DE10240355A1 - Verbundbauteil und Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteiles - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil sowie ein Herstellungsverfahren für solche Verbundbauteile, bei dem mindestens zwei Körper durch eine Lötverbindung stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Aufgabengemäß sollen solche Bauteile stoffschlüssig durch Löten hochpräzise, mit erhöhter Scherfestigkeit und erhöhter Temperaturstabilität dauerhaft miteinander verbunden werden können. Erfindungsgemäß sind für die Herstellung der flußmittelfreien Lötverbindung von mindestens zwei Körpern auf komplementären Oberflächenbereichen dieser Körper jeweils ein Dünnschichtsystem aufgebracht worden. Dieses Dünnschichtsystem besteht aus mindestens einer aus Titan bestehenden Haftschicht, einer aus Platin bestehenden Barriereschicht und einer Lotschicht aus einer Gold/Zinn-Legierung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil sowie ein Herstellungsverfahren, bei dem mindestens zwei Körper durch eine Lötverbindung stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Es handelt sich dabei um ein hochpräzises Fügeverfahren, bei dem mindestens zwei Körper mit sehr hoher Positionsgenauigkeit dauerhaft miteinander verbunden werden können.
  • Für viele Applikationen, bei denen bestimmte Körper dauerhaft stoffschlüssig miteinander verbunden werden sollen, können werkstoffbedingt bei den herkömmlichen Fügeverfahren nur begrenzte Wärmeeinträge vorgenommen und dementsprechend bestimmte Temperaturobergrenzen nicht überschritten werden. So muss in fast allen Fällen die Schmelztemperatur der Werkstoffe von Körpern, die so miteinander verbunden werden sollen, un terschritten bleiben. Insbesondere bei einer entsprechenden Verbindung optischer Elemente darf eine entsprechende Erwärmung auch nicht zu erhöhten Eigenspannungen im Werkstoff, die zu Rissen oder gar zur vollständigen Zerstörung führen können, erreicht werden. Außerdem muss bei optischen Elementen die Transformationstemperatur beim Fügen unterschritten werden.
  • Das Wärmeproblem ist daher bei den gängigen stoffschlüssigen Fügeverfahren Schweißen und Löten zu beachten.
  • Bei den in der Regel für Lötverbindungen eingesetzten herkömmlichen Loten ist auch die Zugabe von Flussmitteln erforderlich, die die Positioniergenauigkeit und die Sauberkeit der optischen Funktionsflächen, insbesondere im Fügespaltbereich beeinträchtigen.
  • Da. bei der Herstellung von stoffschlüsigen Lötverbindungen, die erforderlichen Maximaltesmperaturen in der Regel unterhalb der für die Ausbildung von Schweißverbindungen erforderlichen liegen ist das Löten für viele Applikationsfälle und insbesondere bei den bereits erwähnten optischen und Halbleiterelementen gegenüber dem Schweißen zu bevorzugen. Bei Lotverbindungen ist aber auch die Haftfestigkeit auf den Oberflächen der miteinander zu verbindenden Körper problematisch, so dass die durch Löten hergestellten stoffschlüssige Verbindungen nur begrenzte Zug- und Scherfestigkeiten erreichen können.
  • Aus US 5,622,788 ist ein Lötverfahren und ein entsprechend hergestellter Gegenstand bekannt.
  • Bei dieser Lösung soll auf eine Oberfläche eines mit einem anderen Körper zu verbindenden weiteren Körpers ein Schichtsystem aufgebracht werden. Dieses Schichtsystem besteht aus mindestens einer Haftschicht aus Titan, einer Barriereschicht aus Platin, einer weiteren kostenintensiven Schicht aus reinem Gold, und einer Schicht, die aus einer eutektischem Gold/Zinn-Legierung besteht. Auf die Gold/-Zinnschicht wird unmittelbar die Oberfläche des zu verbindenden Körpers aufgesetzt und die stoffschlüssige Verbindung durch herkömmliches Löten hergestellt. Des Weiteren soll in der Barriereschicht ein Fenster für die Aufnahme des eigentlichen Lotes vorhanden sein, so dass die Herstellung entsprechend erfolgen muss.
  • Ein solcher Aufbau erfolgt in Form von sogenannten „bumps", wie sie üblicherweise bei der Herstellung punktueller elektrisch leitender Verbindungen an Halbleiterbauelementen eingesetzt werden.
  • Bei stoffschlüssigen Verbindungen, die durch Kleben hergestellt worden sind, kann häufig das angesprochene Wärme- und Temperaturproblem in ausreichendem Maße berücksichtigt werden. Durch die beim Erstarren auftretende Schrumpfung, wirkt sich aber wiederum negativ auf die Positioniergenauigkeit der so miteinander verbundenen Körper aus. Des Weiteren können Probleme durch verschiedene Benetzungsverhalten der durch Kleben miteinander verbundenen Körper, wie auch die verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Haftvermittler und Körperwerkstoffen auftreten. Außerdem weisen die Haftvermittler eine begrenzte Temperaturstabilität auf.
  • Es ist daher Aufgabe der Verbindung, ein Verbundbauteil sowie ein Herstellungsverfahren für solche Verbundbauteile vorzuschlagen, mit dem mindestens zwei Körper stoffschlüssig durch Löten hochpräzise, mit erhöhter Scherfestigkeit und erhöhter Temperaturstabilität dauerhaft miteinander verbunder werden können.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verbundbauteil, das die Merkmale des Anspruchs 1 sowie einem Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 16 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
  • Das erfindungsgemäße Verbundbauteil, bei dem mindestens zwei Körper durch eine Lötverbindung stoffschlüssig miteinander verbunden sind, weist gegenüber herkömmlich hergestellten Lötverbindungen eine hohe Festigkeit, was insbesondere die Scherfestigkeit betrifft, auf und es kann eine sehr hohe Positioniergenauigkeit der so miteinander verbundenen Körper in Bezug zueinander erreicht werden.
  • Die miteinander zu verbindenden Körper weisen für die Ausbildung der Lötverbindung auf komplementären Oberflächenbereichen jeweils ein Dünnschichtsystem auf. Dieses Dünnschichtsystem besteht mindestens aus einer Titanhaftschicht, einer Platinbarriereschicht und einer Lotschicht aus einer Gold/Zinn-Legierung. Unter komplementären Oberflächenbereichen soll dabei der für die stoffschlüssige Verbindung ausgenutzte Teil des jeweiligen Körpers verstanden werden. So kann ein Dünnschichtsystem auf der gesamten für die stoffschlüssige Verbindung nutzbaren Oberfläche des jeweiligen Körpers ausgebildet sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Körperoberfläche durch Strukturierung mit dem Dünnschichtsystem in Form eines Rasters oder auch in Ring- bzw. Streifenform auszubil den, wobei in diesen Fällen dann die entsprechenden Oberflächenbereiche des miteinander zu verbindenden weiteren Körpers zumindest in der gleichen Form beschichtet sind, so dass die Lotschichten der miteinander zu verbindenden Körper in berührendem Kontakt zueinander stehen.
  • Die das erfindungsgemäße Verbundbauteil. bildenden Körper können beispielsweise mit präzise computergesteuerten Manipulatoren in Bezug zueinander positioniert, gegebenenfalls in diesen Positionen fixiert und die Lötverbindung durch eine entsprechende Erwärmung, mit nachfolgender Abkühlung, die zur Erstarrung des Lotmaterials führt, stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
  • Um die für das Löten erforderliche Maximaltemperatur soweit wie möglich zu minimieren, kann vorteilhaft eine eutektische Gold/Zinn-Legierung mit 80 Masse-% Gold und 20 Masse-% Zinn für die Lotschicht eingesetzt werden. Mit einer solchen Legierung können die Temperaturen für das Löten unterhalb 300 °C gehalten werden.
  • Es können aber auch unterschiedliche Oberflächenbereiche von Körpern, die stoffschlüssig zu einem Verbundbauteil miteinander verbunden werden sollen, mit einer Lotschicht beschichtet sein, die unterschiedliche Masse-%-Verhältnisse von Gold und Zinn aufweisen. So wird in der Regel mit einem erhöhten Masse-% Anteil an Gold in einer Gold/Zinn-Legierung die für das Löten erforderliche Schmelztemperatur im Vergleich zu einer vorab erwähnten eutektischen Legierung erhöht sein. Dadurch erschließt sich die Möglichkeit, verschiedene Körper sukzessive nacheinander mit der gleichen Fügetechnik zu einem Verbundbauteil zu fü gen. So können beispielsweise zwei Körper, die mit einer nicht eutektischen Gold/Zinn-Legierung als Lotschichten versehen sind, bei einer erhöhten Löttemperatur zu einem Teilverbundbauteil, bei einer Löttemperatur oberhalb 300 °C gefügt werden und anschließend mindestens ein weiteren Körper mit einem oder mehreren Körpern stoffschlüssig verbunden werden. Dabei sind dann die für diese Verbindung genutzten Lotschichtbereiche aus einer eutektischen Gold/Zinn-Legierung gebildet, so dass sie bei einer kleineren Löttemperatur unterhalb 300 °C, ohne dass die vorab gefügten Lotverbindungen beeinträchtigt werden, miteinander verbunden werden können.
  • Bei den erfindungsgemäß auf den Körperoberflächen auszubildenden Dünnschichtsystemen kann vorteilhaft mindestens eine zweite Haft- oder Barriereschicht zwischen der Haft- und der Lotschicht ausgebildet werden. Es ergibt sich dementsprechend eine Schichtfolge Haftschicht, erste Barriereschicht, zweite Haft- oder Barriereschicht und Lotschicht.
  • So kann die zweite Haftschicht aus Titan in elementarer Form oder eine zweite Barriereschicht aus Titannitrid gebildet sein.
  • Insbesondere bei metallischen Werkstoffen von Körpern ist es aber günstig, eine solche zweite Barriereschicht aus Titannitrid einzusetzen.
  • Die Dicke der Haftschichten sollte mindestens 20 nm, bevorzugt ca. 30 nm, die Dicken der Barriereschichten mindestens 50 nm, bevorzugt 100 nm und die Dicke der Lotschicht mindestens 2,5 μm, bevorzugt mindestens 3 μm erreichen.
  • Die auf den miteinander stoffschlüssig zu verbindenden Körpern ausgebildeten Dünnschichtsysteme können mit den verschiedensten an sich bekannten CVD- oder PVD-Vakuumbeschichtungsverfahren ausgebildet werden.
  • Besonders vorteilhaft können die einzelnen, das Dünnschichtsystem bildenden Schichten sukzessive nacheinander aus den unterschiedlichen Werkstoffen in einer einzigen Vakuumkammer ausgebildet werden, ohne eine zwischenzeitliche Flutung durchzuführen. Dies trifft auch für eine reaktiv gebildete Barriereschicht aus Titannitrid zu.
  • So kann ein erfindungsgemäß einzusetzendes Dünnschichtsystem auf den Körpern innerhalb einer Vakuumkammer durch DC-Magnetronsputtern hergestellt werden, wobei in diesem Falle für jede einzelne Schicht innerhalb der Vakuumkammer eine gesonderte Sputterquelle vorhanden sein kann und der jeweilige Körper beispielsweise durch Bewegung eines geeigneten Trägers von Quelle zu Quelle bewegt wird.
  • Für die Einhaltung der gewünschten hohen Positioniergenauigkeit der miteinander zu verbindenden Körper sollte auf dem jeweiligen Körper das Dünnschichtsystem eine konstante Dicke aufweisen, wobei dies auf die Gesamtdicke und möglichst auch die Dicke der Einzelschichten zutreffen sollte. Dies bedeutet, dass die Schichtdicke an allen Punkten der entsprechenden Oberfläche des Körpers konstant ist. Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, dass die Schichtdicke des Dünnschichtsystems auf den mindestens zwei miteinander zu verbindenden Körpern auch jeweils gleich ist.
  • Insbesondere für die Erhöhung der Haftfestigkeit der Dünnschichtsysteme auf den entsprechend. beschichteten Körpern und dementsprechend auch einer insgesamt erhöhten Scherfestigkeit der Lötverbindung, ist es vorteilhaft zumindest die Oberflächenbereiche, auf denen das Dünnschichtsystem ausgebildet werden soll, vorab durch Trockenätzen zu modifizieren. Dies kann bevorzugt durch Ionenbeschuss mit einem Argonplasma durchgeführt werden, wobei die Oberflächenmodifizierung ebenfalls in der gleichen Vakuumkammer, ohne zwischenzeitliches Fluten erfolgen kann und auch sollte.
  • Mit einer solchen Beschichtungsvariante können außerdem auch chemische Reaktionen der eingesetzten Schichtwerkstoffe vermieden werden. Und außerdem liegt es auf der Hand, dass dadurch, wie auch durch den Verzicht auf eine Gold-Zwischenschicht die Kosten reduziert werden können.
  • Bei der Erfindung können Körper aus den verschiedensten Werkstoffen zu einem Verbundbauelement dauerhaft miteinander stoffschlüssig verbunden werden. Die Körper können beispielsweise aus Gläsern, Keramiken und auch Metallen bestehen. So können Körper aus gleichen, aber auch aus unterschiedlichen Werkstoffen miteinander verbunden werden.
  • Die Erfindung lässt sich sehr vorteilhaft auch für die Herstellung von Verbundbauteilen, bei denen mindestens einer der Körper ein optisches Element ist, einsetzen. So können beispielsweise optische Linsen oder optische Filter mit einer Fassung aus einem anderen Werkstoff verbunden werden.
  • Es können Körper aus Glas, wie z.B. BK7, silberhaltige Gläser, optische Gläser, Glaskeramiken aber auch metallische Körper aus Kupfer oder Aluminium zu einem Verbundbauteil gefügt werden.
  • Neben den bereits erwähnten optischen Elementen können aber auch Lichtwellenleiter ein Körper für die Verbundbauteile sein. So können beispielsweise Lichtleitfasern mit einem Optokoppler verbunden werden. In diesem Fall ist dann das jeweilige Dünnschichtsystem zumindest bereichsweise auf der jeweils inneren bzw. äußeren Mantelfläche dieser optischen Elemente, als Beispiel für Körper, ausgebildet.
  • Die eigentliche stoffschlüssige Verbindung der das jeweilige Verbundbauteil bildenden Körper kann unter Berücksichtigung der eingesetzten Werkstoffe und Körpergeometrien erfolgen. Dabei können die mechanische Festigkeit, die optischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften berücksichtigt werden.
  • So besteht selbstverständlich die Möglichkeit, die in Bezug zueinander positionierten und fixierten Körper in einem herkömmlichen Ofen, auf die für das Löten erforderliche Temperatur zu erwärmen, wobei in diesem Fall alle Teile und Bereiche sämtlicher ein solches Verbundbauteil bildenden Körper bis auf die Löttemperatur erwärmt werden.
  • Insbesondere bei ausreichender mechanischer Festigkeit der Werkstoffe der miteinander zu fügenden Körper, kann aber auch die Verbindung durch Diffusionslöten, bei erniedrigter Löttemperatur durchgeführt werden.
  • Für die Herstellung eines Verbundbauteiles mit mindestens einem optischen Element ist es aber vorteilhaft, die Lötverbindung durch Laserlöten oder durch Induktionslöten herzustellen.
  • So kann ein entsprechend fokussierter und geführter Laserstrahl entlang eines Fügespaltes bewegt werden und so seine hohe Energiedichte nur in diesem eng begrenzten Bereich wirken.
  • Bei einem für die Wellenlänge des Laserstrahls transparentem Werkstoff kann der Laser auch durch den Körperwerkstoff auf die Dünnschichtsysteme gerichtet und möglichst im Bereich der miteinander tatsächlich stoffschlüssig zu verbindenden Lotschichten fokussiert werden.
  • Das Induktionslöten bietet sich insbesondere dann an, wenn die miteinander zu fügenden Körper aus dielektrischen Werkstoffen, in denen keine Wirbelströme induziert werden können, bestehen. Dadurch kann mit einem entsprechend geeignet gestalteten Induktor der Wärmeeintrag nahezu ausschließlich in den beiden Dünnschichtsystemen erfolgen und die übrigen Wärmebereiche lediglich ihre Temperatur durch Wärmeleitung erhöhen. Dabei kann auch die bei dielektrischen Werkstoffen bekannte schlechte Wärmeleitung vorteilhaft ausgenutzt werden. Das Induktionslöten ist besonders vorteilhaft einzusetzen, wenn einer der Körper im zu fügenden Teil zylinderförmig und im weiteren Körper eine zylindrische Öffnung ausgebildet ist.
  • Nachfolgend sollen Beispiele für die Ausbildung von Dünnschichtsystemen auf Oberflächenbereichen von Verbundbauteile bildenden Körpern näher beschrieben werden.
  • Dabei kann ein Körper, der aus verschiedensten Werkstoffen, wobei einige Beispiele vorab bereits bezeichnet worden sind, innerhalb einer Vakuumkammer bei einem Arbeitsdruck von ca. 2 * 10–3 mbar beschichtet und vorab die Oberfläche durch Trockenätzen, z.B. durch HF-Sputterätzen modifiziert werden.
  • Es werden hierfür das DC-Magnetronsputtern eingesetzt.
  • Das Trockenätzen wird mit Argon als Arbeitsgas, bei einer Leistung von 500 W über einen Zeitraum von 180 s durchgeführt.
  • Der Abstand zwischen zu beschichtender Körperoberfläche und dem Target sollte bei 65 mm gehalten werden.
  • Nachdem die Körperoberfläche modifiziert worden ist, kann das Dünnschichtsystem ausgebildet werden. Dabei wird der Arbeitsdruck, auf dem bereits bezeichneten Wert gehalten und bei einer Sputterleistung von 800 W zuerst die Titanhaftschicht mit einer Sputterrate von 2,5 nm/s mit einer Schichtdicke von 30 nm ausgebildet.
  • Anschließend wird die Barriereschicht aus Platin bei einer Sputterleistung von 500 W, mit einer Sputterrate von 2,2 nm/s mit einer Schichtdicke von 100 nm ausgebildet.
  • Auf diese Barriereschicht wird dann aus einem eutektischen Gold/Zinn-Target die Lotschicht einer Sputterleistung von 800 W, mit einer Sputterrate von 10 nm/s bis zu einer Schichtdicke von 3,5 μm ausgebildet.
  • Bei einem zweiten Beispiel für einen an einem Körper einsetzbaren Dünnschichtsystem wurde zwischen der Lotschicht aus der Gold/Zinn-Legierung und der ersten Barriereschicht aus Platin eine zweite Haftschicht aus Titan, mit einer Schichtdicke von 15 nm ausgebildet. Dabei wurden die gleichen Verfahrensparameter eingehalten, die auch bei der Ausbildung der Haftschicht aus Titan genutzt worden sind.
  • Bei einem dritten Beispiel wurde ein Dünnschichtsystem mit Haftschicht Titan, erste Barriereschicht Platin, zweite Barriereschicht Titannitrid und Lotschicht aus Gold/Zinn-Legierung auf einem Körper aufgebracht.
  • Für die Ausbildung der Haftschicht der ersten Barriereschicht und der Lotschicht, wurde wie: bei den vorab beschriebenen Beispielen verfahren.
  • Die Titannitridschicht mit einer Schichtdicke von 30 nm mit Verwendung eines Titantargets und durch Zufuhr von gasförmigem Stickstoff reaktiv gebildet. Dabei wurde die Sputterleistung auf 800 W eingestellt und eine Sputterrate für das gebildete Titannitrid von 2,2 nm/s erreicht.
  • Für diese Dünnschichtsysteme wurde die Haftfestigkeit auf Glaskörpern mittels Tapetest (ISO 9211-02-03-01) durchgeführt.
  • Bei durch Löten stoffschlüssig miteinander verbundenen Körpern auf Glas wurden Scherfestigkeiten von mindestens 100 MPa erreicht, die im Bereich von herkömmlichen Hartlötverbindungen liegen.
  • Bei den so hergestellten Verbundbauteilen konnte keinerlei Verzug an den verbundenen Körpern und auch infolge der Flussmittelfreiheit eine hohe Füge- und Positionierpräzision der entsprechend miteinander ver bundenen Körper eingehalten werden.
  • Die Scherfestigkeit wurde an Glaskörpern, deren planare Oberflächenbereiche durch Laserlötung verbunden worden sind, bestimmt. Diese wurden punktuell miteinander verbunden, wobei mehrere Lötpunkte ausgebildet worden sind. Es wurde auch eine Prüfung an ringförmigen Konturen durchgeführt.
  • Für die Messung wurde eine Abschervorrichtung eingesetzt, die eine Krafteinleitung in die Lotschichtebene, senkrecht zur Flächennormalen dieser Ebene ermöglicht und ein Verkippen der miteinander verbundenen Glaskörper verhindert. Die Krafteinleitung erfolgte mit einer Zug-Druckprüfmaschine der Firma Instron und die eingesetzten Maximalkräfte wurden mit einer 2kN Krafmessdose bestimmt. Es konnten so Scherfestigkeiten, bezogen auf die jeweiligen stoffschlüssig verbundenen Flächen oberhalb 100 MPa bestimmt werden.
    •

Claims (26)

  1. Verbundbauteil, bei dem mindestens zwei Körper durch eine flußmittelfreie Lötverbindung stoffschlüssig miteinander verbunden sind, dabei für die Lötverbindung auf komplementären Oberflächenbereichen der Körper jeweils ein Dünnschichtsystem aufgebracht worden ist, das aus mindestens einer aus Titan bestehenden Haftschicht, einer aus Platin bestehenden Barriereschicht und einer Lotschicht aus einer Gold/Zinn-Legierung gebildet ist.
  2. Verbundbauteil, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotschichten aus einer eutektischen Gold/Zinn-Legierung mit 80 Masse-% Gold und 20 Masse-% Zinn gebildet sind.
  3. Verbundbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Haftschicht und Lotschicht mindestens eine zweite Haft- oder Barriereschicht ausgebildet ist.
  4. Verbundbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Haftschicht aus Titan besteht.
  5. Verbundbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Barriereschicht aus Titannitrid besteht.
  6. Verbundbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht eine Dicke von mindestens 20 nm aufweist.
  7. Verbundbauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Barriereschicht eine Schichtdicke von mindestens 50 nm aufweist.
  8. Verbundbauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotschicht eine Schichtdicke von mindestens 2,5 μm aufweist.
  9. Verbundbauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein auf einem Körper ausgebildetes Dünnschichtsystem eine konstante Dicke aufweist.
  10. Verbundbauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Körper ein optisches Element ist.
  11. Verbundbauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Körper ein Lichtwellenleiter ist.
  12. Verbundbauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scherfestigkeit der Lötverbindung ≥ 100 MPa ist.
  13. Verbundbauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dünnschichtsystem auf der gesamten für die stoffschlüssige Verbindung nutzbaren Oberfläche von Körpern ausgebildet ist.
  14. Verbundbauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dünnschichtsystem in Form einer Strukturierung auf der Oberfläche der Körper ausgebildet ist.
  15. Verbundbauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Bereichen der Oberfläche der Körper Lotschichten mit unterschiedlichen Masse-%-Verhältnissen von Gold und Zinn vorhanden sind
  16. Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteiles, bei dem mindestens zwei Körper durch eine flußmittelfreie Lötverbindung stoffschlüssig miteinander verbunden sind, bei dem die Körper, auf denen jeweils auf komplementären Oberflächenbereichen ein aus mindestens einer aus Titan bestehenden Haftschicht, einer aus Platin bestehenden Barriereschicht und einer aus einer Gold/Zinn-Legierung bestehenden Lotschicht gebildetes Dünnschichtsystem mittels Vakuumbeschichtungsverfahren ausgebildet worden ist, so zueinander positioniert werden, dass die beschichteten Oberflächenbereiche mit den Lotschichten in berührendem Kontakt stehen und die Lötverbindung durch einen Wärmeeintrag hergestellt wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Dünnschichtsystem auf Körper in einer Vakuumkammer aufgebracht wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Dünnschichtsystem durch DC-Magnetronsputtern ausgebildet wird.
  19. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dasss die zu beschichtende Oberfläche der Körper vorab durch Trockenätzen modifiziert wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenmodifizierung durch Ionenbeschuss mit einem Argonplasma durchgeführt wird.
  21. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Haftschicht und der Lotschicht mindestens eine zweite Barriereschicht aus Titan ausgebildet wird.
  22. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Haftschicht und der Lotschicht mindestens eine zweite Barriereschicht aus Titannitrid ausgebildet wird.
  23. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine eutektische Gold/Zinn-Legierung mit 80 Masse-% Gold und 20 Masse-% Zinn verwendet wird.
  24. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötverbindung durch Laserstrahllöten hergestellt wird.
  25. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötverbindung innerhalb eines Ofens hergestellt wird.
  26. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüch3 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötverbindung durch Induktionslöten hergestellt wird.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008083676A1 (de) 2007-01-09 2008-07-17 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zum fügen justierter diskreter optischer elemente
US7468293B2 (en) 2005-05-26 2008-12-23 Jenoptik Laser, Optik, Systeme Gmbh Method for the production of window elements which can be soldered into a housing in a hermetically tight manner and of a window element sealing a housing
DE102007029989A1 (de) 2007-06-28 2009-01-02 Askion Gmbh Anordnung und Verfahren zur Präzisionsmontage und Präzisionslagerung eines Bauteils auf einem Träger bei einer Präzisionslötverbindung
WO2010133368A1 (de) * 2009-05-20 2010-11-25 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Gefasste optische komponente, verfahren zu deren herstellung sowie deren verwendung
US8247259B2 (en) 2007-12-20 2012-08-21 Osram Opto Semiconductors Gmbh Method for the production of an optoelectronic component using thin-film technology
DE102017201679A1 (de) 2017-02-02 2018-08-02 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zum Fügen von Bauteilen auf eine Trägerstruktur unter Einsatz von elektromagnetischer Strahlung

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0517369B1 (de) * 1991-05-10 1997-04-02 Nortel Networks Corporation Verfahren zur Herstellung von optoelektronischen, hybriden Modulen
US5622788A (en) * 1994-12-13 1997-04-22 Lucent Technologies Inc. Method of solder bonding, and article produced by the method

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0517369B1 (de) * 1991-05-10 1997-04-02 Nortel Networks Corporation Verfahren zur Herstellung von optoelektronischen, hybriden Modulen
US5622788A (en) * 1994-12-13 1997-04-22 Lucent Technologies Inc. Method of solder bonding, and article produced by the method

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JP 5702902 A in Derwent Abstract Nr. 82-23314E/12
JP 57029021 A in Derwent Abstract Nr. 82-23314E/12 *
JP 57029021 A in Patent Abstracts of Japan *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7468293B2 (en) 2005-05-26 2008-12-23 Jenoptik Laser, Optik, Systeme Gmbh Method for the production of window elements which can be soldered into a housing in a hermetically tight manner and of a window element sealing a housing
WO2008083676A1 (de) 2007-01-09 2008-07-17 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zum fügen justierter diskreter optischer elemente
US8431477B2 (en) 2007-01-09 2013-04-30 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Forderung Der Angewandten Forschung E.V. Method for joining aligned discrete optical elements
DE102007029989A1 (de) 2007-06-28 2009-01-02 Askion Gmbh Anordnung und Verfahren zur Präzisionsmontage und Präzisionslagerung eines Bauteils auf einem Träger bei einer Präzisionslötverbindung
US8247259B2 (en) 2007-12-20 2012-08-21 Osram Opto Semiconductors Gmbh Method for the production of an optoelectronic component using thin-film technology
WO2010133368A1 (de) * 2009-05-20 2010-11-25 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Gefasste optische komponente, verfahren zu deren herstellung sowie deren verwendung
US9233430B2 (en) 2009-05-20 2016-01-12 Frauhnhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. Mounted optical component, method for the production thereof and use of same
DE102017201679A1 (de) 2017-02-02 2018-08-02 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zum Fügen von Bauteilen auf eine Trägerstruktur unter Einsatz von elektromagnetischer Strahlung
WO2018141568A1 (de) 2017-02-02 2018-08-09 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. Verfahren zum fügen von bauteilen auf eine trägerstruktur unter einsatz von elektromagnetischer strahlung

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