DE2100491A1

DE2100491A1 - Verfahren und Einrichtung zur Her stellung einer Adhasionsverbindung

Info

Publication number: DE2100491A1
Application number: DE19712100491
Authority: DE
Inventors: Emmanuel Philippos Acton Mass Papadakis (V St A )
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1970-01-09
Filing date: 1971-01-07
Publication date: 1971-09-30
Also published as: DE2100491B2; US3664902A; JPS4948463B1; NL170385B; NL170385C; DE2100491C3; FR2083027A5; BE761265A; GB1329952A; NL7100241A

Description

P 21 OO 4

^_4n 23. Juni 1971

Western Electric Company

Inc. A 32 O85 vo

Verfahren und Einrichtung zur Herstellung einer Adhäsionsverbindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Adhäsionsverbindung zwischen einem Werkstück und einem Substrat, wobei an den Stoßflächen des zu verbindenden Werkstücks und des Substrats ein Verbindungsmittel zugeführt und das Werkstück in Berührung mit einem Druckorgan gebracht sowie mit dem Substrat unter Druck verbunden wird. Zum Gegenstand der Erfindung gehört ferner eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens. Hierbei bezieht sich die Erfindung insbesondere auf die Herstellung extrem dünner, gleichförmiger Verbindungen. Das Verfahren wurde speziell zur Herstellung von

Ultraschall-Verzögerungsleitungen entwickelt, ist g

jedoch ebenso auch auf andere Werkstücke und Vorrichtungen anwendbar. Ferner wird bei der folgenden Beschreibung im allgemeinen auf Epoxidharze als Verbindungsmittel Bezug genommen, jedoch ist das Verfahren auch auf andere Polymere, geschmolzene Pestkörper, erweichte Gläser, viskös-elastische Materialien und auf durch Thermokompression verschweißte Festkörper anwendbar.

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In Ultraschall-Verzögerungsleitungen mit voluminösen Pestkörpern als Verzögerungsmedien ist das Verhalten des Ultraschallstrahles von der Größe und Gestalt der mit den Leitungen verbundenen Sende- und Empfangs-Umsetzern abhangig. Zur genauen Formung und Lenkung des Ultraschallstrahles sind oft sehr große Umsetzerflächen erforderlich, z.B. solche in der Größenordnung von 200 χ 6 mm. Andererseits müssen die Umsetzer eine Dicke in der Größenordnung von einer halben Schwingungswellenlänge der Arbeitsfrequenz aufweisen, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen. Dies hat zur Folge, daß die Verbindung zwischen Umsetzer und Verzögerungsleitung extrem dünn und gleichförmig sein muß, um nachteilige Auswirkungen des Verbindungsmittels auf den Ultraschallstrahl zu vermeiden.

Zur Erzielungeiner ausreichend dünnen, gleichförmigen Verbindung muß der Druck in solcher Weise auf die Oberfläche des Umsetzers aufgebracht werden, daß die überschüssige Menge des Verbindungsmittels aus dem Bereich der Stoßflächen zwischen Umsetzer und Verzögerungsleitung hinausgepresst wird. Die so erhaltene, dünne Verbindungsmittelschicht muß während des Härtens des Verbindungsmittels aufrechterhalten werden. Die Anwendung einer gleichförmigen Druckverteilung über die gesamte Oberfläche des Umsetzers während des Verbindungsvorganges hat zur Folge, daß leicht Verbindungsmittel im Bereich der Stoßflächen eingesperrt werden, was zu einer Einbuße an Gleichförmigkeit führt. Zur Lösung dieses Problems wurde das in der US-Patentschrift 3.453.166 beschriebene Verfahren entwickelt, bei dem eine aufblasbare

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Membran zur Aufbringung des Verbindungsdruckes verwendet wird. Der Druck wird hierbei durch die Membran anfänglich längs der Mittellinie des tafelförmigen Werkstücks aufgebracht. Sodann wird die Membran aufgeblasen, bis die gesamte Werkstückfläche unter Druck steht und das überschüssige Epoxidharz ausgequetscht ist. Hierdurch lassen sich zwar Verbindungen der gewünschten Art erzielen, indessen ist eine genaue Zeitsteuerung für die Temperatur und für den Aufblasdruck der Membran während des gesamten Arbeitszyklus mit Hilfe einer besonderen Bedienungsperson oder einer entsprechend aufwendigen Einrichtung erforderlich. Eine zu hohe Aufblasgeschwindigkeit der Membran führt

nämlich wieder zum Einsperren von Verbindungsmittel f

unter dem dünnen, biegsamen Werkstück infolge Anpressung der Werkstückkanten vor dem vollständigen Austritt des überschüssigen Verbindungsmittels.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens und entsprechender Einrichtungen, mit denen sich sehr dünne, hochgradig gleichförmige Verbindungen zwischen dünnen Werkstücken und festen Substraten ohne komplizierte Zeitsteuerung von Temperatur und Anpressdruck erzielen lassen.

Diese und andere Aufgaben werden erfindungsgemäß g

mittels eines VerbindungsVerfahrens gelöst, bei dem ein nachgiebiges Druckorgan mit gekrümmter Oberfläche, z.B. ein elastischer Zylinder oder eine ebensolche Kugel, zur Anwendung gelangt. Ein Verbindungsmittel wie z.B. Epoxidharz wird an den Stoßflächen zwischen Werkstück und Substrat zugeführt.

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Nach Beaufschlagung der Kugel mit einer gewissen Kraft bzw. nach Beaufschlagung des Zylinders mit eher bestimmten Kraft pro Einheit der Zylinderlänge flacht sich die Oberfläche des das Werkstück berührenden Druckorgans ab, bis die gesamte Werkstückoberfläche beaufschlagt ist. Es stellt sich hierbei sogleich ein Druckprofil ein, dessen Maximum im Fall des kugelförmigen Druckorgans im Mittelpunkt und im Fall des zylinderförmigen Druckorgans auf der Mittellinie der Stoßflächen zwischen Werkstück und Substrat liegt und ein Minimum an den Kanten des Werkstücks aufweist. Das Fließen des Verbindungsmittels nach außen hält so lange an, wie es flüssig ist. Die Dicke der Verbindungsschicht ist daher unabhängig von der Anstiegsgeschwindigkeit des Druckes auf das nachgiebige Druckorgan sowie ziemlich unempfindlich gegen einen Überdruck, welcher den zum Abflachen des nachgiebigen Druckorgans auf der gesamten Werkstückoberfläche erforderlichen Minimalwert übersteigt. Die Beschreibung bezieht sich in diesem Zusammenhang auf zylindrische oder kugelförmige Druckorgane, wobei es sich jedoch versteht, daß auch andere geeignete Festkörper mit gekrümmten bzw. gewölbten Oberflächen zur Erzeugung eines für die vorliegenden Zwecke geeigneten Druckprofils in Betracht kommen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Hierin zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Druckprofils bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und

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Fig. 2 eine Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Für die folgende Erläuterung von Verformungserscheinungen wird auf das Buch von Timoshenko and Goodier, "Theory of Elasticity", 2.Ausgabe, 1951, Verlag McGraw-Hill, Seiten 372 bis 382 Bezug genommen. Hieraus ergeben sich die bekannten Zusammenhänge zwischen Kraft und Verformung bzw. Spannungen und Dehnungen an der Berührungsfläche von zwei parallelen, gegeneinander angepressten Zylinder. Die hier angegebene Lösung gilt für den Fall, daß der Angriffspunkt der die Zylinder zusammenpressenden Kräfte im ä Vergleich zu der Breite der Berührungsfläche sehr weit entfernt ist (Prinzip von St.Venant). Wenn zwei Zylinder mit den Radien R₁ und R₂ aus Werkstoffen mit den Elastizitätsmodulen E₁ und E₂ sowie den Querkontrakt ions zahlen V₁ und "V₂ "¹^ oiner Kraft von P' pro Längeneinheit der Zylinder zusammengepresst werden, so ergibt sich eine Berührungsfläche der Halbbreite b. über dieser Berührungsfläche ergibt sich ein ellipsenförmiges Druckprofil mit einem Maximum q. auf der Mittellinie und einem Druckabfall auf null im Abstand + b von der Mittellinie. Dieses System ist bestimmt durch die Beziehungen;

b = £4 P' R₁ R₂ (K₁+K₂) / (R₁H-R₂)] 1/2 (1) und

(2)

V (IyR₂) /jp (K₁+K₂) R₁ R₂I 1/2

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/. ι

wobei K= (1 - r ²) /J[E. (3)

Bei der in Fig. 1 angedeuteten Äusführungsform soll ein Substrat 1, welches aus einem Werkstoff mit dem Elastizitätsmodul Ep und einer Querkontraktionszahl "Yp besteht, mit einem streifenförmigen sowie dünnen und daher biegsamen Werkstück 35 von einer Halbbreite b durch zwischen die Stoßflächen 2-2' eingebrachtes Epoxidharz verbunden werden. Bei dem Substrat 1 handelt es sich z.B. um eine übliche Verzögerungsleitung, während das Werkstück 3 einen Umsetzer darstellt.

Ein Zylinder 4 mit dem Radius R,, dem Elastizitätsmodul E₁ und der Querkontraktionszahl^₁ wird auf das Werkstück gesetzt und mit einer Kraft P^f pro Einheit der Zylinderlänge beaufschlagt, bis die gesamte Oberfläche des Werkstücks in der aus Fig. 1 ersichtlichen Weise bedeckt ist. Das sich ergebende Druckprofil ist durch die Vektoren 5 dargestellt, wobei der Maximaldruck q auf der Mittellinie des Werkstücks in Erscheinung tritt. Das dargestellte Druckprofil hat die Form einer Halbellipse gemäß der Gleichung

X² + Y² = 1. (4) ~ ~~"

Das überschüssige Epoxidharz wird zu den Kanten des Werkstücks hin abgepresst, und zwar durch das sich ergebende Druckgefälle-dY/dX entsprechend der Gleichung

-dY = ^qo ^X dX~ TF- b

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Dieses nach außen gerichtete Druckgefälle (als Vektor der Gradient des skalaren Druckfeldes) besteht so lange, wie der Zylinder die Kanten des Werkstücks nicht merklich überlappt.

Um den als Druckorgan vorgesehenen, nachgiebigen Körper über einer großen Fläche des Werkstücks zusammenzupressen, ist eine extrem hohe Elastizität dieses Druckorgans im Vergleich zu dem Substrat erforderlich. Es gilt also E₁ZE₂ ^<· 1. Im einzelnen sollte dieser Verhältniswert z.B. In einer Größenordnung zwischen 10 ^ und 10 ^ liegen. Unter Berücksichtigung dieses

Paktors können die Gleichungen (1) und(2) für den "

vorliegenden Spezialfall mit R₂ -^oo:

P¹ R₁ (1 +V₁

Dies sind dann die Parameter für die Verwendung eines nachgiebigen Zylinders in Anpressung gegen eine steife Ebene. Pur die Verbindung eines gegebenen Werkstücks der Halbbreite b mittels eines Zylinders aus einem bestimmten Material kann hieraus die

erforderliche Kraftdichte P¹ und der sich ergebende ™

Maximaldruck q für verschiedene Werte von R₁ und E₁ berechnet werden. Einige repräsentative Werte für einen Gummi zylinder sind in der folgenden Tabelle I wiedergegeben.

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TABELLE I

Werte von P' und q für Gummizylinder -^ = 0,5 und b = 3,15 mm

\ S₁, kp/cmf	R,, mm	P', kp/cm	q_o, kp/cm²	1 ι I
j a sJ I jj ΐ I	6,3 12,1 25,4	3,6 1,8 0,9	4 2 1
70	6,3 12,7 25,4	1 3,6 1,8	8 4 2
i4o	6,2 12,7 25,4	14 7 3,6	16 8 4

Bei praktischen Untersuchungen wurde nach diesem Verfahren eine Anzahl von Verbindungen mit Epoxidharz an polierten und plattierten Schmelzguarz-Substraten von 12 mm Breite und 126 bis 38O mm Länge hergestellt, und zwar mit streifenförmig!! Umsetzern von 0,38 mm Dicke, 6 mm Breite und bis 200 mm Länge. Hierbei wurden als Druckorgane Neopren-Zylinder verwendet, die den Maßbedingungen 2b<R- <8b entsprachen. Während des Verbindungsvorganges wurden die Substrate für einen Zeitrujüm einer Stunde naoh der anfänglichen Druckbeaufschlagung auf einer Temperatur von 6o° C gehalten •and sodann unter Aufrechterhaltung des Druckes und

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-. C

Aushärtung der Verbindung abgekühlt. Es ergaben sis'-allgemein Verbindungen* die gleichförmig unter l;>ö ftngström Dicke lagen und den üüliohen Serilaif- mc=. Piatt-Iervorgängen, wie sie zur Herstellung «'on K:-üfc.-' frequenz-Umsetzern erforderlich sind* standhieltst.»

Aus dem angegebenen Buch von Timoshenk© und öoodrlsr ergibt sich ferner die Lösung für die Kraft« und Verformungskennwerte an der Berührungsfläche von zwei Kugeln. Wenn die Berührungsfläche als in der X-Y-Ebene liegend angenommen wird und die Kraft in der Z-Richtung auf den Kugelmittelpunkt wirkt, so ergibt sich ein sp&äroidisches Druckprofil gemäß der Beziehung

+ Y² + Z² = 1, (8)

BiS- Ώ^ /V"

1 7 - *

wobei B nun der Radius der Be'ührungs fläche mid Q , der Maximaldruck im Mittelpunkt der Berührungsfläche ist. In diesem Fall ist die Berührungsfläche ein Kreis in der XY-Ebene, wobei sich ein Druckgefälle längs dem Kreisradius r - (X +Y)' ergibt. Diesas Druckgefälle ruft den Fluß des Verbindungsmitteis nach außen hervor. Wenn Fig. 1 als Querschnitt in der X-Z-Ebene durch den Kugelmittelpunkt betrachtet wird, so ist hierdurch genau das Druckprofil für den '

genannten Fall dargestellt. Wenn wiederum berücksichtigt wird, daß Rp als gegen unendlich gehend und das Verhältnis E₁ZE₂ sehr viel größer als eins zu betrachten ist, so .ergeben sich die Parameter des Systems aus den Beziehungen
~ L - Yi '/ ι| (q)

-IQ-

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. (io)

ist P nun die gesamte auf die Kugel wirkend.-;

Kraft.

mit einer solchen Ausbildung ist es ebenfalls möglic gieiciiforircLge Verbindungen mit einer Dicke unter I50 K zu erhalten*

Bei der Ausführung des Verfahrens bestehen für den Wsr-t; vor, R gewisse Grenzen. Der Radius muß wenigstens gsOl genug sein, um das Aufpressen des Druekorgans über· den? gesamten Werkstück zu erreichen. Wenn dagegen der B&älns oder die Ka3hgiebig.^::eit des Druckorgans Eil sroB ist, so erfolge die Abflachung des Druckorgans b:is hinaus su der. Kanten des Werkstücks bei einem Druofci der nicht mehr ausreicht, um einen geeigneten EIaI ά&£ Verbindungsinittels hervorzurufen. Ein be-"oraugtar Bereich-für äen Radius ist für die Zwecke UBS ¥crli9genden Verfahrens b«^· R ^ JOb,

Bei aer in Fig. 2 vereinfacht dargestellten Au,?- füiiriingsrGrii: einer erfindungsgsmäßen Einrichtung Is-" ein Subst^Et I in. eine Halterung ρ eingesetzt. Ein als Briiskorgari vorgesehener Zylinder 4 ist in eine Y-l-Iut sines Trägers 7 eingesetzt, der seinerseits gseoiilrltst und an Stützen 8 der Einrichtung vertikal versoliiebbar gelagert ist. Die zur Anpressung des ndsrs bis zur Bede^ung der Breite eines streifen-ü Werkstücks 5 erforderliche Kraft wird mittels nsr Reihe von federbelasteten Schrauben 9 erzeugt.

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BAD ORIQfNAL

ι r U-υ4^1

-H-

Letztere werden mit Hilfe von Drehmomentschlüsseln an~ gezogen. Die Änpresskraft kann gegebenenfalls auch mit Hilfe.einer Reihe von hydraulischen oder pneumatischen Zylindern oder anderen geeigneten Vorrichtungen aufgebracht werden. Bei der dargestellten Beispielsausführung erfolgt die Einstellung ^er zum Abflachen des Zylinders erforderlichen Anpreßkraft über das Anzugsdrehmoment der Druckschrauben. Für die Einstellung wird ein eben polierter und halbversilberter Prüfstab als Substrat in Verbindung mit einem aufgesetzten, polierten und voll plattierten Umsetzer verwendet. Bei der Druckbeaufsehlagung des Zylinders können längs den Grenzen der Berührungsfläche Interferenzlinien ähnlich den Newtonschen Ringen beobachtet werden, bis die Grenzen der Berührungsfläche die Kanten des streifenförmigen Körpers des Umsetzers erreichen. Die zum Anziehen der Druckschrauben verwendeten Drehmomentschlüssel werden dann auf einen der hierfür erforderlichen Verformung des Zylinders entsprechenden Durchdrehwert eingestellt.

Im Fall von kugelförmigen Druckorganen kann eine ähnliche Einrichtung verwendet werden. Der mit einer V-Nut versehene Träger wird dann z.B. durch einen mit einer konischen Aussparung versehenen, ebenfalls an den Stützen der Einrichtung vertikal verschiebbaren Metallblock, z.B. einen Aluminiumblock, ersetzt. Wirkungsweise und Einstellung der Einrichtung stimmen dabei mit dem erläuterten Ausführungsbeispiel überein. Ähnliche Einrichtungen können auch für andere Druckorgane verwendet werden.

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Es versteht sich, daß die beschriebene Ausführungsform nur zur Darstellung der offenbarten und beanspruchten Erfindungsgedanken dienen. Dem Fachmann bieten sich zahlreiche Abwandlungen innerhalb dieser Erfindungsgedanken.

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Claims

P 21 OO 491.1 «ν Α ^2 °^5 νο Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Adhäsionsverbindung zwischen einem Werkstück und einem Substrat, wobei an den Stoßflächen des zu verbindenden Werkstücks und des Substrats ein Verbindungsmittel zugeführt und das Werkstück in Berührung mit einem Druckorgan gebracht sowie mit dem Substrat unter Druck verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckorgan ein nachgiebiger Pestkörper (4) mit einer gekrümmten Oberfläche und einem Elastizitätsmodul E, ist und das Substrat (1) einen Elastizitätsmodul E₂ aufweist, derart, daß das Verhältnis E^/Ep sehr viel größer als eins ist, ferner dadurch gekennzeichnet, daß ein zur sofortigen Abflachung des nachgiebigen Festkörpers über die gesamte Oberfläche des zu verbindenden Werkstücks (3) ausreichender Druck aufgebracht und längs der Werkstückoberfläche ein zum Hinauspressen überschüssigen Verbindungs mittels zwischen den Stoßflächen ausreichendes \

Druckgefälle (5) erzeugt wird.

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2. Verbindungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) in einer Halterung (6) angebracht ist.

j5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Druck beaufschlagung des nachgiebigen Festkörpers (4) federbelastete Schrauben (9) umfassen, welche mittels Drehmomentschlüsseln angezogen sind, die auf einen der gewünschten Verformung des nachgiebigen Festkörpers entsprechenden Drehmoment-Durchdrehwert eingestellt sind.

4. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der nachgiebige Festkörper (4) ein Zylinder ist.

5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der nachgiebige Festkörper (4) eine Kugel ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (4) an einem mit einer V-Nut versehenen Träger (7) angebracht ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der mit einer V-Nut versehene Träger geschlitzt und auf Stützen (8) der Einrichtung verschiebbar gelagert ist.

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8. Einrichtung nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel in einem konisch ausgesparten, an Stützen (8) der Einrichtung vertikal verschiebbaren Metallblock angebracht ist.

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L e e r s e i t e