DE10240355B4 - Composite component and method for producing a composite component - Google Patents

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Abstract

Verbundbauteil, bei dem mindestens zwei Körper durch eine flußmittelfreie Lötverbindung stoffschlüssig miteinander verbunden sind, dabei die Lötverbindung mit auf komplementären Oberflächenbereichen der Körper aufgebrachtem Dünnschichtsystem gebildet ist, das ausgehend vom jeweiligen Körper jeweils mindestens eine aus Titan bestehende erste Haftschicht umfasst, jeweils mindestens eine Barriereschicht, wobei die dem Körper und der Haftschicht nächstliegende erste Barriereschicht aus Platin besteht; und eine gemeinsame Lotschicht aus einer Gold-Zinn-Legierung umfasst, und an unterschiedlichen Oberflächenbereichen der Körper die Gold-Zinn-Lotschichten vorgesehen sind, derart, dass die Lotschichten unterschiedliche Gold und Zinn Masse-%-Verhältnisse und dadurch unterschiedliche Schmelztemperaturen aufweisen.Composite component, at least two bodies by a flux-free solder cohesively connected to each other, while the solder joint with on complementary surface areas the body applied thin-film system is formed, starting from the respective body in each case at least one of Titanium existing first adhesive layer comprises, in each case at least one Barrier layer, taking the body and closest to the adhesive layer first barrier layer is made of platinum; and a common solder layer from a gold-tin alloy includes, and at different surface areas of the body the Gold-tin solder layers are provided, such that the solder layers different Gold and tin mass% ratios and thereby have different melting temperatures.

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.The The invention relates to a composite component and to a production method, at least two bodies through a solder joint cohesively with each other are connected. It is a high-precision joining method, at least two bodies permanently connected with each other with very high positional accuracy can be.

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.For many Applications in which certain bodies permanently cohesively with each other can be connected Material-related in the conventional joining methods only limited heat entries made and accordingly, certain upper temperature limits are not exceeded become. So must in almost all cases the melting temperature of the materials of bodies so interconnected should be left unchecked. Especially with a corresponding Connecting optical elements may cause a corresponding heating as well not too elevated Residual stresses in the material, which can lead to cracks or even complete destruction achieved become. Furthermore must with optical elements the transformation temperature at Be fallen below.

Das Wärmeproblem ist daher bei den gängigen stoffschlüssigen Fügeverfahren Schweißen und Löten zu beachten.The heat problem is therefore among the common ones cohesive joining methods welding and soldering to be observed.

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.at usually for Solder joints used usual Soldering also requires the addition of fluxes, which are the Positioning accuracy and the cleanliness of the optical functional surfaces, in particular in the joint gap area.

Da bei der Herstellung von stoffschlüssigen Lötverbindungen, die erforderlichen Maximaltemperaturen 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 stoffschlüssigen Verbindungen nur begrenzte Zug- und Scherfestigkeiten erreichen können.There in the production of cohesive solder joints, the required Maximum temperatures usually below those for the formation of welded joints required is the soldering for many application cases and in particular in the already mentioned optical and semiconductor elements across from welding to prefer. In solder joints but is also the adhesive strength on the surfaces the body to be joined together is problematic, so that by soldering produced cohesive Connections reach only limited tensile and shear strengths can.

Aus US 5,622,788 ist ein Lötverfahren und ein entsprechend hergestellter Gegenstand bekannt.Out US 5,622,788 a soldering process and a correspondingly produced article is known.

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 eutektischen 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.at this solution should be on a surface of a with another body to be connected to another body a layer system can be applied. This layer system exists of at least one adhesion layer of titanium, a barrier layer platinum, another costly layer of pure gold, and a layer consisting of a eutectic gold / tin alloy. On the gold / tin layer is directly the surface of the to be connected body put on and the cohesive Connection through conventional Soldering made. Furthermore, in the barrier layer is a window for recording be present of the actual solder, so that the production accordingly must be done.

Ein solcher Aufbau erfolgt in Form von so genannten „bumps", wie sie üblicherweise bei der Herstellung punktueller elektrisch leitender Verbindungen an Halbleiterbauelementen eingesetzt werden.One Such construction takes place in the form of so-called "bumps", as is customary in the production selective electrically conductive connections to semiconductor devices be used.

Des Weiteren ist ein Verfahren zur Befestigung von Fasern an optischen Geräten in JP 57029021 A beschrieben, bei dem metallische Lotschichten, die durch den Einfluss von Laserstrahlen zu einer stoffschlüssigen Verbindung führen, eingesetzt werden sollen. Dabei werden die eigentlichen Lotschichten gemeinsam mit mehreren anderen Schichten, als Schichtsystem ausgebildet. Die Lotschicht soll dabei aus einer Gold/Zinn Legierung bestehen.Furthermore, a method of attaching fibers to optical devices in JP 57029021 A described, are used in the metallic solder layers, which lead by the influence of laser beams to a cohesive connection. The actual solder layers are formed together with several other layers, as a layer system. The solder layer should consist of a gold / tin alloy.

Aus EP 0 517 369 B1 sind opto-elektronische Bauteile bekannt, bei denen Verbindungen ebenfalls durch Löten hergestellt werden sollen. Als Lot soll eine eutektische Gold/Zinn Legierung eingesetzt werden. Die Lötverbindung wird dabei punktweise über so genannte Anschlussflecken und Lötbuckel (bumps) ausgebildet.Out EP 0 517 369 B1 Opto-electronic components are known in which compounds are also to be produced by soldering. The solder to be used is a eutectic gold / tin alloy. The solder connection is formed pointwise over so-called pads and Lötbuckel (bumps).

Bei stoffschlüssigen Verbindungen, die durch Kleben hergestellt worden sind, kann häufig das angesprochene Wärme- und Temperaturproblem in ausreichendem Maße berücksichtigt werden. Die beim Erstarren auftretende Schrumpfung, wirkt sich aber wiederum negativ auf die Positioniergenauigkeit der so miteinander verbundenen Körper aus. Des Weiteren können Probleme durch verschiedenes 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.at cohesive Compounds that have been made by gluing can often do that addressed heat and temperature problem are sufficiently taken into account. The at Stiffening shrinkage, but in turn has a negative effect on the positioning accuracy of the so interconnected body. Furthermore you can Problems due to different wetting behavior due to sticking interconnected body, as well as the different thermal expansion coefficients of primer and body materials occur. Furthermore the adhesion promoters have a limited temperature stability.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, 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 verbunden werden können.It is therefore an object of the invention, a composite component and a manufacturing method for such To propose composite components, with the at least two bodies cohesively through Soldering with high precision, with increased Shear strength and increased temperature stability permanently can be connected to each other.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verbundbauteil, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist sowie einem Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 13, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.According to the invention this Task with a composite component that has the features of the claim 1 and a manufacturing method according to claim 13, solved. advantageous Embodiments and developments of the invention can with designated in the subordinate claims Characteristics can be achieved.

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.The composite component according to the invention, at least two bodies through a solder joint cohesively connected to each other, opposite, conventionally produced solder joints high strength, in particular the shear strength, on and it can be a very high positioning accuracy of each other so connected body be achieved in relation to each other.

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 Ras ters oder auch in Ring- bzw. Streifenform auszubilden, 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.The exhibit body to be joined together for the Formation of the solder joint on complementary surface areas each a thin-film system on. This thin-film system exists at least one titanium adhesive layer, a platinum barrier layer and a solder layer of a gold-tin alloy. Under complementary surface areas should be the for the cohesive Connection exploited part of each body can be understood. So can be a thin film system on the whole for the cohesive Connection usable surface of the respective body be educated. But there is also the possibility of the body surface through Structuring with the thin-film system form in the form of a Ras ters or in ring or strip form, wherein in these cases then the corresponding surface areas of the other body to be joined at least in the same Form are coated so that the solder layers of each other to be connected body in touching Contact each other.

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.The forming the composite component according to the invention body can for example, with precise computer-controlled Manipulators positioned in relation to each other, optionally in fixed to these positions and the solder joint by a corresponding Warming, with subsequent cooling, the leads to the solidification of the solder material, cohesively with each other get connected.

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.Around the for the soldering To minimize the required maximum temperature as much as possible can be advantageous a eutectic gold / tin alloy with 80 mass gold and 20 mass% Tin for the solder layer can be used. With such an alloy, the Temperatures for the soldering below 300 ° C being held.

Erfindungsgemäß sind unterschiedliche Oberflächenbereiche von Körpern, die stoffschlüssig zu einem Verbundbauteil miteinander verbunden werden sollen, mit einer Lotschicht beschichtet, die unterschiedliche Masse-%-Verhältnisse von Gold und Zinn aufweist. 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 weiterer 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.According to the invention, different surface areas of bodies, the cohesively too a composite component to be connected to each other, with a Lotschicht coated, the different mass -% - ratios of gold and tin. So usually with an increased mass% Proportion of Gold in a Gold / Tin Alloy Melting Temperature Required for Soldering compared to a previously mentioned increased eutectic alloy be. This opens up the opportunity different bodies successively with the same joining technique to form a composite component to add. So can for example, two bodies, which are provided with a non-eutectic gold-tin alloy as solder layers are at an elevated level soldering temperature to a partial composite component, be joined at a brazing temperature above 300 ° C. and then at least another body with one or more bodies cohesively get connected. Here are then used for this connection Lotschichtbereiche formed from a eutectic gold-tin alloy, so they work at a lower soldering temperature below 300 ° C without the pre-attached Solder joints are affected, can be connected to each other.

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 Schichtfelge Haftschicht, erste Barriereschicht, zweite Haft- oder Barriereschicht und Lotschicht.at according to the invention on the Trainee body surfaces Thin-film systems can advantageously at least one second adhesive or barrier layer between the adhesive and the solder layer are formed. It turns out accordingly a layer rim adhesive layer, first barrier layer, second adhesive or barrier layer and solder layer.

So kann die zweite Haftschicht aus Titan in elementarer Form oder eine zweite Barriereschicht aus Titannitrid gebildet sein.So may be the second adhesive layer of titanium in elemental form or a second barrier layer may be formed of titanium nitride.

Insbesondere bei metallischen Werkstoffen von Körpern ist es aber günstig, eine solche zweite Barriereschicht aus Titannitrid einzusetzen.Especially in metallic materials of bodies, it is favorable, a to use such a second titanium nitride barrier layer.

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.The Thickness of the adhesive layers should be at least 20 nm, preferably about 30 nm, the thicknesses of the barrier layers at least 50 nm, preferred 100 nm and the thickness of the solder layer at least 2.5 microns, preferably at least 3 μm to reach.

Die auf den miteinander stoffschlüssig zu verbindenden Körpern ausgebildeten Dünnschichtsysteme können mit den verschiedensten an sich bekannten CVD- oder PVD-Vakuumbeschichtungsverfahren ausgebildet werden.The on the cohesive material to be joined bodies trained thin-film systems can with various known per se CVD or PVD vacuum coating process be formed.

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.Particularly advantageously, the individual layers forming the thin-layer system can be successively formed successively from the different materials in a single vacuum chamber, without performing an intermediate flooding. This is also true for a reactive formed titanium nitride barrier layer too.

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.So can be used according to the invention thin-film system on the bodies produced within a vacuum chamber by DC magnetron sputtering be, in which case for each individual layer within the vacuum chamber has a separate one Sputter source can be present and the respective body, for example moved by moving a suitable carrier from source to source becomes.

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.For compliance the desired high positioning accuracy of the body to be joined together should on the respective body the thin-film system have a constant thickness, this on the total thickness and preferably also the thickness of the single layers should apply. This means, that the layer thickness at all points of the corresponding surface of the body is constant. However, it is not mandatory that the layer thickness of the thin-film system on the at least two bodies to be joined together too is the same.

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.Especially for the increase the adhesion of the thin-film systems on the appropriately coated bodies and accordingly also a total increased Shear strength of the solder joint, it is advantageous at least the surface areas on which the Thin-film system formed should be, in advance by dry etching modify. This can preferably by ion bombardment with a Argon plasma performed be, with the surface modification also in the same vacuum chamber, without interim Flooding can and should be done.

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.With Such a coating variant may also include chemical reactions the layer materials used are avoided. And besides that lies it is obvious that by doing so, as well as by abandoning one Gold intermediate layer the cost can be reduced.

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.at of the invention body Made of a variety of materials to a composite component permanently cohesively get connected. The body can for example, made of glasses, Ceramics and metals are made. So bodies can be the same, as well made of different materials.

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.The Invention leaves very beneficial for the production of composite components, in which at least one the body an optical element is to use. For example, optical lenses or optical filters with a socket made of a different material get connected.

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.It can body made of glass, e.g. BK7, silver glasses, optical glasses, glass ceramics but also metallic bodies be made of copper or aluminum to form a composite component.

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.Next the already mentioned optical elements can but also optical waveguides be a body for the composite components. So can For example, optical fibers are connected to an optocoupler. In this case, then the respective thin-film system is at least partially on the respective inner and outer lateral surface of this optical elements, as an example of body formed.

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.The actual cohesive Connection of the respective composite component forming body can considering the materials and body geometries used. there can they mechanical strength, the optical, thermal and electrical Properties are taken into account.

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.So of course exists the possibility, in relation to each other positioned and fixed body in a conventional one Oven, on the for the Soldering required To heat temperature, where in this case all parts and areas of all such a composite component forming body down to the soldering temperature heated become.

Insbesondere bei ausreichender mechanischer Festigkeit der Werkstoffe der miteinander zu fügenden Körper, kann aber auch die Verbindung durch Diffusionslöten, bei erniedrigter Löttemperatur durchgeführt werden.Especially with sufficient mechanical strength of the materials of each other to be joined Body, but also the connection by diffusion soldering, be carried out at a reduced soldering temperature.

Für die Herstellung eines Verbundbauteiles mit mindestens einem optischen Element ist es aber vorteilhaft, die Lötverbindung durch Laserlöten oder durch Induktionsföten herzustellen.For the production a composite component with at least one optical element but it is advantageous, the solder joint by laser soldering or by induction fetuses manufacture.

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.So can a correspondingly focused and guided laser beam along a joining gap be moved and so its high energy density only in this tight limited area act.

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.at one for the wavelength of the laser beam transparent material, the laser can also through the body material on the thin-film systems directed and possible in the field of each other actually cohesively be focused to be joined solder layers.

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.Induction soldering is particularly suitable when the bodies to be joined together consist of dielectric materials in which no eddy currents can be induced. This can almost exclude with a suitably designed inductor of the heat input Lich in the two thin-film systems and the other heat ranges only increase their temperature by heat conduction. In this case, the known in dielectric materials poor heat conduction can be advantageously exploited. The induction brazing is particularly advantageous to use when one of the body is cylindrical in the part to be joined and a cylindrical opening formed in the other body.

Nachfolgend sollen Beispiele für die Ausbildung von Dünnschichtsystemen auf Oberflächenbereichen von Verbundbauteile bildenden Körpern näher beschrieben werden.following should be examples of the training of thin-film systems on surface areas of composite components forming bodies described in more detail become.

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.In this case, a body made of a variety of materials, some examples have been previously designated, coated within a vacuum chamber at a working pressure of about 2 × 10 -3 mbar and previously the surface be modified by dry etching, for example by RF sputter etching.

Es werden hierfür das DC-Magnetronsputtern eingesetzt.It be for this used the DC magnetron sputtering.

Das Trockenätzen wird mit Argon als Arbeitsgas, bei einer Leistung von 500 W über einen Zeitraum von 180 s durchgeführt.The dry is used with argon as working gas, at a power of 500 W over one Period of 180 s performed.

Der Abstand zwischen zu beschichtender Körperoberfläche und dem Target sollte bei 65 mm gehalten werden.Of the Distance between body surface to be coated and the target should be at 65 mm.

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.After this the body surface has been modified is, the thin film system can be formed. At the same time the working pressure on which already designated Value and with a sputtering power of 800 W first the Titanium adhesive layer with a sputtering rate of 2.5 nm / s with a layer thickness of 30 nm formed.

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.Subsequently, will the platinum barrier layer with a sputtering power of 500 W, with a sputtering rate of 2.2 nm / s with a layer thickness of 100 nm formed.

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.On this barrier layer then becomes a eutectic gold-tin target the solder layer has a sputtering power of 800 W, with a sputtering rate of 10 nm / s formed to a layer thickness of 3.5 microns.

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.at a second example of one on a body usable thin-film system was between the solder layer of the gold-tin alloy and the first barrier layer of platinum a second adhesion layer of titanium, formed with a layer thickness of 15 nm. The same process parameters were used complied with, which also in the formation of the adhesive layer of titanium have been used.

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.at a third example was a thin film system with an adhesive layer Titanium, platinum first barrier layer, titanium nitride second barrier layer and solder layer of gold-tin alloy applied to a body.

Für die Ausbildung der Haftschicht der ersten Barriereschicht und der Lotschicht, wurde wie bei den vorab beschriebenen Beispielen verfahren.For training the adhesive layer of the first barrier layer and the solder layer was as in the previously described examples procedure.

Die Titannitridschicht mit einer Schichtdicke von 30 nm ist 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.The Titanium nitride layer with a layer thickness of 30 nm is with use a titanium target and reactively formed by the supply of gaseous nitrogen. The sputtering power was set to 800 W and a sputtering rate for the achieved titanium nitride of 2.2 nm / s.

Für diese Dünnschichtsysteme wurde die Haftfestigkeit auf Glaskörpern mittels Tapetest (ISO 9211-02-03-01) durchgeführt.For this thin-film systems was the adhesion on glass bodies by means of Tapetest (ISO 9211-02-03-01) carried out.

Bei durch Löten stoffschlüssig miteinander verbundenen Körpern auf Glas wurden Scherfestigkeiten von mindestens 100 MPa erreicht, die im Bereich von herkömmlichen Hartlötverbindungen liegen.at by soldering cohesively connected bodies Shear strengths of at least 100 MPa have been achieved on glass, in the range of conventional brazed joints lie.

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.at The composite components produced in this way could no delay the connected bodies and also due to the flux freedom a high joint and positioning precision the correspondingly connected body are adhered to.

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.The Shear strength was measured on glass bodies whose planar surface areas by laser soldering have been connected, determined. These became punctual with each other connected, with multiple solder points have been trained. There was also a test on annular contours carried out.

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.For the measurement was used a shearing device, which is a force introduction in the Lotschichtbene, perpendicular to the surface normal of this level allows and prevents tilting of the interconnected glass body. The force application was done with a tensile compression testing machine Instron and the maximum forces were used with a 2kN load cell certainly. It could shear strengths, based on the respective cohesively connected surfaces be determined above 100 MPa.

Claims (25)

Verbundbauteil, bei dem mindestens zwei Körper durch eine flußmittelfreie Lötverbindung stoffschlüssig miteinander verbunden sind, dabei die Lötverbindung mit auf komplementären Oberflächenbereichen der Körper aufgebrachtem Dünnschichtsystem gebildet ist, das ausgehend vom jeweiligen Körper jeweils mindestens eine aus Titan bestehende erste Haftschicht umfasst, jeweils mindestens eine Barriereschicht, wobei die dem Körper und der Haftschicht nächstliegende erste Barriereschicht aus Platin besteht; und eine gemeinsame Lotschicht aus einer Gold-Zinn-Legierung umfasst, und an unterschiedlichen Oberflächenbereichen der Körper die Gold-Zinn-Lotschichten vorgesehen sind, derart, dass die Lotschichten unterschiedliche Gold und Zinn Masse-%-Verhältnisse und dadurch unterschiedliche Schmelztemperaturen aufweisen.Composite component, in which at least two Kör are cohesively interconnected by a flux-free solder joint, while the solder joint is formed with on complementary surface regions of the body applied thin film system, each comprising at least one existing titanium primer layer from the respective body, each at least one barrier layer, wherein the body and the Adhesive layer closest first barrier layer made of platinum; and a common solder layer of a gold-tin alloy, and at different surface areas of the body, the gold-tin solder layers are provided, such that the solder layers have different gold and tin mass% ratios and thereby different melting temperatures. Verbundbauteil, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Lotschicht aus einer eutektischen Gold/Zinn-Legierung mit 80 Masse-% Gold und 20 Masse-% Zinn gebildet ist.Composite component, characterized in that at least a solder layer of a eutectic gold / tin alloy with 80 Mass% gold and 20 mass% tin is formed. Verbundbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen erster Barriereschicht und Lotschicht eine zweite Haftschicht ausgebildet ist.Composite component according to claim 1 or 2, characterized that between the first barrier layer and the solder layer, a second Adhesive layer is formed. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen erster Haftschicht und Lotschicht eine zweite Barriereschicht ausgebildet ist.Composite component according to one of claims 1 or 2, characterized in that between the first adhesive layer and Lotschicht a second barrier layer is formed. Verbundbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Haftschicht aus Titan besteht.Composite component according to claim 3, characterized that the second adhesive layer consists of titanium. Verbundbauteil nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Barriereschicht aus Titannitrid besteht.Composite component according to claim 4, characterized the second barrier layer consists of titanium nitride. Verbundbauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht(en) eine Dicke von mindestens 20 nm aufweist/aufweisen.Composite component according to at least one of the preceding Claims, characterized in that the adhesive layer (s) has a thickness of at least 20 nm / have. Verbundbauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereschicht(en) eine Dicke von mindestens 50 nm aufweist/aufweisen.Composite component according to at least one of the preceding Claims, characterized in that the barrier layer (s) has a thickness of at least 50 nm. Verbundbauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Körper ein optisches Element ist.Composite component according to at least one of the preceding Claims, characterized in that at least one of the bodies is a optical element is. Verbundbauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Körper ein Lichtwellenleiter ist.Composite component according to at least one of the preceding Claims, characterized in that at least one of the bodies is a Optical fiber is. Verbundbauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Lötverbindung auf der gesamten nutzbaren Oberfläche der Körper ausgebildet ist.Composite component according to at least one of the preceding Claims, characterized in that the cohesive solder joint on the entire usable surface the body is trained. Verbundbauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dünnschichtsystem in Form einer Strukturierung auf der Oberfläche der Körper ausgebildet sind.Composite component according to at least one of the preceding Claims, characterized in that the thin film system in the form of a structuring on the surface the body are formed. Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteiles, bei dem mindestens zwei Körper durch eine flußmittelfreie Lötverbindung stoffschlüssig miteinander verbunden werden, bei dem auf die Körper, auf jeweils komplementären Oberflächenbereichen ein aus mindestens einer aus Titan bestehenden Haftschicht, mindestens einer Barriereschicht, wobei die dem jeweiligen Körper nächstliegende erste Schicht aus Platin besteht, und einer aus einer Gold-Zinn-Legierung bestehenden Lotschicht gebildetes Dünnschichtsystem mittels Vakuumbeschichtungsverfahren ausgebildet wird; wobei an unterschiedlichen Oberflächenbereichen der Körper in ihrer Zusammensetzung unterschiedliche Gold-Zinn-Lotschichten ausgebildet werden, derart, dass die Bereiche unterschiedliche Masse-%-Verhältnisse von Gold und Zinn aufweisen, dann die Körper so zueinander positioniert werden, dass die beschichteten Oberflächenbereiche mit ihren Lotschichten in berührendem Kontakt stehen und die Lötverbindung durch einen die unterschiedlichen Schmelztemperaturen der unterschiedlichen Masse-%-Verhältnisse der Gold-Zinn-Legierung berücksichtigenden Wärmeeintrag sukzessive hergestellt wird.Method for producing a composite component, at least two bodies by a flux-free solder cohesively be connected to each other, when on the body, up each complementary surface areas one of at least one titanium adhesive layer, at least a barrier layer, wherein the closest to the respective body first layer is made of platinum, and one consisting of a gold-tin alloy solder layer formed thin film system is formed by vacuum coating method; being on different surface areas the body different gold-tin solder layers are formed in their composition, such that the areas have different mass% ratios of gold and tin, then the bodies are positioned to each other be that the coated surface areas with their solder layers in touching Contact stand and the solder joint by one the different melting temperatures of the different Mass -% - conditions the gold-tin alloy considered heat input is produced successively. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Dünnschichtsystem auf die Körper in einer Vakuumkammer aufgebracht wird.Method according to claim 13, characterized in that that the thin-film system on the body is applied in a vacuum chamber. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Dünnschichtsystem durch DC-Magnetronsputtern ausgebildet wird.Method according to claim 13 or 14, characterized that the thin-film system through DC magnetron sputtering is formed. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beschichtende Oberfläche der Körper vorab durch Trockenätzen modifiziert wird.Method according to at least one of claims 13 to 15, characterized in that the surface to be coated of the body in advance by dry etching is modified. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenmodifizierung durch Innenbeschuss mit einem Argonplasma durchgeführt wird.Method according to claim 16, characterized in that that the surface modification by Internal bombardment is carried out with an argon plasma. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Haftschicht und der Lotschicht mindestens eine zweite Haftschicht aus Titan ausgebracht wird.Method according to at least one of claims 13 to 17, characterized in that between the first adhesive layer and the solder layer at least a second adhesive layer made of titanium is brought. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Haftschicht und der Lotschicht eine zweite Barriereschicht aus Titannitrid ausgebildet wird.Method according to at least one of claims 13 to 17, characterized in that between the adhesive layer and the Lotschicht a second barrier layer of titanium nitride is formed. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine eutektische Gold-Zinn-Legierung mit 80 Masse-% Gold und 20 Masse-% Zinn für die Lotschichten verwendet wird.Method according to at least one of claims 13 to 19, characterized in that at least one eutectic gold-tin alloy with 80 mass% gold and 20 mass% tin used for the solder layers becomes. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötverbindung durch Laserstrahllöten hergestellt wird.Method according to at least one of claims 13 to 20, characterized in that the solder joint is produced by laser beam soldering. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötverbindung innerhalb eines Ofens hergestellt wird.Method according to at least one of claims 13 to 20, characterized in that the solder joint within a Furnace is made. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötverbindung durch Induktionslöten hergestellt wird.Method according to at least one of claims 13 to 20, characterized in that the solder joint produced by induction soldering becomes. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnschichtsysteme mit einer konstanten Schichtdicke auf die Körper ausgebracht werden.Method according to at least one of claims 13 to 23, characterized in that the thin-film systems with a constant layer thickness can be applied to the body. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass Lotschichten mit einer Schichtdicke von mindestens 2,5 μm ausgebildet werden.Method according to at least one of claims 13 to 24, characterized in that solder layers with a layer thickness of at least 2.5 μm be formed.
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