DE102021209035A1

DE102021209035A1 - Verfahren zum Erzeugen einer Fügeverbindung zwischen wenigstens zwei Fügepartnern, sowie Materialverbund aus wenigstens zwei Fügepartnern

Info

Publication number: DE102021209035A1
Application number: DE102021209035.4A
Authority: DE
Inventors: Steven Maul; Rainer Holz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-08-18
Filing date: 2021-08-18
Publication date: 2023-02-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zum Erzeugen einer, insbesondere thermisch und/oder elektrisch leitfähigen, Fügeverbindung zwischen wenigstens zwei, insbesondere artungleichen oder artgleichen, Fügepartnern (10, 20, 40) mit den Schritten:- Strukturieren (101) einer ersten Oberfläche (12) des ersten Fügepartners (10) zur Erzeugung von dreidimensionalen Strukturen (14), insbesondere von mikroskopischen und/oder nanoskopischen Hinterschneidungen, auf der ersten Oberfläche (12) des ersten Fügepartners (10);- Bereitstellen (104) eines Lotes (40) zwischen der strukturierten ersten Oberfläche (12) des ersten Fügepartners (10) und einer zweiten Oberfläche (22, 42) des zweiten Fügepartners (20, 40);- Verbinden (105) der ersten Oberfläche (12) des ersten Fügepartners (10) unter Zwischenlage des Lotes (30) mit der zweiten Oberfläche (22, 42) des zweiten Fügepartners (20, 40) durch mechanisches Zusammenpressen der beiden Oberflächen (12, 22, 42) und/oder durch Erwärmen der Fügepartner (10, 20, 40) und/oder des Lotes (30).

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Erzeugen einer, insbesondere thermisch und/oder elektrisch leitfähigen, Fügeverbindung zwischen wenigstens zwei, insbesondere artungleichen oder artgleichen, Fügepartnern sowie einem Materialverbund aus wenigstens zwei Fügepartnern, wobei die Fügepartner durch eine Fügeverbindung zwischen wenigstens zwei, insbesondere artungleichen oder artgleichen, Fügepartnern nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Beim Weichlöten wird für den Lötvorgang ein Flussmittel aufgetragen. Das Flussmittel reduziert die Oberfläche beim Löten und soll die erneute Oxidbildung vor und während des Lötvorgangs verhindern, da die Oxidbildung ansonsten die Fließ- und Benetzungseigenschaften des Lotes auf der Oberfläche stark reduzieren würde. Zusätzlich dient das Flussmittel dazu, Einschlüsse von Fremdstoffen während des Lötvorgangs zu verringern. Ein weiterer Effekt ist das Verringern der Oberflächenspannung des flüssigen Lotes.
Die Art der Flussmittel ist vom Anwendungsgebiet abhängig. Viele Flussmittel müssen nach der Lötung beseitigt werden, da sie sonst korrosiv wirken.
Aufgrund seiner dichten und stabilen Oxidschicht ist Aluminium bislang nur durch den Einsatz hochkorrosiver Flussmittel oder spezieller Prozesstechniken oder einer zusätzlichen metallischen Beschichtung weichlötbar. Dies macht das Weichlöten von Aluminium teuer und aufwendig.
Aus der DE 10 2010 003 832 A1 ist ein Flussmittel für das Löten sowie ein Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund wird mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Erzeugen einer, insbesondere thermisch und/oder elektrisch leitfähigen, Fügeverbindung zwischen wenigstens zwei, insbesondere artungleichen oder artgleichen, Fügepartnern vorgestellt. Das Verfahren weist einen Schritt des Strukturierens einer ersten Oberfläche des ersten Fügepartners zur Erzeugung von dreidimensionalen Strukturen auf der ersten Oberfläche des ersten Fügepartners auf. Bevorzugt werden hierdurch mikroskopische und/oder nanoskopische Hinterschneidungen auf der ersten Oberfläche des ersten Fügepartners erreicht. Das Verfahren weist weiterhin einen Schritt des Bereitstellens eines Lotes zwischen der strukturierten ersten Oberfläche des ersten Fügepartners und einer zweiten Oberfläche des zweiten Fügepartners auf. Ferner weist das Verfahren einen Schritt des Verbindens der ersten Oberfläche des ersten Fügepartners unter Zwischenlage des Lotes mit der zweiten Oberfläche des zweiten Fügepartners durch mechanisches Zusammenpressen der beiden Oberflächen und/oder durch Erwärmen der Fügepartner und/oder des Lotes auf.
Unter Fügen kann ein fertigungstechnisches Verfahren verstanden werden, bei welchem die zwei Fügepartner dauerhaft miteinander verbunden werden. Hierbei kann das Lot als Verbindungsschicht zwischen den beiden Fügepartnern fungieren. Unter einem Fügepartner kann ein, insbesondere mechanisches, Bauelement bzw. Bauteil verstanden werden, welches durch den Fügeprozess mit einem weiteren Bauelement bzw. Bauteil oder mit einer Baugruppe, bestehend aus einer Mehrzahl an Bauelementen bzw. Bauteilen, dauerhaft, insbesondere kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig und/oder formschlüssig, verbunden wird. Unter einem Lot kann ein Mittel, das Metalle durch Löten verbindet, verstanden werden. Das Lot kann aus einer Mischung (Legierung) unterschiedlicher Metalle bestehen. Beispielsweise können Blei, Zinn, Zink, Silber und/oder Kupfer als Lotwerkstoff verwendet werden. Das Lot kann als ein Weichlot oder als ein Hartlot ausgebildet sein. Unter einer Hinterschneidung kann eine Struktur verstanden werden, die Vorsprünge mit wenigstens bereichsweise, insbesondere spitzen und/oder kantigen, Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweist. Unter einem Erwärmen der Fügepartner und/oder des Lotes kann verstanden werden, dass das Lot auf eine Temperatur gebracht wird, bei welcher es schmilzt oder zumindest erweicht.
Vorteile der Erfindung
Durch dieses Verfahren kann eine mechanisch besonders stabile Verbindung zwischen den beiden Fügepartnern erreicht werden. Insbesondere zeichnet sich die Verbindung durch ihre besonders günstige thermische und/oder elektrische Leitfähigkeit aus. Des Weiteren kann bei diesem Verfahren vorteilhaft auf Flussmittel verzichtet werden, was das Verfahren günstiger, umweltfreundlicher und schneller durchführbar macht, da auf weitere Verfahrensschritte zum nachträglichen Entfernen des/der Flussmittel verzichtet werden kann.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass vor dem Schritt des Verbindens die zweite Oberfläche des zweiten Fügepartners zur Erzeugung von dreidimensionalen Strukturen auf der zweiten Oberfläche des zweiten Fügepartners strukturiert wird. Dies kann bevorzugt auch während des Schritts des Strukturierens der ersten Oberfläche erfolgen. Bevorzugt werden hierdurch auch mikroskopische und/oder nanoskopische Hinterschneidungen auf der zweiten Oberfläche des zweiten Fügepartners erreicht. Hierdurch lassen sich die zwei Fügepartner besonders stabil und dauerhaft verbinden und die Verbindung bildet eine besonders gute mechanische Stabilität und eine thermische und/oder elektrische Leitfähigkeit aus.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass im Schritt des Strukturierens eine spezifische Oberfläche der ersten Oberfläche des ersten Fügepartners und/oder eine spezifische Oberfläche der zweiten Oberfläche des zweiten Fügepartners wenigstens bereichsweise erhöht wird. Unter der spezifischen Oberfläche kann hierbei im Unterscheid zu einer äußeren, von außerhalb direkt ersichtlichen Oberfläche die Oberfläche verstanden werden, die durch die Gesamtheit der Oberflächen der dreidimensionalen Strukturen auf der ersten Oberfläche bzw. auf der zweiten Oberfläche gebildet wird. Hierdurch kann sich das Lot auf einem besonders großen Bereich auf der ersten Oberfläche und/oder der zweiten Oberfläche anlagern und als Bindeglied zwischen den Fügepartnern fungieren. Durch die Erhöhung der spezifischen Oberfläche erhöht sich zusätzlich die Oberflächenenergie der ersten Oberfläche und/oder der zweiten Oberfläche, wodurch die Benetzung mit einem, insbesondere flüssigen bzw. aufgeschmolzenen, Lotwerkstoff verbessert wird. Somit kann eine besonders stabile, dauerhafte Verbindung zwischen den zwei Fügepartnern erreicht werden und es bildet sich ferner eine besonders gute thermische und/oder elektrische Leitfähigkeit zwischen den Fügepartnern aus.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass im Schritt des Strukturierens die dreidimensionalen Strukturen als wenigstens teilweise übereinandergestapelte, mikroskopische und/oder nanoskopische, Quader und/oder Würfel ausgebildet werden. Die dreidimensionalen Strukturen können hierbei in ihrer Höhe im Wesentlichen variabel eingestellt werden. Hierdurch kann sich das Lot besonders gut auf der ersten Oberfläche des ersten Fügepartners und/oder auf der zweiten Oberfläche des zweiten Fügepartners eindringen und so mit dem ersten Fügepartner und/oder dem zweiten Fügepartner eine besonders stabile mechanische Verbindung ausbilden, wodurch beide Fügepartner besonders fest miteinander verbunden werden und sich an der Fügeverbindung eine besonders hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit ausbildet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Strukturieren mittels eines elektrochemischen und/oder chemischen, insbesondere nasschemischen, Ätzverfahrens erfolgt. Hierdurch wird eine besonders große spezifische Oberfläche und somit eine besonders stabile Verbindung zwischen den beiden Fügepartnern erreicht.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn im Schritt des Verbindens das Lot, insbesondere durch das Zusammenpressen und/oder durch das Erwärmen, die Hinterschneidungen auf der ersten Oberfläche des ersten Fügepartners infiltriert, um eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Lot und der ersten Oberfläche des ersten Fügepartners auszubilden. Durch diese Infiltration des Lots kann sich das Lot auf einem besonders großen Bereich auf der ersten Oberfläche anlagern. Hierdurch wird einerseits die mechanische Stabilität der Verbindung erhöht und andererseits eine besonders hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit der Fügeverbindung erreicht. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass im Schritt des Verbindens das Lot, insbesondere durch das Zusammenpressen und/oder durch das Erwärmen, die Hinterschneidungen auf der zweiten Oberfläche des zweiten Fügepartners infiltriert, um eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Lot und der zweiten Oberfläche des zweiten Fügepartners auszubilden. Hierdurch kann sich das Lot auf einem besonders großen Bereich auch auf der zweiten Oberfläche anlagern. Somit wird einerseits die mechanische Stabilität der Verbindung erhöht und andererseits eine besonders hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit der Fügeverbindung erreicht.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass im Schritt des Verbindens das Lot, insbesondere durch das Zusammenpressen und/oder durch das Erwärmen, eine konventionelle Lötverbindung, insbesondere unter Ausbildung einer intermetallischen Phase, mit wenigstens einer der ersten Oberfläche des ersten Fügepartners oder der zweiten Oberfläche des zweiten Fügepartners ausbildet. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn zwei artungleiche Fügepartner verbunden werden sollen, wobei einer der Fügepartner konventionell lötbar ist und bei welchem auf eine Strukturierung der Oberfläche verzichtet werden kann. Hierdurch kann eine besonders stabile mechanische Verbindung zwischen zwei artungleichen Fügepartnern mit einer besonders guten thermischen und elektrischen Leitfähigkeit erreicht werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass im Schritt des Verbindens das Lot auf eine Mindesttemperatur, insbesondere auf eine Schmelztemperatur, erwärmt wird. Hierdurch wird gewährleistet, dass das Lot besonders tief in die spezifische Oberfläche bzw. in die Hinterschneidungen auf der ersten Oberfläche und/oder auf der zweiten Oberfläche eindringt und so eine besonders stabile formschlüssige Verbindung mit dem ersten Fügepartner und/oder dem zweiten Fügepartner eingeht. Hierdurch wird eine besonders stabile mechanische Verbindung zwischen den beteiligten Fügepartner erreicht und eine besonders hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit der Fügeverbindung gewährleistet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass wenigstens der Schritt des Verbindens unter einer sauerstofffreien Atmosphäre oder unter einem Unterdruck, insbesondere von weniger als 100 mbar, bevorzugt weniger als 10 mbar, besonders bevorzugt von weniger als 1 mbar, erfolgt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass weitere, bevorzugt alle Schritte des Verfahrens unter der sauerstofffreien Atmosphäre oder unter dem Unterdruck erfolgen. Hierdurch kann ein Oxidieren und/oder Verunreinigen der strukturierten ersten Oberfläche und/oder der zweiten Oberfläche vermieden werden, was sich günstig auf die Stabilität sowie die thermische und elektrische Leitfähigkeit der entstehenden Fügeverbindung auswirkt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass nach dem Schritt des Verbindens die beiden zusammengefügten Fügepartner, insbesondere während des mechanischen Zusammenpressens und/oder unter der sauerstofffreien Atmosphäre, abgekühlt werden. Hierdurch kann eine besondere stabile mechanische Verbindung zwischen den beteiligten Fügepartnern erreicht und eine besonders hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit der Fügeverbindung gewährleistet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass beide Fügepartner im Wesentlichen aus Aluminium bestehen. Hierbei kann das Lot beide strukturierte Oberflächen der beiden artgleichen Fügepartner infiltrieren und so formschlüssige Verbindungen mit den Fügepartnern eingehen, was in einer besonders stabilen, formschlüssigen Verbindung der beiden Fügepartner resultiert.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass einer der beiden Fügepartner im Wesentlichen aus Aluminium und der andere Fügepartner im Wesentlichen aus Kupfer besteht. Hierbei kann das Lot die strukturierte Oberfläche des aus Aluminium bestehenden Fügepartners infiltrieren und so eine formschlüssige Verbindung mit diesem Fügepartner eingehen. Die Oberfläche des im Wesentlichen aus Kupfer bestehenden Fügepartners kann ebenfalls gemäß einem der vorstehend genannten Schritte strukturiert werden, was ebenfalls in einer formschlüssigen Verbindung des Lots mit dem im Wesentlichen aus Kupfer bestehenden Fügepartner resultiert. Da Kupfer jedoch an sich gut lötbar ist, kann sich auch ohne die Strukturierung der Oberfläche eine mechanisch stabile konventionelle Lötverbindung zwischen dem Lot und der Kupferoberfläche unter Ausbildung einer intermetallischen Phase ergeben. In jedem Falle resultiert dies in einer besonders stabilen, formschlüssigen Verbindung der beiden Fügepartner und einer besonders hohen thermischen und elektrischen Leitfähigkeit der Fügeverbindung.
Unter dem Begriff Aluminium kann das (nahezu) reine Elementmetall als auch aus die technisch gängigen Legierungen von vorwiegend Aluminium mit Mangan, Magnesium, Kupfer, Silizium, Nickel, Zink und Beryllium verstanden werden. In der Regel bestehen die Fügepartner aus Vollmetall, es kann sich dabei jedoch auch um geschlossene Hohlkörper handeln.
Das zuvor bereits angesprochene Strukturieren der Oberflächen mittels eines elektrochemischen und/oder chemischen, insbesondere nasschemischen, Ätzverfahrens kann für den im Wesentlichen aus Aluminium bestehenden Fügepartner beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Salzsäure-Lösung mit einer Konzentration von 0,1 bis 10 mol HCI pro Liter Wasser, bevorzugt von 1 bis 7 mol HCl pro Liter Wasser und besonders bevorzugt 1,1 bis 4,2 mol HCl pro Liter Wasser in einem Behälter bereitgestellt wird. Optional wird daraufhin die Salzsäure-Lösung durch chemisches Auflösen einer Menge Aluminium aus dem Intervall 0,5 g bis 17,5 g pro Liter zur Erzeugung einer Ätzlösung geimpft, wobei der Fügepartner aus Aluminium unverzüglich nach dem Impfen zur Ätzlösung gegeben wird. Der Fügepartner aus Aluminium wird nun für ca. 0,1 bis 30 Minuten, bevorzugt von 0,5 bis 10 Minuten in der Ätzlösung geätzt. Eine Temperatur der Ätzlösung kann hierbei in einem Bereich von 15 - 60 °C und bevorzugt von 20 - 50 °C gehalten werden. Bevorzugt wird hierbei die Ätzlösung mit dem zu ätzenden Fügepartner bewegt. Nach dem Ätzen wird der Ätzvorgang binnen weniger Sekunden durch Verdünnen der Ätzlösung mit Wasser gestoppt. Nach dem Entnehmen des Fügepartners aus der Ätzlösung kann dieser mehrfach mit Wasser gespült werden, um die Reste der Ätzlösung zu entfernen. Optional erfolgt ein Trocknen des Fügepartners.
Alternativ kann der Fügepartner auch in einer 40%-igen Salpetersäure-Lösung geätzt werden. Es kann ferner vorgesehen sein, dass der Fügepartner zuerst in der Salzsäure-Lösung und danach zusätzlich noch in der Salpetersäure-Lösung oder in umgekehrter Reihenfolge geätzt wird.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn vor dem Schritt des Bereitstellens des Lotes die erste Oberfläche des ersten Fügepartners und/oder die zweite Oberfläche des zweiten Fügepartners gereinigt und/oder von einer Oxidschicht befreit wird. Hierdurch wird vorteilhaft gewährleistet, dass sich zwischen dem Lot und der ersten Oberfläche und/oder der zweiten Oberfläche, insbesondere zusätzlich zu der formschlüssigen Verbindung, wenigstens bereichsweise eine konventionelle Lötverbindung unter Ausbildung einer intermetallischen Phase ausbildet. Dies erhöht die mechanische Stabilität der Verbindung zwischen den beteiligten Fügepartnern.
Die zuvor genannten Vorteile gelten in entsprechender Weise auch für einen Materialverbund aus wenigstens zwei Fügepartnern, wobei die Fügepartner durch eine Fügeverbindung, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Ausführungen, zwischen wenigstens zwei, insbesondere artungleichen oder artgleichen, Fügepartnern verbunden sind. Hierbei ist eine erste Oberfläche des ersten Fügepartners und eine zweite Oberfläche des zweiten Fügepartners unter Zwischenlage eines zwischen der ersten Oberfläche des ersten Fügepartners und der zweiten Oberfläche des zweiten Fügepartners angeordneten Lotes verbunden. Der Materialverbund zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens eine der beiden Oberflächen dreidimensionale Strukturen, insbesondere mikroskopische oder nanoskopische Hinterschneidungen, aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die dreidimensionalen Strukturen als wenigstens teilweise übereinandergestapelte, mikroskopische und/oder nanoskopische, Quader und/oder Würfel ausgebildet.
Der Materialverbund kann bspw. aus einer Kombination von Fügepartnern aus Aluminium und Kupfer, Aluminium und Stahl oder Kupfer und Stahl bestehen, um nur beispielhaft aufzuzählen, bei welchen Materialkombinationen sich das vorgestellte Fügeverfahren besonders eignet. Der Materialverbund kann beispielsweise in der Aufbau- und Verbindungstechnik eingesetzt werden, bei denen nicht oder nur schwer lötbare Metalle verwendet werden. Eine konkrete Anwendung kann beispielsweise ein Kühlkörper aus Aluminium sein, welcher durch das Verfahren mit einer Kupfer-Leiterplatte oder einem weiteren aus Aluminium bestehenden Bauelement mechanisch verbunden ist, um letztere/s effektiv zu entwärmen.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente werden gleiche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung der Elemente verzichtet wird.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Erzeugen einer Fügeverbindung zwischen wenigstens zwei artgleichen Fügepartnern gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Erzeugen einer Fügeverbindung zwischen wenigstens zwei artungleichen Fügepartnern gemäß einem Ausführungsbeispiel; sowie
3 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zum Erzeugen einer, insbesondere thermisch und/oder elektrisch leitfähigen, Fügeverbindung zwischen wenigstens zwei, insbesondere artungleichen oder artgleichen, Fügepartnern gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Wie bereits vorstehend ausgeführt, wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen einer Fügeverbindung zwischen wenigstens zwei, insbesondere artungleichen oder artgleichen, Fügepartnern, sowie ein Materialverbund, welcher nach diesem Verfahren herstellbar ist, beschrieben, wobei sich die durch dieses Verfahren hergestellte Fügeverbindung durch eine besonders hohe mechanische Stabilität zwischen den beiden Fügepartnern und insbesondere durch eine besonders gute thermische und elektrisch Leitfähigkeit auszeichnet.
In 1 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens 100 zum Erzeugen einer Fügeverbindung zwischen wenigstens zwei artgleichen Fügepartnern gezeigt. In einem ersten Verfahrensschritt 101 wird eine erste Oberfläche 12 eines ersten Fügepartners 10 durch elektrochemisches und/oder chemisches, insbesondere nasschemisches Ätzen (angedeutet durch die drei auf die Oberfläche 12 weisenden Doppelpfeile) strukturiert. Der Fügepartner 10 besteht hierbei im Wesentlichen aus Aluminium. Das Ätzen kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Salzsäure-Lösung mit einer Konzentration von 0,1 bis 10 mol HCl pro Liter Wasser, bevorzugt von 1 bis 7 mol HCl pro Liter Wasser und besonders bevorzugt 1,1 bis 4,2 mol HCl pro Liter Wasser in einem Behälter bereitgestellt wird. Optional wird daraufhin die Salzsäure-Lösung durch chemisches Auflösen einer Menge Aluminium aus dem Intervall 0,5 g bis 17,5 g pro Liter zur Erzeugung einer Ätzlösung geimpft, wobei der Fügepartner aus Aluminium unverzüglich nach dem Impfen zur Ätzlösung gegeben wird. Der Fügepartner aus Aluminium wird nun für ca. 0,1 bis 30 Minuten, bevorzugt von 0,5 bis 10 Minuten in der Ätzlösung geätzt. Eine Temperatur der Ätzlösung kann hierbei in einem Bereich von 15 - 60 °C und bevorzugt von 20 - 50 °C gehalten werden. Bevorzugt wird hierbei die Ätzlösung mit dem zu ätzenden Fügepartner bewegt. Nach dem Ätzen wird der Ätzvorgang binnen weniger Sekunden durch Verdünnen der Ätzlösung mit Wasser gestoppt. Nach dem Entnehmen des Fügepartners aus der Ätzlösung kann dieser mehrfach mit Wasser gespült werden, um die Reste der Ätzlösung zu entfernen. Optional erfolgt ein Trocknen des Fügepartners.
Alternativ kann der Fügepartner auch in einer 40%-igen Salpetersäure-Lösung geätzt werden. Es kann ferner vorgesehen sein, dass der Fügepartner zuerst in der Salzsäure-Lösung und danach zusätzlich noch in der Salpetersäure-Lösung oder in umgekehrter Reihenfolge geätzt wird.
Nach dem Ätzen weist die Oberfläche 12 dreidimensionale Strukturen 14 auf, die als wenigstens teilweise übereinandergestapelte, mikroskopische und/oder nanoskopische, Quader und/oder Würfel ausgebildet sind.
In einem weiteren, nicht dargestellten Verfahrensschritt wird eine zweite Oberfläche 22 eines zweiten Fügepartners 20 durch chemisches Ätzen gemäß dem zuvor beschriebenen Ätzverfahren strukturiert. Der Fügepartner 20 ist artgleich zu dem ersten Fügepartner und besteht bevorzugt im Wesentlichen aus Aluminium.
Nach einem optionalen, nicht dargestellten Reinigungsschritt der ersten Oberfläche 12 und der zweiten Oberfläche 22 wird in einem weiteren Verfahrensschritt 104 ein Lot 30 auf der strukturierten Oberfläche 12 des ersten Fügepartners 10 bzw. zwischen der strukturierten Oberfläche 12 des ersten Fügepartners 10 und der strukturierten Oberfläche 22 des zweiten Fügepartners 20 bereitgestellt. Das Lot 30 kann hierbei als ein Weichlot ausgeführt sein. Das Lot 30 kann eine Zinn-Silber-, eine Zinn-Kupfer- oder eine Zinn-Silber-Kupfer-Legierung aufweisen oder im Wesentlichen aus einer solchen bestehen. Weiterhin kann das Lot 30 als ein Hartlot ausgeführt sein, wobei das Hartlot einen geringeren Schmelzpunkt aufweist als die beiden Fügepartner 10, 20.
In einem weiteren Verfahrensschritt 105 werden die strukturierte Oberfläche 12 des ersten Fügepartners 10 und die strukturierte Oberfläche 22 des zweiten Fügepartners 20 (angedeutet durch die aufeinander weisenden Doppelpfeile) zusammengepresst. Ein Druck, mit welchem die strukturierten Oberflächen 12, 22 zusammengepresst werden, kann in einem Bereich von 0,01 bis 10 MPa, bevorzugt von 0,1 bis 5 MPa liegen. Bevorzugt erfolgt dieser Schritt 105 während die beiden Fügepartner 10, 20 und/oder das Lot 30 erhitzt werden, bis das Lot 30 erweicht oder schmilzt. Ein als Weichlot ausgeführtes Lot 30 besitzt einen Schmelzpunkt von unterhalb 450 °C. Ein als Hartlot ausgeführtes Lot 30 weist einen Schmelzpunkt üblicherweise in einem Bereich zwischen 450 - 650 °C auf. Hierdurch kann das Lot 30 in die Hinterschneidungen der durch das Ätzen entstandenen übereinandergestapelten, mikroskopischen und/oder nanoskopischen, Quader und/oder Würfel auf der ersten Oberfläche 12 und/oder der zweiten Oberfläche 22 eindringen und mit diesen eine formschlüssige Verbindung ausbilden. Optional kann der so entstehende Materialverbund 60 auch noch während eines Abkühlens weiter zusammengepresst werden.
Alle Verfahrensschritte, insbesondere jedoch der Schritt des Verbindens 105 kann hierbei vorteilhafterweise unter einer sauerstofffreien Atmosphäre oder unter einem Unterdruck, insbesondere von weniger als 100 mbar, bevorzugt weniger als 10 mbar, besonders bevorzugt von weniger als 1 mbar, erfolgen.
In 2 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens 100 zum Erzeugen einer Fügeverbindung zwischen wenigstens zwei artungleichen Fügepartnern gezeigt. In einem ersten Verfahrensschritt 101 wird eine erste Oberfläche 12 eines ersten Fügepartners 10 durch chemisches Ätzen (angedeutet durch die drei auf die Oberfläche 12 weisenden Doppelpfeile) gemäß dem zuvor bezüglich 1 beschriebenen Ätzverfahren strukturiert. Der Fügepartner 10 besteht hierbei im Wesentlichen aus Aluminium.
Nach dem Ätzen weist die Oberfläche 12 dreidimensionale Strukturen 14 auf, die als wenigstens teilweise übereinandergestapelte, mikroskopische und/oder nanoskopische, Quader und/oder Würfel ausgebildet sind.
Nach einem optionalen, nicht dargestellten Reinigungsschritt der ersten Oberfläche 12 wird in einem weiteren Verfahrensschritt 104 ein Lot 30 auf der strukturierten Oberfläche 12 des ersten Fügepartners 10 bzw. zwischen der strukturierten Oberfläche 12 des ersten Fügepartners 10 und einer zweiten, insbesondere unstrukturierten, Oberfläche 42 eines zweiten Fügepartners 40 bereitgestellt. Der zweite Fügepartner 40 ist artungleich zu dem ersten Fügepartner und besteht bevorzugt im Wesentlichen aus Kupfer. Das Lot 30 kann hierbei als ein Weichlot ausgeführt sein. Das Lot 30 kann eine Zinn-Silber-, eine Zinn-Kupfer- oder eine Zinn-Silber-Kupfer-Legierung aufweisen oder im Wesentlichen aus einer solchen bestehen. Weiterhin kann das Lot 30 als ein Hartlot ausgeführt sein, wobei das Hartlot einen geringeren Schmelzpunkt aufweist als die beiden Fügepartner 10, 20.
In einem weiteren Verfahrensschritt 105 werden die strukturierte Oberfläche 12 des ersten Fügepartners 10 und die, insbesondere unstrukturierte, Oberfläche 42 des zweiten Fügepartners 40 (angedeutet durch die aufeinander weisenden Doppelpfeile) zusammengepresst. Ein Druck, mit welchem die strukturierten Oberflächen 12, 22 zusammengepresst werden, kann in einem Bereich von 0,01 bis 10 MPa, bevorzugt von 0,1 bis 5 MPa liegen. Bevorzugt erfolgt dieser Schritt 105 während die beiden Fügepartner 10, 40 und/oder das Lot 30 erhitzt werden, bis das Lot 30 erweicht oder schmilzt. Ein als Weichlot ausgeführtes Lot 30 besitzt einen Schmelzpunkt von unterhalb 450 °C. Ein als Hartlot ausgeführtes Lot 30 weist einen Schmelzpunkt üblicherweise in einem Bereich zwischen 450 - 650 °C auf. Hierdurch kann das Lot 30 in die Hinterschneidungen der durch das Ätzen entstandenen übereinandergestapelten, mikroskopischen und/oder nanoskopischen, Quader und/oder Würfel auf der ersten Oberfläche 12 eindringen und mit diesen eine formschlüssige Verbindung ausbilden. Ferner bildet das Lot 30 mit der, insbesondere unstrukturierten, Oberfläche 42 des zweiten Fügepartners 40 eine konventionelle Lötverbindung, insbesondere unter Ausbildung einer intermetallischen Phase, aus, sodass auch der so entstehende Materialverbund 70 aus den zwei artungleichen Fügepartnern 10, 40 mittels einer mechanisch besonders stabilen Fügeverbindung zusammengehalten wird. Optional kann der Materialverbund 70 auch noch während eines Abkühlens weiter zusammengepresst werden.
Alle Verfahrensschritte, insbesondere jedoch der Schritt des Verbindens 105 kann hierbei vorteilhafterweise unter einer sauerstofffreien Atmosphäre oder unter einem Unterdruck, insbesondere von weniger als 100 mbar, bevorzugt weniger als 10 mbar, besonders bevorzugt von weniger als 1 mbar, erfolgen.
In 3 ist ein Ablaufdiagramm des Verfahrens 100 zum Erzeugen einer, insbesondere thermisch und/oder elektrisch leitfähigen, Fügeverbindung zwischen wenigstens zwei, insbesondere artungleichen oder artgleichen, Fügepartnern 10, 20, 40 schematisch dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt 101 wird eine erste Oberfläche 12 des ersten Fügepartners 10 wenigstens bereichsweise strukturiert. In einem optionalen weiteren Verfahrensschritt 102 wird eine zweite Oberfläche 42 des zweiten Fügepartners 20 wenigstens bereichsweise strukturiert. Nach dem Schritt des Strukturierens 101, 102 kann ein optionaler Reinigungsschritt 103 erfolgen, bei welchem die erste Oberfläche 12 und/oder die zweite Oberfläche 22 von Schmutz, insbesondere von einer beim Strukturieren eingesetzten Ätzlösung, befreit werden. Danach erfolgt ein Schritt 104 des Bereitstellens eines Lotes 40 zwischen der strukturierten ersten Oberfläche 12 des ersten Fügepartners 10 und einer zweiten Oberfläche 22, 42 des zweiten Fügepartners 20, 40. Schließlich wird in einem weiteren Schritt 105 die erste Oberfläche 12 des ersten Fügepartners 10 unter Zwischenlage des Lotes 30 mit der zweiten Oberfläche 22, 42 des zweiten Fügepartners 20, 40 durch mechanisches Zusammenpressen der beiden Oberflächen 12, 22, 42 und/oder durch Erwärmen der Fügepartner 10, 20, 40 und/oder des Lotes 30 verbunden, sodass ein Materialverbund 60, 70 entsteht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010003832 A1 [0004]

Claims

Verfahren (100) zum Erzeugen einer, insbesondere thermisch und/oder elektrisch leitfähigen, Fügeverbindung zwischen wenigstens zwei, insbesondere artungleichen oder artgleichen, Fügepartnern (10, 20, 40) mit den Schritten: - Strukturieren (101) einer ersten Oberfläche (12) des ersten Fügepartners (10) zur Erzeugung von dreidimensionalen Strukturen (14), insbesondere von mikroskopischen und/oder nanoskopischen Hinterschneidungen, auf der ersten Oberfläche (12) des ersten Fügepartners (10); - Bereitstellen (104) eines Lotes (40) zwischen der strukturierten ersten Oberfläche (12) des ersten Fügepartners (10) und einer zweiten Oberfläche (22, 42) des zweiten Fügepartners (20, 40); - Verbinden (105) der ersten Oberfläche (12) des ersten Fügepartners (10) unter Zwischenlage des Lotes (30) mit der zweiten Oberfläche (22, 42) des zweiten Fügepartners (20, 40) durch mechanisches Zusammenpressen der beiden Oberflächen (12, 22, 42) und/oder durch Erwärmen der Fügepartner (10, 20, 40) und/oder des Lotes (30).
Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt des Verbindens (105), insbesondere während des Schritts des Strukturierens (101), die zweite Oberfläche (22) des zweiten Fügepartners (20) zur Erzeugung von dreidimensionalen Strukturen (14), insbesondere von mikroskopischen und/oder nanoskopischen Hinterschneidungen, auf der zweiten Oberfläche (22) des zweiten Fügepartners (20) strukturiert (102) wird.
Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Strukturierens (101, 102) eine spezifische Oberfläche der ersten Oberfläche (12) des ersten Fügepartners (10) und/oder eine spezifische Oberfläche der zweiten Oberfläche (22) des zweiten Fügepartners (20) wenigstens bereichsweise erhöht wird.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Strukturierens (101, 102) die dreidimensionalen Strukturen (14) als wenigstens teilweise übereinandergestapelte, mikroskopische und/oder nanoskopische, Quader und/oder Würfel ausgebildet werden.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturieren (101, 102) mittels eines elektrochemischen und/oder chemischen, insbesondere nasschemischen, Ätzverfahrens erfolgt.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Verbindens (105) das Lot (30), insbesondere durch das Zusammenpressen und/oder durch das Erwärmen, die Hinterschneidungen auf der ersten Oberfläche (12) des ersten Fügepartners (10) infiltriert, um eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Lot (30) und der ersten Oberfläche (12) des ersten Fügepartners (10) auszubilden und/oder dass im Schritt des Verbindens (105) das Lot (30), insbesondere durch das Zusammenpressen und/oder durch das Erwärmen, die Hinterschneidungen auf der zweiten Oberfläche (22) des zweiten Fügepartners (20) infiltriert, um eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Lot (30) und der zweiten Oberfläche (22) des zweiten Fügepartners (20) auszubilden.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Verbindens (105) das Lot (30), insbesondere durch das Zusammenpressen und/oder durch das Erwärmen, eine konventionelle Lötverbindung, insbesondere unter Ausbildung einer intermetallischen Phase, mit wenigstens einer der ersten Oberfläche (12) des ersten Fügepartners (10) oder der zweiten Oberfläche (42) des zweiten Fügepartners (40) ausbildet.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Verbindens (105) das Lot (30) auf eine Mindesttemperatur, insbesondere auf eine Schmelztemperatur, erwärmt wird.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der Schritt des Verbindens (105) unter einer sauerstofffreien Atmosphäre oder unter einem Unterdruck, insbesondere von weniger als 100 mbar, bevorzugt weniger als 10 mbar, besonders bevorzugt von weniger als 1 mbar, erfolgt.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt des Verbindens (105) die beiden zusammengefügten Fügepartner (10, 20, 40), insbesondere während des mechanischen Zusammenpressens, abgekühlt werden.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der beiden Fügepartner (10, 20) im Wesentlichen aus Aluminium besteht und der andere Fügepartner (40) im Wesentlichen aus Aluminium oder Kupfer besteht.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt des Bereitstellens (104) des Lotes (30) die erste Oberfläche (12) des ersten Fügepartners (10) und/oder die zweite Oberfläche (22, 42) des zweiten Fügepartners (20, 40) gereinigt und/oder von einer Oxidschicht befreit wird.
Materialverbund (60, 70) aus wenigstens zwei Fügepartnern (10, 20, 40), wobei die Fügepartner (10, 20, 40) durch eine Fügeverbindung, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, zwischen wenigstens zwei, insbesondere artungleichen oder artgleichen, Fügepartnern (10, 20, 40) verbunden sind, wobei eine erste Oberfläche (12) des ersten Fügepartners (10) und eine zweite Oberfläche (22, 42) des zweiten Fügepartners (20, 40) unter Zwischenlage eines zwischen der ersten Oberfläche (12) des ersten Fügepartners (10) und der zweiten Oberfläche (22, 42) des zweiten Fügepartners (20, 40) angeordneten Lotes (30) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der beiden Oberflächen (12, 22, 42) dreidimensionale Strukturen (14), insbesondere mikroskopische oder nanoskopische Hinterschneidungen, aufweist.
Materialverbund (60, 70) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionalen Strukturen (14) als wenigstens teilweise übereinandergestapelte, mikroskopische und/oder nanoskopische, Quader und/oder Würfel ausgebildet sind.