DE10313871A1

DE10313871A1 - Klebe-Verbindungsverfahren unter Nutzung des Kapillar-Kondensationseffekts

Info

Publication number: DE10313871A1
Application number: DE10313871A
Authority: DE
Inventors: Shoichiro Usui
Original assignee: Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd
Current assignee: Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd
Priority date: 2002-04-01
Filing date: 2003-03-21
Publication date: 2003-12-04
Also published as: US20040084142A1; KR100968322B1; JP4129947B2; JP2003292906A; US7524392B2; KR20040030196A

Abstract

Als effizientes und wirtschaftliches Verbindungsverfahren, das zum Verbinden sehr kleiner Bauelemente (Bauteile, Teile) unverzichtbar ist, um eine sehr kleine (Mikro-) Struktur, eine Mikromaschine usw. herzustellen, wird ein Verbindungsverfahren, das einen kapillaren Kondensationseffekt nutzt, vorgesehen, das wenigstens zwei separate zu verbindende Teile (Werkstücke) an einem vorbestimmten Verbindungspunkt verbindet, wobei die zu verbindenden Teile einer Atmosphäre, die einen vorbestimmten Dampfdruck eines Klebers enthält, ausgesetzt werden und der Kleber einer kappillaren Kondensation am Verbindungspunkt unterworfen wird, wodurch ein gleichmäßiger Meniskus gebildet wird und die zu verbindenden Teile (Werkstücke) mittels des Klebers, der den Meniskus bildet, verbunden werden.

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung schafft ein neues Verbindungsverfahren, das insbesondere bei der Verbindung von Elementen (Bauteile, Teile) sehr kleiner Struktur (nachfolgend Mikro-(µ)-Struktur oder Mikrostruktur genannt), wirksam ist.
Die vorliegende Erfindung schafft insbesondere ein neues Verbindungsverfahren zum Verbinden sehr kleiner Elemente (Bauteile, Teile) miteinander, wobei ein Meniskus aus Kleber an der Verbindungsstelle (Kontaktpunkt) zwischen den sehr kleinen Elementen mittels einer kapillaren Kondensation als Verbindungsverfahren für diese sehr kleinen Elemente (Bauteile, Teile) regelmässig (gleichmässig) auftritt, wenn eine Mikrostruktur unter Einsatz sehr kleiner Elemente (Bauteile, Teile), deren Dimension (Grösse) immer mehr verringert wird, hergestellt wird.

Stand der Technik

In der letzten Zeit wurden Mikrostrukturen für Geräte oder Bauelemente (Bauteile, Teile) entwickelt, für die der Ausdruck "Mikromaschine" verwendet wurde.
Beispielsweise werden ein Mikromotor, eine Mikroturbine, ein Getriebezug, usw., deren Durchmesser nicht mehr als 0,1 mm beträgt, durch MEMS (Micro Electro (Mechanical System), das auf einem Serienherstellungssystem beruht, bei dem das Halbleiterverfahren angewendet wird, hergestellt. Es ist überflüssig herauszustellen, dass durch Herstellung dieser sehr kleinen Elemente (Bauteile, Teile) eine Mikromaschine gebildet wird.
Ferner hat der Einsatz des PCs (Personal Computers) und Erhöhung der Kapazität einer Datei aufgrund der hohen Leistung von CPUs (Zentrale Verarbeitungseinheit) die Entwicklung von magnetischen Aufzeichnungsgeräten, die leichter sind und eine grössere Kapazität aufweisen, gefördert worden und die diese bildenden Bauelemente (Bauteile, Teile) wurden entsprechend zuerst klein ausgelegt.
Im Anwendungsbereich von Mikro-(µ)-Strukturen, beispielsweise Mikromaschinen und dergleichen, werden verschiedene Verfahren zum Verbinden von Mikro-(µ)- Strukturen (Bauteile, Teile), beispielsweise ein Lötverfahren, das ein Leiterverbindungsverfahren, ein Diffusionsverbindungsverfahren bei hoher Temperatur und Vakuum für Siliziumwerkstoffe, usw. beinhaltet, verwendet.
Bei Betrachtung der Einzelheiten der Verbindungsstelle (Verbindungspunkt) zwischen zwei zu verbindenden Teilen (zu verbindende Gegenstände) sehr kleiner (von der Dimension her) Mikro-(µ)-Struktur weisen die Oberflächen derselben sehr kleine unebene Strukturen auf, daher konzentriert sich das Problem auf die Befestigung (Verbindung) an der Oberfläche (oder Punkten), an der diese Mikrostrukturen tatsächlich miteinander in Kontakt treten, d. h. die gewählte Befestigung (Verindung) nur an der tatsächlichen Verbindungsfläche oder den tatsächlichen Verbindungspunkten. Hinsichtlich der Verbindungsfestigkeit (Haftfestigkeit) ist es selbstverständlich, dass die gewählte Befestigung (Verbindung) an der tatsächlichen Verbindungsfläche (Punkten) vorteilhaft ist.
Wie oben beschrieben, sind Schweissen, beispielsweise Leiterverbinden oder dergleichen, löten oder Befestigen oder andere vergleichbare Verfahren zur Befestigung (Verbindung) sehr kleiner Strukturen hinsichtlich der Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit nicht geeignet.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wurde aufgrund der oben beschriebenen Einschränkungen des Standes der Technik gemacht.
Der Erfinder dieser Anmeldung untersuchte gründlich ein Verfahren zur festen und wirtschaftlichen Verbindung von Bauelementen (Bauteile, Teile) sehr kleiner Struktur, beispielsweise einer Mikro-(µ)-Struktur, deren Grösse mehrere Millimeter oder weniger beträgt.
Aufgrund von Studien zur Vermeidung von Systemausfällen und einer Verkürzung der Lebensdauer aufgrund hoher Reibung und starker Abnutzung, die durch eine "Zwischenflächenkraft" (die Hauptkraft derselben ist die "Meniskus-Kraft", die später beschrieben wird), die zwischen zwei Oberflächen der Gleitabschnitte, die relative Bewegungen unter geringem Gewicht ausführen, wirkt, erzeugt werden, fand der Erfinder heraus, dass Menisken von Kleber am Kontaktbereich (Verbindungsbereich) der sehr kleinen Elemente (Bauteile, Teile) regelmässig (gleichmässig) ausgebildet werden können, wodurch sehr kleine Elemente (Bauteile, Teile) sicher miteinander verbunden werden können.
Die vorliegende Erfindung wurde auf Grundlage dieser Erkenntnis gemacht.
Erfindungsgemäss wird ein neues Verbindungsverfahren, das den kapillaren Kondensationseffekt nutzt, bei dem ein Meniskus durch kapillare Kondensation von Kleber am Verbindungspunkt zwischen den beiden Elementen (Bauteilen, Teilen) ausgebildet wird und die beiden Elemente (Bauteile, Teile) durch den Kleber, der im betreffenden Meniskus enthalten ist, fest und wirtschaftlich miteinander verbunden sind, als Verbindungsverfahren für Elemente (Bauteile, Teile) sehr kleiner (Mik-o- )Struktur, deren Grösse mehrere Millimeter oder weniger beträgt, oder Elemente (Bauteile, Teile) einer sehr kleinen Struktur, wobei das Verhältnis einer wahren Kontaktfläche zu einem scheinbaren Kontaktverhältnis in einer Grössenordnung von 1/25 000 oder darunter liegt, d. h., als Verbindungsverfahren für Elemente, deren Kontaktflächenstrukturen sich nahe der Spiegeloberflächenstrukturen befinden und deshalb eine grosse "Zwischenflächenkraft"-Wirkung aufweisen, geschaffen.
Kurz zusammengefasst, betrifft die vorliegende Erfindung ein Verbindungsverfahren zum Verbinden wenigstens zweier separater zu verbindender Teile an einem vorbestimmten Verbindungspunkt, das einen kapillaren Kondensationseffekt nutzt, bei dem ein Kleber (der Begriff Kleber in dieser Erfindung ist so weit wie möglich, wie nachfolgend detailliert beschrieben, zu interpretieren) einer kapillaren Kondensation am vorbestimmten Verbindungspunkt der zu verbindenden Teile und dessen benachbarter Umgebung (nachfolgend kurz Verbindungspunkt genannt) unterwor-en wird und die zu verbindenden Teile am Verbindungspunkt durch den Kleber miteinander verbunden werden.
Detaillierter bezieht sich ein erstes erfindungsgemässes Verbindungsverfahren, das den kapillaren Kondensationseffekt nutzt, auf ein Verbindungsverfahren, bei dem die zu verbindende Teile in einer Atmosphäre mit einem vorbestimmten Dampfdruck des Klebers angeordnet werden und auch der Kleber der kapillaren Kondensation am Verbindungspunkt unter Bildung eines Meniskus unterworfen wird, wodurch die zu verbindende Teile durch den Kleber, der den Meniskus bildet, miteinander verbunden werden.
Ein zweites erfindungsgemässes Verbindungsverfahren, das den kapillaren Kondensationseffekt nutzt, betrifft ein Verbindungsverfahren, bei dem der Kleber zwei Komponenten, einen Kleber-Werkstoff und einen Härter zum Aushärten des Kleber- Werkstoffs umfasst, wobei bei einem ersten Schritt ein Meniskus, basierend der auf der kapillaren Kondensation des Kleber-Werkstoffs, gebildet wird, und ferner in einem zweiten Schritt ein Meniskus, der auf der kapillaren Kondensation des Härters beruht, auf der Oberfläche des Meniskus des Kleber-Werkstoffs gebildet wird und zuletzt der Kleber-Werkstoff durch den Härter ausgehärtet wird, so dass die zu verbindende Teile verbunden werden.
Ferner betrifft ein drittes erfindungsgemässes Verbindungsverfahren, das den kapillaren Kondensationseffekt nutzt, ein Verbindungsverfahren, bei dem eine flüssige Kleberschicht auf dem Verbindungspunkt wenigstens eines zu verbindenden Teils im voraus gebildet wird, und während eines ersten Schritts ein Meniskus am Verbindungspunkt durch Wandern der flüssigen Kleberschicht gebildet wird, und bei einem zweiten Schritt ein weiterer Meniskus, der auf der kapillaren Kondensation des Härters zum Aushärten des Klebers beruht, auf der Oberfläche des Meniskus des Klebers gebildet wird und schliesslich der Kleber durch den Härter ausgehärtet wird, um die zu verbindenden Teile zu verbinden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Darstellung der Bildung eines Meniskus, der auf der kapillaren Kondensation und der Meniskuskraft beruht.
Fig. 2 ist eine vergrösserte Ansicht, die den Hauptabschnitt von Fig. 1 zeigt.
Fig. 3 ist ein Graph, der eine Kontaktfläche bei der Beziehung zwischen R (Kugelradius des Werkstücks) und P/P (relativer Dampfdruck %) darstellt.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung, die den Verbindungsbereich zwischen einem Werkstück mit rauher Oberfläche und einem Werkstück mit glatter Oberfläche darstellt.
Fig. 5 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen P/Ps (relativer Dampfdruck %) und t (Dicke des Meniskus, nm) darstellt.
Fig. 6 ist ein Diagramm (Gesamtblockdiagramm) eines Gerätes, das einem erfindungsgemässen Verbindungsverfahren, das den kapillaren Kondensationseffekt nutzt, unterworfen wird.
Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Fixierwerkzeugeinrichtung (11) für ein bewegliches zu verbindendes Teil (Werkstück), das in einer Kammer (1) von Fig. 6 angeordnet ist, darstellt.
In den jeweiligen Zeichnungen bedeuten die Bezugszeichen das folgende: A.. Verbindungsvorrichtung (zum Ausführen des erfindungsgemässen Verbindungsverfahrens, das den kapillaren Kondensationseffekt nutzt)
1 Kammer (1)
2 Kammer (2)
3 Befeuchter
4 Gaszylinder für die Atmosphäre (Stickstoffgaszylinder)
11 Fixierwerkzeugeinrichtung
1a, 1b Werkstückfixierwerkzeug
a, b Werkstück
1a1, 1b1 bewegliche Bühne
1c bewegliche Bühnenplatte

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

Der erfindungsgemässe technische Aufbau und Ausführungsformen werden detailliert beschrieben.
Das neue erfindungsgemässe Verbindungsverfahren, das den kapillaren Kondensationseffekt nutzt, wurde auf Basis der gedankenmässigen Umkehr von Untersuchungen des Erfinders gemacht, um einen Systemausfall und eine Verkürzung der Lebensdauer aufgrund hoher Reibung und starker Abnutzung, die durch die "Zwischenflächenkraft", insbesondere die "Meniskuskraft", die zwischen zwei Flächen der Gleitabschnitte einer Mikro-(µ)-Struktur (Mikroanordnung), wie oben beschrieben, hervorgerufen werden, zu vermeiden.
Um die Lehre der erfindungsgemässen technischen Ausbildung klar darzulegen, werden zunächst die Zusammenfassung der Untersuchungen des Erfinders dieser Anmeldung, um das Problem der "Zwischenflächenkraft (hauptsächlich die Meniskuskraft)" in der Mikro-(µ)-Struktur zu vermeiden, zusammengefasst.

a) Bei der Handhabung sehr kleiner "Mikro-(µ)-Strukturen" sind Manipulationstechniken und Systemauslegungstheorien, die bisher für "Makro" Strukturen (grossen Strukturen) entwickelt wurden, nicht verwendbar.
b) Dies gilt, da die "Zwischenflächenkraft", die im "Makro"-Bereich vernachlässigt wurde, hier grosse Wirkung hat und das physikalische Phänomen daher stark abweicht. D. h., die Masse verringert sich mit der dritten Potenz, die Oberfläche reduziert sich mit der zweiten Potenz. Die "Zwischenflächen"-Kraft, die proportional der Oberfläche ist, übt daher eine relativ grössere Wirkung als die Schwerkraft und die Trägheitskraft, die proportional zum Volumen sind, auf.
c) Ein spezifisches Beispiel der "Zwischenflächenkraft" ist das Phänomen, dass die "Meniskuskraft", die durch die Anziehungskraft der Atome oder die Oberflächenspannung der Flüssigkeit hervorgerufen wird, als "Adhäsionskraft" (siehe Bemerkung) "zwischen den zwei Flächen", die nebeneinander liegen oder miteinander in Kontakt treten, wirkt.
Bemerkung: Die "Adhäsionskraft", die "zwischen zwei Flächen" wirkt, ist insbesondere in drei Faktoren eingeteilt: (1) von der Waals-Kraft, (2) elektrostatische Kraft und (3) Meniskuskraft (Adhäsionskraft, die auf der Flüssigkeitsbrücken beruht). Von diesen Faktoren ruft die "Meniskuskraft" die meisten Probleme, die während der Herstellung und den Verfahrensschritten bei "Mikro-(µ)-Strukturen auftreten, hervor.
d) Wenn die "Zwischenflächenkraft", d. h., die "Meniskuskraft" "zwischen zwei Flächen" wirkt, die sich unter geringem Gewicht relativ zueinander bewegen, beispielsweise Gleitabschnitte einer "Mikro-(µ)-Struktur (einer magnetischen Speichervorrichtung, einer Mikromaschine oder dergleichen, wie oben beschrieben), wird grosse Reibung und starke Abnutzung hervorgerufen, und das Problem eines Systemausfalls und einer Verkürzung der Lebensdauer tritt auf.
e) Ein Texturierungsverfahren (Texturieren) zur Behandlung der Oberflächen, damit diese eine geeignete Rauheit oder dergleichen aufweisen, wird als Gegenmassnahme zur Vermeidung des Problems der "Zwischenflächenkraft (Meniskuskraft)" bei der "Mikro-(µ)-Struktur", d. h. als Gegenmassnahme zur Verringerung der "Meniskuskraft", vorgeschlagen.

Bei der weiteren Miniaturisierung eines sehr kleinen mechanischen (Mikro- (µ)Systems werden bei dem Texturierungsverfahren Untersuchungen, bei denen auf die Oberflächenrauheit im Mikrometer(µm)-Bereich bis zum Nanometer(nm)- Bereich stark geachtet wird, gefördert.
Die Zusammenfassung der Wirkmechanismen (Auftretens) des "Meniskus" und der Haftkraft ("Meniskuskraft"), die auf dem "Meniskus" beruht, wird nachfolgend beschrieben.

1. Fig. 1 zeigt einen "Meniskus", der in der Umgebung des Kontaktpunkts gebildet wird, wenn eine Kugel mit glatter Oberfläche mit einem Radius R und eine ebene Fläche mit glatter Oberfläche miteinander kontaktiert werden und "Flüssigkeit" in der Umgebung des Kontaktpunkts existiert.
Fig. 2 ist eine vergrösserte Ansicht, die den Hauptabschnitt von Fig. 1 zeigt.
2. Als Wirkmechanismus, der das Auftreten des "Meniskus", wie oben beschrieben, verursacht, kann die kapillare Kondensation der feuchten Atmosphäre und die Wanderung der Flüssigkeit, die schon auf der Oberfläche existiert, angesehen werden.
3. Am Kontaktbereich zwischen zwei Flächen, deren Oberflächen in einem trockenen Zustand gehalten sind, ist die kapillare Kondensation aus feuchter Atmosphäre (thermodynamisches Gleichgewichtsverfahren) der Hauptwirkmechanismus des Auftretens des Meniskus.
Der Meniskusradius (r1) ist hierbei gleich dem Kelvin-Radius (rê) (r1 = bezeich, und der Kelvin-Radius (rê) wird durch die folgende Formel (siehe Fig. 1) dargestellt.

rê = γ V/[RgTlog(p/ps)] (1.1)
ê: Oberflächenenergie von Wasser
V: Molvolumen (Volumen pro Molekül)
Rg: Gaskonstante
T: absolute Temperatur
p: Dampfdruck von Wasser
ps: gesättigter Dampfdruck von Wasser
p/ps: relativer Dampfdruck

Bei 20°C ist γ V/[RgT] = 0,54 nm, daher wird der Kelvin-Radius (rê) durch die folgende Formel dargestellt.

rê = 0,54/[log(p/ps)] (1.2)
4. In Fig. 1 und 2 werden die Meniskushöhe (h) und der Meniskusdurchmesser (w) im Gleichgewichtszustand durch die folgenden Formeln dargestellt.

h = rê (cosθ1 + cosθ2) (1.3)
W = 2√2RH (1.4)

θ1, θ2 Kontaktwinkel von Wasser zur Kugel und der ebenen Fläche
R: Radius der kontaktierten Kugel
5. Die Haftkraft ("Meniskuskraft") "Fp", die auf dem Meniskus beruht und die oben beschriebene Grösse aufweist, entspricht dem Produkt aus dem Laplace-Druck (γ/rê) und der Wirkungsfläche [π(W/2)²] und wird durch die folgende Formel dargestellt.

Fp = 2π R γ (cosθ1 + cosθ2) (1.5)

Der Vektor der Meniskuskraft (Fp) wirkt in der Richtung, entlang der die zwei ebenen Flächen einander anziehen.

Wie oben beschrieben, wurde das neue erfindungsgemässe Verbindungsverfahren, das die kapillare Kondensation nutzt, auf Basis der technischen Idee, die zur Lehre der Untersuchungen zum Verhindern von Systemausfall und der Verkürzung der Lebensdauer der Mikrostruktur aufgrund der Meniskuskraft, die zwischen den zwei Flächen, beispielsweise den Gleitabschnitten der sehr kleinen (Mikro-) Struktur, wirkt, beispielsweise der Lehre der Untersuchungen zur Verringerung der Meniskuskraft durch ein optimales Texturierungsverfahren (Texturieren) beim Mikrosystem konträr ist, entwickelt.
D. h., im Gegensatz zur Lehre der Elimination der Meniskuskraft in einer Mikrostruktur oder einem mechanischen Mikrosystem wurde die vorliegende Erfindung wissentlich zum Fixieren von zwei Flächen durch Erhöhen der Meniskuskraft gemacht.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Ideenumkehr, und diese bildet den Kern der Erfindung, wie stabil der Meniskus des Klebers auf einer Angriffsstelle der Meniskuskraft ausgebildet wird, d. h. an einem sehr kleinen vorbestimmten Verbindungspunkt der jeweiligen Elemente einer sehr kleinen (Mikro-)Struktur und wie stark die Elemente am Verbindungspunkt durch den Kleber, der im Meniskus enthalten ist, miteinander verbunden sind.
Die vorliegende Erfindung verwendet positiv die Meniskusbildungsstelle als Verbindungsstelle (Verbindungspunkt) bei der sehr kleinen (Mikro-)Struktur, und dem oben beschriebenen mechanischen Mikrosystem.
Das erfindungsgemässe Verbindungsverfahren, das den kapillaren Kondensationseffekt nutzt, wird zum Verbinden zwischen Elementen (Bauteilen, Teilen) einer sehr kleinen (Mikro-)Struktur verwendet. Das zu verbindende Teil (Verbindungsgegenstand) ist nicht spezifisch begrenzt, soweit es einen Meniskus aufgrund kapillarer Kondensation des Klebers (bei dieser Erfindung ist der Begriff "Kleber" im wesentlichen wie nachfolgend beschrieben, zu interpretieren) an einem vorbestimmten Verbindungspunkt dieses Elementensystems erzeugt.
Beispielsweise wird in einem System, bei dem eine Kugel mit glatter Oberfläche und eine ebene Fläche mit glatter Oberfläche in einer ausgewählten feuchten Umgebung miteinander kontaktiert werden, ein Meniskus durch die kapillare Kondensation (thermodynamisches Gleichgewichtsverfahren) am Kontaktbereich gebildet.
Bei der vorliegenden Erfindung werden die Kontaktziele, beispielsweise die Kugel, das ebene Element und ähnliche Elemente, die glatte Oberflächen aufweisen, durch den Meniskus miteinander verbunden. Es ist vorteilhaft, wenn die Dimensionen derselben auf ausgewählte Grössen zur Erzielung von Verbindungsstrukturen, sehr guter Haftfestigkeit aufweisen, festgelegt werden.
Der erfindungsgemässe Begriff "Kugel mit glatter Oberfläche" bedeutet einen Gegenstand mit kurvenförmig konvexer Oberfläche, einen Gegenstand, der im Makro- Massstab glatt erscheint, jedoch eine sehr kleine unebene Fläche im Mikro-Bereich aufweist, usw. und sollte so weit wie möglich interpretiert werden.
Ausgehend von dem oben beschriebenen Gesichtspunkt, werden das Kontaktziel, das dem erfindungsgemässen Verbindungsverfahren, das die kapillare Kondensation nutzt, unterworfen wird, insbesondere die Oberflächeneigenschaft und die Grösse des Kontaktziels beschrieben. Die Haftfestigkeit weist eine starke Wechselbeziehung mit dem Volumen des ausgebildeten Meniskus und dem Verhalten des Klebers auf, und es sollte daher als eine der Massnahmen betrachtet werden, den Verbindungsbereich nur hinsichtlich der Grösse zu definieren.
Zunächst wird ein Verbindungsmechanismus in einem Makrosystem und dann ein Verbindungsmechanismus in einem sehr kleinen Mikrosystem, auf das die vorliegende Erfindung gerichtet ist, beschrieben.
Im Makrosystem, beispielsweise einem System, bei dem die Grösse der zu verbindenden Teile (Werkstücke) in der Grösse von mehreren zehn Zentimetern bis mehreren Metern beträgt, ist die Anzahl Vorsprünge, die zum Kontakt am Verbindungspunkt zwischen den Werkstücken und deren Kontaktfläche beitragen, geringer als es scheint, und der Hauptteil der Kraft, die an diesen Flächen anliegt, wird von der Trägheitskraft und der Schwerkraft bestimmt. Das Verbindungsverfahren, das den kapillaren Kondensationseffekt nutzt, kann daher keine ausreichende Haftkraft (Haftfestigkeit) erzielen. Wenn jedoch Wasser in den Spalt zwischen zwei Gleitgläser (das Gleitglas weist eine Spiegelflächenstruktur auf, deren Fläche sehr glatt ist) oder dergleichen eindringt, tritt eine anormale Haftfestigkeit auf. Dementsprechend ist ein Fall, bei dem die Fläche sehr glatt ist, sogar im Makrosystem eine Ausnahme.
Andererseits kann im Mikrosystem ausreichende Haftfestigkeit allein durch die Haftung an wenigen tatsächlichen Kontaktpunkten erzielt werden, da die Arbeitsgenauigkeit für Mikrostrukturen besser ist (der Grad der Oberflächenglätte ist beibehalten) und die Zwischenflächenkraft spielt, verglichen mit der Trägheitskraft und der Schwerkraft im Mikrosystem, eine grössere Rolle.
Bei dem erfindungsgemässen Verbindungsverfahren, das die kapillare Kondensation nutzt, wird die Grösse des zu verbindenden Teils (Werkstücks) vorzugsweise auf mehrere Millimeter (mm) oder weniger im Fall des Verbindens eines Kugelelements mit einem Element mit ebener Fläche festgelegt.
Die ungefähre Bemessung der Grösse des erfindungsgemäss zu verbindenden Teils (Werkstücks) gemäss wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschrieben.
Nachfolgend wird die ungefähre Bemessung der Grösse des erfindungsgemäss zu verbindenden Verbindungsbereichs unter Verwendung eines Verbindungsverfahrens, bei dem zu verbindende Teile (Werkstücke) aus einem Silizium-Nitrid-Ball (Kugel) und einer Silizium-Nitrid-Platte (ebene Platte), die extrem glatte Oberflächen aufweisen, in einer Kammer angeordnet werden, in der eine Atmosphärensteuerung (insbesondere eine Dampfdrucksteuerung des Klebers) ausgeführt werden kann und ein Meniskus des Klebers am Verbindungspunkt zwischen diesen aufgrund des kapillaren Kondensationseffekts ausgebildet wird, und der Kleber danach ausgehärtet wird, beschrieben.
Bei dem oben beschriebenen Verbindungsverfahren wird angenommen, dass die Haftkraft (Meniskuskraft, Fp), mit der das Werkstück (Kugel) stabil verbunden wird, gleich der Zugkraft aus dem Gewicht des Werkstücks (Kugel) ist und daher stabil ist. Die Kontaktwinkel (θ1, θ2) der Werkstücke sind auf 30° Grad festgelegt und die Haftfestigkeit der Zugkraft pro Flächeneinheit beträgt 10 Mpa.
Auf Basis obiger Annahme wird eine mögliche Fläche (mögliche Verbindungsfläche), an der das Werkstück (Kugel) stabil verbunden wird, gemäss der Beziehung zwischen dem Radius R (mm) des Arbeitstücks (Kugel) und dem relativen Dampfdruck (P/Ps) der Atmosphäre (Kleber) berechnet. Das Ergebnis ist in Fig. 3 gezeigt.
Aus Fig. 3 kann folgendes bestimmt werden.

1. Bei obiger Annahme wird das Werkstück (Kugel) bis zu einer Grösse, die einem Kugelradius von ungefähr 5 mm entspricht, stabil verbunden.
2. Wenn die Grösse des Werkstücks (Kugel) vergrössert wird, wird der relative Dampfdruck der Atmosphäre, der zur Verbindung notwendig ist, erhöht.

Wenn der Radius des Werkstücks (Kugel) 5 mm beträgt, beträgt das Verhältnis (A/W) der Verbindungsfläche (A) des Werkstücks (Kugel) zu dessen Gewicht (W) 3,0 × 10^-9 (m²/g). Wenn das Verhältnis nicht kleiner als dieser Wert ist, kann das Werkstück (Kugel) stabil verbunden werden.
Die Grösse des zu verbindenden Teils (Werkstücks), das dem erfindungsgemässen Verbindungsverfahren unterworfen wird, wird nachfolgend von einem anderen Gesichtpunkt aus beschrieben.
Bei vielen Beobachtungen des Atomkraft-Mikrometers AFM (Atomic Force Micrometer) wird, wenn angenommen wird, dass die zu verbindenden Teile mittels deren ebenen Flächen miteinander in Kontakt treten, beobachtet, dass die Dampfkomposition einen Meniskus durch kapillare Kondensation bildet, wenn das Verhältnis (S1/S2) der wahren Kontaktfläche (S1) zur scheinbaren Kontaktfläche (S2) sich in der Grössenordnung von 1/25 000 bewegt.
Es wurde festgestellt, dass das Volumen des Meniskus stark ansteigt, wenn das Verhältnis des Dampfdrucks zum gesättigten Dampfdruck 60% überschreitet. Dementsprechend ist bei dem oben beschriebenen relativen Dampfdruckverhältnis oder einem höheren Verhältnis die Haftfestigkeit ausreichend. Wie später beschrieben, beträgt, wenn der Kleber der Zusammensetzung der Atmosphäre des Aufdampfens entspricht, das Verhältnis des Dampfdrucks des Klebers zum gesättigten Dampfdruck 60% oder mehr in Verbindung mit der Haftfestigkeit.
Erfindungsgemäss kann das Verbindungsverfahren, das den kapillaren Kondensationseffekt nutzt, für zu verbindende Teile verwendet werden, bei denen das Verhältnis (S1/S2) der wahren Kontaktfläche (S1) zu der scheinbaren Kontaktfläche (S2) annähernd 1/25 000 beträgt (d. h., die zu verbindenden Teile weisen extrem glatte Oberflächen auf), so dass die zu verbindenden Teile dadurch stabil miteinander verbunden werden können, dass eine Flüssigkeit, die Hafteigenschaft aufweist, einer kapillaren Kondensation in der Umgebung der Vorsprünge, die wirklich miteinander kontaktiert werden, unterworfen werden.
Die zu verbindenden Teile (Werkstücke), bei denen das Verbindungsverfahren, das den kapillaren Kondensationseffekt nutzt, angewendet wird, sind nicht auf Ziele, die extrem glatte Oberflächen aufweisen, bei denen das Verhältnis (S1/S2) sich in der Grössenordnung von 1/25 000 bewegt, beschränkt. S1 (wahre Kontaktfläche) bezeichnet die wahre Kontaktfläche, die durch vorbestimmte Vorsprünge (konvexe Abschnitte) im ersten Schritt gebildet wird, wenn die Werkstücke am Verbindungspunkt kontaktiert werden.
Wie oben beschrieben, ist die Haftfestigkeit von der Dicke und dem Volumen des Meniskus, der am Verbindungspunkt gebildet wird, abhängig, und die Dicke und das Volumen des Meniskus stehen zum relativen Dampfdruck (P/Ps) der Kleberkomponente der Atmosphäre in enger Beziehung.
Durch Erhöhen des relativen Dampfdrucks (P/Ps) der Kleberkomponente, zur Vergrösserung der Dicke des Meniskus können daher Gegenstände als zu verbindende Teile (Werkstücke) verwendet werden, die rauhe Flächen aufweisen, in denen extrem kleine Vorsprünge (konvexe Abschnitte), die nicht zur Verbindung im ersten Schritt (vor der Erhöhung des relativen Dampfdrucks) beitragen, dazu gebracht werden, zur Verbindung beizutragen.
Es werden Werkstücke beschrieben, die Vorsprünge (konvexe Abschnitte), die im ersten Schritt, bei dem die Werkstücke an einem vorbestimmten Verbindungspunkt miteinander kontaktiert werden, miteinander in wahren Kontakt gebracht werden, und auch Vorsprünge (konvexe Abschnitte) aufweisen, die zur Verbindung durch Vergrösserung der Dicke des Meniskus beitragen können.
Ein Werkstück, das diese Art von Oberflächenrauheit aufweist, wird als Werkstück mit rauher Oberfläche bezeichnet und der Grad der Rauheit dessen Oberfläche sollte als Beziehung zu einem Werkstück mit glatter Oberfläche von S1 (wahre Kontaktfläche) verstanden werden.
Fig. 4 ist eine Darstellung der Oberflächeneigenschaft des Werkstücks, das die oben beschriebenen Merkmale aufweist, darstellt. In Fig. 4 bezeichnet W1 ein Werkstück mit rauher Oberfläche, und W2 bezeichnet ein Werkstück mit glatter Oberfläche.
Beim Werkstück (W1) mit rauher Oberfläche wird angenommen, dass die Höhe (σ) der Vorsprünge (konvexen Abschnitte auf der Oberfläche der normalen Verteilung entsprechen und deren Endabschnitte einen Endradius (r) aufweisen. Es wird nun angenommen, dass die Meniskusfläche jeder Fläche durch Ai, die Haftkraft pro Flächeneinheit durch fg und die Gesamthaftfestigkeit durch die Formel 1 repräsentiert werden. Offensichtlich ist das Flächenintegral der Formel 1 die Gesamtfläche (Ω) der Verbindung.
Wenn sichergestellt ist, dass die Höhe (σ) der Vorsprünge, die auf der Fläche vorhanden sind, der Normalverteilung entspricht, wird diese maximale Höhe der Vorsprünge auf der Fläche durch (Ry) repräsentiert, und die Höhe des Meniskus unter Einwirkung von Dampfdruck wird durch (t) repräsentiert: Dann wird die Wahrscheinlichkeit, mit der ein Vorsprung, der sich auf der Oberfläche befindet, durch (Einbetten in) den Meniskus eingeschlossen wird, durch die folgende Formel 2 berechnet.
In der Formel 2 bezeichnet x die Höhe des Vorsprungs, µ einen erwarteten Wert und s die Standardabweichung.
Die Gesamtanzahl Vorsprünge in der Verbindungsfläche (0) wird durch (N) bezeichnet und die Anzahl (Nm) Vorsprünge, die durch den Meniskus angeätzt werden, wird durch die folgende Formel 3 repräsentiert.
Ferner werden die Verbindungsfläche durch (An) und die Fläche (Am), auf der der Meniskus gebildet ist, durch die Formel 4 dargestellt.
Die Beziehung zwischen der Meniskushöhe (t) und dem relativen Dampfdruck (P/Ps) des Klebers vom Acetontyp und vom Cyanacrylattyp wird hierbei theoretisch unter der Annahme berechnet, dass die Kontaktwinkel (θ1, θ2) zwischen jedem Werkstück und dem Kleber 30 Grad betragen.
Wie in Fig. 5 gezeigt, wird, wenn der relative Dampfdruck der Atmosphäre auf einen hohen Wert festgelegt wird, die Höhe des Meniskus, der am Kontaktpunkt ausgebildet ist, erhöht, so dass die Anzahl Vorsprünge, die zur Verbindung beitragen, d. h., die Kontaktfläche, erhöht werden kann.
Wie oben beschrieben, ist es, wenn die Oberflächenrauheit gross ist und die Anzahl Vorsprünge, die zur Verbindung beitragen, erhöht werden muss, ein wirksames Mittel, die Meniskushöhe zu erhöhen. Dies ist so, da, wenn die Meniskushöhe erhöht wird, entsprechend dem Meniskus, auch ein Meniskus an den Vorsprüngen, die nicht mit der Partnerfläche in Kontakt kommen, ausgebildet wird. Ein relativer Dampfdruck der Atmosphäre, der notwendig ist, um eine gewünschte Meniskushöhe (eine gewünschte Kontaktfläche wird durch Dividieren einer ausgewählten Haftfestigkeit durch die Festigkeit des Klebers pro Einheitsfläche berechnet, und dann die Meniskushöhe, die der betreffenden Kontaktfläche entspricht, aus Formel 4 berechnet) zu erzielen, kann mittels Fig. 5 bestimmt werden.
Die Grösse der zu verbindende Teile, an denen das erfindungsgemässen Verbindungsverfahren angewendet wird, wird ferner ausgehend von einem anderen Gesichtspunkt, d. h. auf Basis der Beziehung zwischen der Meniskusfläche (Kontaktfläche) "A" und dem Gewicht "W" beschrieben.
Als Anhalt für die Grösse des Werkstücks, das unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 beschrieben ist, kann, wenn das Verhältnis (A/W) der Kontaktfläche (A) und des Gewichts (W) des Werkstücks (Kugel) nicht weniger als 3,0 × 10^-9 (m²/g) in dem Fall beträgt, bei dem der Radius des Werkstücks (Kugel) gleich 5 mm ist, die Verbindung stabil ausgeführt werden.
Erfindungsgemässen wurde aus den Betrachtungen der verschiedenen Grössen des Werkstücks (Kugel) herausgefunden, dass die Grösse des zu verbindenden Teils, an dem das erfindungsgemässen Verbindungsverfahren ausgeführt werden kann, vorzugsweise so auf einen ungefähren Standard festgelegt ist, bei dem das Verhältnis von A/W grösser als 0,75 × 10^-10(m²/g) ist. "A" und "W" können unabhängig so festgelegt werden, dass der Wert des Verhältnisses sichergestellt ist.
Der Wert des Verhältnisses NW kann durch die Konstanten (W) der tatsächlich verbundenen Materialien und der Meniskusfläche (A), die durch die Berechnung unter einer Atmosphäre von ungefähr 60% im Dampfdruck bestimmt ist, berechnet werden.
Wenn beispielsweise ebene Oberflächen mit einem geringen Grad an Rauheit miteinander verbunden werden, kann die Meniskusfläche (A) wie folgt berechnet werden.
Zunächst wird die Oberflächenrauheit der Werkstücke (zu verbindende Teile) berechnet, der mittlere Radius der Vorsprünge, die auf den zwei ebenen Oberflächen (dies kann durch AFM Topographie leicht berechnet werden) vorhanden sind, und deren jeweiliger Radius [1/(r) = 1/(r1) + 1/(r2)] werden berechnet, um die Meniskusfläche jedes Vorsprungs zu berechnen. Die Meniskusfläche (A) wird dann unter der Annahme, dass die wahre Kontaktfläche 1/25 000tel der scheinbaren Kontaktfläche entspricht, berechnet.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, ist es, wenn zwei Flächen, die sehr rauh sind, mittels des erfindungsgemässen Verbindungsverfahrens, das die kapillare Kondensation nutzt, miteinander verbunden werden, notwendig, die Meniskusfläche pro Vorsprung zu vergrössern, um eine gute Haftfestigkeit zu erzielen, und, um dieses Erfordernis zu erfüllen, den Dampfdruck des Klebers der Atmosphäre zu erhöhen.
Eine Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemässen Verbindungsverfahrens, das den kapillaren Kondensationseffekt nutzt, wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 6 und 7 beschrieben. Offensichtlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine Ausführungsform, die in den Figuren dargestellt ist, eingeschränkt.
Entsprechend dem erfindungsgemässen Verbindungsverfahren werden Werkstücke (zu verbindende Teile) an einem vorbestimmten Verbindungspunkt in einer Dampfdruckatmosphäre des Klebers, wie oben beschrieben, miteinander verbunden und am Verbindungspunkt wird durch Aussetzen an den Dampf des Klebers durch kapillare Kondensation ein Meniskus ausgebildet, um die Werkstücke durch den Meniskus des Klebers zu verbinden.
Eine Vorrichtung, die in den Fig. 6 und 7 dargestellt ist, kann daher als Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebene erfindungsgemässen Verbindungsverfahrens verwendet werden.
Fig. 6 ist eine Darstellung (Blockdiagramm), welche die gesamte Vorrichtung (A), die für das erfindungsgemässen Verbindungsverfahren verwendet wird, darstellt.
Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Werkstückfixiereinrichtung (11) für ein bewegliches zu verbindendes Teil (Werkstück), das in einer Kammer (1) von Fig. 6 angeordnet ist, darstellt.
Wie in den Figuren gezeigt, umfasst die Vorrichtung (A), die das erfindungsgemässe Verbindungsverfahren ausführt, folgende grosse Bauelemente:

1. eine Kammer (1), die in einem Werkstück-Fixiereinrichtung (11) für ein bewegliches zu verbindendes Teil (Werkstück) angeordnet ist,
2. eine Kammer (2), in der ein Behälter mit Kleber angeordnet ist,
3. einen Befeuchter (3) zum Zuführen von Härter (Wasser) in die Kammer (1), wenn der Kleber ein in Wasser aushärtender Typ ist, und
4. eine Schutzgaszylinder (4) zum Aufrechterhalten einer Schutzgasatmosphäre in der gesamten Vorrichtung (4).

Wie in den Figuren gezeigt, ist die Vorrichtung (A) mit einem Ventil (V), einer Pumpe (P), usw. versehen, um ein Ansaugen/Ausstossen von Gas auszuführen.
Die Einzelheiten der Werkstückfixiereinrichtung (11) für das bewegliche zu verbindendes Teils (Werkstücks), das in der Kammer (1) angeordnet ist, sind in Fig. 7 gezeigt. Deren Mechanismus wird aus Fig. 7 offensichtlich.
Wie in Fig. 7 gezeigt, weist die Werkstückfixiereinrichtung (11) ein Werkstückfixierwerkzeug (1a) zum Befestigen einer Nadel (oder einer Kugel) (a), die einem der zu verbindenden Teile entspricht, und ein Werkstück-Fixierwerkzeug (1b) zum Befestigen eines Werkstücks (b) mit einer ebenen Oberfläche, das dem anderen zu verbindenden Teil entspricht, auf. Die Werkstückfixierwerkzeuge (1a) (1b) sind auf beweglichen Bühnen (1a1) (1b1), die auf einer beweglichen Bühnenplatte (1c) beweglich angeordnet sind, befestigt. Durch den Wirkmechanismus der Werkstückfixiereinrichtung (11) werden die Werkstücke (a, b) an einem vorbestimmten Kontaktpunkt miteinander kontaktiert und eine Meniskusbildungsstelle vorbereitet.
In der Kammer (2) wird der gewünschte Kleber im Behälter (21) durch eine Heizvorrichtung, einen Verdampfer, usw. (nicht dargestellt) aufbereitet, so dass der gewünschte Dampfdruck und die gewünschte Dampfmenge erzielt werden.
Ein Verfahren zur Erzielung des ausgewählten Dampfdrucks und der ausgewählten Dampfmenge des Klebers wird nachfolgend beschrieben.
Bei dieser Erfindung ist die Bedeutung des Begriffs "Kleber" so breit wie möglich zu interpretieren. Es bedeutet alle Komponenten, die zum Kleben beitragen, und es bedeutet nicht nur herkömmliche Kleber, sondern auch Lösungsmittel und Härter für Kleber.

1. Bei einem photohärtenden Kleber, der kein Lösungsmittel benötigt, wird die Atmosphärentemperatur mittels eines Verdampfers oder dergleichen gesteuert, um den ausgewählten Dampfdruck und die gewünschte Dampfmenge zu erzielen, wobei der Dampfdruck gesteuert wird und der jeweilige Dampf mit getrocknetem Stickstoff oder dergleichen aus dem Gaszylinder (4) gemischt wird, um eine gewünschte Atmosphäre zur Bildung des Meniskus zu erzielen.

Die vorangehende Beschreibung kann auf den Fall angewendet werden, dass ein in Wasser aushärtender Kleber verwendet wird, der Meniskus des Klebers während eines ersten Schritts ausgebildet, ein Meniskus aus Wasser in einer ausgewählten Dampfdruckatmosphäre (Dampfdruckumgebung) bei einem zweiten Schritt ausgebildet wird und die Werkstücke dann beim Aushärten des Klebers miteinander verbunden werden.

1. Wenn ein Lösungsmittel notwendig ist, d. h., wenn der Kleber einen Kleber- Werkstoff und ein Lösungsmittel zum Lösen des Klebers umfasst, können der gewünschte Dampfdruck und die gewünschte Dampfmenge auf Basis einer Zusammensetzung, die einen azeotropen Punkt des Dampf-Flüssigkeitsgleichgewichts eines Mehrkomponentensystems aufweist, erzielt werden.

Das Gesamtvolumen des Meniskus, der durch Unterwerfen des Dampfes einer kapillaren Kondensation gebildet wird, wird verringert, wenn der Dampfdruck oder die Dampfmenge der Atmosphäre verringert werden.
Nachfolgend wird beschrieben, wie ein Meniskus erzielt wird, der eine grössere Menge Kleberkomponenten aufweist, um bei einem obenbeschriebenen Mehrkomponentensystem eine bevorzugte Haftfestigkeit aufrechtzuerhalten.
Der Siedepunkt des Lösungsmittels wird als bp1 und der Siedepunkt des Klebers wird als bp2 festgelegt.
Ferner werden die Temperatur der Kammer (1) als Tc festgelegt, der gesättigte Dampfdruck und der Dampfdruck des Lösungsmittels gleichzeitig als Ps1, P1 und der gesättigte Dampfdruck und die Dampfdichte des Klebers als Ps2, Ps festgelegt.
Wenn der Kelvin Radius (rê) des Meniskus (siehe Formeln 1, 2) den Wert beträgt, der aus einem thermodynamischen Gleichgewichtszustand berechnet werden kann und die Grösse eines Spalts darstellt, in dem Flüssigkeit bei einer vorbestimmten relativen Feuchtigkeit existieren kann (in diesem Fall wird die Feuchtigkeit bezüglich des Lösungsmittels und des Klebers in der Atmosphäre verwendet), wird theoretisch die Flüssigkeit in dem Spalt, der die Grösse aufweist, die dem Kelvin Radius (re) insoweit entspricht, als die relative Feuchtigkeit ungleich "0" ist, auftreten.
Wenn dabei eine grössere Menge an Kleber als an Lösungsmittel notwendig ist, damit der Kleber im Spalt kondensieren kann, kann durch Festlegen von P2/Ps2 grösser als P1/Ps1 bei Tc als Atmosphärenzustand eine relativ grosse Menge Kleber am Verbindungspunkt gesammelt werden, so dass eine hohe Haftfestigkeit erzielt werden kann.
Bei dem erfindungsgemässen Verbindungsverfahren, das die kapillare Kondensation nutzt, wird, wenn ein beliebiger Meniskusbildungsspalt an einer anderen Position als den Verbindungspunkten der jeweiligen Elemente (Bauteile, Teile), die bei einer sehr kleinen (Mikro-)Struktur verbunden werden sollen, auftreten kann, der Kleber als Flüssigkeit in solch einem Spalt kondensiert und es ist daher selbstverständlich, dass diese Stellen durch Abkleben oder dergleichen geschützt werden.
Nachfolgend wird der Kleber, der beim erfindungsgemässen Verbindungsverfahren verwendet wird, das den kapillaren Kondensationseffekt nutzt, beschrieben.
Bei dem erfindungsgemässen Verbindungsverfahren ist der Kleber nicht auf einen speziellen Kleber beschränkt, solange sichergestellt ist, dass er einen Meniskus auf einem Verbindungsbereich durch kapillare Kondensation bildet.
Im allgemeinen ist Kleber, der ein kleines Molvolumen aufweist, geeignet, um als Dampf des Klebers in einem kleinen Spalt an einem Verbindungspunkt wirksam zu kondensieren. Im allgemeinen ist ein Typ, der kein Lösungsmittel benötigt, oder ein Typ, bei dem kein Härter, das danach (im zweiten Schritt) aufgebracht werden muss, vorzuziehen.
Wie beim Kleber, der bei dem erfindungsgemässen Verbindungsverfahren verwendet wird, können verschiedene Arten von Lösungsmitteln (die dotierten Zement umfassen), die die gewünschte exzellente Lösungsleistung aufweisen, für Werkstücke, die aus Kunststoff (Harz) gebildet sind und durch Anlösen ihrer Wandflächen am Verbindungspunkt miteinander verbunden werden, verwendet werden.
Als weitere Kleber können Harnstoffharzkleber, Melaminharzkleber, Phenolharzkleber, Epoxidharzkleber, Resorcinolharzkleber, Isocyanatharzkleber, Cyanacrylatharzkleber (die photoaushärtende Kleber als Acrylkleber umfassen) oder dergleichen verwendet werden.
Die Verbindung, die auf dem Kleber, wie oben beschrieben, beruht, kann in einer ausgewählten Art ausgeführt werden.
Beispielsweise kann bei einem wärmeaushärtenden Harzkleber (Harnstoff, Melamin. Phenol, Epoxy, Resorcinol oder dergleichen als Beispiel für in wärmeaushärtende Kleber) die Verbindung durch Wärmebehandlung nach der Kondensation oder nach dem Kondensieren einer Mischung, die durch Vorabmischen eines Klebers mit einem Härter erzielt wird, ausgeführt werden.
Feucht aushärtende Kleber, deren Isocyanatgruppe mit Wasser auf der Oberfläche reagiert, ist bei der Isocyanatharzklebergruppe bekannt. Wenn dieses verwendet wird, wird zunächst Isocyanatharz am Verbindungspunkt durch kapillare Kondensation kondensiert oder es wird in einem Vorbehandlungsschritt aufgebracht, der Meniskus wird durch Wanderung gebildet und wird dann einer Atmosphäre mit feuchter Luft ausgesetzt, um die Kondensation von Wasser am Verbindungspunkt zu unterstützen, wobei das Harz zur Verbindung aushärtet.
Das oben beschriebene Verbindungsverfahren kann für Cyanacrylatkleber verwendet werden.
Bei photoaushärtendem Kleber können, nachdem er kondensiert ist (Meniskus geformt ist), das Aushärten und Verbinden durch Bestrahlung ausgeführt werden.
Wenn Werkstücke aus einem synthetischen Harz hergestellt sind, kann, nachdem ein für zu verbindendes Harz geeignetes Lösungsmittel kondensiert ist (ein Meniskus gebildet ist), die Harzfläche am Verbindungspunkt angelöst und dann getrocknet werden, um die Werkstücke miteinander zu verbinden.
Nun werden Anwendungen des erfindungsgemässen Verbindungsverfahrens, das die kapillare Kondensation nutzt, beschrieben. Die nachfolgende Anwendung ist ein Beispiel, und weitere Anwendungen sind leicht verständlich. Die spezifischen Verbindungsverfahren dieser Anwendungen werden ferner anhand von Ausführungsbeispielen später beschrieben.

1. Verbinden einer Quarzglasplatte (ebene Platte) mit einer Quarzglaskugellinse. Dies ist wichtig, um ein optisches System (Linsensystem) eines Mikro-Laserlängenmasssystems oder dergleichen herzustellen.
2. Verbinden einer Harzplatte (ebene Platte) mit einem Stift, Bolzen. Dies ist wichtig, um ein Gehäuse für einen Mikrobeschleunigungssensor oder dergleichen herzustellen und ein Zelluloid-Mikrozahnrad oder dergleichen zu befestigen.
3. Verbinden einer Siliziumnitridkugel mit einer Aluminiumplatte. Dies ist wichtig, um einen Schieber für eine magnetische Speicherdiskette mit einer (Schieber- )Aufhängung (die aus Aluminium hergestellt ist) zu verbinden.
4. Verbinden von Mikrokugeln aus Silika mit einer Multikristallsiliziumplatte. Dies ist wichtig, um ein Werkzeug zur Bildung von vertieften Strukturen (ein Werkzug, das verwendet wird, wenn eine Platte, auf der Mikrosilikakugeln dicht angeordnet sind, gegen eine ebene Metallfläche oder dergleichen gedrückt wird, um eine Texturierung zu erzielen), herzustellen.
5. Verbinden einer sehr kleinen (Mikro-)Struktur, von Elementen (Bauteile, Teile) einer Mikromaschine, beispielsweise eines Mikromotors, Mikroturbine, eines Getriebezugs, eines Mikrozahnrads, usw.

AUSFÜHRUNGSFORMEN

Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verbindungsverfahrens, das den kapillaren Kondensationseffekt nutzt, werden nachfolgend detailliert beschrieben.
Offensichtlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen begrenzt.

Ausführungsform 1

Eine Quarzglasplatte und eine Quarzglaskugellinse wurden als Werkstücke (zu verbindende Teile) verwendet. Ferner wurde eine Vorrichtung, die in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist, verwendet.
Die Quarzglasplatte und die Quarzglaskugellinse mit einem Radius von 300 Mikrometern (µm) wurden in einer Werkstückfixiereinrichtung (11), die in Fig. 7 gezeigt ist, befestigt, mittels beweglicher Bühnen (1a1, 1b1) miteinander kontaktiert und in der Vakuumkammer (1), die so weit evakuiert wurde, dass ein Gasaustausch, wie in Fig. 6 gezeigt, ausgeführt werden konnte, angeordnet.
Ferner wurde ein Behälter (21), in den ein im UV härtendes Kleberharz gegeben wurde, in einer Kammer (2) angeordnet.
Die Menge trockener Stickstoff, der von einem Atmosphärengaszylinder (4) in die Kammer (2) fliesst, der Druck in der Kammer (2) und die Temperatur der beiden Kammern (1, 2) wurden so geregelt, dass der Dampfdruck des UV-härtenden Kleberharz in der Kammer (1) gleich einem korrekten Wert (beispielsweise 60% des gesättigten Dampfdrucks) entsprach.
Danach wurde der trockene Stickstoff, der den Dampf des in ultraviolettem Licht aushärtenden Klebers enthält, in die Kammer (1) gegeben, um einen Meniskus aus in UV-härtendem Kleber am Verbindungspunkt der Werkstücke durch den kapillaren Kondensationseffekt zu bilden.
Ultraviolettes Licht wurde danach auf die Werkstücke durch eine Inspektionsöffnung der Kammer (1) aufgebracht, um den Kleber zu härten und die Werkstücke zu verbinden.
Die so miteinander verbunden Werkstücke waren am Verbindungspunkt durch das optimale Meniskusvolumen fest miteinander verbunden. Der Verbundkörper, der so hergestellt wurde, dient dazu, ein optisches System (Linsensystem) eines Mikrolaserlängenmesssystems herzustellen.

Ausführungsform 2

Ein Stiftelement und eine ebene Platte, die aus einem allgemeinen Kunststoffwerkstoff, beispielsweise Celluloid oder dergleichen, hergestellt wurden, wurden als Werkstücke verwendet. D. h., die Verbindungspunkte der Elemente aus Kunststoff wurden durch ein Lösungsmittel (Aceton) angelöst und miteinander verbunden. Die Vorrichtung, die in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist, wurde verwendet.
Das Stiftelement wurde so bearbeitet, dass es einen Wölbungsradius von 500 Mikrometern (µm) an seiner Spitze aufwies. Das Stiftelement und die ebene Platte wurden in der Werkstückfixiereinrichtung (11), die in Fig. 7 gezeigt ist, festgelegt, durch Bewegen der Bühnen (1a1, 1b1) miteinander kontaktiert und in der Vakuumkammer (1) angeordnet, die auf ein Vakuum gebracht wurde, bei dem der Gasaustausch ausgeführt werden konnte.
Ferner wurde ein Behälter (21), in den Aceton (Kleber, wie in dieser Erfindung definiert) gegeben wurde, in der Kammer (2) angeordnet.
Die Menge trockenen Stickstoffs, der in die Kammer (2) fliesst, der Druck in der Kammer (2) und die Temperatur der beiden Kammern (1, 2) wurden so geregelt, dass der Acetondampfdruck in der Kammer (1) auf einen geeigneten Wert (beispielsweise 60% oder mehr des gesättigten Dampfdrucks) gebracht wurde.
Danach wurde der trockene Stickstoff, der den Acetondampf enthielt, in die Kammer (1) eingeführt und ein Acetonmeniskus am Verbindungspunkt zwischen den Werkstücken durch den kapillaren Kondensationseffekt gebildet. Nur die Verbindungsstelle wurde durch das Aceton angelöst, dass Kunststoff aus Celluloid durch Aceton angelöst wird, und durch anschliessendes Einführen von trockenem Stickstoff durch einen weiteren Einlass, danach wurde das kondensierte Aceton verdampft und die Verbindung fertiggestellt. Die Werkstücke waren mit einer ausreichenden Haftfestigkeit miteinander verbunden.

Ausführungsform 3

Das gleiche Verbinden wie bei der Ausführungsform 2 wurde unter Verwenden einer Aluminiumplatte und einer Siliziumnitridkugel, die auf ihrer Oberfläche mit einer dünnen Acetylzelluloseschicht durch ein Eintauchbeschichtungsverfahren beschichtet wurde als Werkstücke ausgeführt. Bei diesem Verbindungsverfahren konnten die Werkstücke mit einer ausreichenden Haftfestigkeit verbunden werden.

Ausführungsform 4

In Dampf aushärtende Polyisocyanatkleber oder Cyanacrylatkleber wurden als Kleber und Mikrosilikakugeln und eine Multikristallsiliziumplatte als Werkstücke verwendet. Ein Meniskus des Klebers wurde zunächst am Verbindungspunkt der Werkstücke ausgebildet, dann wurde ein Meniskus aus Wasser (Härter) auf dem Verbindungspunkt in einer feuchten Stickstoffatmosphäre gebildet, um die Werkstücke miteinander zu verbinden.
Die Mikrosilikakugeln mit einem Durchmesser von 100 Mikrometern (µm) wurden insbesondere auf der Multikristallsiliziumplatte (Siliziumscheibe) verteilt. Danach wurde die oben beschriebene Platte, auf der die Mikrosilikakugeln verteilt wurden, in der Vakuumkammer (1) angeordnet und die Vakuumkammer (1) so evakuiert, dass ein Gasaustausch ausgeführt werden konnte.
Ein Behälter (21), in den ein feucht (in Wasser) aushärtender Polyisocyantkleber oder ein Cyanacrylatkleber gegeben wurde, wurde in der Kammer (2) angeordnet.
Die Fliessenge trockenen Stickstoffs, die in die Kammer (2) fliesst, der Druck der Kammer (2) und die Temperatur der beiden Kammern (1, 2) wurden so geregelt, dass der Dampfdruck des Klebers in der Kammer (1) auf einen geeigneten Wert gebracht wurde.
Der trockene Stickstoff, der den Dampf des Klebers enthielt, wurde danach in die Kammer (1) eingebracht und Menisken wurden selektiv nur um die wahren Kontaktpunkte der Siliziumscheibe mit den Mikrosilikakugeln, die als Werkstücke dienten, ausgebildet.
Danach wurde feuchter Stickstoff durch einen weiteren Einlass mittels eines Befeuchters (3) eingebracht, Wasser nur an den Verbindungspunkten kondensiert, um Menisken aus Wasser (Härter) zu bilden, und der Kleber ausgehärtet, um die Werkstücke miteinander zu verbinden.
Dabei wurden auch die Silikakugeln, die einander auf der Siliziumscheibe kontaktieren, an den Kontaktpunkten miteinander verbunden.
Der so hergestellte Verbundkörper wurde mit ausreichender Haftfestigkeit verbunden und eignet sich als Werkzeug, um eine vertiefte Struktur zum Texturieren zu erzielen.

Industrielle Anwendung

Erfindungsgemäss kann bei der Herstellung einer sehr kleinen (Mikro)-Struktur, d. h., bei der Herstellung einer sehr kleinen (Mikro-)Struktur, die mehrere Elemente (Bauteile, Teile), die sehr klein sind, umfasst, das Verbinden im Verbindungspunkt zwischen den jeweiligen sehr kleinen Elementen (Bauteilen, Teilen) wirksam und wirtschaftlich erzielt werden.
D. h., entsprechend dem erfindungsgemässen Verbindungsverfahren wird ein gleichmässiger Meniskus des Klebers am Verbindungspunkt zwischen den jeweiligen sehr kleinen Elementen (Bauteilen, Teilen) durch kapillare Kondensation ausgebildet, und die jeweiligen Elemente (Bauteile, Teile) werden durch den betreffenden Meniskus miteinander verbunden, so dass ein Verbundteil, das eine ausreichende Haftfestigkeit aufweist, mit einer sehr hohen Verbindungswirkung wirksam und wirtschaftlich hergestellt werden kann.
Das neue erfindungsgemässe Verbindungsverfahren, das den kapillaren Kondensationseffekt nutzt, ist einfach und hinsichtlich der Kosten und der benötigten Zeit und auch der Investionskosten für die Einrichtung sehr wichtig.

Claims

1. Verbindungsverfahren, das einen kapillaren Kondensationseffekt nutzt, zum Verbinden wenigstens zweier separater zu verbindender Teile an einem vorbestimmten Verbindungspunkt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kleber am vorbestimmten Verbindungspunkt der zu verbindenden Teile und dessen Umgebung (nachfolgend kurz Verbindungspunkt genannt) einer kapillaren Kondensation unterworfen wird und die zu verbindenden Teile am Verbindungspunkt durch den Kleber verbunden werden.

2. Verbindungsverfahren, das den kapillaren Kondensationseffekt nutzt, gemäß Anspruch 1, wobei die zu verbindenden Teile in einer Atmosphäre, die einen vorbestimmten Dampfdruck des Klebers umfaßt, angeordnet werden und der Kleber der kapillaren Kondensation am Verbindungspunkt unterworfen wird, einen Meniskus bildet, und die zu verbindenden Teile durch den den Meniskus bildenden Kleber miteinander verbunden werden.

3. Verbindungsverfahren, das den kapillaren Kondensationseffekt nutzt, gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die zu verbindenden Teile eine Größe von mehreren Millimetern oder weniger aufweisen.

4. Verbindungsverfahren, das den kapillaren Kondensationseffekt nutzt, gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die zu verbindende Teile eine Größe von mehreren Millimetern oder weniger aufweisen und wobei angenommen wird, dass der Kontakt zwischen den zu verbindenden Teilen als Kontakt zwischen den ebenen Flächen anzusehen ist, da das Verhältnis (S1/S2) einer wahren Kontaktfläche (S1) zu einer scheinbaren Kontaktfläche (S2) am Verbindungspunkt in einer Größenordnung von 1/25 000 liegt.

5. Verbindungsverfahren, das den kapillaren Kondensationseffekt nutzt, gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die zu verbindende Teile ein sphärischer Körper und ein Körper mit ebener Oberfläche sind, die jeweils mehrere Millimeter oder kleiner sind, und wobei das Verhältnis (A/W) einer Kontaktfläche (Meniskusfläche) (A) am Verbindungspunkt zum Gewicht (W) des sphärischen Körpers (A/W) > 0,75 × 10^-10 (cm²/g) beträgt.

6. Verbindungsverfahren, das den kapillaren Kondensationseffekt nutzt, gemäss Anspruch 1 oder 2, wobei der Kleber nur aus einem Lösungsmittel zum Anlösen der Wandoberfläche am Verbindungspunkt der zu verbindenden Teile besteht.

7. Verbindungsverfahren, das den kapillaren Kondensationseffekt nutzt, gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Kleber ausschließlich aus einem Klebermaterial besteht.

8. Verbindungsverfahren, das den kapillaren Kondensationseffekt nutzt, gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Kleber aus einem Klebermaterial und einem Lösungsmittel zum Anlösen des Klebermaterials besteht.

9. Verbindungsverfahren, das den kapillaren Kondensationseffekt nutzt, gemäß Anspruch 2, wobei der Kleber aus zwei Komponenten, einem Kleber-Werkstoff und einem Härter zum Aushärten des Kleber-Werkstoffs besteht,
bei einem ersten Schritt ein Meniskus durch kapillare Kondensation des Kleber-Werkstoffs ausgebildet wird, und
bei einem zweiten Schritt ein Meniskus durch kapillare Kondensation des Härters auf der Oberfläche des Meniskus des Klebers ausgebildet wird, um den Kleber-Werkstoff auszuhärten und die zu verbindenden Teile miteinander zu verbinden.

10. Verbindungsverfahren, das den kapillaren Kondensationseffekt gemäß Anspruch 2 nutzt, wobei im voraus eine flüssige Kleberschicht auf dem Verbindungspunkt wenigstens eines der beiden zu verbindende Teile ausgebildet wird,
bei einem ersten Schritt ein Meniskus am Verbindungspunkt durch Wanderung (Migration) der flüssigen Kleberschicht ausgebildet wird, und
bei einem zweiten Schritt ein Meniskus durch kapillare Kondensation des Härters zum Aushärten des Klebers an der Oberfläche des Meniskus des Klebers ausgebildet wird, um den Kleber auszuhärten und die zu verbindenden Teile miteinander zu verbinden.