EP3110590A1 - Bauteilanordnung mit mindestens zwei bauteilen und verfahren zum herstellen einer bauteilanordnung - Google Patents

Bauteilanordnung mit mindestens zwei bauteilen und verfahren zum herstellen einer bauteilanordnung

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Publication number
EP3110590A1
EP3110590A1 EP15701499.4A EP15701499A EP3110590A1 EP 3110590 A1 EP3110590 A1 EP 3110590A1 EP 15701499 A EP15701499 A EP 15701499A EP 3110590 A1 EP3110590 A1 EP 3110590A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
component
joining
material system
reactive material
integrated reactive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15701499.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Anh Tuan Tham
Benjamin LEMKE
Jörg BRÄUER
Jan Besser
Maik Wiemer
Thomas Gessner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP3110590A1 publication Critical patent/EP3110590A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms
    • G01L9/0044—Constructional details of non-semiconductive diaphragms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/16—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating with interposition of special material to facilitate connection of the parts, e.g. material for absorbing or producing gas
    • B23K20/165—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating with interposition of special material to facilitate connection of the parts, e.g. material for absorbing or producing gas involving an exothermic reaction of the interposed material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0018—Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
    • B81B3/0021—Transducers for transforming electrical into mechanical energy or vice versa
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00261—Processes for packaging MEMS devices
    • B81C1/00269—Bonding of solid lids or wafers to the substrate
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/36—Electric or electronic devices
    • B23K2101/40—Semiconductor devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0264—Pressure sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0127—Diaphragms, i.e. structures separating two media that can control the passage from one medium to another; Membranes, i.e. diaphragms with filtering function
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2203/00—Forming microstructural systems
    • B81C2203/03—Bonding two components
    • B81C2203/033—Thermal bonding
    • B81C2203/037—Thermal bonding techniques not provided for in B81C2203/035 - B81C2203/036

Definitions

  • the present invention relates to a component assembly having at least two components which are joined together and a method for producing such a component assembly by joining two components.
  • joints are hermetically sealed. This is remarkable insofar as it largely eliminates adhesive joints.
  • welded joints and solder joints are hermetically sealed, they are problematic insofar as their production thermally stresses the joining partners, in particular when the surfaces to be joined between the joining partners are to be brought to the melting temperature of the solder material by heating the joining partners.
  • Reactive material systems are generally attractive, in particular to connect temperature-sensitive joining partners together.
  • Reactive material systems allow self-propagating exothermic reactions, which are already used in other applications for joining components.
  • thermal reactions in powder mixtures are used for melting substances
  • self-propagating reactions in nanoscale multilayer systems in the form of films are used to melt solder layers and thus create a joint connection.
  • the reactive material systems with nano-scaled multilayer systems in the form of films are described for example by the company Indium Corp. offered under the brand NanoFoil®.
  • such films are difficult to assemble and therefore particularly suitable for applications in microsystems technology with restrictions.
  • the object of the present invention to remedy this situation.
  • the object is achieved by the component assembly according to the independent claim 1, the pressure transducer according to the independent claim 7, and the method according to the independent claim 1 1.
  • the component arrangement according to the invention comprises a first component which has a first joining surface; and a second component having a second mating surface, wherein the first mating surface is bonded to the second mating surface using an integrated reactive material system, wherein the integrated reactive material system comprises at least one coating of at least one of the mating surfaces where the integrated reactive material system comprises an activation region on a surface, wherein the activation region is arranged outside of mutually joined regions of the first or second joining surface and adjacent to the regions joined to one another.
  • An integrated reactive material system contains at least two components, the mixture of which can lead to an exothermic reaction, which occurs after
  • the two components are provided in a plurality of alternating layers each having a thickness of a few nanometers. After local activation, adjacent atoms from the alternating layers are excited to form intermetallic phases, causing diffusion of the components between the layers.
  • Reaction heat is passed along the individual layers.
  • the heat of reaction In order for a self-sustaining reaction to occur, the heat of reaction must be released at least at such a rate that, despite heat dissipated by heat transfer, it maintains an activation temperature can be.
  • the standard enthalpy of formation of the reactants should be, for example, not less than about - 30 kJ / mol-atom, in particular not less than -40 kJ / mol-atom, and preferably not less than 50 kJ / mol-atom.
  • Coating can be carried out in particular by vapor deposition (PVD according to English Physical Vapor Deposition). This offers considerable advantages over the known prior art providing the integrated reactive material systems in the form of freestanding films.
  • Suitable integrated reactive material systems include, for example, alternating layers of nickel and aluminum or titanium and aluminum.
  • the integrated reactive includes
  • AI in combination with one of the following materials: CuO x , Fe 2 O 3 , Ni, Pd, Pt and Zr; or
  • the integrated material system comprises three or more material partners, for example by combining the above
  • the strength of the individual alternating layers is according to a
  • Development of the invention not less than 10 nm and not more than 1000 nm, in particular not more than 100 nm.
  • the total strength of the integrated reactive material system according to a development of the invention for example not less than 1 ⁇ and not more than 40 ⁇ , preferably not more as 20 ⁇ .
  • solder or brazing layers need to be melted, but here "pure” metals (e.g., Al or Ti) can be used per se
  • a first of the joining surfaces has a coating with the integrated reactive material system, wherein a second of the joining surfaces, which is connected to the first joining surface, has a wetting layer, the wetting layer may in particular comprise gold.
  • Activation region inclined to a plane which is defined by the joined portions of the joining surfaces by an angle ⁇ which is not less than 45 °, in particular not less than 60 °, preferably not less than 80 °, and particularly preferably a right Angle is.
  • the surface which has the activation region is arranged in a plane which is defined by the connected regions of the joining surfaces.
  • At least one of the components glass, ceramic, a semiconductor, in particular silicon or GaAs, a metal or a plastic as a material.
  • Components are interconnected, e.g. Silicon (chip-to-chip [Si-Si], chip-to-wafer [Si-Si], chip-to-board [Si-FR4]).
  • Borosilicate and Foturan are particularly suitable for the implementation of the invention in the case of the glasses.
  • the ceramics may be provided in particular in the form of thin and thick film technologies.
  • metals come in the form of
  • Metal components are particularly suitable for heat management (cooling or heating of components), wherein good thermal contact with a metallic heat source or the heat sink can be achieved via the joining with an integrated reactive material system.
  • Metallic materials are according to a development of the present invention, in particular steel, copper, aluminum and various
  • a sensor of industrial process measurement in particular a pressure sensor, a flow sensor, a density sensor, a viscometer, a level sensor, a temperature sensor, a potentiometric sensor coulometric sensor
  • one of the components comprises a
  • MEMS micro-electro-mechanical systems
  • MOEMS micro-opto-electro-mechanical system
  • the pressure transducer according to the invention comprises a component arrangement according to the invention according to one of the preceding claims, wherein the pressure transducer has a pressure-measurable diaphragm and at least one counter-body, wherein the counter-body
  • the measuring diaphragm along a peripheral edge carries, wherein the counter body is connected to a carrier body, wherein the pressure transducer comprises a component assembly according to the invention, wherein the carrier body is a component of the component assembly, which is joined to other component by means of the integrated reactive material system.
  • the counterbody is the other component of the component arrangement, which is joined to the carrier body by means of the integrated reactive material system.
  • the pressure transducer further comprises a metallic housing body or connecting body, wherein the
  • Housing body or connecting body is the other component of the component assembly, which by means of the integrated reactive material system with the
  • Carrier body is joined.
  • the carrier body has a channel through which the measuring membrane can be acted upon with a pressure
  • the transducer further comprises a pressure supply line, which with the
  • Carrier body is joined pressure-tight, wherein the pressure supply line is a second component of the component assembly, which is joined to the carrier body by means of the integrated reactive material system, wherein the pressure supply line with the
  • Component assembly in particular a component assembly according to the invention or a pressure transducer according to the invention, by connecting
  • At least one first component having at least one second component, wherein the first component has a first joining surface, and wherein the second component has a second joining surface, wherein the first joining surface is to be joined to the second joining surface, comprises the following steps:
  • Activation zone is exposed; Activating the integrated reactive material system so that the integrated reactive material system performs an exothermic reaction by which a joining material is fused between the first and second mating surfaces, whereby the first component with the second component between the two
  • the preparation of the integrated reactive material system comprises the deposition of a plurality of alternating layers of at least two reaction partners on the first component.
  • the second component is at least in
  • At least one wafer which has a plurality of first components, with the integrated reactive material system in the area the first joining surfaces and the respective adjacent surface area coated.
  • At least one depression is prepared in a first surface of the wafer adjacent to the first joining surfaces before the wafer is coated with the integrated reactive material system, wherein in each case at least one boundary surface of the depression adjacent to the first joining surface forms the surface region, on which the activation zone is prepared.
  • the first components are singulated by recesses being prepared from a second surface of the wafer, which faces away from the first surface, laterally aligned with the depressions from the first surface of the wafer.
  • the recesses are formed by etching, sawing or milling, wherein the preparation of the recesses of the second surface of the wafer is carried out only to the extent that between the individual first components remains a residual thickness of the wafer material, whereby between the components a breaking point is formed.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic longitudinal section through a first
  • Embodiment of a pressure sensor according to the invention shows a schematic longitudinal section through a first
  • Component assembly according to the invention in the wafer composite comprises a first component 10 and a second component 20, which are joined together using an integrated reactive material system 30.
  • the second component 20 is positioned with a second joining surface 21 on a first joining surface 11 of the first component 10 (I), wherein a joining surface 11 of the first component 10 and an adjacent surface region 12 of the first component 10 with an integrated reactive material system 30 are coated.
  • the coating of the adjacent surface area forms an activation area. Which is not covered by the second component 20.
  • the reactive material system comprises a layer sequence of alternating layers 31, 32 of two reaction partners, wherein the first reactant is, for example, Al, and wherein the second reactant is selected from the following materials: CuO x , Fe 2 O 3 , Ni, Pd, Pt or Zr ,
  • the layer thickness is about 20 nm and the total thickness of the
  • Layer sequence is about 1 ⁇ .
  • one of the second component has a wetting layer of gold, not separately shown here.
  • the first component 10 and the second component 20 can be both macroscopic and microscopic components that comprise glass, ceramic, metal, semiconductor, and / or plastic as a material.
  • a force is applied to the components in order to achieve a defined surface pressure between the joining surfaces 11, 21 of the components 10, 20, and an exothermic reaction is initiated in the activation region of the integrated reactive material system outside the joining surfaces .
  • This initiation can be carried out electrically, thermally, electro-magnetically, magnetically, mechanically and / or by means of laser pulses.
  • a major advantage of the invention is that the provision of the activation area outside the space between the joining surfaces of the first and second component, the joining zone between the joining surfaces for initiation need not be directly accessible and thus complex joining geometries or hard to reach Joining geometries can be generated.
  • the layers melt, so that interdiffusion between the layers occurs, so that a mixed phase 33 is formed, through which the joining surfaces are joined .
  • the exothermic reaction front runs through the entire integrated reactive material system until it is completely converted to the new mixed phase 33 by the reaction. The complete implementation is completed within a few milliseconds. The joined components can be further processed immediately after the joining process due to the low heat input.
  • the joint connection produced between the first components 10, 20 is preferably hermetically sealed, ie it has leak rates of less than 1 ⁇ 10 -8 mbar-1 / s. Furthermore, the joints are mechanically strong with shear strengths between 30 MPa and 400 MPa. They can be biocompatible and / or resistant to aggressive media, eg oils or acids.
  • the pressure sensor 100 shown in FIG. 2 comprises a
  • Semiconductor pressure transducer 1 10 made of silicon, which is one of a
  • Counter body 1 14 held measuring membrane 112 has.
  • the measuring membrane 1 12 is characterized by anisotropic etching of a measuring chamber 1 18 in one
  • the semiconductor pressure transducer 110 further comprises resistor elements which are doped in the measuring membrane 1 12.
  • the pressure sensor 100 further includes a carrier body 120, which has a borosilicate glass, wherein the carrier body 120 is joined by means of anodic bonding with a bottom 116 of the counter body 1 14. Through the support body 120, a reference pressure channel 122 extends, through which the measuring chamber 1 18 can be acted upon by a reference pressure.
  • an integrated reactive material system 124 is prepared, which on one side of the Carrier body 120 which extends perpendicular to the bottom, in one
  • Activation area 126 is continued.
  • the carrier body lies with his
  • a channel 132 which communicates with the reference pressure channel 122nd
  • the reactive material system 124 communicates, wherein the reactive material system 124 a reference pressure path, which is formed by the reference pressure channel 122 and the channel 132, sealed between the support body 120 and the base 130 to the environment.
  • the base 130 comprises a metallic material, in particular Kovar.
  • the exemplary embodiment of a pressure sensor shown in FIG. 3 comprises a differential pressure sensor 200 with a differential pressure transducer which has a measuring membrane 210 made of silicon between a first counter body 220-1 and a second counter body 220-2.
  • the two counter-bodies each comprise a measuring chamber 218-1, 218-2, which is bounded in each case by a diaphragm bed, on which the measuring diaphragm 210 can rest in the event of an overload.
  • the counter-bodies also each have a pressure channel 222-1, 222-2, through which the measuring diaphragm 210 can be acted upon by oppositely acting pressures, so that the measuring diaphragm in FIG. 3
  • the differential pressure transducer comprises at least one capacitive transducer, which has at least one electrode on a counter body and a membrane-side electrode.
  • the counter bodies 220-1, 220-2 have silicon and are joined by anodic bonding with the measuring membrane 210, which also has silicon, wherein between the measuring membrane 210 and the
  • Counter bodies each a silicon oxide layer is provided.
  • the counter-bodies 220-1, 220-2 are each supported on the rear side by a connecting body 230-1, 230-2, wherein a pressure line 232-1, 232-2 extends through the connecting bodies, which communicates with the pressure channel 222-1, 222-2. 2 of the adjacent counter body communicates.
  • the connection bodies have a ceramic material whose thermal expansion coefficient does not deviate by more than 5 ppm / K from the coefficient of thermal expansion of the material of the counter-body.
  • the joining bodies of the mating bodies 220-1, 220-2 facing the supporting bodies are each coated with a reactive material system 224-1, 224-2, which in each case continues in an activation area 226-1, 226-2 which is located outside a joining zone between the two Counter bodies and the connection bodies is arranged.
  • the joining surfaces of the connection bodies facing the counter bodies also have a wetting layer of gold (not separately shown here).
  • connection body are joined, wherein the reacted reactive material systems at the same time seal the pressure paths, which are formed by the pressure lines 232-1, 232-2 with the respective adjacent pressure channels 222-1, 222-2.
  • the pressure-resistant joint between the counter-bodies and the connection bodies stabilizes the differential pressure cell against static overloads.
  • the joining by means of an integrated reactive material system reduces penetration of conventional soldering processes
  • thermomechanical stresses in the join partners As a result, the measurement accuracy and the repeatability of the differential pressure sensor are significantly improved, since voltage-induced hysteresis effects are largely eliminated.
  • 4 shows a sequence of process steps for depositing the integrated reactive material systems, including the subsequent separation into separate components.
  • a first step (I) the substrate 301 is provided and, if necessary, a cleaning step is carried out.
  • a second step (II) the substrate 301 is patterned, wherein
  • component flanks 303 For example, be formed by recesses 302 from an upper surface of the substrate 301 ago component flanks 303.
  • the structuring can be done, for example, by sawing, milling, wet etching, dry etching, erosion or ablation process.
  • a component flank is structured, which in the subsequent steps with the exothermic
  • a third step (III) the structured substrates 301 are coated with the integrated reactive material system 304.
  • the coating processes can take place by means of vapor deposition, electrochemical deposition and deposition by means of printing techniques.
  • the integrated reactive material system 301 on the one hand comprises a joint surface coating
  • the substrates 301 are separated into individual components (308).
  • the separation can be done, for example, by sawing, milling, wet etching, dry etching, erosion or Ablationsrea, in particular from the bottom of the substrate.

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Abstract

Eine Bauteilanordnung (1), umfasst: ein erstes Bauteil (10), welches eine erste Fügefläche (11) aufweist und ein zweites Bauteil (20), welches eine zweite Fügefläche (21) aufweist, wobei die erste Fügefläche (11) mit der zweiten Fügefläche (21) unter Verwendung eines integrierten reaktiven Materialsystems (30) mit einander verbunden ist, wobei das integrierte reaktiven Materialsystem mindestens eine Beschichtung mindestens einer der Fügeflächen (11) umfasst, wobei das integrierte reaktiven Materialsystem einen Aktivierungsbereich (33) auf einer Oberfläche umfasst, wobei der Aktivierungsbereich (33) außerhalb miteinander gefügter Bereiche der ersten bzw. zweiten Fügefläche angeordnet ist und an die miteinander gefügten Bereiche angrenzt.

Description

Bauteilanordnung mit mindestens zwei Bauteilen und Verfahren zum Herstellen einer Bauteilanordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bauteilanordnung mit mindestens zwei Bauteilen, welche miteinander gefügt sind und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Bauteilanordnung durch Fügen zweier Bauteile.
Die Anforderungen an die Fügeverbindung sind dabei sehr vielfältig. So müssen beispielsweise temperaturempfindliche Polymere, organische Stoffe und/oder Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und Komponenten mit temperaturempfindlichen Materialien miteinander verbunden werden. In vielen Anwendungsfällen, insbesondere in der industriellen
Prozessmesstechnik, ist es erforderlich, dass Fügeverbindungen hermetisch dicht sind. Dies ist insofern beachtlich, als damit Klebeverbindungen weitgehend ausscheiden. Schweißverbindungen und Lotverbindungen sind zwar hermetisch dicht, aber sie sind insofern problematisch, als ihre Herstellung die Fügepartner thermisch belastet, insbesondere dann, wenn die zu fügenden Flächen zwischen den Fügepartnern durch Erhitzen der Fügepartner auf die Schmelztemperatur des Lotmaterials zu bringen sind.
Daher sind reaktive Materialsysteme grundsätzlich attraktiv, um insbesondere temperaturempfindliche Fügepartner miteinander zu verbinden. Reaktive Mate- rialsysteme ermöglichen selbst ausbreitende exotherme Reaktionen, die in anderen Einsatzgebieten bereits zum Fügen von Bauteilen verwendet werden. Hierzu gibt es grundsätzlich zwei Varianten. Einerseits werden thermische Reaktionen in Pulvergemischen zum Aufschmelzen von Stoffen verwendet, andererseits werden selbst ausbreitende Reaktionen in nanoskalierten Mehrschichtsystemen in Form von Folien verwendet, um Lotschichten aufzuschmelzen und so eine Fügeverbindung zu erzeugen. Die reaktiven Materialsysteme mit nanoskalierten Mehrschichtsystemen in Form von Folien werden beispielsweise von der Firma Indium Corp. unter der Marke NanoFoil® angeboten. Für Mikrosystemtechnische Anwendungen erweist es sich jedoch als schwierig, den Fügeprozess kontrolliert zu aktivieren und hinreichend genau lokalisiert mit definierter Energiedichte ablaufen zu lassen. Zudem sind derartige Folien schwierig zu konfektionieren und daher insbesondere für Anwendungen in der Mikrosystemtechnik nur mit Einschränkungen geeignet.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Bauteilanordnung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 , den Druckmesswandler gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 7, und das Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 1.
Die erfindungsgemäße Bauteilanordnung umfasst ein erstes Bauteil, welches eine erste Fügefläche aufweist; und ein zweites Bauteil, welches eine zweite Fügefläche aufweist, wobei die erste Fügefläche mit der zweiten Fügefläche unter Verwendung eines integrierten reaktiven Materialsystems mit einander verbunden sind, wobei das integrierte reaktive Materialsystem mindestens eine Beschichtung mindestens einer der Fügeflächen umfasst, wo bei das integrierte reaktive Materialsystem einen Aktivierungsbereich auf einer Oberfläche umfasst, wobei der Aktivierungsbereich außerhalb miteinander gefügter Bereiche der ersten bzw. zweiten Fügefläche angeordnet ist und an die miteinander gefügten Bereiche angrenzt.
Ein integriertes reaktives Materialsystem enthält mindestens zwei Komponenten, deren Mischung zu einer exotherm Reaktion führen kann, die sich nach
Aktivierung selbst ausbreitet. Die zwei Komponenten sind in einer Vielzahl von alternierenden Schichten mit jeweils einer Stärke von wenigen Nanometern bereitgestellt. Nach einer lokalen Aktivierung werden benachbarte Atome aus den alternierenden Lagen zur Bildung intermetallischer Phasen angeregt, wobei es zur Diffusion der Komponenten zwischen den Schichten kommt. Die
Reaktionswärme wird entlang der Einzelschichten weitergeleitet. Damit es zu einer sich selbst erhaltenden Reaktion kommt, muss die Reaktionswärme mindestens mit einer solchen Rate freigesetzt werden, dass trotz der über Wärmetransport abgeleiteten Wärme eine Aktivierungstemperatur gehalten werden kann. Die Standardbildungsenthalpie der Reaktionspartner sollte dazu beispielsweise nicht weniger als etwa - 30 kJ/mol-Atom, insbesondere nicht weniger als - 40 kJ/mol-Atom, und bevorzugt nicht weniger als 50 kJ/mol-Atom betragen. Das Bereitstellen des integrierten reaktiven Materialsystems in Form einer
Beschichtung kann insbesondere durch Gasphasenabscheidung erfolgen (PVD nach dem englischen Physical Vapor Deposition). Dies bietet erhebliche Vorteile gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Bereitstellen der integrierten reaktiven Materialsysteme in Form von freistehenden Folien.
Geeignete integrierte reaktive Materialsysteme umfassen beispielsweise alternierende Schichten von Nickel und Aluminium oder Titan und Aluminium.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das integrierte reaktive
Materialsystem alternierende Schichten einer der folgenden
Materialkombinationen. · AI in Kombination mit einem der folgenden Materialien CuOx, Fe203, Ni, Pd, Pt und Zr; oder
• Ti in Kombination mit B, oder Si; oder
• Zr, Ni oder Pd in Kombination mit Si; oder
• Pd oder Pt in Kombination mit Sn oder Zn. In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das integrierte Materialsystem drei und mehr Materialpartner, beispielweise durch Kombination der obigen
Materialien.
Die Stärke der einzelnen alternierenden Schichten beträgt gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung nicht weniger als 10 nm und nicht mehr als 1000 nm, insbesondere nicht mehr als 100 nm. Die Gesamtstärke des integrierten reaktiven Materialsystems beträgt gemäß einer Weiterbildung der Erfindung beispielsweise nicht weniger als 1 μηη und nicht mehr als 40 μηη, vorzugsweise nicht mehr als 20 μηη. Nach Initiierung der Reaktion zwischen den Komponenten des integrierten reaktiven Materialsystems zum Fügen der Bauteile führt die freiwerdende Reaktionswärme zur Interdiffusion Aufschmelzen umgebender Weich- bzw. Hartlotschichten und somit zur Erzeugung stoffschlüssiger Verbindungen. Dem geht eine entsprechende Beschichtung der Fügepartner mit entsprechenden Verbindungsschichten voraus.
In besonderen Fällen müssen keine Lot- bzw. Hartlotschichten aufgeschmolzen werden, sondern hier können„reine" Metalle (z.B. AI oder Ti) an sich
aufgeschmolzen werden.
Auf Grund der Reaktionscharakteristika, wie sehr schnelle Aufwärm- und Abkühlraten und hohe Reaktionsgeschwindigkeiten erfolgt die
Wärmeeinbringung ausschließlich in unmittelbarer Nähe der exothermen Reaktion. Ein weiterer prinzipieller Vorteil eines solchen Verfahrens besteht darin, dass die freiwerdende Wärmemenge durch die Menge des reagierenden Schichtmaterials, also die Anzahl und Stärke der Schichten, begrenzt und kontrolliert werden kann, sowie die für die thermisch induzierte
Verbindungsbildung nötige Temperaturerhöhung nur sehr kurzzeitig auftritt. Auf diese Weise kann die Reaktion so gesteuert werden, dass eine thermische Schädigung temperaturempfindlicher Fügepartner vermieden wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist eine erste der Fügeflächen eine Beschichtung mit dem integrierten reaktiven Materialsystem auf, wobei eine zweite der Fügeflächen, welche mit der ersten Fügefläche verbunden ist, eine Benetzungsschicht aufweist, die Benetzungsschicht insbesondere Gold aufweisen kann. In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Oberfläche, welche den
Aktivierungsbereich aufweist, zu einer Ebene, welche durch die verbundenen Bereiche der Fügeflächen definiert ist, um einen Winkel α geneigt, der nicht weniger als 45°, insbesondere nicht weniger als 60°, bevorzugt nicht weniger als 80° beträgt, und besonders bevorzugt ein rechter Winkel ist. In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Oberfläche, welche den Aktivierungsbereich aufweist, in einer Ebene, welche durch die verbundenen Bereiche der Fügeflächen definiert ist angeordnet.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist mindestens eines der Bauteile Glas, Keramik, einen Halbleiter, insbesondere Silizium oder GaAs, ein Metall oder einen Kunststoff als Werkstoff auf.
So können erfindungsgemäß beispielsweise verschiedene Materialien bzw.
Komponenten miteinander verbunden werden, wie z.B. Silizium (Chip-to-Chip [Si-Si], Chip-to-Wafer [Si-Si], Chip-to-Board [Si-FR4]). Bei den Gläsern sind insbesondere Borosilikat und Foturan zur Umsetzung der Erfindung geeignet. Die Keramiken können insbesondere in Form von Dünn- und Dickschichttechnologien bereitgestellt werden. Metalle kommen beispielsweise in Form von
Sensorgehäusen und deren Komponenten, sowie Anschluss- oder Trägerkörpern und Rohren vor. Metallkomponenten sind insbesondere zum Wärmemanage- ment (Kühlung oder Heizung von Komponenten) geeignet, wobei über die Fügung mit einem integrierten reaktiven Materialsystem ein guter thermischer Kontakt zu einer metallischen Wärmequelle öder Wärmesenke erzielt werden kann. Metallische Werkstoffe sind gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung insbesondere Stahl, Kupfer, Aluminium und verschiedene
Legierungen. Geeignete Kunststoffe sind gemäß einer Weiterbildung der
Erfindung insbesondere PMMA, PTFE, PFA, PES und PEEK.
In einer Weiterbildung der Erfindung betrifft die erfindungsgemäße
Bauteilanordnung einen Sensor der industriellen Prozessmesstechnik, insbesondere einen Drucksensor, einen Durchflusssensor, einen Dichtesensor ein Viskosimeter, einen Füllstandssensor einen Temperatursensor, einen potentiometrischen Sensor einen coulometrischen Sensor einen
amperometrischen Sensor, einen Leitfähigkeitssensor, einen Feuchtesensor oder einen optischen Sensor wobei der das erste Bauteil eine erste Komponente des Sensors ist und das zweite Bauteil eine zweite Komponente des Sensors ist. In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst eines der Bauteile eine
Leuchtdiode, ein Mikro-Elektro-Mechanisches-Systeme (MEMS), einen
Beschleunigungssensor, einen Neigungssensor, Feuchtesensoren, ein Mikro- Opto-Elektro-Mechanisches System (MOEMS), z.B. einen Mikrospiegel, ein Mikrobolometer, oder einen optischen Schalter.
Der erfindungsgemäße Druckmesswandler umfasst eine erfindungsgemäße Bauteilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckmesswandler eine mit Druck beaufschlagbare Messmembran und mindestens einen Gegenkörper aufweist, wobei der Gegenkörper die
Messmembran entlang eines umlaufenden Randes trägt, wobei der Gegenkörper mit einem Trägerkörper verbunden ist, wobei der Druckmesswandler eine erfindungsgemäße Bauteilanordnung umfasst, wobei der Trägerkörper ein Bauteil der Bauteilanordnung ist, welches mit anderen Bauteil mittels des integrierten reaktiven Materialsystems gefügt ist. In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Gegenkörper das andere Bauteil der Bauteilanordnung, welches mit dem Trägerkörper mittels des integrierten reaktiven Materialsystems gefügt ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Druckmesswandler weiterhin einen metallischen Gehäusekörper oder Anschlusskörper, wobei der
Gehäusekörper bzw. Anschlusskörper das andere Bauteil der Bauteilanordnung ist, welches mittels des integrierten reaktiven Materialsystems mit dem
Trägerkörper gefügt ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Trägerkörper einen Kanal auf, durch den die Messmembran mit einem Druck beaufschlagbar ist, wobei der Messwandler weiterhin eine Druckzuleitung aufweist, welche mit dem
Trägerkörper druckdicht gefügt ist, wobei die Druckzuleitung ein zweites Bauteil der Bauteilanordnung ist, welches mit dem Trägerkörper mittels des integrierten reaktiven Materialsystems gefügt ist, wobei die Druckzuleitung mit dem
Druckkanal kommuniziert. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen mindestens einer
Bauteilanordnung, insbesondere einer erfindungsgemäßen Bauteilanordnung bzw. eines erfindungsgemäßen Druckmesswandlers, durch Verbinden
mindestens eines ersten Bauteils mit mindestens einem zweiten Bauteil, wobei das erste Bauteil eine erste Fügefläche aufweist, und wobei das zweite Bauteil eine zweite Fügefläche aufweist, wobei die erste Fügefläche mit der zweiten Fügefläche zu fügen ist, umfasst die folgenden Schritte:
Präparieren eines integrierten reaktiven Materialsystems auf einer Oberfläche des ersten Bauteils im Bereich einer Fügefläche und einem an die Fügefläche angrenzenden Oberflächenbereich, wobei das integrierte reaktive Materialsystem auf dem angrenzenden Oberflächenbereich eine Aktivierungszone bildet;
Positionieren des zweiten Bauteils bezüglich des ersten Bauteils, so dass die zweite Fügefläche an der ersten Fügefläche anliegt, und dass die
Aktivierungszone frei liegt; Aktivieren des integrierten reaktiven Materialsystems, so dass das integrierte reaktive Materialsystem eine exotherme Reaktion durchführt, durch welche ein Fügematerial zwischen der ersten und zweiten Fügefläche aufgeschmolzen wird, wodurch das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil zwischen den beiden
Fügeflächen gefügt wird. In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Präparieren des integrierten reaktiven Materialsystems das Abscheiden mehrerer alternierende Schichten von mindestens zwei Reaktionspartnern auf dem ersten Bauteil.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird das zweite Bauteil zumindest im
Bereich der zweiten Fügefläche mit einer Benetzungsschicht versehen, die insbesondere Gold aufweist, bevor das zweite Bauteil bezüglich des ersten Bauteils positioniert wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird mindestens ein Wafer, welche mehrere erste Bauteile aufweist, mit dem integrierten reaktiven Materialsystem im Bereich der ersten Fügeflächen und den jeweils angrenzenden Oberflächenbereich beschichtet.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird in einer ersten Oberfläche des Wafers angrenzend an die ersten Fügeflächen jeweils mindestens eine Vertiefung präpariert, bevor der Wafer mit dem integrierten reaktiven Materialsystem beschichtet wird, wobei jeweils mindestens eine an die erste Fügefläche anschließende Begrenzungsfläche der Vertiefung dienen Oberflächenbereich bildet, auf dem die Aktivierungszone präpariert ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung werden die ersten Bauteile vereinzelt, indem von einer zweiten Oberfläche des Wafers, welche der ersten Oberfläche abgewandt ist, lateral fluchtend mit den Vertiefungen von der ersten Oberfläche des Wafers her Vertiefungen präpariert werden. In einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung der Erfindung werden die Vertiefungen durch Ätzen, Sägen oder Fräsen gebildet, wobei der Präparieren der Vertiefungen von der zweiten Oberfläche des Wafers nur soweit durchgeführt wird, dass zwischen den einzelnen ersten Bauteilen noch eine Reststärke des Wafermaterials stehen bleibt, wodurch zwischen den Bauteilen eine Sollbruchstelle gebildet ist.
Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt: Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Bauteilanordnung zu verschiedenen Zeitpunkten des Fügens der Bauteile der Bauteilanordnung;
Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors; Fig 3: einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors; und
Fig. 4 Verfahrensschritte beim Präparieren von Bauteilen der
erfindungsgemäßen Bauteilanordnung im Waferverbund. Die in Fig. 1 dargestellte Bauteilanordnung umfasst ein erstes Bauteil 10 und ein zweites Bauteil 20, welche unter Verwendung eines integrierten reaktiven Materialsystems 30 miteinander gefügt werden. Hierzu ist ein typischer Prozessfluss zur Erzeugung der Fügeverbindung mittels des exotherm reagierenden integrier- ten Materialsystems dargestellt. Das zweite Bauteil 20 wird mit einer zweiten Fügefläche 21 auf einer ersten Fügefläche 1 1 des ersten Bauteils 10 positioniert (I), wobei eine Fügefläche 1 1 des ersten Bauteils 10 und ein daran angrenzender Oberflächenbereich 12 des ersten Bauteils 10 mit einem integrierten reaktiven Materialsystem 30 beschichtet sind. Die Beschichtung des angrenzenden Oberflächenbereichs bildet einen Aktivierungsbereich. Der nicht von dem zweiten Bauteil 20 verdeckt ist. Das Reaktive Materialsystem umfasst eine Schichtfolge von alternierenden Schichten 31 , 32 zweier Reaktionspartner, wobei der erste Reaktionspartner beispielsweise AI ist, und wobei der zweite Reaktionspartner aus den folgenden Materialien ausgewählt ist: CuOx, Fe2O3, Ni, Pd, Pt oder Zr. Die Schichtstärke beträgt jeweils etwa 20 nm und die Gesamtstärke der
Schichtfolge beträgt etwa 1 μηη. Vorzugsweise weist eine das zweite Bauteil eine hier nicht gesondert dargestellte Benetzungsschicht aus Gold auf.
Das erste Bauteil 10 und zweite Bauteil 20 können sowohl makroskopische als auch mikroskopische Bauteile sein, die Glas, Keramik, Metall, Halbleiter, und oder Kunststoff als Werkstoff aufweisen.
In einem zweiten Schritt (II) wird eine Kraft auf die Bauteile appliziert, um eine definierte Flächenpressung zwischen den Fügeflächen 1 1 , 21 der Bauteile 10, 20 zu erzielen, und eine exotherme Reaktion wird in dem Aktivierungsbereich des integrierten reaktiven Materialsystems außerhalb der Fügeflächen initiiert. Diese Initiierung kann dabei elektrisch, thermisch, elektro-magnetisch, magnetisch, mechanisch und/oder mittels Laserimpulsen erfolgen. Ein großer Vorteil der Erfindung ist dass durch die Bereitstellung des Aktivierungsbereichs außerhalb des Raums zwischen den Fügeflächen des ersten und zweiten Bauteils die Fügezone zwischen den Fügeflächen zur Initiierung nicht direkt zugänglich sein muss und somit komplexe Fügegeometrien bzw. schwer erreichbare Fügegeometrien erzeugt werden können. Durch die Initiierung bzw. Aktivierung einer exothermen Reaktion zwischen den Schichten 31 , 32 des integrierten reaktiven Materialsystems 30, schmelzen die Schichten auf, so dass es zur Interdiffusion zwischen den Schichten kommt, so dass eine Mischphase 33 gebildet wird, durch welche die Fügeflächen gefügt sind. Wie in Bildern (III) und (IV) gezeigt ist, durchläuft die exotherme Reaktionsfront das gesamte integrierte reaktive Materialsystem, bis es vollständig durch die Reaktion in die neue Mischphase 33 umgesetzt ist. Die vollständige Umsetzung ist dabei innerhalb weniger Millisekunden beendet. Die gefügten Bauteile können aufgrund des geringen Wärmeeintrags unmittelbar nach dem Fügevorgang weiter bearbeitet werden.
Die erzeugte Fügeverbindung zwischen den ersten Bauteilen 10, 20 ist vorzugsweise hermetisch dicht, d.h. sie weist Leckraten kleiner 1 x 10~8 mbar-l/s auf. Weiterhin sind die Fügestellen mechanisch fest mit Scherfestigkeiten zwischen 30 MPa und 400 MPa. Sie können biokompatibel und/oder resistent gegenüber aggressiven Medien sein, z.B. Ölen oder Säuren.
Der in Figur 2 gezeigte Drucksensor 100 umfasst einen
Halbleiterdruckmesswandler 1 10 aus Silizium, welcher eine von einem
Gegenkörper 1 14 gehaltene Messmembran 112 aufweist. Die Messmembran 1 12 ist dabei durch anisotropes Ätzen einer Messkammer 1 18 in einem
Siliziumwafer gebildet, wobei der um die Messkammer 1 18 stehen gebliebene Randbereich den Gegenkörper 1 14 bildet. Der Halbleiterdruckmesswandler 110 umfasst weiterhin Widerstandselemente, die in der Messmembran 1 12 dotiert sind. Der Drucksensor 100 umfasst weiterhin einen Trägerkörper 120, welcher ein Borosilikatglas aufweist, wobei der Trägerkörper 120 mittels anodischen Bondens mit einer Unterseite 116 des Gegenkörpers 1 14 gefügt ist. Durch den Trägerkörper 120 erstreckt sich ein Referenzdruckkanal 122, durch den die Messkammer 1 18 mit einem Referenzdruck beaufschlagbar ist. Auf einer dem Druckmesswandler 1 10 abgewandten Unterseite des Trägerkörpers 120 ist ein integriertes reaktives Materialsystem 124 präpariert, welches an einer Seite des Trägerkörpers 120, die sich senkrecht zur Unterseite erstreckt, in einem
Aktivierungsbereich 126 fortgesetzt ist. Der Trägerkörper liegt mit seiner
Unterseite auf einem metallischen Sockel 130 auf, wobei sich durch den Sockel 130 ein Kanal 132 erstreckt, welcher mit dem Referenzdruckkanal 122
kommuniziert, wobei das reaktive Materialsystem 124 einen Referenzdruckpfad, der durch den Referenzdruckkanal 122 und den Kanal 132 gebildet ist, zwischen dem Trägerkörper 120 und dem Sockel 130 zur Umgebung hin abgedichtet. Der Sockel 130 umfasst einen metallischen Werkstoff, insbesondere Kovar. Durch Aktivieren des reaktiven Materialsystems in dem Aktivierungsbereich 126 ist eine exotherme Reaktion ausgelöst, welche das reaktive Materialsystem 124 zwischen dem Trägerkörper 120 und dem Sockel 130 vollständig umgesetzt hat, wodurch die beiden Bauteile dicht gefügt sind. Da die Fügung ohne eine wesentliche Erwärmung der Volumina des Sockels 130 und des Trägerkörpers 120 erfolgt sind, und wurden durch das Fügen der Bauteile miteinander kaum thermomechanische Spannungen in die Bauteile eingebracht.
Das in Figur drei gezeigte Ausführungsbeispiel eines Drucksensors umfasst einen Differenzdrucksensor 200, mit einem Differenzdruckmesswandler, der eine Messmembran 210 aus Silizium zwischen einem ersten Gegenkörper 220-1 und einen zweiten Gegenkörper 220-2 aufweist. Die beiden Gegenkörper umfassen jeweils eine Messkammer 218-1 , 218-2, welche jeweils durch ein Membranbett begrenzt ist, an welcher sich die Messmembran 210 im Falle einer Überlast anlegen kann. Die Gegenkörper weisen zudem jeweils einen Druckkanal 222- 1 ,222-2 auf, durch welche die Messmembran 210 miteinander entgegengesetzt wirkenden Drücken beaufschlagbar ist, so dass die Messmembran in
Abhängigkeit von der Differenz der beiden Drücke ausgelenkt wird. Zum
Erfassen einer druckabhängigen Auslenkung der Messmembran 210 umfasst der Differenzdruckmesswandler mindestens einen kapazitiven Wandler, welcher mindestens eine Elektrode an einem Gegenkörper und eine membranseitige Elektrode aufweist. Die Gegenkörper 220-1 ,220-2 weisen Silizium auf und sind durch anodisches Bonden mit der Messmembran 210 gefügt, welche ebenfalls Silizium aufweist, wobei zwischen der Messmembran 210 und den
Gegenkörpern jeweils eine Siliziumoxydschicht vorgesehen ist. Die Gegenkörper 220-1 ,220-2 sind rückseitig jeweils durch einen Anschlusskörper 230-1 ,230-2 abgestützt wobei sich durch die Anschlusskörper jeweils eine Druckleitung 232- 1 ,232-2 erstreckt, die mit dem Druckkanal 222-1 ,222-2 des angrenzenden Gegenkörpers kommuniziert. Die Anschlusskörper weisen insbesondere einen keramischen Werkstoff auf, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient um nicht mehr als 5 ppm/K von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials der Gegenkörper abweicht. Die den Stützkörpern zugewandte Fügefläche der Gegenkörper 220-1 ,220-2 ist jeweils mit einem reaktiven Materialsystem 224- 1 ,224-2 beschichtet, welches jeweils in einem Aktivierungsbereich 226-1 ,226-2 fortgesetzt ist, der außerhalb einer Fügezone zwischen den Gegenkörpern und den Anschlusskörpern angeordnet ist. Die dem Gegenkörpern zugewandten Fügeflächen der Anschlusskörper weisen zudem eine hier nicht gesondert dargestellte Benetzungsschicht aus Gold auf. Durch Aktivieren einer exothermen Reaktion in den Aktivierungsbereichen 226-1 , 226-2 sind die integrierten reaktiven Materialsysteme 224-1 ,224-2 zwischen den Gegenkörpern und den Anschlusskörpern in einer exotherm Reaktion vollständig umgesetzt, wodurch die Gegenkörper jeweils druckdicht und drucktragend mit dem angrenzenden
Anschlusskörper gefügt sind, wobei die umgesetzten reaktiven Materialsysteme zugleich die Druckpfade abdichten, welche durch die Druckleitungen 232-1 ,232-2 mit den jeweils angrenzenden Druckkanälen 222-1 ,222-2 gebildet sind. Durch die druckfeste Fügung zwischen den Gegenkörpern und den Anschlusskörpern wird die Differenzdruckmesszelle stabilisiert gegen statische Überlasten. Zudem verringert die Fügung mittels eines integrierten reaktiven Materialsystems gegenüber herkömmlichen Lotverfahren das Eindringen von
thermomechanischen Spannungen in die Fügepartner. Hierdurch werden die Messgenauigkeit und die Wiederholbarkeit des Differenzdrucksensors erheblich verbessert, da spannungsbedingte Hystereseeffekte weitgehend eliminiert sind. Fig. 4 zeigt eine Folge von Verfahrenssch tten zum Abscheiden der integrierten reaktiven Materialsysteme einschließlich der anschließenden Vereinzelung in separate Bauteile.
In einem ersten Schritt (I) wird das Substrat 301 bereitgestellt und ggf. wird ein Reinigungsschritt durchgeführt.
In einem zweiten Schritt (II) wird das Substrat 301 strukturiert, wobei
beispielsweise durch Vertiefungen 302 von einer Oberseite des Substrats 301 her Bauteilflanken 303 gebildet werden. Die Strukturierung kann dabei beispielsweise durch Säge-, Fräs-, Nassätz-, Trockenätz-, Erosions- oder Ablationsprozess erfolgen. Typischerweise wird eine solche Bauteilflanke strukturiert, welche in den darauffolgenden Schritten mit den exotherm
reagierenden integrierten reaktiven Materialien beschichtet wird.
In einem dritten Schritt (III) werden die strukturierten Substrate 301 mit dem integrierten reaktiven Materialsystem 304 beschichtet. Die Beschichtungsprozesse können dabei mittels der Gasphasenabscheidung, der elektro-chemischen Abscheidung sowie der Abscheidung mittels Drucktechniken erfolgen. Das integrierte reaktive Materialsystem 301 umfasst einerseits eine Fügeflächenbeschichtung
305 auf der Oberseite des Substrats und eine Aktivierungsbereichsbeschichtung
306 an den zuvor strukturierten Flanken 303, wobei die Fügeflächen- beschichtung 305 in die Aktivierungsbereichsbeschichtung 306 übergeht. So dass eine Reaktion der Fügeflächenbeschichtung durch eine Reaktion der Aktivierungsbereichsbeschichung aktivierbar ist.
In einem vierten Schritt (IV) werden die Substrate 301 in einzelne Bauteile (308) vereinzelt. Die Vereinzelung kann dabei beispielsweise durch Säge-, Fräs-, Nassätz-, Trockenätz-, Erosions- oder Ablationsprozess erfolgen, insbesondere auch von der Unterseite des Substrats.

Claims

Patentansprüche
Bauteilanordnung (1 ), umfassend: ein erstes Bauteil (10), welches eine erste Fügefläche (1 1 ) aufweist; und ein zweites Bauteil (20), welches eine zweite Fügefläche (21 ) aufweist, wobei die erste Fügefläche (1 1 ) mit der zweiten Fügefläche (21 ) unter Verwendung eines integrierten reaktiven Materialsystems (30) mit einander verbunden ist, wobei das integrierte reaktiven Materialsystem mindestens eine
Beschichtung mindestens einer der Fügeflächen (11 ) umfasst, wo bei das integrierte reaktiven Materialsystem (30) einen Aktivierungsbereich (33) auf einer Oberfläche umfasst, wobei der Aktivierungsbereich (33) außerhalb miteinander gefügter Bereiche der ersten bzw. zweiten Fügefläche angeordnet ist und an die miteinander gefügten Bereiche angrenzt.
Bauteilanordnung nach Anspruch 1 , wobei das integrierte Materialsystem mindestens eine alternierende Schichtfolge ausgewählt aus den folgenden Materialkombinationen umfasst:
o AI in Kombination mit einem der folgenden Materialien CuOx,
Fe2O3, Ni, Pd, Pt und Zr; und/oder
o Ti in Kombination mit B, oder Si; und/oder
o Zr, Ni oder Pd in Kombination mit Si; und/oder
o Pd oder Pt in Kombination mit Sn oder Zn. Bauteilanordnung nach Anspruch 1 , oder 2 wobei eine erste der
Fügeflächen zum Fügen der Bauteile mit dem integrierten reaktiven Materialsystem beschichtet ist, und wobei eine zweite der Fügeflächen eine Benetzungsschicht aufweist, die insbesondere Gold umfasst.
Bauteilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche, welche den Aktivierungsbereich aufweist, zu einer Ebene, welche durch die verbundenen Bereiche der Fügeflächen definiert ist, geneigt ist um einen Winkel a, der nicht weniger als 45°, insbesondere nicht weniger als 60° und bevorzugt nicht weniger als 80° beträgt.
Bauteilanordnung nach einem der Ansprüche 1 -3, wobei die Oberfläche, welche den Aktivierungsbereich aufweist, in einer Ebene, welche durch die verbundenen Bereiche der Fügeflächen definiert ist, angeordnet ist.
Bauteilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eines der Bauteile Glas oder einen Halbleiter, insbesondere Silizium als Werkstoff aufweist.
Druckmesswandler, umfassend eine Bauteilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckmesswandler einen mit Druck beaufschlagbare Messmembran und mindestens einen
Gegenkörper aufweist, wobei der Gegenkörper die Messmembran entlang eines umlaufenden Randes trägt, wobei der Gegenkörper mit einem Trägerkörper verbunden ist, wobei der Druckmesswandler eine
erfindungsgemäße Bauteilanordnung nach einem der Ansprüche 1 -6 umfasst, wobei der Trägerkörper ein Bauteil dieser Bauteilanordnung ist.
8. Druckmesswandler nach Anspruch 7, wobei der Gegenkörper das andere Bauteil ist, das mit dem Trägerkörper mittels des integrierten reaktiven Materialsystems zu fügt.
9. Druckmesswandler, nach Anspruch sieben, weiterhin umfassend einen metallischen Gehäusekörper oder Anschlusskörper, wobei der
Gehäusekörper bzw. Anschlusskörper das andere Bauteil der
Bauteilanordnung ist, welches mit dem Trägerkörper mittels des integrierten reaktiven Materialsystems gefügt ist.
10. Druckmesswandler nach einem der Ansprüche 7-9, wobei der
Trägerkörper einen Kanal aufweist, durch den die Messmembran mit einem Druck beaufschlagbar ist, wobei der Messwandler weiterhin eine Druckzuleitung aufweist, welche mit dem Trägerkörper druckdicht gefügt ist, wobei die Druckzuleitung ein zweites Bauteil der Bauteilanordnung ist, welches mit dem Trägerkörper mittels eines integrierten reaktiven
Materials gefügt ist, wobei die Druckzuleitung mit dem Druckkanal kommuniziert.
1 1. Verfahren zum Herstellen mindestens einer Bauteilanordnung,
insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, durch
Verbinden mindestens eines ersten Bauteils mit mindestens einem zweiten Bauteil, wobei das erste Bauteil eine erste Fügefläche aufweist, und wobei das zweite Bauteil eine zweite Fügefläche aufweist, wobei die erste Fügefläche mit der zweiten Fügefläche zu fügen ist, umfassend die Schritte:
Präparieren eines integrierten reaktiven Materialsystems auf einer Oberfläche des ersten Bauteils im Bereich einer Fügefläche und einem an die Fügefläche angrenzenden Oberflächenbereich, wobei das integrierte reaktive Materialsystem auf dem angrenzenden Oberflächenbereich eine Aktivierungszone bildet;
Positionieren des zweiten Bauteils bezüglich des ersten Bauteils, so dass die zweite Fügefläche an der ersten Fügefläche anliegt, und dass die Aktivierungszone frei liegt;
Aktivieren des integrierten reaktiven Materialsystems, so dass das integrierte reaktive Material System eine exotherm Reaktion durchführt, durch welche ein Fügematerial zwischen der ersten und zweiten
Fügefläche aufgeschmolzen wird, wodurch das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil zwischen den beiden Fügeflächen gefügt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , wobei das Präparieren des integrierten
reaktiven Materialsystems das Abscheiden mehrerer alternierende
Schichten von mindestens zwei Reaktionspartnern auf dem ersten Bauteil umfasst.
13. Verfahren nach Anspruch 1 1 oder 12, wobei das zweite Bauteil zumindest im Bereich der zweiten Fügefläche mit einer Benetzung Schicht versehen wird, die insbesondere Gold aufweist, bevor das zweite Bauteil bezüglich des ersten Bauteils positioniert wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 -13, wobei mindestens ein Wafer, welche mehrere erste Bauteile aufweist, mit dem integrierten reaktiven Materialsystem im Bereich der ersten Fügeflächen und den jeweils angrenzenden Oberflächenbereichen beschichtet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei in einer ersten Oberfläche des Wafers angrenzend an die ersten Fügeflächen jeweils mindestens eine Vertiefung präpariert wird, bevor der Wafer mit dem integrierten reaktiven
Materialsystem beschichtet wird, wobei jeweils mindestens eine an die erste Fügefläche anschließende Begrenzungsfläche der Vertiefung dienenden Oberflächenbereich bildet, auf dem die Aktivierungszone präpariert ist.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die ersten Bauteile vereinzelt werden, indem von einer zweiten Oberfläche des Wafers, welche der ersten Oberfläche abgewandt ist, lateral fluchtend mit den Vertiefungen von der ersten Oberfläche des Wafers her Vertiefungen präpariert werden.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Vertiefungen durch Ätzen, Sägen oder Fräsen gebildet werden.
18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Präparieren der Vertiefungen von der zweiten Oberfläche des Wafers nur soweit durchgeführt wird, dass zwischen den einzelnen ersten Bauteilen noch eine Reststärke des Wafer- materials stehen bleibt, wodurch zwischen den Bauteilen eine
Sollbruchstelle gebildet ist.
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