WO2003020489A1 - Verfahren zum aushärten von stoffen durch mikrowellenstrahlung - Google Patents

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    • B29K2079/08—PI, i.e. polyimides or derivatives thereof

Definitions

  • Hardening processes for curing substances can be realized with the help of microwave radiation; the substance to be hardened (the hardened material) is placed in a microwave oven in which the polar molecules in the substance to be hardened are aligned according to their charge by a high-frequency alternating electromagnetic field (the polar molecules vibrate at the frequency of the alternating field) and thus those required for the hardening process Generate temperature by friction heat.
  • the substance to be hardened the hardened material
  • the polar molecules in the substance to be hardened are aligned according to their charge by a high-frequency alternating electromagnetic field (the polar molecules vibrate at the frequency of the alternating field) and thus those required for the hardening process Generate temperature by friction heat.
  • the invention is based on the object of specifying a method for curing substances by means of microwave radiation with advantageous properties with regard to the process parameters, duration of the curing process and required power of the microwave radiation.
  • the power of the microwave radiation of the microwave oven (the microwave power) can be regulated in accordance with the determined temperature of the hardness when the temperature of the hardened good is determined during the hardening.
  • the degree of hardening of the hardened material can thus be precisely controlled and the hardening time until the hardened material is completely hardened, since a safety margin with regard to the time period for hardening is not necessary and / or the power of the microwave radiation of the microwave oven can be chosen to be so high that the temperature in the hardened material is kept constant over a certain period of time in order to optimize the hardening process.
  • the temperature of the hardened material is preferably determined indirectly using the thermal radiation (thermal radiation) of the hardened material, i.e. by recording the temperature radiation, which is dependent in its intensity and spectral distribution on the temperature and on the physical properties of the hardened material (in particular on the emissivity of the hardened material).
  • a pyrometer IR thermometer
  • the temperature of the hardened material can be inferred from the measurement of the radiated energy. If the emissivity of the hardened material is not known, it can be determined using a contact thermometer in a comparison measurement.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the control circuit for regulating the microwave power as a function of the temperature in the hardened material during the hardening of the hardened material
  • FIG. 2 shows the time profile of the microwave power and the temperature in the
  • a high-frequency alternating electromagnetic field is generated by a magnetron;
  • the (dipolar) molecules of the plastic adhesive align themselves in this alternating field according to their charge, ie they vibrate in the liquid phase due to the high-frequency polarity reversal in the alternating electromagnetic field at the frequency of the magnetron and thus generate frictional heat through the excitation in the alternating electromagnetic field.
  • the heat development caused by this decreases with increasing degree of hardening, ie with increasing solidification of the liquid plastic adhesive.
  • the temperature of the plastic adhesive is e.g. measured using an IR thermometer located in the microwave oven above the hardened material
  • a specific target value Tso for the hardening temperature is used to implement a fully hardened adhesive layer 6 for the surface bonding of the heat sink and circuit carrier (complete hardening of the liquid plastic adhesive)
  • T specified (setpoint 7).
  • the actual value T, s ⁇ of the temperature T of the plastic adhesive determined in the controlled system 3 of the control circuit 1 is used during the hardening process to regulate the microwave power.
  • the material properties of the plastic adhesive and the microwave power of the microwave oven are to be taken into account as input variables 4 of the control circuit 1, and the degree of curing of the plastic adhesive as well as the mass and the material properties of the plastic adhesive as interference variables 5;
  • the microwave power of the microwave oven is dependent on the control deviation, determined in the comparison element 8, between the actual value T. "of the temperature T of the plastic adhesive and the setpoint Tso for the
  • Hardness temperature T specified For the surface bonding of the heat sink and circuit board, e.g. instead of a commonly used hardening process in a forced air oven with the application of a temperature of e.g. 150 ° C over a period of e.g. 30 min a hardening process in a microwave oven with the application of a certain microwave power over a period of e.g. 5 minutes at a temperature of e.g. 1 50 ° C used.
  • the time course of the microwave power P and the temperature T of the plastic sealer for realizing the hardened adhesive layer are compared in FIG.
  • curve (a) shows the time profile of the microwave power P and curve (b) the time profile of the temperature of the plastic adhesive without control, curve (c) the time profile of the microwave power P and curve (d) the time profile of the Temperature T of the plastic adhesive with a temperature-dependent regulation of the microwave power P.
  • a constant value for the microwave power P is obtained during the entire hardening process over a period t of ex. 5 minutes (curve a), the actual value 1 «of the temperature T of the plastic adhesive falls below the desired setpoint Tso ⁇ for the hardening temperature T of, for example, with increasing hardening.
  • the radiation source of the microwave oven can already before the expiry of the time period t. Be switched off for 5 minutes, e.g. already at time t2 after approx. 3.7 minutes; nevertheless, the actual value T, s ⁇ corresponds to the temperature T of the plastic adhesive up to this point in time t1 unchanged the target value T o ⁇ for the hardening temperature T of example. 1 50 ° C, so that the curing of the plastic adhesive made of polyimide is achieved reliably and faster than without regulation.

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Abstract

Verfahren zum Aushärten von Stoffen durch Mikrowellenstrahlung. Vorgeschlagen wird ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zum Aushärten von Stoffen durch Mikrowellenstrahlung, das einen vorteilhaften Härteprozess hinsichtlich dessen Zeitdauer und der benötigten Leistung der Mikrowellenstrahlung gewährleistet. Hierzu wird die während des Härteprozesses ermittelte Temperatur des auszuhärtenden Stoffs zur Regelung der Leistung der Mikrowellenstrahlung herangezogen. Verfahren zum Aushärten von flüssigen Kunststoffklebern zur Realisierung von Klebeschichten.

Description

TEMIC TELEFUNKEN icroelectronic GmbH Sieboldstraße 1 9, D-9041 1 Nürnberg
Verfahren zum Aushärten von Stoffen durch Mikrowellenstrahlung
Härteprozesse zum Aushärten von Stoffen können mit Hilfe von Mikrowellenstrahlung- realisiert werden; hierbei wird der auszuhärtende Stoff (das Härtegut) in einen Mikrowellenofen eingebracht, in dem die polaren Moleküle im auszuhärtenden Stoff durch ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld ihrer Ladung gemäß ausgerichtet werden (die polaren Moleküle schwingen mit der Frequenz des Wechselfelds) und so die für den Härteprozeß benötigte Temperatur durch Reibungshitze erzeugen.
Aus der US -5,879,756 ist es bekannt, die Leistung der Mikrowellenstrahlung eines Mikrowellenofens einzustellen, um ein gewünschtes Temperaturprofil für eine Poiy- merschicht und für ein zur Aufnahme der Polymerschicht vorgesehenes Substrat zu kontrollieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aushärten von Stoffen durch Mikrowellenstrahlung mit vorteilhaften Eigenschaften bezüglich der Prozeßpa- rameter Zeitdauer des Härteprozesses und benötigter Leistung der Mikrowellenstrahlung anzugeben.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch das Merkmal im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Bestandteil der übrigen Patentan- spräche.
Da sich jeder Stoff mit Dipolcharakter in der flüssigen Phase aufgrund der Anregung mit Mikrowellenstrahlung erhitzt und diese Wärmeentwicklung mit zunehmendem Aushärten des auszuhärtenden Stoffes (mit zunehmender Verfestigung des Härte- guts) abnimmt, kann bei einer Ermittlung der Temperatur des Härteguts während des Aushärtens die Leistung der Mikrowellenstrahlung des Mikrowellenofens (die Mikrowellenleistung) entsprechend der ermittelten Temperatur des Härteguts geregelt werden. Hierdurch kann somit der Aushärtegrad des Härteguts genau kontrol- liert werden und die Aushärtezeit bis zum vollständigen Aushärten des Härteguts reduziert werden, da ein Sicherheitszuschlag hinsichtlich der Zeitdauer für das Aushärten nicht erforderlich ist und/oder die Leistung der Mikrowellenstrahlung des Mikrowellenofens so hoch gewählt werden kann, daß die Temperatur im Härtegut zur Optimierung des Härteprozesses über eine bestimmte Zeitdauer konstant gehal- ten wird.
Die Ermittlung der Temperatur des Härteguts erfolgt vorzugsweise auf indirektem Wege unter Heranziehen der Temperaturstrahlung (Wärmestrahlung) des Härteguts, d.h. durch Erfassung der in ihrer Intensität und spektraler Verteilung von der Temperatur und von den physikalischen Eigenschaften des Härteguts (insbesondere vom Emissionsgrad des Härteguts) abhängigen Temperaturstrahlung. Hierzu wird insbesondere ein Pyrometer (IR-Thermometer) eingesetzt, mit dem die vom Härtegut abgestrahlte Energie gemessen wird; anhand der Messung der abgestrahlten Energie kann auf die Temperatur des Härteguts geschlossen werden. Falls der Emissionsgrad des Härteguts nicht bekannt ist, kann dieser mittels eines Kontaktthermome- ters in einer Vergleichsmessung bestimmt werden.
Im Zusammenhang mit der Zeichnung (Figuren 1 und 2) soll das Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden.
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung den Regelkreis zum Regeln der Mikrowellenleistung in Abhängigkeit der Temperatur im Härtegut während des Aushärtens des Härteguts, Figur 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Mikrowellenleistung und der Temperatur im
Härtegut während des Aushärtens des Härteguts.
Bei einer elektronischen Baugruppe wird zum flächigen Aufkleben eines bsp. als
Keramiksubstrat ausgebildeten Schaltungsträgers für eine elektronische Bauteile aufweisende Schaltungsanordnung auf einen bsp. aus Aluminium bestehenden Kühlkörper eine bsp. aus Polyimid bestehende Klebeschicht aus Kunststoff eingesetzt. Zum Aushärten dieses im flüssigen Zustand flächig auf die Aluminiumplatte aufgetragenen Kunststoffklebers wird der Verbund aus Schaltungsträger und Kühlkörper mit dem sich dazwischen befindlichen flächigen Kunststoffkleber als Härtegut in einen Mikrowellenofen eingebracht und während einer bestimmten Zeitdauer eine vorgegebene Mikrowellenleistung appliziert. Bei diesem Mikrowellenofen wird durch ein Magnetron ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt; die (dipolaren) Moleküle des Kunststoffklebers richten sich ihrer Ladung gemäß in diesem Wechselfeld aus, d. h. sie schwingen in der flüssigen Phase aufgrund der hoch- freqüenten Umpolung im elektromagnetischen Wechselfeld mit der Frequenz des Magnetrons und erzeugen so durch die Anregung im elektromagnetischen Wechselfeld Reibungshitze. Die hierdurch bedingte Wärmeentwicklung nimmt aber mit zunehmendem Aushärtegrad ab, d.h. mit zunehmender Verfestigung des flüssigen Kunststoffklebers. Die Temperatur des Kunststoffklebers wird bsp. über ein sich im Mikrowellenofen oberhalb des Härteguts angebrachtes IR-Thermometer gemessen
(indirekte Bestimmung der Temperatur durch Messung der Wärmestrahlung bzw. der vom Kunststoffkleber abgestrahlten Energie).
Gemäß der Figur 1 wird zur Realisierung einer durchgehärteten Klebeschicht 6 für die Flächenklebung von Kühlkörper und Schaltungsträger (vollständige Aushärtung des flüssigen Kunststoffklebers) ein bestimmter Sollwert Tso für die Härtetemperatur
T vorgegeben (Sollwertvorgabe 7). Der in der Regelstrecke 3 des Regelkreises 1 bestimmte Istwert T,sτ der Temperatur T des Kunststoffklebers wird während des Härteprozesses zur Regelung der Mikrowellenleistung herangezogen. Als Eingangsgrößen 4 des Regelkreises 1 sind die Materialeigenschaften des Kunststoffklebers und die Mikrowellenleistung des Mikrowellenofens zu berücksichtigen, als Störgrößen 5 der Aushärtegrad des Kunststoffklebers sowie die Masse und die Materialeigenschaften des Kunststoffklebers; im Regler 2 des Regelkreises 1 wird die Mikrowellenleistung des Mikrowellenofens abhängig von der im Vergleichsglied 8 bestimmten Regelabweichung zwischen dem Istwert T.« der Temperatur T des Kunst- stoffklebers und dem durch die Sollwertvorgabe 7 festgelegten Sollwert Tso für die
Härtetemperatur T vorgegeben. Für die Flächenklebung von Kühlkörper und Schaltungsträger wird bsp. anstelle eines üblicherweise verwendeten Härteprozesses in einem Umluftofen mit der Appli- zierung einer Temperatur von bsp. 150°C über einen Zeitraum von bsp. 30 min ein Härteprozeß in einem Mikrowellenofen mit der Applizierung einer bestimmten Mi- krowellenleistung über einen Zeitraum von bsp. 5 Minuten bei einer Temperatur von bsp. 1 50°C eingesetzt. Der zeitliche Verlauf der Mikrowellenleistung P und der Temperatur T des Kunststoff kl ebers zur Realisierung der ausgehärteten Klebeschicht sind in der Figur 2 bei einer temperaturabhängigen Regelung der Mikrowellenleistung P und ohne eine Regelung der Mikrowellenleistung P einander gegenüberge- stellt; hierbei zeigt die Kurve (a) den zeitlichen Verlauf der Mikrowellenleistung P und die Kurve (b) den zeitlichen Verlauf der Temperatur des Kunststoffklebers ohne Regelung, die Kurve (c) den zeitlichen Verlauf der Mikrowellenleistung P und die Kurve (d) den zeitlichen Verlauf der Temperatur T des Kunststoffklebers mit einer temperaturabhängigen Regelung der Mikrowellenleistung P. Ohne Regelung der Mikrowel- lenleistung P wird ein konstanter Wert für die Mikrowellenleistung P während des gesamten Härteprozesses über eine Zeitdauer t von bsp. 5 Minuten vorgegeben (Kurve a), der Istwert 1« der Temperatur T des Kunststoffklebers unterschreitet mit zunehmenden Aushärten den gewünschten Sollwert Tsoα für die Härtetemperatur T von bsp. 150°C deutlich (eine signifikante Abweichung des Istwerts T,sτ der Tempe- ratur T vom Sollwert Ts für die Härtetemperatur T tritt bereits zum Zeitpunkt t1 bei ca. 2.5 Minuten und damit der Hälfte der für den Härteprozeß veranschlagten Zeitdauer t von bsp. 5 Minuten auf, siehe Kurve b), so daß hierdurch ggf. die Eigenschaften der Klebeschicht negativ beeinflußt werden. Mit einer Regelung der Mikrowellenleistung P kann die Strahlungsquelle des Mikrowellenofens bereits vor Ablauf der für den Härteprozeß veranschlagten Zeitdauer t von bsp. 5 Minuten abgeschaltet werden, bsp. bereits zum Zeitpunkt t2 nach ca. 3.7 Minuten; dennoch entspricht der Istwert T,sτ der Temperatur T des Kunststoffklebers bis zu diesem Zeitpunkt t1 unverändert dem Sollwert T oα für die Härtetemperatur T von bsp. 1 50°C, so daß das Aushärten des Kunststoffklebers aus Polyimid zuverlässig und schneller als ohne Re- gelung erreicht wird.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Aushärten von Stoffen durch Mikrowellenstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die während des Härteprozesses ermittelte Temperatur (TBT) des auszuhärtenden Stoffs zur Regelung der Leistung (P) der Mikrowellenstrahlung herangezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung (P) der Mikrowellenstrahlung so geregelt wird, daß die ermittelte Temperatur (TISI) des auszuhärtenden Stoffs einer für den Härteprozeß vorgegebenen konstanten Solltemperatur (Tsoα) entspricht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur
(Tm) des auszuhärtenden Stoffs durch Messung der Wärmestrahlung des auszu- härtenden Stoffs ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Aushärten eines flüssigen
Kunststoffklebers.
5. Verfahren nach Anspruch 4 zum Aushärten eines flüssigen Kunststoff lebers aus
Polyimid.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Realisierung einer Klebeschicht zwischen zwei Fügeteilen einer elektronischen Baugruppe.
PCT/EP2002/005696 2001-06-15 2002-05-24 Verfahren zum aushärten von stoffen durch mikrowellenstrahlung WO2003020489A1 (de)

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