DE19632378B4

DE19632378B4 - Diffusionslötverbindung und Verfahren zur Herstellung von Diffusionslötverbindungen

Info

Publication number: DE19632378B4
Application number: DE19632378A
Authority: DE
Inventors: Rolf Mayer; Rolf Engelhart; Wilfried Reschnar; Godehard Dr. Schmitz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-08-10
Filing date: 1996-08-10
Publication date: 2007-01-25
Anticipated expiration: 2016-08-11
Also published as: US6326088B1; JPH1085957A; DE19632378A1

Abstract

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.

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 Werkstücke 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.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine feste Verbindung zwischen wenigstens zwei Verbindungspartneren, insbesondere eine Diffusionslötverbindung, zu erzeugen, die bei einer vergleichsweise geringen Fügetemperatur, bei der die ursprüngliche Festigkeit der Fügewerkstoffe aufrechterhalten bleibt, erzielt wird, und wobei eine besonders hohe thermische und mechanische Festigkeit der zu verbindenden Verbindungspartner über größere Flächen erreicht wird. Die erfindungsgemäße Diffusionslötverbindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Festigkeit erzielt wird, die vergleichbar mit der von Hartlötverbindungen ist, 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 Fügewerkstoffe 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.

Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, ein Verfahren zur Herstellung von Diffusionslötverbindungen zu entwickeln, bei dem eine Vielzahl von Verbindungspartnern, die großflächig auf einem Nutzen angeordnet sind, zeitgleich sicher und zuverlässig und zudem mit hoher Festigkeit in großer Stückzahl reproduzierbar miteinander verbindbar sind. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Diffusionslötverbindungen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 9 besitzt genau 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 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.

Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 eine zweiteilige Düsenplatte nach der erfindungsgemäßen Herstellung einer Diffusionslötverbindung, 2 die Einzelbauteile der Düsenplatte als Verbindungspartner zusammen mit einem Lotträger, 3 eine schematische Darstellung eines Werkzeugs zur Herstellung von Diffusionslötverbindungen und 4 eine schematische Darstellung eines Werkzeugs zur Herstellung von Diffusionslötverbindungen an großflächigen Verbindungspartnern.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der 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 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 Fügen 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 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 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 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 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 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

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.
Lötverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (35) des Lotträgers (30) durch die Anwendung eines Durchlaufverfahrens in einem Lotbad beidseitig belotet ist.
Lötverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungspartner (2, 3) aus NiCo, Ni, Fe oder Cu bestehen.
Lötverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (35) aus Cu, Ni, Fe oder deren Legierungen besteht.
Lötverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Folie (35) aufgebrachten Lotschichten (36) aus niedrigschmelzenden Weichlotlegierungen bestehen.
Lötverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Folie (35) aufgebrachten Lotschichten (36) Multilayeranordnungen darstellen.
Lötverbindung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer Multilayeranordnung mehrere Einzelschichten galvanisch oder durch Vakuumbedampfung aufeinander aufgebracht sind.
Lötverbindung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Verbindungspartner (2, 3) als Nutzen (Wafer) ausgeführt ist.
Verfahren zur Herstellung von Diffusionslötverbindungen nach einem der Ansprüche 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.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlegfolie (38) lotabstoßend ist.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlegfolie (38) aus eloxiertem Aluminium oder verchromtem oder mit Titannitrid bedampftem Kupfer besteht.