät 63 verbunden, welches die Hydrauliksysteme 50, 52 koordiniert.
• Damit das erste Bauteil 10 zwischen dem Stempel 40 und dem zweiten Bauteil 20 zusammengepresst werden kann, ist eine Dichtung 36 zwischen der Anpresskammer 31 und dem zweiten Bauteil 20 vorgesehen, welche über eine Distanz D eindrückbar ist.
• In der 3 ist ein Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen eines Fügeverfahrens 80 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Dabei wird das in 1 dargestellte System 100 zum Ausführen des Verfahrens 80 eingesetzt.
• In einem ersten Schritt I erfolgt ein synchroner Aufbau des Umgebungsdrucks p_i in der Bauteilkammer 32 und des Umgebungsdrucks p_Kammer in der Anpresskammer 31 auf ein gleiches Druckniveau. Die Hülle des zweiten Bauteils 20 ist an allen Stellen druckausgeglichen und wird somit nicht verformt.
• Es kann in einem weiteren Schritt II eine Haltezeit des Druckniveaus implementiert werden, um das zu befestigende erste Bauteil 10 zu positionieren bzw. auszurichten.
• In einem weiteren Schritt III wird der Druck in der Anpresskammer p_Kammer auf Atmosphärendruck reduziert. Das zu befestigende erste Bauteil 10 über den Anpresstempel 40 synchron zu der Reduzierung des Umgebungsdrucks p_Kammer mit einem Druck pst beaufschlagt. Die Summe aus der Flächenpressung F_Anpress am zu befestigenden Bauteil 10 und dem Anpresskammerinnendrucks F_{p_Kammer} ist jederzeit gleich dem Innendruck F_{p_innen} an der Bauteilkammer 32. Das hierdurch entstehende Kräftegleichgewicht verhindert eine Beschädigung der Bauteile 10, 20.
• Es entsteht in einem weiteren Schritt IV ein vollständiges Kräftegleichgewicht aus Anpresskraft F_Anpress und resultierender Kraft F_{p_innen} des Bauteilinnendrucks p_i im zweiten Bauteil 20. In dieser Phase wird das zu befestigende Bauteil 10 durch Temperaturbeaufschlagung auf das zweite Bauteil 20 aufgesintert. Das Verfahren 80 ist derart ausgelegt, dass die zum Sintern erforderlichen Pressungen erreicht werden.
• Der Druck p_Kammer in der Anpresskammer 31 wird in einem weiteren Schritt V auf den Bauteilinnendruck p_i des zweiten Bauteils 20 erhöht. Es folgt anschließend eine synchrone Reduzierung der Kraftbeaufschlagung des zu befestigenden Bauteils 10 über den Anpresstempel 40. Die Summe aus der Flächenpressung F_Anpress am zu befestigenden Bauteil 10 und der Kraft durch den Anpresskammerinnendruck F_{p_Kammer} ist jederzeit gleich der Kraft F_{p_innen} durch den Innendruck p_i in der Bauteilkammer 32. Das hierdurch entstehende Kräftegleichgewicht verhindert eine Beschädigung des zweiten Bauteils 20.
• In einem weiteren Schritt VI, welcher final ausgestaltet sein kann, erfolgt ein synchroner Abbau des Innendrucks p_i und des Kammerdrucks p_Kammer auf Atmosphärendruck. Die Hülle des zweiten Bauteils 20 ist an allen Stellen druckausgeglichen und wird somit nicht verformt.
• Bezugszeichenliste

10

erstes Bauteil / Halbleitermodul

11

Fügematerial / Sintermaterial

20

zweites Bauteil / Strangpressprofil

21

Hohlraum des zweiten Bauteils

30

Fügevorrichtung

31

Anpresskammer

32

Bauteilkammer

33

Fluidleitung der Anpresskammer

34

Fluidleitung der Bauteilkammer

35

Dichtkontur

36

Dichtung

40

Stempel

41

Stempelantrieb

50

erstes Hydrauliksystem

51

zweites Hydrauliksystem

52

drittes Hydrauliksystem

60

Steuergerät des ersten Hydrauliksystems

61

Steuergerät des zweiten Hydrauliksystems

62

Steuergerät des dritten Hydrauliksystems

63

zentrales Steuergerät

70

Verbindungsbereich

80

Fügeverfahren

100

System

A_Kammer

Flächenabschnitt des zweiten Bauteils

D

Eindrück-Distanz der Dichtung 36

F_Anpress

Anpresskraft durch den Stempel

F_{p_innen}

Druckkraft durch den Umgebungsdruck p_i

F_{p_Kammer}

Druckkraft durch den Umgebungsdruck p_Kammer

p_Kammer

Umgebungsdruck in der Anpresskammer

p_i

Umgebungsdruck in der Bauteilkammer

p_St

Druck durch den Stempel

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102014114095 B4 [0004]

Claims (10)

1. Fügeverfahren (80) zum ortsfesten Verbinden von einem ersten Bauteil (10) mit einem zweiten Bauteil (20) unter Druckbeaufschlagung, wobei - das erste Bauteil (10) zwischen einem Stempel (40) und dem zweiten Bauteil (20) angeordnet wird, - ein Umgebungsdruck (p_Kammer) des ersten Bauteils (10) und ein Umgebungsdruck (p_i) des zweiten Bauteils (20) synchron auf einen Arbeitsdruck erhöht werden, - nach Erreichen des Arbeitsdrucks der Arbeitsdruck für eine definierte Dauer aufrechterhalten oder der Umgebungsdruck (p_Kammer) des ersten Bauteils zum Erzeugen einer Druckdifferenz stetig reduziert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Bauteil (10) direkt auf dem zweiten Bauteil (20) oder mittels eines Fügematerials (11) auf dem zweiten Bauteil (20) angeordnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei bei einem stetigen Reduzieren des Umgebungsdrucks (p_Kammer) des ersten Bauteils (10) eine umgekehrt proportionale Erhöhung eines Anpressdrucks (pst) durch den Stempel (40) durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei bei einem Durchführen des Verfahrens (80) eine Summe aus einer Anpresskraft (F_Anpress) durch den Stempel (40) und einer Kraft (F_{p_Kammer}) auf das erste Bauteil (10) durch den Umgebungsdruck (p_Kammer) des ersten Bauteils (10) einer Kraft (F_{p_innen}) durch den Umgebungsdruck (p_i) des zweiten Bauteils (20) entspricht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das zweite Bauteil (20) ein Hohlkörper und/oder ein Strangpressprofil ist, wobei der Innendruck des zweiten Bauteils (20) dem Umgebungsdruck (p_i) des ersten Bauteils (10) entspricht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei nach Erreichen des Arbeitsdrucks oder nach einem Verringern des Umgebungsdrucks (p_Kammer) des ersten Bauteils (10) ein Verbindungsbereich (70) zwischen dem ersten Bauteil (10) und dem zweiten Bauteil (20) oder das Fügematerial (11) mit Wärme oder Strahlung zum Erzeugen einer stoffschlüssigen Verbindung beaufschlagt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei nach Erreichen des Arbeitsdrucks oder nach einem Verringern des Umgebungsdrucks (p_Kammer) des ersten Bauteils (10) das erste Bauteil (10) und/oder das zweite Bauteil (20) mit einer Bewegung zum Erzeugen von Reibungswärme beaufschlagt werden.
8. System (100) zum Verbinden von einem ersten Bauteil (10) mit einem zweiten Bauteil (20) und zum Ausführen des Verfahrens (80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend eine Fügevorrichtung (30) mit einer Anpresskammer (31) und einer Bauteilkammer (32), wobei die Anpresskammer (31) einen Stempel (40) zum einseitigen Kontaktieren des ersten Bauteils (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpresskammer (31) und die Bauteilkammer (32) unabhängig voneinander mit einem Überdruck beaufschlagbar sind und dass das erste Bauteil (10) in der Anpresskammer (31) und das zweite Bauteil (20) in der Bauteilkammer (32) derart anordenbar sind, dass das zweite Bauteil (20) die Anpresskammer (31) luftdicht von der Bauteilkammer (32) abtrennt.
9. System nach Anspruch 8, wobei die Anpresskammer (31) eine endseitige Dichtung (35, 36) zum Ausbilden einer Dichtzone aufweist.
10. System nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Stempel (40) unbeweglich oder als ein Anpressstempel mit einer einstellbaren Anpresskraft (F_Anpress) ausgestaltet ist.

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