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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Aktivieren eines reaktive Multischicht-Systems, eine Fertigungsanordnung und ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils.
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Ein reaktives Multischicht-System, beispielsweise eine reaktive Mehrschichtfolie (RMS) kann zum Verbinden von Elementen verwendet werden.
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Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Aktivieren eines reaktive Multischicht-Systems, eine verbesserte Fertigungsanordnung und ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Bauteils gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Für eine Aktivierung eines reaktiven Multischicht-Systems erforderliche Energie kann in Form von elektrischer Energie bereitgestellt werden. Vorteilhafterweise kann die elektrische Energie unter Verwendung eines Kondensators bereitgestellt werden.
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Eine Vorrichtung zum Aktivieren eines reaktive Multischicht-Systems in einem Stapel aus einem ersten Bauelement, einem zweiten Bauelement und dem reaktiven Multischicht-System, wobei das reaktive Multischicht-System zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement angeordnet ist und ausgeformt ist, um ansprechend auf das Aktivieren eine mechanische und elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement zu bewirken, weist die folgenden Merkmale auf:
- einen Kondensator;
- eine Ladeeinrichtung mit einem Ladekontakt zum Bereitstellen einer Ladespannung;
- ein Kontaktelement zum Anlegen eines Spannungspotentials einer Aktivierungsspannung zum Aktiveren des reaktive Multischicht-Systems an den Stapel;
- eine Schalteinrichtung mit einer ersten Schaltstellung zum schaltbaren Verbinden eines Anschlusses des Kondensators mit dem Ladekontakt, um den Kondensator unter Verwendung der Ladespannung auf die Aktivierungsspannung aufzuladen, und mit einer zweiten Schaltstellung zum schaltbaren Verbinden des Anschlusses des Kondensators mit dem Kontaktelement, um das Spannungspotential der Aktivierungsspannung an das Kontaktelement bereitzustellen.
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Das Bauteil kann ein Zusammenschluss von Komponenten sein. Dabei kann das erste Bauelement ein elektronisches Bauelement oder ein Sensor sein. Beispielsweise kann das erste Bauelement ein Halbleiterbauelement oder Leistungshalbleiterbauelement, ein Chip oder ein Wafer sein. Beispielsweise kann das Bauelement als Transistor oder Diode oder als ein Kraftsensor ausgeführt sein. Das zweite Bauelement kann ein Träger für das erste Bauelement sein. Beispielsweise kann das zweite Bauelement ein Träger für elektronische Bauelemente, beispielsweise eine Leiterplatte oder ein Substrat sein, beispielsweise ein Kupfersubstrat oder Keramiksubstrat. Auch kann das zweite Bauelement ein Maschinenelement sein, beispielsweise ein Verbindungselement oder ein Element zur Übertragung von Kräften oder Bewegungen, beispielsweise eine Welle. Das reaktive Multischicht-System kann eine reaktive Mehrschichtfolie, kurz RMS, sein, die sofortige Wärme für eine Vielzahl von Anwendungen in vielen Branchen liefern kann. Das reaktive Multischicht-System kann durch Aufdampfen von Tausenden von sich abwechselnden nanoskaligen Schichten, beispielsweise aus Aluminium und Nickel, hergestellt sein. Das reaktive Multischicht-System kann als Folie zwischen den Bauelementen angeordnet werden, oder reaktive-Schichten umfassen, die zum Ausformen des reaktiven Multischicht-Systems nacheinander direkt auf eines der Bauelemente oder auf beide Bauelemente aufgebracht worden sind. Somit können die Bauelemente und das reaktive Multischicht-System als vorab zusammengefügter Stapel oder als zu stapelnde Einzelteile bereitgestellt werden. Die zur Aktivierung verwendete elektrische Energie kann unter Verwendung des Kondensators zwischengespeichert und unter Verwendung des Kontaktelements auf den Stapel übertragen werden. Die Aktivierung kann auch als Zündung des reaktiven Multischicht-Systems bezeichnet werden. Dabei kann die Aktivierungsspannung so an den Stapel angelegt werden, dass der durch die Aktivierungsspannung bewirkte Stromfluss über zumindest eines der Bauelemente in das reaktive Multischicht-System eingeleitet oder ausgeleitet wird oder ausschließlich durch das reaktive Multischicht-System fließt. Dabei kann eine Größe der Aktivierungsspannung so gewählt werden, dass mittels des Stromflusses im Bereich des reaktiven Multischicht-Systems ausreichend thermische Energie generiert wird, um eine zur Aktivierung des reaktiven Multischicht-Systems erforderliche Temperatur zu erreichen. Das Spannungspotential der Aktivierungsspannung kann unter Verwendung des Kontaktelements beispielsweise an eines der Bauteile oder an das reaktive Multischicht-System angelegt werden. Dazu kann das Kontaktelement den Stapel berühren oder beabstandet zu dem Stapel sein, wodurch Zündfunke überschlagen kann. Die durch die Aktivierung des reaktiven Multischicht-Systems realisierbare mechanische und elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement kann eine stoffschlüssige Verbindung darstellen, die beispielsweise auch als Mehrschichtbondverbindung bezeichnet werden kann oder durch Mehrschichtbonden realisiert sein kann.
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Als Kondensator kann ein handelsüblicher Kondensator eingesetzt werden, der geeignet ist, um die Aktivierungsspannung schnell bereitzustellen. Die Ladeeinrichtung kann eine geeignete Spannungsquelle zum Generieren der Ladespannung aufweisen. Beispielsweise kann die Ladeeinrichtung eine Reihenschaltung aus einer Spannungsquelle und einem Widerstand umfassen. Das Kontaktelement kann als eine elektrische Kontaktspitze ausgeformt sein. Eine solche Kontaktspitze ermöglicht die Kontaktierung von sehr klein ausgeführten Kontaktflächen. Zudem kann auf spezielle Verbindungselemente, beispielsweise Stecker, aufseiten des Stapels verzichtet werden. Die Schalteinrichtung kann ein geeignetes Schaltelement, beispielsweise einen Transistor aufweisen. Durch eine geeignete Ansteuerung der Schalteinrichtung kann der Kondensator zunächst geladen werden und anschließend elektrisch leitfähig mit dem Stapel verbunden werden, um das reaktiven Multischicht-System zu aktivieren.
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Die Ladeeinrichtung kann ausgebildet sein, um die Ladespannung als eine Hochspannung bereitzustellen. Beispielsweise kann die Ladespannung mehr als 1kV betragen. Dadurch kann eine sichere und schnelle Aktivierung des reaktiven Multischicht-Systems erreicht werden.
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Die Vorrichtung kann eine Steuereinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, um in einem Vorbereitungsmodus ein erstes Schaltsignal an die Schalteinrichtung bereitzustellen, um die Schalteinrichtung in die erste Schaltstellung zu überführen und in einem Aktivierungsmodus ein zweites Schaltsignal an die Schalteinrichtung bereitzustellen, um die Schalteinrichtung in die zweite Schaltstellung zu überführen. Auf diese Weise kann eine Aufladung des Kondensators und eine anschließende Aktivierung des reaktiven Multischicht-Systems automatisiert durchgeführt werden.
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Die Steuereinrichtung kann ausgebildet sein, um das zweite Schaltsignal nur kurzzeitig oder gepulst an die Schalteinrichtung bereitzustellen, um die Schalteinrichtung nur kurzzeitig oder gepulst in die zweite Schaltstellung zu überführen. Dadurch kann das Spannungspotential der Aktivierungsspannung nur kurzzeitig oder gepulst an das Kontaktelement bereitgestellt werden. Dies ermöglicht eine Aktivierung des reaktiven Multischicht-Systems durch einen definierten Hochspannungsimpuls. Kurzzeitig kann beispielsweise eine Zeitdauer von weniger als 10 µs, weniger als 10 ms oder weniger als 1 s bedeuten.
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Die Vorrichtung kann eine Verfahreinrichtung zum Verfahren des Kontaktelements aufweisen. Die Verfahreinrichtung kann ein Annähern und Entfernen des Kontaktelements von dem Stapel ermöglichen. Wenn das Kontaktelement vorab bereits mit einem der Bauteile verbunden ist, kann die Verfahreinrichtung verwendet werden, um das Kontaktelement zusammen mit dem verbundenen Bauteil zu verfahren, beispielsweise an das reaktiven Multischicht-System annähern. Dadurch können Elemente des Stapels zunächst bereitgestellt werden und anschließend kann das Kontaktelement zum Aktiveren des reaktiven Multischicht-Systems geeignet positioniert werden.
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In diesem Fall kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, um in dem Aktivierungsmodus ein Annäherungssignal an die Verfahreinrichtung bereitzustellen, um das Kontaktelement zu bewegen, beispielsweise an das reaktive Multischicht-System oder zumindest einen Bestandteil des zu verbindenden Stapels anzunähern. Auf diese Weise kann eine Annäherung des Kontaktelements mit der Aktivierung synchronisiert werden.
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Die Vorrichtung kann ein weiteres Kontaktelement zum Anlegen eines weiteren Spannungspotentials der Aktivierungsspannung an den Stapel umfassen. Über den Kondensator, die beiden Kontaktelemente und das reaktive Multischicht-System kann während der Aktivierung des reaktiven Multischicht-Systems ein Stromkreis geschlossen werden. Das weitere Kontaktelement kann entsprechend dem Kontaktelement ausgeführt sein. Das weitere Kontaktelement kann beispielsweise verwendet werden, um das reaktive Multischicht-System oder eines der Bauelemente zu kontaktieren. Beispielsweise kann über das weitere Kontaktelement ein Massepotential an den Stapel angelegt werden.
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Die Ladeeinrichtung und ein weiterer Anschluss des Kondensators können beide mit dem weiteren Kontaktelement verbunden sein. Dies ermöglicht einen einfachen Aufbau der Ladeeinrichtung.
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Alternativ kann die Vorrichtung eine weitere Schalteinrichtung aufweisen. In einer weiteren ersten Schaltstellung kann die weitere Schalteinrichtung zum Verbinden eines weiteren Anschlusses des Kondensators mit einem weiteren Ladekontakt der Ladeeinrichtung verwendet werden. Dadurch kann der Kondensator unter Verwendung der Ladespannung auf die Aktivierungsspannung aufgeladen werden. In einer weiteren zweiten Schaltstellung kann die weitere Schalteinrichtung zum Verbinden des weiteren Anschlusses des Kondensators mit dem weiteren Kontaktelement verwendet werden. Dadurch kann das weitere Spannungspotential der Aktivierungsspannung an das weitere Kontaktelement bereitgestellt werden. Die weitere Schalteinrichtung ermöglicht eine galvanische Trennung zwischen der Ladeeinrichtung und dem Stapel.
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Eine Fertigungsanordnung zum Fertigen eines Bauteils weist die folgenden Merkmale auf:
- einen Stapel aus einem ersten Bauelement, einem zweiten Bauelement und einem reaktiven Multischicht-System, wobei das reaktive Multischicht-System zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement angeordnet ist und ausgeformt ist, um ansprechend auf eine Aktivierung eine mechanische und elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement zu bewirken; und
- einer genannten Vorrichtung zum Aktivieren des reaktive Multischicht-Systems.
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Vorteilhafterweise kann die Vorrichtung verwendet werden, um einen bereitgestellten Stapel aus Bauelementen unter Verwendung eines zwischengelagerten reaktiven Multischicht-System zu verbinden. Je nach Ausführungsform kann das Kontaktelement der Vorrichtung vor der Aktivierung des reaktiven Multischicht-Systems bereits eines der Bauelemente oder das reaktive Multischicht-System kontaktieren oder aber beabstandet zu den Elementen des Stapels angeordnet sein.
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Je nach Ausführungsform kann das Kontaktelement somit ausgeformt sein, um das Spannungspotential der Aktivierungsspannung an das erste Bauelement oder das zweite Bauelement oder das reaktive Multischicht-System anzulegen. Wenn eines der Bauelemente elektrisch leitfähig ausgeformt ist, kann ein Stromkreis zum Aktivieren des reaktiven Multischicht-Systems über dieses Bauelement geschlossen werden.
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Ein Verfahren zum Aktivieren eines reaktive Multischicht-Systems in einem Stapel aus einem ersten Bauelement, einem zweiten Bauelement und dem reaktiven Multischicht-System, wobei das reaktive Multischicht-System zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement angeordnet ist und ausgeformt ist, um ansprechend auf das Aktivieren eine mechanische und elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement zu bewirken, umfasst die folgenden Schritte:
- Verbinden eines Anschlusses eines Kondensators mit einem Ladekontakt einer Ladeeinrichtung zum Bereitstellen einer Ladespannung, um den Kondensator unter Verwendung der Ladespannung auf eine Aktivierungsspannung aufzuladen; und
- Verbinden des Anschlusses des Kondensators mit einem Kontaktelement zum Anlegen eines Spannungspotentials der Aktivierungsspannung an den Stapel, um das reaktive Multischicht-Systems zu aktivieren.
- Auf diese Weise kann der Kondensator zunächst aufgeladen werden. Anschließend kann die gespeicherte Energie zum Aktivieren des reaktiven Multischicht-Systems verwendet werden.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils umfasst die folgenden Schritte:
- Bereitstellen eines Stapels aus einem ersten Bauelement, einem zweiten Bauelement und einem reaktiven Multischicht-System, wobei das reaktive Multischicht-System zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement angeordnet ist und ausgeformt ist, um ansprechend auf eine Aktivierung eine mechanische und elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement zu bewirken; und
- Verbinden eines Anschlusses eines Kondensators mit einem Ladekontakt einer Ladeeinrichtung zum Bereitstellen einer Ladespannung, um den Kondensator unter Verwendung der Ladespannung auf eine Aktivierungsspannung aufzuladen; und
- Verbinden des Anschlusses des Kondensators mit einem Kontaktelement zum Anlegen eines Spannungspotentials der Aktivierungsspannung an den Stapel, um das reaktive Multischicht-Systems zu aktivieren.
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Je nach Ausführungsform kann das Kontaktelement zeitlich vor, gleichzeitig oder zeitlich nach dem Verbinden des Anschlusses des Kondensators mit einem Kontaktelement mit einem Element des Stapels verbunden werden.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fertigungsanordnung;
- 2 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fertigungsanordnung;
- 3 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fertigungsanordnung;
- 4 eine Darstellung einer Aktivierung eines Ausführungsbeispiels eines reaktiven Multischicht-Systems;
- 5 eine schematische Darstellung eines Bauteils; und
- 6 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines Bauteils.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fertigungsanordnung 100 zum Herstellen eines Bauteils. Die Fertigungsanordnung 100 umfasst einen Stapel 102 aus einem ersten Bauelement 104, einem zweiten Bauelement 106 und einem reaktiven Multischicht-System 108, das zwischen dem ersten Bauelement 104 und dem zweiten Bauelement 106 angeordnet ist. Das reaktive Multischicht-System 108 ist noch nicht gezündet. Somit sind die Bauelemente 104, 106 noch nicht als Bauteil dauerhaft fest miteinander verbunden. Ferner umfasst die Fertigungsanordnung 100 eine Vorrichtung 110 zum Aktivieren des reaktiven Multischicht-Systems 108. Die Vorrichtung 110 zum Aktivieren des reaktiven Multischicht-Systems 108 stellt gemäß einem Ausführungsbeispiel ein System dar, das verwendet wird, um zeitlich aufeinanderfolgend unterschiedliche Stapel, wie dem Stapel 102 zu kontaktieren, um Bauteile herzustellen. Somit ist die Vorrichtung 110 unabhängig von dem Stapel 102 handhabbar.
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Die Ausformung und Anordnung der Bauelemente 104, 106 ist nur beispielhaft gewählt und kann hier und in den anhand der folgenden Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen auch vertauscht sein, sodass beispielsweise das untere der in 1 gezeigten Bauelemente 104, 106 als erstes Bauelement und das obere der in 1 gezeigten Bauelemente 104, 106 auch als zweites Bauelement bezeichnet werden kann.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das erste Bauelement 104 ein elektronisches Bauelement, beispielsweise ein Halbleiterbauelement, und das zweite Bauelement 106 ist ein Träger für das erste Bauelement 104. Beispielsweise ist das zweite Bauelement 106 eine Leiterplatte oder ein Substrat, beispielsweise ein Kupfersubstrat. Beispielsweise ist das erste Bauelement 104 ein Chip, lediglich beispielhaft ein Transistor oder eine Diode. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist zumindest ein elektrischer Anschluss des ersten Bauelements 104 nach einer Zündung des reaktiven Multischicht-Systems 108 dauerhaft elektrisch und mechanisch mit einem elektrischen Kontakt des zweiten Bauelements 106 verbunden.
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Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist das erste Bauelement 104 ein Sensor und das zweite Bauelement 106 ein Maschinenelement, beispielsweise eine Welle für einen elektrischen Antrieb oder ein Getriebe. Beispielsweise ist das erste Bauelement 104 ein Kraftsensor, der nach einer Zündung des reaktiven Multischicht-Systems 108 fest mit dem zweiten Bauelement 106 verbunden ist, um eine Verformung des zweiten Bauelements 106 zu erfassen.
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Das reaktive Multischicht-System 108 weist gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von sich abwechselnden nanoskaligen Schichten auf, und ist ausgebildet, um ansprechend auf die Zündung exotherm zu reagieren und dadurch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Bauelementen 104, 106 herzustellen. Beispielsweise ist das reaktive Multischicht-System 108 als eine reaktive Mehrschichtfolie ausgeführt, die zwischen die Bauelemente 104, 106 gelegt ist. Alternativ sind die Schichten des reaktiven Multischicht-Systems 108 beispielsweise auf eine Oberfläche eines der Bauelemente 104, 106 aufgewachsen.
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Die für die Aktivierung des reaktiven Multischicht-Systems 108 erforderliche Zündtemperatur wird gemäß dem hier beschriebenen Ansatz über ein Anlegen einer elektrischen Aktivierungsspannung an den Stapel 102 erreicht. Beispielhaft wird die Aktivierungsspannung zwischen zwei voneinander beabstandeten Kontaktbereichen des reaktiven Multischicht-Systems 108 angelegt. Alternativ kann die Aktivierungsspannung beispielsweise zwischen Kontaktbereiche der Bauelemente 104, 106 oder zwischen einem Kontaktbereich des reaktiven Multischicht-Systems 108 und einem Kontaktbereich eines der Bauelemente 104, 106 angelegt werden.
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Die Aktivierungsspannung wird unter Verwendung der Vorrichtung 110 zum Aktivieren des reaktiven Multischicht-Systems 108 bereitgestellt. Die Vorrichtung 110 weist dazu einen Kondensator 120, eine Ladeeinrichtung 122, ein Kontaktelement 124 und optional ein weiteres Kontaktelement 126 sowie eine Schalteinrichtung 128 auf.
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Unter Verwendung der Schalteinrichtung 128 kann der Kondensator 120 schaltbar entweder mit der Ladeeinrichtung 122 oder mit dem Kontaktelement 124 verbunden werden. Wenn der Kondensator 120 mit der Ladeeinrichtung 122 verbunden ist, wird er von der Ladeeinrichtung 122 aufgeladen. Wenn der Kondensator 120 mit dem Kontaktelement 124 verbunden ist, kann die in dem Kondensator 120 gespeicherte Aktivierungsspannung über das Kontaktelement 124 zum Aktivieren des reaktiven Multischicht-Systems 108 verwendet werden.
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Die Ladeeinrichtung 122 weist einen Ladekontakt 130 zum Bereitstellen einer Ladespannung auf. Die Schalteinrichtung 120 weist eine erste Schaltstellung auf, in der ein Anschluss 132 des Kondensators 120 mit dem Ladekontakt 130 verbunden ist. Dadurch kann der Kondensator 120 unter Verwendung einer von der Ladeeinrichtung 122 bereitgestellten Ladespannung auf die Aktivierungsspannung aufgeladen werden. Die Schalteinrichtung 120 weist eine zweite Schaltstellung auf, in der der Anschluss 132 des Kondensators 120 mit dem Kontaktelement 124 verbunden ist. Dadurch wird ein erstes Spannungspotential, hier beispielhaft ein Plus-Potential, der Aktivierungsspannung an einen Kontakt 134 des Kontaktelements 124 bereitgestellt. Optional ist zwischen dem Kontakt 134 und dem Kontaktelement 124 ein Entladewiderstand 136 angeordnet.
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Die Ladeeinrichtung 122 weist eine Spannungsquelle 140 und optional einen Ladewiderstand 142 auf, der in Reihe zu der Spannungsquelle 140 geschaltet ist. Beispielhaft ist ein Anschluss der Spannungsquelle 140 über den Ladewiderstand 142 mit dem Ladekontakt 130 verbunden und ein weiterer Anschluss der Spannungsquelle 140 mit Masse verbunden. Die Spannungsquelle 140 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um eine Hochspannung UHV bereitzustellen. Für die Spannungsquelle 140 kann auf üblicherweise im Zusammenhang mit elektrischen Schaltungen verwendete Spannungsquellen zurückgegriffen werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein zweiter Anschluss 144 des Kondensators 120 mit Masse und mit einem Kontakt des weiteren Kontaktelements 126 verbunden. Dadurch wird ein zweites Spannungspotential, hier beispielhaft ein Minus-Potential, der Aktivierungsspannung an den Kontakt des weiteren Kontaktelements 126 bereitgestellt.
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Wenn der Kondensator 120 auf die Aktivierungsspannung aufgeladen ist, und die Schalteinrichtung 128 den Anschluss 132 des Kondensators 120 mit dem Kontakt 134 des Kontaktelements 124 verbunden ist, kann ein Stromkreis über den Kondensator 120, das Kontaktelement 124, das reaktive Multischicht-System 108 und das weitere Kontaktelement 126 geschlossen werden. Dazu ist es erforderlich, dass die Kontaktelemente 124, 126 den Stapel 102 berühren oder sich so nah an dem Stapel 102 angeordnet sind, dass ein Spannungsübersprung möglich ist.
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Beispielhaft kontaktiert das weitere Kontaktelement 126 das reaktive Multischicht-System 108 und das Kontaktelement 124 ist beabstandet zu dem reaktiven Multischicht-System 108. Zur Aktivierung des reaktiven Multischicht-Systems 108 wird das Kontaktelement 124 an das reaktive Multischicht-System 108 angenähert, bis ein Spannungsüberschlag erfolgt oder das Kontaktelement 124 das reaktive Multischicht-System 108 kontaktiert.
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Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen wird der Stromkreis über zumindest eines der Bauelemente 104, 106 geschlossen. In diesem Fall sind die Kontaktelemente 124, 126 entsprechend positioniert, um zumindest eines der Bauelemente 104, 106 zu kontaktieren oder einen Spannungsüberschlag zu zumindest einem der Kontaktelemente 124, 126 zu ermöglichen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Kontaktelemente 124, 126 als elektrische Kontaktspitzen ausgeformt.
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Optional umfasst die Vorrichtung 110 eine Verfahreinrichtung 150, die ausgeformt ist, um das Kontaktelement 124 zu verfahren, hier in Richtung des reaktiven Multischicht-Systems 108 zu bewegen, um das reaktive Multischicht-System 108 zu aktiveren.
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Optional umfasst die Vorrichtung 110 eine Steuereinrichtung 152, die ausgebildet ist um eine Stellung der Schalteinrichtung 128 und zusätzlich oder alternativ eine Bewegung der Verfahreinrichtung 150 zu steuern. Dazu ist die Steuereinrichtung 152 signalübertragungsfähig mit der Schalteinrichtung 128 und zusätzlich oder alternativ mit der Verfahreinrichtung 150 verbunden. Alternativ weist die Vorrichtung 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel eine optionale Schnittstelle zum Verbinden der Vorrichtung 110 mit einer entsprechenden Steuereinrichtung auf.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Steuereinrichtung 152 ausgebildet, um in einem Vorbereitungsmodus ein erstes Schaltsignal 160 an die Schalteinrichtung 128 bereitzustellen, um die Schalteinrichtung 128 zum Aufladen des Kondensators 120 in die erste Schaltstellung zu überführen und in einem Aktivierungsmodus ein zweites Schaltsignal 162 an die Schalteinrichtung 128 bereitzustellen, um die Schalteinrichtung 128 zum Aktiveren des reaktiven Multischicht-Systems 108 in die zweite Schaltstellung zu überführen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Steuereinrichtung 152 in dem Aktivierungsmodus ausgebildet, um ein Annäherungssignal 164 an die Verfahreinrichtung 150 bereitzustellen, um das Kontaktelement 124 an das reaktive Multischicht-System 108 anzunähern. Um die Aktivierungsspannung gepulst bereitzustellen, ist die Steuereinrichtung 152 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, die Schalteinrichtung 128 nur kurzzeitig in der zweiten Schaltstellung zu halten.
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Eine gemäß einem Ausführungsbeispiel als reaktives Multischicht-System 108 einsetzbare reaktive Mehrschichtfolie (RMS) ist eine Folie, die sofortige Wärme für eine Vielzahl von Anwendungen in vielen Branchen liefert. Diese reaktive Mehrschichtfolie wird durch Aufdampfen von Tausenden von sich abwechselnden nanoskaligen Schichten, beispielsweise aus Aluminium (Al) und Nickel (Ni), hergestellt. Die Aktivierung wird durch einen kleinen lokalen Energieimpuls aus einer elektrischen Quelle ausgelöst, sodass auf zusätzliche optische oder thermische Quellen verzichtet werden kann. Solche Quellen können optional zusätzlich eingesetzt werden. Das reaktive Multischicht-System 106 reagiert exotherm und gibt in Bruchteilen einer Sekunde präzise lokale Wärme bis zu 1500 °C ab.
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Indem die die Aktivierung des reaktiven Multischicht-Systems 108 durch Anlegen der elektrischen Aktivierungsspannung an den Stapel 102 erfolgt und nicht durch einen speziellen Laser oder durch Anlegen einer direkten Wärmequelle an das reaktive Multischicht-System 106 erfolgt, ist es nicht zwingende erforderlich, dass das reaktive Multischicht-System 108 für die Zündung zugänglich ist.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel stellt das erste Bauelement 102 beispielhaft einen blanken Chip dar, also einen ungehäusten Chip, der mit dem reaktiven Multischicht-System 108, beispielhaft einer RMS-Folie, mit dem zweiten Bauelement 106, beispielhaft einem Substrat, verbunden ist.
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Indem der Kondensator 120 eine Batterie oder gewöhnliche Niederspannungsstromversorgung (z.B. 9V oder 12V) zum Bereitstellen der Aktivierungsspannung verwendet, kann anstelle einer Niederspannung auf eine Hochspannung zum Aktiveren des reaktiven Multischicht-System 108 eingesetzt werden. Um einen Zündfunken zwischen dem reaktiven Multischicht-System 108 und beispielsweise einer Spitze des Kontaktelements 124 zu erzeugen, muss der Abstand zwischen den beiden Teilen daher nicht so klein wie bei der Verwendung einer Niederspannung sein. Dies ist vorteilhaft, da Luft ein Durchbruchsfeld von etwa 3 kV/mm aufweist, wodurch bei einer 12 V-Stromversorgung der Abstand nur etwa 4 µm beträgt. Dies kann bei bestimmten Aufbauten eine erfolgreiche Aktivierung der RMS-Folie verhindern, z.B. wenn das RMS-System durch ein Loch in einer Folie aktiviert wird. Zudem kann dadurch der Aktivierungs- und Verbindungsprozess beim Zünden der Folie beeinflusst werden, z.B. durch Annäherung an den leitenden Teil. Darüber hinaus ist die Dauer des Stromflusses bei einer Batterie oder der (recht hohen) Ausgangskapazität eines Niederspannungsnetzteils sehr hoch; er hält so lange an, wie der Stromkreis zwischen den beiden Polen geschlossen ist. Dies kann möglicherweise empfindliche Geräte schädigen. Eine solche Schädigung kann durch die Verwendung des Kondensators 120 vermieden werden.
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Ein weiterer Vorteil der Verwendung des Kondensators 120 liegt darin, dass die Energie, die tatsächlich auf das reaktive Multischicht-System 108 übertragen wird, weitgehend definiert ist. Daher ist es unwahrscheinlich, dass die Energie entweder zu niedriger oder höher als die optimale notwendige Aktivierungsenergie ist, was auch die Reaktion innerhalb des reaktiven Multischicht-Systems 108 positiv beeinflusst.
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Unter Verwendung des Kondensators 120 kann die Aktivierungsenergie genau eingestellt werden. Dabei ist die Aktivierung durch einen definierten Hochspannungsimpuls oder mehrere Hochspannungsimpulse möglich. Zudem ist eine Begrenzung der Dauer des Stromflusses gegeben und es wird eine Zündung ohne Kontakt des Kontaktelements 124 und des reaktiven Multischicht-Systems 108 bei größeren Abständen, als bei der Verwendung einer Niederspannung ermöglicht. Zudem ist eine Beeinflussung des Aktivierungs- und Bindungsprozesses durch die Annäherung zwischen dem Kontaktelement 124 und dem reaktiven Multischicht-System 108 gegeben.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein durch die Aktivierungsspannung generierter Zündfunke nicht mit niedriger Spannung und längerer Stromflussdauer erreicht, sondern mit einer kurz gepulsten Hochspannung, die durch den Kondensator 120, beispielsweise in Form eines kleinen HV-Kondensators, bereitgestellt wird.
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Die Kapazität und die Spannungshöhe des Kondensators 120 sind so gewählt, dass sie der Aktivierungsenergie des reaktiven Multischicht-Systems 108, beispielsweise in Form einer RMS-Folie, entsprechen:
- E
- Energie
- C
- Kapazität des Kondensators 120
- UHV
- Spannung der Energiequelle 140
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Daher kann der Zündabstand, also der Abstand zwischen einer Spitze des Kontaktelements 124 und dem reaktiven Multischicht-System 108, durch die Spannung der Energiequelle 140 eingestellt werden (siehe Gleichung 1)
- z
- Abstand zwischen Kontaktelement 124 und reaktiven Multischicht-System 108, bei dem ein Funke entsteht
- UHV
- Spannung der Energiequelle 140
- E
- kritisches elektrisches Feld der Luft [~3kV/mm]
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Die grundlegenden Verfahrensschritte sind dabei gemäß einem Ausführungsbeispiel wie folgt:
- Die Schaltreinrichtung 128, beispielsweise in Form eines Schalters, befindet sich in der ersten Schaltstellung. Dies führt dazu, dass der Kondensator 120 über den Ladewiderstand 142 und die Spannungsquelle 140, beispielsweise in Form einer Hochspannungsquelle, auf die Spannung UHV aufgeladen wird, bis der Kondensator 120 die in Gleichung 1 definierte Energie speichert.
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Anschließend erfolgt ein Umschalten der Schaltreinrichtung 128 in die zweite Schaltstellung. Dies führt dazu, dass der Kondensator 120 geladen ist, aber kein Strom fließen kann.
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Es folgt eine Annäherung an das reaktive Multischicht-System 108 mit dem Kontaktelement 124, beispielsweise in Form einer Kontaktspitze „+“. Bei ausreichendem Abstand (siehe Gleichung 2) aktiviert ein Zündfunke zwischen dem reaktiven Multischicht-System 108 und dem Kontaktelement 124 das reaktive Multischicht-System 108, d.h. der Kondensator 120 mit definierter Energie (Gleichung 1) entlädt sich über den Entladewiderstand 136, wobei der Entladewiderstand 136 prinzipiell auch weggelassen oder auf 0 Ohm gesetzt werden kann. Durch die Aktivierung wird die angestrebte Verbindung zwischen den Bauelementen 104, 106 hergestellt, also beispielsweise zwischen einem Bauteil und einem Substrat.
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Die von der Ladeeinrichtung 122 bereitgestellt Ladespannung kann als eine Hochspannung im Ladekreis durch verschiedene Methoden wie Transformatoren, Hochspannungsgeneratoren usw. erreicht werden.
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Das Kontaktelement „+“ und das weitere Kontaktelement „-“ können auch vertauscht werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fertigungsanordnung 200 zum Herstellen eines Bauteils. Die Fertigungsanordnung 200 entspricht der anhand von 1 beschriebenen Fertigungsanordnung, mit dem Unterschied, dass die Fertigungsanordnung 200 eine Vorrichtung 210 aufweist, die im Unterschied zu der in 1 beschriebenen Vorrichtung zusätzlich eine weitere Schalteinrichtung 228 aufweist.
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Die weitere Schalteinrichtung 228 wird verwendet, um den weiteren Anschluss 144 des Kondensators 120 schaltbar entweder mit der Ladeeinrichtung 122 oder dem weiteren Kontaktelement 126 zu verbinden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die weitere Schalteinrichtung 228 eine weitere erste Schaltstellung auf, in der der weitere Anschluss 144 des Kondensators 120 mit einem weiteren Ladekontakt 222 der Ladeeinrichtung 120 verbunden ist. Wenn sich zugleich die Schalteinrichtung 128 in der ersten Schaltstellung befindet, kann der Kondensator 120 unter Verwendung der Ladespannung der Ladeeinrichtung 122 auf die Aktivierungsspannung aufgeladen werden. Entsprechend weist die weitere Schalteinrichtung 228 eine weitere zweite Schaltstellung auf, in der der weitere Anschluss 144 des Kondensators 120 mit einem Kontakt 226 des weiteren Kontaktelements 126 verbunden wird. Dadurch kann das weitere Spannungspotential der Aktivierungsspannung an das weitere Kontaktelement 126 angelegt werden. Wenn sich zugleich die Schalteinrichtung 128 in der zweiten Schaltstellung befindet, kann ein Stromkreis über den Kondensator 120 und das reaktive Multischicht-System 108 geschlossen werden, um das reaktive Multischicht-System 108 zu aktivieren.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die in 1 beschriebene Steuereinrichtung ausgebildet, um in dem Vorbereitungsmodus das erste Schaltsignal ferner an die weitere Schalteinrichtung 228 bereitzustellen, um die weitere Schalteinrichtung 228 zum Aufladen des Kondensators 120 in die weitere erste Schaltstellung zu überführen und in einem Aktivierungsmodus das zweite Schaltsignal ferner an die weitere Schalteinrichtung 228 bereitzustellen, um die weitere Schalteinrichtung 228 zum Aktiveren des reaktiven Multischicht-Systems 108 in die weitere zweite Schaltstellung zu überführen.
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Die weitere Schalteinrichtung 228 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel in Form eines weiteren Schalters mit der weiteren ersten Schaltstellung als dritte Position und der weiteren zweiten Schaltstellung als vierte Position ausgeführt und der anhand von 1 beschriebenen Ladeeinrichtung hinzugefügt. Nach dem Aufladen des Kondensators 120 - erste Schalteinrichtung 128 in der ersten Schaltstellung, weitere Schalteinrichtung 228 in der weiteren ersten Schaltstellung - kann nun der Zündstromkreis vom Ladestromkreis galvanisch entkoppelt werden, indem die erste Schalteinrichtung 128 in der zweite Schaltstellung und die weitere Schalteinrichtung 228 in die weiteren zweite Schaltstellung überführt wird.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fertigungsanordnung 200 zum Herstellen eines Bauteils. Die Fertigungsanordnung 200 entspricht der anhand von 2 beschriebenen Fertigungsanordnung, mit dem Unterschied, dass der Stapel 102 noch nicht vollständig gestapelt vorliegt.
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Beispielhaft ist das reaktive Multischicht-System 108 bereits auf einer Oberfläche des zweiten Bauelements 106 angeordnet. Das erste Bauelement 104 ist jedoch noch beabstandet zu dem reaktive Multischicht-System 108 angeordnet.
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Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Kontaktelement 124 bereits mit dem ersten Bauelement 104 verbunden und der Verbund aus dem Kontaktelement 124 und dem ersten Bauelement 104 wird zum Aktiveren des reaktiven Multischicht-Systems 108 an das reaktive Multischicht-System 108 angenähert, beispielsweise unter Verwendung der in 1 gezeigten Verfahreinrichtung. In diesem Fall ist das erste Bauelement 104 vollständig oder zumindest teilweise elektrisch leitfähig ausgeführt, sodass ein Stromfluss über das Kontaktelement 124 und das erste Bauelement 104 zu dem reaktiven Multischicht-System 108 möglich ist.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kontaktiert das weitere Kontaktelement 126 das zweite Bauelement 104. Alternativ kann das weitere Kontaktelement 126 das reaktiven Multischicht-System 108 kontaktieren, wie es anhand der vorangegangenen Figuren beschrieben ist. Alternativ kann das weitere Kontaktelement 126 zusammen mit dem Kontaktelement 124 verfahren werden.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das leitende erste Bauelement 104 bereits mit dem Kontaktelement 124 verbunden und wird als Ganzes angenähert. Dies stellt nur ein Grundprinzip dar, es sind aber auch andere Kombinationen möglich, bei denen beispielsweise das Kontaktelement 124 zusammen mit einem Verbund aus dem ersten Bauelement 124 und dem reaktiven Multischicht-System 108 bewegt wird und dabei das erste Bauelement 124 oder das reaktive Multischicht-System 108 kontaktiert.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Reaktion eines Ausführungsbeispiels eines reaktiven Multi-Schichtsystems 108, wie es beispielsweise zum Herstellen eines Bauteils verwendet wird. Das reaktive Mehrschichtsystem 108 ist beispielsweise aus einer Mehrzahl erster Lagen 470 und einer Mehrzahl zweiter Lagen 472 aufgebaut, die alternierend angeordnet sind, wobei sich zwischen benachbarter Lagen 470, 472 optional jeweils vermischte Regionen 474 befinden.
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Schematisch ist eine Position einer Aktivierung, beispielhaft in Form eines Zündfunken 476 gezeigt. Ausgehend von der Position der Aktivierung reagiert das Material des reaktiven Multi-Schichtsystems 108 zu reagiertem Material eines reagierten reaktiven Mehrschichtsystems 478. Eine entsprechende Ausbreitungsrichtung ist durch einen Pfeil gekennzeichnet.
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Das reaktive Mehrschichtsystem 108 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel eine reaktive Mehrschichtfolie. Dabei handelt es sich um eine Folie, die sofortige Wärme für eine Vielzahl von Anwendungen in vielen Branchen liefert. Diese reaktive Mehrschichtfolie wird durch Aufdampfen von Tausenden von sich abwechselnden nanoskaligen Schichten hergestellt, die in 4 schematisch durch die Lagen 470, 472 dargestellt sind und beispielsweise aus Aluminium (Al) und Nickel (Ni) bestehen. Die Aktivierung wird durch einen kleinen lokalen Energieimpuls aus einer elektrischen Quelle in Form eines Kondensators ausgelöst. Das reaktive Multi-Schichtsystem 108 reagiert exotherm, um in Bruchteilen einer Sekunde präzise lokale Hitze bis zu 1500 °C zu erzeugen.
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Auf diese Weise kann eine sowohl elektrisch als auch thermisch leitfähige Verbindung hergestellt werden, z. B. zwischen einem nackten Chip in der Elektronik und einem Leadframe, einem verpackten Chip und einer Leiterplatte usw. - d.h. allgemein eine Verbindung zwischen zwei Teilen, die hier beispielhaft als Bauelemente bezeichnet sind.
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5 zeigt eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Bauteils 500. Beispielsweise ist das Bauteil 500 unter Verwendung einer Fertigungsanordnung hergestellt worden, wie sie anhand der vorangegangenen Figuren beschrieben wurde.
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Das Bauteil 500 umfasst ein erstes Bauteil 104, beispielsweise einen ungehäusten Chip, das unter Verwendung eines aktivierten reaktiven Multischicht-System 478 stoffschlüssig mit einem zweiten Bauteil 106 verbunden ist.
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6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines Bauteils. Das Bauteil, beispielsweise das anhand von 5 gezeigte Bauteil kann dabei unter Verwendung einer anhand der vorangegangenen Figuren beschriebenen Fertigungsanordnung hergestellt werden.
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In einem Schritt 601 wird ein Stapel aus einem ersten Bauelement, einem zweiten Bauelement und einem reaktiven Multischicht-System bereitgestellt. Dabei können die einzelnen Elemente des Stapels bereits aufeinanderliegend bereitgestellt werden oder zumindest teilweise voneinander beabstandet vorliegen, wie es beispielsweise anhand der 1 bis 3 gezeigt ist.
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In einem Schritt 603 wird ein Anschluss eines Kondensators mit einem Ladekontakt einer Ladeeinrichtung zum Bereitstellen einer Ladespannung verbunden, um den Kondensator unter Verwendung der Ladespannung auf eine Aktivierungsspannung aufzuladen.
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In einem Schritt 605 wird der Anschluss des Kondensators mit einem Kontaktelement zum Anlegen eines Spannungspotentials der Aktivierungsspannung an den Stapel verbunden. Dadurch wird das reaktive Multischicht-System aktiviert. Optional wird der Anschluss des Kondensators nach einer kurzen Zeitdauer, die zum Auslösen eines Zündfunkens ausreichend ist, wieder von dem Kontaktelement getrennt. Optional wird der Anschluss des Kondensators alternierend mit dem Kontaktelement verbunden und getrennt, sodass die Aktivierungsspannung gepulst an das Kontaktelement angelegt wird.
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Optional wird in einem Schritt 607 das Kontaktelement während des einmaligen oder gepulsten Anlegens der Aktivierungsspannung an das Kontaktelement bewegt, also an den Stapel angenähert oder zusammen mit zumindest einem Element des Stapels an das oder die übrigen Elemente des Stapels angenähert.
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Die Schritte 603, 605 und optional der Schritt 607 werden gemäß einem Ausführungsbeispiel separat als Teilschritte eines Verfahrens zum Aktivieren eines reaktive Multischicht-Systems durchgeführt.
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Bezugszeichen
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- 100
- Fertigungsanordnung
- 102
- Stapel
- 104
- erstes Bauelement
- 106
- zweites Bauelement
- 108
- reaktives Multischicht-System
- 110
- Vorrichtung
- 120
- Kondensator
- 122
- Ladeeinrichtung
- 124
- Kontaktelement
- 126
- weiteres Kontaktelement
- 128
- Schalteinrichtung
- 130
- Ladekontakt
- 132
- Anschluss des Kondensators
- 134
- Kontakt des Kontaktelements
- 136
- Entladewiderstand
- 140
- Spannungsquelle
- 142
- Ladewiderstand
- 144
- zweiter Anschluss
- 150
- Verfahreinrichtung
- 152
- Steuereinrichtung
- 160
- erstes Schaltsignal
- 162
- zweites Schaltsignal
- 164
- Annäherungssignal
- 200
- Fertigungsanordnung
- 210
- Vorrichtung
- 222
- Ladekontakt
- 226
- Kontakt des weiteren Kontaktelements
- 228
- weitere Schalteinrichtung
- 470
- erste Lage
- 472
- zweite Lage
- 474
- vermischte Regionen
- 476
- Zündfunke
- 478
- aktiviertes reaktives Multischicht-System
- 500
- Bauteil
- 601
- Schritt des Bereitstellens
- 603
- Schritt des Verbindens
- 605
- Schritt des Verbindens
- 607
- Schritt des Bewegens