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DE102009015502A1 - Verfahren zum Herstellen eines reaktiven Halbzeuges und reaktives Halbzeug - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines reaktiven Halbzeuges und reaktives Halbzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines reaktiven Halbzeuges für einen Fügeprozess, insbesondere einen Lötprozess, wobei bei dem Verfahren eine reaktive Schichtanordnung (2), die ein reaktives Werkstoffsystem mit wenigstens zwei exotherm miteinander reagierenden Reaktionspartnern enthält, mittels galvanischem Abscheiden erzeugt wird. Ferner betrifft die Erfindung ein reaktives Halbzeug für einen Fügeprozess.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Herstellen eines reaktiven Halbzeuges für einen Fügeprozess, insbesondere einen Lötprozess, sowie ein reaktive Halbzeug.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Derartige reaktive Halbzeuge werden zum Ausbilden von Fügeverbindungen zwischen Werkstücken, insbesondere stoffschlüssigen Fügeverbindungen, genutzt. Das reaktive Halbzeug weist in einer Schichtanordnung Materialien von wenigstens zwei Reaktionspartnern auf, die nach einer Aktivierung exotherm miteinander reagieren, so dass thermische Energie für den Fügeprozess freigesetzt wird. Es sind verschiedene exotherme Reaktionen möglich (Orisoft: Self-Propagating High-Temperature Synthesis of Materials, Taler Kaufmanns und Francis, 2002). Eine Anwendung solcher exothermen Reaktionen ist die Kombination von Metallschichten, die mittels Bildung von intermetallischen Phasen thermische Energie liefern. In dem Dokument DE 31 24 420 A1 ist die Kombination dünner Aluminium-Palladium- oder Aluminium-Platin-Schichten für so genannte Zünder beschrieben. Diese Schichten werden mittels Sputtern (PVD – „Physical Vapor Deposition”) aufgetragen und erhöhen die Zündenergie. Im Dokument US 4,783,379 sind verschiedene Elemente beschrieben, die mittels PVD zu einer mehrlagigen Folie verarbeitet werden.
  • In Verbindung mit Fügeprozessen ist darüber hinaus die Verwendung so genannter Nanofoils® bekannt. In diesem Fall wird die exotherme Energie für den Fügeprozess aus der Umwandlung zu intermetallischen Phasen bereitgestellt. In diesem Zusammenhang wird auf die folgenden Dokumente verwiesen: US 5,381,944 , US 5,538,795 , WO 01/83182 A1 sowie US 6,736,942 . Als ein Herstellungsprozess für die mehrlagigen Folien wird dort das Kaltwalzen erwähnt.
  • Die so genannten Nanofoils® haben jedoch den Nachteil, dass bei ihrer Verwendung in Verbindung mit Fügeverfahren in der Mikrotechnik es nicht zu einer Erwärmung der zu fügenden Werkstücke oder Bauteile selbst kommt, was an der hohen Prozessgeschwindigkeit und der verhältnismäßig geringen bereitgestellten thermischen Energie liegt.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines reaktiven Halbzeuges für einen Fügeprozess, insbesondere einen Lötprozess, sowie ein reaktives Halbzeug bereit zu stellen, die für verschiedenste Fügeprozesse einsetzbar sind.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen eines reaktiven Halbzeuges für einen Fügeprozess, insbesondere einen Lötprozess, nach dem unabhängeigen Anspruch 1 sowie ein reaktive Halbzeug nach dem unabhängigen Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
  • Die Erfindung umfasst den Gedanken eines Verfahrens zum Herstellen eines reaktiven Halbzeuges für einen Fügeprozess, insbesondere einen Lötprozess, wobei beim dem Verfahren eine reaktive Schichtanordnung, die ein reaktives Werkstoffsystem mit wenigstens zwei exotherm miteinander reagierenden Reaktionspartnern enthält, mittels galvanischen Abscheiden erzeugt wird.
  • Weiterhin ist ein reaktives Halbzeug für einen Fügeprozess, insbesondere einen Lötprozess, mit einer galvanisch abgeschiedenen, reaktiven Schichtanordnung geschaffen, die ein reaktives Werkstoffsystem mit wenigstens zwei exotherm miteinander reagierenden Reaktionspartnern enthält.
  • Mit Hilfe der Erfindung ist es ermöglicht, eine reaktive Schichtanordnung individuell für unterschiedliche Anwendungszwecke herzustellen, so dass das zugehörige Halbzeug im späteren Fügeprozess, bei dem es sich insbesondere um einen stoffschlüssigen Fügeprozess handelt, eingesetzt werden kann. Mittels galvanischen Abscheiden kann die reaktive Schichtanordnung in ihrer individuellen Ausgestaltung an den jeweiligen Anwendungszweck angepasst werden, insbesondere hinsichtlich der von ihr umfassten Materialien und der Schichtstruktur. Es können die verschiedenen Verfahrensgestaltungen eingesetzt werden, wie sie für die Galvanik als solche bekannt sind.
  • Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die reaktive Schichtanordnung auf einem zu fügenden Werkstück galvanisch abgeschieden wird. Bei dieser Ausführungs form wird die reaktive Schichtanordnung mit dem reaktiven Werkstoffsystem direkt auf einem der zu fügenden Werkstücke hergestellt. Es kann vorgesehen sein, dass die reaktive Schichtanordnung auf einer zuvor auf dem zu fügenden Werkstück abgeschiedenen Haftschicht gebildet wird. Alternativ oder ergänzend hierzu ist in einer Ausführungsform eine Deckschicht vorgesehen, die auf der reaktiven Schichtanordnung gebildet wird.
  • Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die reaktive Schichtanordnung als Bestandteil einer Halbzeugfolie auf einem Trägersubstrat galvanisch abgeschieden wird und die Halbzeugfolie danach von dem Trägersubstrat gelöst wird. Bei dieser Ausgestaltung ist die reaktive Schichtanordnung in einer Folie gebildet, die beim Fügen von Werkstücken dann auf eines der zu fügenden Werkstücke aufgebracht wird. Bei der Herstellung wird die Halbzeugfolie zunächst auf einen Trägersubstrat erzeugt, um anschließend hiervon gelöst zu werden, so dass die Halbzeugfolie für den Fügeprozess bereitgestellt wird.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die reaktive Schichtanordnung mit einer alternierenden Folge von Schichten enthaltend einen ersten Reaktionspartner und Schichten enthaltend einen zweiten Reaktionspartner gebildet wird. In einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Schichten der alternierenden Folge aus dem Material des ersten bzw. des zweiten Reaktionspartners bestehen.
  • Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass Einzelschichten in der reaktiven Schichtanordnung als Nanoschichten gebildet werden. Bei einer Fortbildung werden die Nanoschichten mit einer Schichtdicke zwischen etwa 5 nm und etwa 150 nm hergestellt.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die reaktive Schichtanordnung mit einer Schichtdicke zwischen etwa 20 μm und etwa 150 μm gebildet wird.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass die wenigstens zwei exotherm miteinander reagierenden Reaktionspartner aus ein und demselben Elektrolyten galvanisch abgeschieden werden.
  • Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die reaktive Schichtanordnung unter Anwendung eines modulierten Stromflusses galvanisch abgeschieden wird.
  • Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass beim galvanischen Abscheiden der reaktive Schichtanordnung wenigstens ein Herstellungsprozess ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Herstellungsprozessen verwendet wird: bandgalvanischer Prozess (Endlos-Durchlaufverfahen), Dispersionsabscheidung und Lithografie.
  • Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeisielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines reaktiven Halbzeuges, bei dem eine reaktive Sichtanordnung auf einem zu fügenden Werkstück gebildet ist,
  • 2 eine schematische Darstellung eines Abschnitts einer Halbzeugfolie zum Einsatz in einem Fügeprozss und
  • 3 eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufes für die Spannung und die Stromdichte beim Abscheiden von Nickel/Kupfer.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines reaktiven Halbzeuges, bei dem auf einem zu fügenden Werkstück 1 eine reaktive Schichtanordnung 2 gebildet ist, die ihrerseits auf einer Haftschicht 3 abgeschieden ist. Bedeckt ist die reaktive Schichtanordnung 2 mit einer Deckschicht 4. In der reaktiven Schichtanordnung 2 sind abwechselnd erste Schichten 2a und zweite Schichten 2b gebildet, die das Material eines ersten Reaktionspartners bzw. eines zweiten Reaktionspartners enthalten oder aus diesen bestehen. Der erste und der zweite Reaktionspartner reagieren chemisch miteinander exotherm, so dass thermische Energie hierbei freigesetzt wird. In anderen Ausgestaltungen können weitere Reaktionspartner von der reaktiven Schichtanordnung 2 umfasst sein, so dass verschiedene exotherme Reaktionen aktiviert werden können. Die Anordnung und die Ausbildung der individuellen Schichten in der reaktiven Schichtanordnung 2 kann je nach Anwendungsfall gewählt werden, derart, dass beim Einsatz für den Fügeprozess mittels einer Aktivierung eine oder mehrere exotherme Reaktionen ausgelöst werden können, um thermische Energie für den Fügeprozess freizuset zen. Die Aktivierung der exothermen Reaktion(en) kann in bekannter Art und Weise erfolgen, beispielsweise mittels Einstrahlen von Laserlicht oder eines elektrischen Kurzschlusses.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnittes eines reaktiven Halbzeuges in Form einer reaktiven Halbzeugfolie 20. Für gleiche Merkmale sind in 2 die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet. Die reaktive Schichtanordnung 2 ist auf einer Trägersubstratschicht 5 gebildet. Beim Einsatz in einem Fügeprozess wird die Halbzeugfolie dann auf eines der zu fügenden Werkstücke aufgebracht (nicht dargestellt).
  • Die reaktive Schichtanordnung 2 mit dem reaktiven Werkstoffsystem ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen mittels galvanischen oder elektrochemischen Abscheiden hergestellt. Verfahren und Prozesse zum galvanischen Abscheiden von Schichten aus unterschiedlichen Materialien sind als solche in verschiedenen Ausgestaltungen bekannt, was im Folgenden noch näher erläutert wird.
  • Mittels eines geeigneten Elektrolyten sowie mittels definierter Strommodulation können Mehrfachsichten (Multilayerschichten) galvanisch abgeschieden werden. Bei der galvanischen Herstellung solcher Schichten können gezielt Mehrfachschichten-Mikrostrukturen auf Bauteile mittels Lithographie-Prozessen (Leiterplatte, LIGA – Verfahrensschritte: Lithographie, Galvanik und Abformung) aufgebracht werden. Bei diesen Technologien werden die Mehrfachschichten gezielt dort aufgebaut, wo sie benötigt werden (hohe Selektivität). Eine weitere Möglichkeit ist das selektive Aufbringen von Mehrfachschichten in der Bandgalvanik (Endlos-Durchlaufverfahren). Außerdem können beliebige Bauteile mit einer Mehrfachschicht galvanisch beschichtet werden, wobei hier zuerst eine haftfeste Zinn-Schicht aufgebracht werden kann, dann die Mehrfachschicht. Diese kann dann mit einer beliebigen Abschlussschicht beschichtet werden, zum Beispiel einer Gold-Schicht. Ein weiterer Herstellungsprozess ist die galvanische Herstellung von Mehrfach-Endlos-Folien.
  • Die genannten Prozesse wie Lithographie, Bandgalvanik und galvanische Folienherstellung sind als solche in verschiedenen Ausgestaltungen bekannt. Die galvanische Herstellung von Mehrfachschichten ist zum Beispiel in folgender Literatur beschrieben: Brenner, A., Acad. Press, N. Y. 1963; Brownlow, 31 (1967) 1440; Cohen et al., J. Electroch. Soc. 130 (1983) 1987; Atanassov, MO 51 (1997) 2; Takeshi Miyake, Thin Solid Films 397 (2001) 83–89; Kanani, Galvanotechnik, Hanser Verlag, 2000; und US 4,869,971
  • Eine übliche Bezeichnungen für die galvanische Abscheidung von Mehrfachschichten ist: „Compositionally Modulated Multilagers” (CMM). Für die galvanische Abscheidung von Mehrfachschichten stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung: DBT: „Dual Bath Technique”, DPP: „Dual Plating Process”, SBT: „Single Bath Technique” und SPP: „Singel Plating Process”.
  • Es können die folgenden Elektrolytsysteme zum Einsatz kommen: Wässrige Elektrolytsysteme, organische Elektrolytsysteme (Toluol, Tetrahyrofuran, usw.), „aprotische Elektrolyte” und ionische Flüssigkeiten als Elektrolytsystem.
  • Bei der DBT wird das Bauteil/Substrat ständig vom einen in einem anderen Elektrolyten überführt, kurz beschichtet (nm-Schicht), dann wieder, nach einer Zwischenspülung, zurück in den ersten Elektorlyten tranfertiert.
  • Bei der SBT wird mittels eines modulierten Stromes (Spannung) dieser Aufbau einer Mehrfachschicht erreicht. Bei der Modulation wird der Wechsel von hoher zu niedriger Stromdichte eingestellt.
  • Es wird davon ausgegangen, dass bei einer niedrigen Stromdichte, die elektrochemisch edlere Metallkomponente zuerst abgeschieden wird. Diese verarmt dadurch im Kathodenfilm (elektrolytischen Doppelschicht). Wird nun mit einer höheren Stromdichte abgeschieden, werden hierbei beide Metalle reduziert. Durch die Verarmung der elektrochemisch edleren Komponente, steht aber nur noch die unedlere Komponente am Kathodenfilm zur Verfügung, was dann zur Ausbildung einer Multilayerschicht führt.
  • Mittels Variation der Dauer der unterschiedlichen Stromdichten wird die Schichtdicke festgelegt. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die reaktive Schichtanordnung unter Anwendung eines modulierten Stromflusses galvanisch abgeschieden wird.
  • 3 zeigt beispielhaft eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufes für die Spannung und die Stromdichte beim Abscheiden von Nickel/Kupfer. Bei galvanostatischer Regelung (Abschnitt (a) in 3) benötigt das Potenzial nach einer plötzlichen Stromänderung einige Sekunden, um seinen Gleichgewichtswert zu erreichen. Daraus folgt aufgrund des sich nur langsam abbauenden Potenzials zwischen den Elektroden ein unscharfer Übergang zwischen den einzelnen Schichten. Bei potenziostatischer Regelung (Abschnitt (b) in 3) folgt auf eine abrupte Potenzialänderung eine schnelle Stromänderung, die auch kurzzeitig anodisch sein kann. Der anodische Anteil bedingt hierbei eine kurzzeitige Auflösung des gerade abgeschiedenen Metalls. Bei galvanostatischer Regelung (Abschnitt (c) in 3) mit einem „triele pulse” wird der Spannungswechsel erhöht und hierdurch die Grenzflächenschärfe verbessert, indem dem Abscheideimpuls für Nickel ein Nullstromimpuls folgt. Mögliche Impulsformen bei galvano- oder potenziostatischer Regelungen sind als solche bekannt (vgl. Ross, C. A.; Electrodeposited multilayer thin films; Annu. Rev. Mater. Sci. 1994, 24: 159–88).
  • Zur Herstellung von reaktiven Schichtanordnungen aus dem „Wässrigen” können folgende Elemente verwendet werden: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, As, Se, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Ti, Pb, Bi, B, P.
  • Aus organischen Lösungen können weitere Elemente abgeschieden werden: Al, Mg, Ge, Nb, Be. Die bekannten Systeme AlNi, AlCo, AlFe können hier abgeschieden werden.
  • Die ionischen Flüssigkeiten decken das gesamte Spektrum ab, sind aber sehr teuer und nur komplex technisch umsetzbar.
  • Eine weitere Möglichkeit zur elektrochemischen Herstellung von reaktiven Schichten ist die Dispersionsabscheidung. So kann mittels galvanischer Abscheidung von Aluminium mit Eisenoxid-Partikeln (Dispersoid) eine reaktive Schicht hergestellt werden.
  • Als reaktive Werkstoffsysteme in Verbindung mit dem galvanischen Abscheiden der reaktiven Schichtanordnung kommen weiterhin die folgenden Kombinationen zum Einsatz: Gold/Zinn und Palladium/Zinn.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 3124420 A1 [0002]
    • - US 4783379 [0002]
    • - US 5381944 [0003]
    • - US 5538795 [0003]
    • - WO 01/83182 A1 [0003]
    • - US 6736942 [0003]
    • - US 4869971 [0026]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - Self-Propagating High-Temperature Synthesis of Materials, Taler Kaufmanns und Francis, 2002 [0002]
    • - Brenner, A., Acad. Press, N. Y. 1963 [0026]
    • - Brownlow, 31 (1967) 1440 [0026]
    • - Cohen et al., J. Electroch. Soc. 130 (1983) 1987 [0026]
    • - Atanassov, MO 51 (1997) 2 [0026]
    • - Takeshi Miyake, Thin Solid Films 397 (2001) 83–89 [0026]
    • - Kanani, Galvanotechnik, Hanser Verlag, 2000 [0026]
    • - Ross, C. A.; Electrodeposited multilayer thin films; Annu. Rev. Mater. Sci. 1994, 24: 159–88 [0033]

Claims (12)

  1. Verfahren zum Herstellen eines reaktiven Halbzeuges für einen Fügeprozess, insbesondere einen Lötprozess, wobei beim dem Verfahren eine reaktive Schichtanordnung (2), die ein reaktives Werkstoffsystem mit wenigstens zwei exotherm miteinander reagierenden Reaktionspartnern enthält, mittels galvanischen Abscheiden erzeugt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Schichtanordnung (2) auf einem zu fügenden Werkstück (1) galvanisch abgeschieden wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Schichtanordnung (2) als Bestandteil einer Halbzeugfolie (20) auf einem Trägersubstrat galvanisch abgeschieden wird und die Halbzeugfolie danach von dem Trägersubstrat gelöst wird.
  4. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Schichtanordnung (2) mit einer alternierenden Folge von Schichten (2a) enthaltend einen ersten Reaktionspartner und Schichten (2b) enthaltend einen zweiten Reaktionspartner gebildet wird.
  5. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Einzelschichten in der reaktiven Schichtanordnung (2) als Nanoschichten gebildet werden.
  6. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Schichtanordnung mit (2) einer Schichtdicke zwischen etwa 20 μm und etwa 150 μm gebildet wird.
  7. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei exotherm miteinander reagierenden Reaktionspartner aus ein und demselben Elektrolyten galvanisch abgeschieden werden.
  8. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Schichtanordnung (2) unter Anwendung eines modulierten Stromflusses galvanisch abgeschieden wird.
  9. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim galvanischen Abscheiden der reaktive Schichtanordnung (2) wenigstens ein Herstellungsprozess ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Herstellungsprozessen verwendet wird: bandgalvanischer Prozess (Endlos-Durchlaufverfahen), Dispersionsabscheidung und Lithografie.
  10. Reaktives Halbzeug für einen Fügeprozess, insbesondere einen Lötprozess, mit einer galvanisch abgeschiedenen, reaktiven Schichtanordnung (2), die ein reaktives Werkstoffsystem mit wenigstens zwei exotherm miteinander reagierenden Reaktionspartnern enthält.
  11. Halbzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Schichtanordnung (2) auf einem zu fügenden Werkstück (1) gebildet ist.
  12. Halbzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Schichtanordnung (2) in einer Halbzeugfolie (20) gebildet ist.
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