DE19632378A1 - Diffusionslötverbindung und Verfahren zur Herstellung von Diffusionslötverbindungen - Google Patents
Diffusionslötverbindung und Verfahren zur Herstellung von DiffusionslötverbindungenInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Diffusionslötverbindung
nach der Gattung des Anspruchs 1 und einem Verfahren zur
Herstellung von Diffusionslötverbindungen nach der Gattung
des Anspruchs 9.
Das Diffusionslötverfahren beruht darauf, daß zwei in festen
Phasen vorliegende Grundwerkstoffe schon bei einer
Temperatur weit unterhalb des Schmelzpunktes eines
Verbindungspartners ineinander diffundieren. Gemäß diesem
Verfahren wird ein geeignetes Lot zwischen die Lötflächen
der Grundwerkstoffe gegeben, die Verbindungspartner werden
zusammengepreßt und längere Zeit erhitzt. Es entsteht dabei
eine vakuumdichte, unlösbare Verbindung. Es ist auch
bekannt, anstelle eines separaten Lots durch galvanische
Abscheidung, Bedampfen oder Sputtern im Vakuum sowie durch
Plasmaspritzen diffusionsunterstützende Schichten auf den
Grundwerkstoffen partiell oder flächendeckend zu erzeugen.
Die Grundwerkstoffe werden anschließend zusammengepreßt und
dabei erhitzt. Als derartige diffusionsunterstützende
Schichten sind Schichten aus reinem Zinn, reinem Indium oder
reinem Wismut bekannt. Derartig hergestellte Lötverbindungen
weisen jedoch nur eine begrenzte mechanische und thermische
Festigkeit auf.
Aus der DE-OS 44 12 792 ist bereits ein Verfahren zum
Verbinden von flächigen Werkstücken bekannt, bei dem durch
Löten oder Diffusionsverbinden unter Vakuum die Werkstücke
eine stoffschlüssige Verbindung eingehen. In einer
geschlossenen Unterdruckkammer werden dazu die Werkstücke
gehalten, wobei zwischen die zu verbindenden Werkstucke eine
aufschmelzende Zwischenschicht gebracht wird. Die
Zwischenschichten bestehen aus in der Technik bekannten
Loten, die in Form von Folien, Pulvern oder Granulaten
eingebracht werden.
Mit konventionellen Fügeverfahren, wie Weichlöten, Hartlöten
und Schweißen, werden Verbindungen erzielt, die in
nachteiliger Weise entweder eine zu geringe Festigkeit
aufweisen oder zu hohe Fügetemperaturen erfordern. Deshalb
sind solche Verfahren bei Forderungen nach einer hohen
thermisch-mechanischen Festigkeit über größere Flächen
(z. B. Nutzen) und einer möglichst niedrigen Fügetemperatur
zur Erhaltung der ursprünglichen Festigkeit der
Grundwerkstoffe der Verbindungspartner bei Einhaltung sehr
enger Maßtoleranzen ungeeignet.
Die erfindungsgemäße Diffusionslötverbindung mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den
Vorteil, daß bei einer vergleichsweise geringen
Fügetemperatur, bei der die ursprüngliche Festigkeit der
Fügewerkstoffe aufrechterhalten bleibt, eine hohe thermische
und mechanische Festigkeit der zu verbindenden Bauteile
(Verbindungspartner) erreicht wird. Die erzielte Festigkeit
der erfindungsgemäßen Diffusionslötverbindung ist
vergleichbar mit der von Hartlötverbindungen, wobei die
Fügetemperatur (250°C bis 450°C) erheblich geringer als beim
Hartlöten ist, so daß beispielsweise die durch Walzen
erzeugte Kaltverfestigung sowie die Federeigenschaften der
vergüteten Fugewerkstoffe erhalten bleiben. In der
Konsequenz können so sehr enge Maßtoleranzen der
Verbindungspartner eingehalten werden.
Mit dem zwischen zwei Verbindungspartner eingebrachten
Lotträger ist es möglich, auf einfache Art und Weise
besonders diffusionsaktive, schmelzflüssig aufgetragene,
niedrig schmelzende Zwischenschichten örtlich gezielt an den
zu verbindenden Bauteilen anzuwenden. Die Lotträger erlauben
ein sehr sicheres, wenig aufwendiges und zielgenaues
Einbringen der oben genannten Zwischenschichten. Von
besonderem Vorteil ist dabei die Möglichkeit der Anwendung
eines solchen Lotträgers auch an nicht in Lot tauchbaren
Lötteilen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im
Anspruch 1 angegebenen Diffusionslötverbindung möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, eine dünne metallene Folie im
Durchlaufverfahren in einem Lotbad beidseitig zu beloten, um
einen geeigneten Lotträger zu erhalten. Als Lotschichten
bieten sich dabei niedrig schmelzende Weichlotlegierungen
an. Die niedrig schmelzenden Beschichtungslegierungen können
in vorteilhafter Weise auch in Form ihrer jeweiligen
einzelnen Bestandteile galvanisch oder durch
Vakuumbedampfung als Multilayer aufgetragen werden, wobei
Schichtdicken von jeweils 1 bis 10 µm bevorzugt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von
Diffusionslötverbindungen mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 9 besitzt den Vorteil einer sehr sicheren und
genauen Anwendbarkeit zur Erzielung von eine hohe Festigkeit
aufweisenden Verbindungen bei relativ großflächig
ausgebildeten Verbindungspartnern. Bei großflächig
angeordneten, zu verbindenden Bauteilen, z. B. auf einem
Nutzen, ist es von Vorteil, eine verlorene, plastisch
verformbare, lotabstoßende und gut wärmeleitende Einlegfolie
zwischen einem Preßstempel des Diffusionslötwerkzeugs und
den Verbindungspartnern (Werkstück) anzuordnen. Die
Einlegfolie ermöglicht einen Ausgleich von
Höhenmaßtoleranzen der zu verbindenden Einzelteile und
dadurch eine annähernd gleichmäßige Verteilung des
Stempelanpreßdrucks. Letztlich wird so großflächig eine
annähernd einheitliche Festigkeit der Verbindungen erzielt.
Die Aluminium- bzw. Chromschichten der Einlegfolien
garantieren eine gute Wärmeleitung und -verteilung bzw.
Lotabstoßung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine
zweiteilige Düsenplatte nach der erfindungsgemäßen
Herstellung einer Diffusionslötverbindung, Fig. 2 die
Einzelbauteile der Düsenplatte als Verbindungspartner
zusammen mit einem Lotträger, Fig. 3 eine schematische
Darstellung eines Werkzeugs zur Herstellung von
Diffusionslötverbindungen und Fig. 4 eine schematische
Darstellung eines Werkzeugs zur Herstellung von
Diffusionslötverbindungen an großflächigen
Verbindungspartnern.
In der Fig. 1 ist eine zweiteilige Düsenplatte 1 gezeigt,
bei der ein Düsenoberteil 2 und ein Düsenunterteil 3 als die
beiden Verbindungspartner erfindungsgemäß mittels eines
Diffusionslötverfahrens fest miteinander verbunden sind. Bei
der in Fig. 1 dargestellten Düsenplatte 1 handelt es sich
nur um ein ausgewähltes Beispiel zur Anwendung der
Herstellung von Diffusionslötverbindungen. Die Düsenplatte 1
zeichnet sich durch das Vorhandensein zweier äußerst exakt
ausgeformter Einzelbauteile aus, die exakt lagegenau
verbunden sein müssen, um feine Strukturen, wie z. B. einen
sehr schmalen umlaufenden Ringspalt 5, bilden zu können.
Eine solche Düsenplatte 1 eignet sich besonders für
Einspritzventile, Zerstäuberdüsen, Lackierdüsen und andere
Abspritzeinrichtungen, wie z. B. gemäß der DE-P 196 22 350.4.
Das Düsenoberteil 2 sowie das Düsenunterteil 3 sind
beispielsweise durch die an sich bekannte MIGA
(Mikrostrukturierung, Galvanoformung, Abformung)-Technik
bzw. LIGA (Lithographie, Galvanoformung, Abformung)-Technik
hergestellt. Die Herstellung kann auf sogenannten Nutzen
(Wafern) mit mehreren hundert rasterförmig angeordneten
Düsenplatten 1 erfolgen, womit der Arbeitsaufwand pro
Düsenplatte 1 stark herabgesetzt ist.
Das Düsenoberteil 2 besteht aus zwei axial
aufeinanderfolgenden Funktionsebenen 10 und 11. Während die
obere kreisförmige Funktionsebene 10 eine z. B. ringförmig
angeordnete Filterstruktur 12 mit z. B. wabenförmigen Poren
beinhaltet und bis auf diese feinporige Filterstruktur 12
durchweg von Material gebildet wird, besitzt die ebenfalls
kreisförmige, beispielsweise mit einem etwas geringeren
Außendurchmesser als die obere Funktionsebene 10
ausgebildete untere Funktionsebene 11 einen inneren
Materialbereich (Paßelement 15), einen sich radial nach
außen anschließenden ringförmigen Freibereich 16 sowie einen
diesen Freibereich 16 vollständig radial umgebenden
ringförmigen äußeren Materialbereich 17. Das zentrale
Paßelement 15 dient dem besseren Fügen der beiden Teile 2, 3
der Düsenplatte 1, wobei das Düsenunterteil 3 im
zusammengebauten Zustand der Düsenplatte 1 den Freibereich
16 der unteren Funktionsebene 11 des Düsenoberteils 2
weitgehend ausfüllt. Die Filterstruktur 12 mündet an einer
unteren Stirnfläche 20 der oberen Funktionsebene 10 in den
ringkanalähnlichen Freibereich 16, der zur oberen
Funktionsebene 10 hin also begrenzt und nach unten hin offen
ist, um das Düsenunterteil 3 in ihn einsetzen und z. B. den
Ringspalt 5 bilden zu können.
Sowohl das Düsenoberteil 2 als auch das Düsenunterteil 3
bestehen z. B. aus NiCo, Ni, Fe oder Cu, das galvanisch an
vorher gefertigten Kunststoffnegativen abgeschieden wurde.
Die endgültigen Maße der Teile 2, 3 werden z. B. durch
Schleifen erzielt. Das ringförmige Düsenunterteil 3 besitzt
eine zentrale innere Durchgangsöffnung 22, in die das
Paßelement 15 des Düsenoberteils 2 maßgenau eingreifen kann.
Die äußeren Maße des Düsenunterteils 3 sind durch die Größe
des Freibereichs 16 festgelegt, in den es zumindest
teilweise eingebracht wird. Neben der genauen Fertigung der
Durchgangsöffnung 22 wird auch eine zum Düsenoberteil 2 hin
ragende obere Anschlagschulter 23 mit einer oberen
Stirnseite 24 sehr exakt ausgebildet. Eine untere, der
Anschlagschulter 23 gegenüberliegende Stirnseite 25 des
Düsenunterteils 3 muß nicht exakt bearbeitet werden, da
dieser Bereich nicht beim Fugen benötigt wird und außerhalb
des Strömungswegs liegt.
Die gestufte Außenkontur des Düsenunterteils 3 beinhaltet
z. B. eine umlaufende Abschrägung 26, die im
zusammengebauten Zustand der Düsenplatte 1 im Freibereich 16
liegt und eine verbesserte Strömung eines Fluids von der
Filterstruktur 12 bis hin zur Abspritzgeometrie (Ringspalt
5) ermöglicht. An die sich in Strömungsrichtung erweiternde
Abschrägung 26 schließt sich beispielsweise noch eine
senkrechte Begrenzungsfläche 27 an, die nach der Montage
stromabwärts des Ringspalts 5 liegt.
Nach der Herstellung der beiden einzelnen Teile 2 und 3
werden beide Teile 2 und 3 zu einer Ringspaltdüse
zusammengesetzt und gefügt. Als Verbindungstechnik zum exakt
lagegenauen Verbinden der Teile 2 und 3 mit möglichst
geringen negativen mechanischen und thermischen Einwirkungen
kommt ein Diffusionslötverfahren zur Herstellung einer
erfindungsgemäßen Diffusionslötverbindung zum Einsatz.
In den Fig. 2 und 3 wird die Herstellbarkeit einer
Diffusionslötverbindung näher verdeutlicht. Für
Verbindungspartner, die nicht in einem Tauchbad
schmelzflüssig und partiell beschichtet werden können, wie
z. B. das Düsenoberteil 2 und das Düsenunterteil 3 der in
Fig. 1 dargestellten Düsenplatte 1, eignet sich die
Technologie besonders. Dazu werden die beiden zu
verbindenden Lötteile (Teile 2 und 3) durch Beizen
vorbehandelt. Zwischen die beiden Teile 2 und 3, die zum
Herstellen der Verbindung beispielsweise umgekehrt zur
späteren Einbaulage der Düsenplatte 1 gemäß Fig. 1
gehandhabt werden, wird ein beidseitig schmelzflüssig
lotbeschichteter, scheibenförmiger Lotträger 30 eingelegt,
der beim dargestellten Ausführungsbeispiel ringförmig
gestaltet ist. Im konkreten Ausführungsbeispiel der
Düsenplatte 1 liegt der Lotträger 30 mit einer seiner
Stirnflächen im Freibereich 16 an der Stirnfläche 20 des
Düsenoberteils 2 an, während das Düsenunterteil 3 mit seiner
Stirnseite 24 der Anschlagschulter 23 den Lotträger 30 an
seiner gegenüberliegenden Stirnfläche berührt. Das aus dem
Düsenunterteil 3, dem Lotträger 30 und dem Düsenoberteil 2
aufgebaute Sandwichbauteil wird nachfolgend zwischen einem
schematisch angedeuteten Heiztisch 32 und einem beheizten
Preßstempel 33 unter Druck (Pfeil 34) aufgeheizt und
diffusionsgelötet. Die Erwärmung (250°C bis 450°C) zwischen
den beiden Werkzeugteilen 32 und 33 erfolgt unter einem
Druck von beispielsweise 100 N/mm² bis 300 N/mm².
Als Ausgangsmaterial für den Lotträger 30 dient eine Folie
35, die im Durchlaufverfahren in einem Lotbad beidseitig
belotet wird, wobei die Schichtdicken üblicherweise zwischen
ca. 1 und 10 µm liegen. Als Materialien für die Folie 35
eignen sich besonders Kupfer, Nickel, Eisen oder Kupfer-,
Nickel- und Eisen-Legierungen. Aus einer großflächig
beloteten Folie kann eine Vielzahl von Lotträgern 30, wie
sie die Fig. 2 zeigt, ausgestanzt werden. Als Lotschichten
36 werden niedrig schmelzende (< 400°C) Weichlotlegierungen
oder Multilayeranordnungen vorgesehen. Bei
Multilayeranordnungen sind die Einzelkomponenten z. B.
galvanisch oder durch Vakuumbedampfung aufeinander
aufgebracht, wobei die einzelnen Schichten wenige Mikrometer
dick sind. Niedrigschmelzende Beschichtungslegierungen für
die Lotschichten 36 sind beispielsweise Zinn/Indium-,
Zinn/Blei/Indium-, Wismut/Indium/Zinn/Blei-, Zinn/Silber-
oder Zinn/Kupfer-Legierungen.
In der Fig. 4 ist eine Anordnung dargestellt, die
verdeutlicht, wie das erfindungsgemäße Diffusionslöten bei
relativ großflächigen Nutzen mit einer Vielzahl von
Kleinteilen (hier Düsenplatten 1) funktioniert. Die
Düsenunterteile 3 bilden dabei zusammenhängend den vorerst
einteiligen Nutzen, während die Lotträger 30 und die
Düsenoberteile 2 als Einzelteile in die jeweils gewünschten
Positionen zu den Düsenunterteilen 3 gebracht werden. Da die
zu verbindenden Teile 2 und 3 sowie die Lotträger 30 bei der
Vielzahl der herzustellenden Düsenplatten 1
Höhenmaßtoleranzen aufweisen können und der Heiztisch 32 und
der Preßstempel 33 ebene Druckflächen haben, wird zwischen
dem Preßstempel 33 und dem zu verbindenden Werkstück
(Düsenplatte 1) eine Einlegfolie 38 angeordnet. Diese
Einlegfolie 38 dient als plastisch verformbares,
lotabstoßendes, gut wärmeleitendes, verlorenes Zwischenteil
aus eloxiertem Aluminium oder verchromtem bzw. mit
Titannitrid bedampftem Kupfer für den Ausgleich von
Höhenunterschieden. Somit wird ein annähernd gleicher
Anpreßdruck über die gesamte Nutzenfläche erzielt. Um eine
einheitliche Bauteilhöhe zu gewährleisten, wird der Hub des
Preßstempels 33 mittels eines nicht dargestellten
Festanschlags begrenzt. Die Pfeile 34 im Preßstempel 33
veranschaulichen wiederum die Richtung, in der eine
Druckkraft auf die Werkstücke aufgebracht wird, nämlich
senkrecht zur Nutzenebene. Die Dicke der Einlegfolie 38
liegt im Bereich von 50 µm und 1 mm. Nach dem
Diffusionslöten werden die Nutzen in die Einzelbauteile
(Düsenplatten 1) mittels Laserschneiden, Ätzen, Stanzen oder
ähnlichen Trennverfahren zerlegt.
Wie bereits erwähnt, stellt die Düsenplatte 1 nur ein
ausgewähltes Ausführungsbeispiel dar, bei dem eine
Diffusionslötverbindung zum Fügen zweier Verbindungspartner
zur Anwendung kommt. Eine solche Verbindung ist ebenso an
völlig andersartig ausgebildeten, zu verbindenden Bauteilen
erzielbar, wobei sie besonders zum Verbinden von
komplizierten mikromechanischen Bauteilen geeignet ist.
Claims (11)
1. Diffusionslötverbindung zwischen wenigstens zwei
Verbindungspartnern, die mit einer zwischen die wenigstens
zwei Verbindungspartner eingebrachten, aufschmelzenden
Zwischenschicht eine Sandwichanordnung bilden, wobei diese
Sandwichanordnung in einem Werkzeug Druck und Wärme
ausgesetzt wird, um die wenigstens zwei Verbindungspartner
zu fügen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht
ein Lotträger (30) ist, der von einer metallenen Folie (35)
sowie beidseitig auf der Folie (35) aufgebrachten
Lotschichten (36) gebildet wird.
2. Lötverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Folie (35) des Lotträgers (30) durch die Anwendung
eines Durchlaufverfahrens in einem Lotbad beidseitig belotet
ist.
3. Lötverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verbindungspartner (2, 3) aus NiCo,
Ni, Fe oder Cu bestehen.
4. Lötverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Folie (35) aus Cu, Ni, Fe oder deren
Legierungen besteht.
5. Lötverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die auf der Folie (35) aufgebrachten Lotschichten (36)
aus niedrigschmelzenden Weichlotlegierungen bestehen.
6. Lötverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die auf der Folie (35) aufgebrachten Lotschichten (36)
Multilayeranordnungen darstellen.
7. Lötverbindung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Bildung einer Multilayeranordnung mehrere
Einzelschichten galvanisch oder durch Vakuumbedampfung
aufeinander aufgebracht sind.
8. Lötverbindung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß wenigstens ein Verbindungspartner (2, 3)
als Nutzen (Wafer) ausgeführt ist.
9. Verfahren zur Herstellung von Diffusionslötverbindungen
nach einem der Anspruche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß das Werkzeug unter anderem von einem Preßstempel (33)
gebildet wird und zwischen dem Preßstempel (33) und den
Verbindungspartnern (2, 3) eine Einlegfolie (38) angeordnet
wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Einlegfolie (38) lotabstoßend ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einlegfolie (38) aus eloxiertem
Aluminium oder verchromtem oder mit Titannitrid bedampftem
Kupfer besteht.
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