DE102011106294A1

DE102011106294A1 - Verfahren zur wiederlösbaren, stoffschlüssigen Verbindung mindestens zweier Körper und dessen Verwendung sowie entsprechende Verbundsysteme

Info

Publication number: DE102011106294A1
Application number: DE102011106294A
Authority: DE
Inventors: Dr. Tonner Friedemann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-07-01
Filing date: 2011-07-01
Publication date: 2013-01-03

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur wieder lösbaren, stoffschlüssigen Verbindung mindestens zweier Körper, von denen mindestens ein Körper elektrisch leitfähig und mindestens ein Körper zumindest bereichsweise porös ist, wobei in dem erfindungsgemäßen Verfahren zumindest die Poren des porösen Körpers mit einem Elektrolyten gefüllt und der erste elektrisch leitfähige Körper zumindest bereichsweise in Kontakt mit dem porösen Körper gebracht werden. In einem weiteren Schritt erfolgt durch Anlegen einer Spannung zwischen dem ersten elektrisch leitfähigen Körper als erster Elektrode und einem weiteren elektrisch leitfähigen Körper als zweiter Elektrode auf dem ersten elektrische leitfähigen Körper und in den Poren des porösen Körpers eine galvanische Abscheidung, wodurch zwischen dem ersten elektrisch leitfähigen Körper und dem porösen Körper zumindest bereichsweise eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur wieder lösbaren, stoffschlüssigen Verbindung mindestens zweier Körper, von denen mindestens ein Körper elektrisch leitfähig und mindestens ein Körper zumindest bereichsweise porös ist. In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zumindest die Poren des porösen Körpers mit einem Elektrolyten gefüllt und der erste elektrisch leitfähige Körper zumindest bereichsweise in Kontakt mit dem porösen Körper gebracht. In einem weiteren Schritt erfolgt durch Anlegen einer Spannung zwischen dem ersten elektrisch leitfähigen Körper als erster Elektrode und einem weiteren elektrisch leitfähigen Körper als zweiter Elektrode auf dem ersten elektrische leitfähigen Körper und in den Poren des porösen Körpers eine galvanische Abscheidung. Dadurch wird zwischen dem ersten elektrisch leitfähigen Körper und dem porösen Körper zumindest bereichsweise eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt.
Es handelt sich bei der vorliegenden Erfindung um eine reversible Verbindungstechnik, welche zwischen mindestens zwei Körpern eine wieder lösbare Verbindung herstellen kann. Als Energiequelle ist nur elektrischer Strom notwendig, der Prozess kann bei Raumtemperatur stattfinden, ist lokal und kann daher leicht parallelisiert werden.
JP 2000265293 A beschreibt die elektrische Verbindung zweier Elektroden mittels einer dritten Elektrode.
US 7,618,746 B2 enthält einen auf Electrowetting basierenden Mechanismus zum Anschalten einer Batterie.
Bisherige Lösungen nach dem Stand der Technik um eine stoffschlüssige Verbindung zweier Körper herzustellen nutzen Mittel (Energie und Material), welche von außen zugeführt werden. Diese Art der Verbindung z. B. in Form von Löten, Schweißen, Sintern und/oder Kleben führt Material in die Verbindung ein und ist dadurch nicht leicht wieder lösbar d. h. die Verbindung ist schwer bzw. nicht reversibel.
Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer leicht wieder lösbaren, mechanischen und/oder elektrischen Verbindung zwischen festen Körpern bereitzustellen, welche aus leitfähigen Materialien oder auch aus leitfähigen und nicht-leitfähigen Materialien bestehen.
Die Aufgabe ist durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, das Verbundsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 16 und die Verwendung des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 21 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen.
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur wieder lösbaren stoffschlüssigen Verbindung mindestens zweier Körper, von denen mindestens ein Körper elektrisch leitfähig und mindestens ein Körper zumindest bereichsweise porös ist, bei dem:

a) der erste elektrisch leitfähige Körper zumindest bereichsweise in Kontakt mit dem porösen Körper gebracht und zumindest die Poren des porösen Körpers mit einem Elektrolyten gefüllt werden und
b) durch Anlegen einer Spannung zwischen dem ersten elektrisch leitfähigen Körper und einem zweiten elektrisch leitfähigen Körper eine galvanische Abscheidung auf dem ersten elektrisch leitfähigen Körper und in den Poren des porösen Körpers erfolgt, wodurch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten elektrisch leitfähigen Körper und dem porösen Körper erzeugt wird.

Der mindestens eine elektrisch leitfähige Körper kann aus einem elektrisch leitfähigen Metall aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Antimon, Blei, Cadmium, Cobalt, Chrom, Eisen, Gold, Indium, Kupfer, Mangan, Nickel, Palladium, Platin, Rhenium, Rhodium, Ruthenium, Silber, Wismut, Wolfram, Zink, Zinn sowie Legierungen hiervon bestehen oder diese im Wesentlichen enthalten. Alternativ kann der elektrisch leitfähige Körper aus Kohlenstoff und dessen Allotrope (z. B. Graphit oder Graphen) bestehen oder diese im Wesentlichen enthalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der zumindest bereichsweise poröse Körper eine poröse Membran oder ein poröses Substrat, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kunststoff, keramisches Material, Glas, Papier, Zellulose oder deren Verbundsystemen. Der poröse Körper kann als nicht-leitfähige Zwischenschicht, z. B. als Membran ausgestaltet sein, in deren Zwischenräume (Poren) Elektrolyt eingelagert ist.
Die Membran kann Poren mit einer Porengröße von 10 nm bis 1 mm, insbesondere von 100 nm bis 10 μm aufweisen.
Die poröse Membran muss möglichst ohne Zwischenraum auf das Metall aufgebracht werden. In einer bevorzugten Ausgestaltungsform des Verfahrens wird der Zwischenraum zwischen den mindestens zwei Körpern (z. B. Metall und Membran) minimiert durch mechanisches Anpressen der Körper und/oder durch eine zusätzliche flexible Ausgleichsschicht zwischen den Körpern und/oder durch eine zusätzliche strukturierte Elektrode zwischen den Körpern.
In die porösen Zwischenräume in der Membran sollen bei angelegter Spannung bevorzugt dendritische Strukturen wachsen. Es ist wohlbekannt, dass unter gewissen Bedingungen elektrochemischer Abscheidung (hohe Stromdichten, diffusionsbegrenztes Abscheidungsregime) dendritische Strukturen statt durchgehende, glatte Flächen erzeugt werden. Normalerweise ist dies für Beschichtungszwecke nicht erwünscht und wird durch sogenannte Glanzbildner als Zusatzstoffe gezielt verhindert.
Vorteilhaft für die vorliegende Erfindung ist die Nutzung des dendritischen Wachstums in einem Bereich, in dem die gebildeten dendritischen Strukturen stabil genug sind, um einen mechanischen Kontakt zu vermitteln und andererseits lang genug und schnell genug wachsen, um eine Verbindung innerhalb von Sekunden oder Minuten zu ermöglichen. In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die galvanische Abscheidung über die Stromstärke sowie die Zusammensetzung des Elektrolyten so gesteuert werden, dass das dendritische Wachstum zur Beschleunigung der Verbindungsbildung gesteigert wird.
Je nach Porenform kann jedoch auch herkömmliches Schichtwachstum ausreichend sein und dendritisches Wachstum nicht benötigt werden. In diesem Fall kann die galvanische Abscheidung über die Stromstärke sowie die Zusammensetzung des Elektrolyten so gesteuert werden, dass das dendritische Wachstum für eine stabilere Verbindungsbildung reduziert wird.
Je nach Porengröße der Membran, vorteilhaft ist eine Größe kleiner als 100 nm, kann das Wachstum in einer kurzen oder längeren Zeit abgeschlossen sein.
In einer Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden wie in einem herkömmlichen galvanischen Bad als elektrisch leitfähige Körper zwei Elektroden (beispielsweise aus Kupfer) in einer Elektrolyt-Lösung verwendet.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann nach Schritt b) in einem weiteren Schritt die Spannung umgepolt werden, wodurch die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Körpern zumindest teilweise wieder gelöst wird. Diese Ausgestaltungsform des Verfahrens ermöglicht eine reversible mechanische Verbindung zweier Körper, zum Beispiel einer nicht-leitfähigen Membran mit einem metallischen Körper, also eine reversible Metall-Membran-Verbindung.
Für die mehrfache Verbindung und Wiederlösung ist es vorteilhaft, einen schnellen Prozess vorliegen zu haben. Dies kann durch dünne Membranschichten und glatte Oberflächen oder auch durch flexible Anpassungsschichten erreicht werden. Für flexible Schichten kommen auch mechanisch fest angebundene und eventuell elektrisch passivierte Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) in Frage. Poröse Polymersubstrate weisen mit ihrer Flexibilität eine inhärente Anpassungsfähigkeit auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann durch eine nahe Anordnung des ersten elektrisch leitfähigen Körpers als erste Elektrode und des zweiten elektrisch leitfähigen Körpers als zweite Elektrode, so dass diese nur noch durch den elektrolytgefüllten porösen Körper (z. B. eine Membran) getrennt sind, eine Verbindung der zwei elektrisch leitfähigen Körper (z. B. von zwei metallischen Körpern) hergestellt werden. Hierzu ist zunächst auf dem einen elektrisch leitfähigen Körper abzuscheiden, um eine Verbindung mit dem porösen Körper zu erreichen, und anschließend auf dem anderen elektrisch leitfähigen Körper abzuscheiden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Spannung zwischen den beiden Körpern umgepolt wird. Im zweiten Schritt wird dadurch ein Teil der im ersten Schritt auf dem ersten elektrischen Körper erzeugten dendritischen Struktur wieder aufgelöst. Wird im ersten Schritt jedoch mehr abgeschieden als im zweiten Schritt kann auf beiden Seiten eine Verbindung zwischen der elektrisch leitfähigen Körper mit dem porösen Körper erreicht werden (z. B. eine beidseitige Metall-Membran Verbindung). Dafür müssen und sollen die Dendriten beider Seiten keinen elektrischen Kontakt aufweisen, da sonst ein Kurzschluss entsteht. Daraus folgt, dass in dieser Ausgestaltungsform die Verbindung der beiden elektrisch leitfähigen Körper nur mechanischer, aber nicht elektrischer Natur ist. Die beiden elektrisch leitfähigen Körper sind hierbei mechanisch über den porösen Körper miteinander verbunden. Zusammengefasst erfolgt durch die Umpolung der Spannung nach Schritt b) die galvanische Abscheidung auf einem zweiten elektrisch leitfähigen Körper und in den Poren der porösen Membran. Dieser Verfahrensschritt dient der Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem zweiten elektrisch leitfähigen Körper und der porösen Membran. Ein geringer Abstand der beiden elektrisch leitfähigen Körper und des porösen Körpers ist für die elektrochemischen Prozesse vorteilhaft, da geringe Elektrolytwiderstände vorliegen. Bevorzugt stehen hierbei beide elektrisch leitfähige Körper zumindest bereichsweise in Kontakt mit dem porösen Körper.
In vielen Fällen möchte man zusätzlich zur mechanischen Verbindung eine elektrische Verbindung zwischen elektrisch leitfähigen Körpern erzeugen (z. B. eine elektrisch leitende Metall-Metall-Verbindung). In einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens geschieht dies durch zusätzliche Elektroden und Umschalten der Spannung zwischen den Elektroden. Nachdem in einer bevorzugten Ausführungsform durch Anlegen einer Spannung zwischen zwei elektrisch leitfähigen Körpern (= erste und zweite Elektrode) bis zum detektierten Kurzschluss Dendriten aufgewachsen wurden, wird diese Verbindung durch Abscheidung auf der ersten und zweiten Elektrode (die Elektroden sind hierbei auf gleichem Potenzial) mit Hilfe mindestens einer zusätzlichen Elektrode (z. B. eine dritte und/oder vierte Elektrode) verstärkt. Die mindestens eine zusätzliche Elektrode ist hierbei auf einem unterschiedlichen Potential als die beiden ersten Elektroden. Sie können sich im Elektrolyt befinden oder neben den ersten beiden Elektroden strukturiert sein. Durch dieses Verfahren kann eine elektrische Verbindung zweier elektrisch leitfähiger Körper generiert werden bzw. eine bestehende mechanische und/oder elektrische Verbindung verstärkt werden.
Dieses erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich folglich dadurch aus, dass ein erster und ein zweiter elektrisch leitfähiger Körper eingesetzt werden, zwischen denen in einem ersten Schritt eine erste galvanische Abscheidung zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung erfolgt, die sowohl mechanischer wie elektrischer Natur ist oder zwischen denen eine erste galvanische Abscheidung zur Herstellung einer stoffschlüssigen mechanischen Verbindung erfolgt, und diese beiden Körper anschließend extern elektrisch verbunden werden, und in einem sich anschließenden Schritt diese beiden elektrisch verbundenen Körper als eine Elektrode mit einer weiteren Elektrode geschaltet werden und eine galvanische Abscheidung auf diesen beiden Körpern zur mechanischen und/oder elektrischen Verstärkung der stoffschlüssigen Verbindung erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann analog für mehrere Paare von elektrisch leitfähigen Körpern (Elektrodenkontakte) erweitert werden, ist also dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erster und ein zweiter elektrisch leitfähiger Körper eingesetzt werden, und mit einer weiteren Elektrode geschaltet werden und eine galvanische Abscheidung auf mindestens dem ersten und dem zweiten Körper zur mechanischen und/oder elektrischen Verstärkung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen mindestens dem ersten und zweiten Körper erfolgt.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Elektrolyt um eine Metallsalzverbindung des als elektrisch leitfähigem Körper eingesetzten Elektrolyten.
Je nach Eigenschaften des Elektrolyten muss dieser hinterher entfernt werden oder kann in der Membran verbleiben. Um die metallische Leitfähigkeit zu nutzen und ionische Querströme zwischen den Kontakten im Endprodukt zu verhindern, muss der Elektrolyt aus der Membran entfernt werden. Dies kann durch Spülen und Trocknung/Erhitzung bei wässrigen Elektrolyten geschehen.
Für die Anwendung des Verfahrens ohne ein Elektrolytbad ist der Elektrolyt so zu wählen, dass er nicht zersetzt wird oder ausdampft. Ionische Flüssigkeiten weisen diese Eigenschaften in einem weiten Spannungsbereich auf und können daher potentiell auch in der Membran verbleiben. Auf diese Art lässt sich eine Art „trockenes” Verfahren durchführen, bei dem der Elektrolyt dauerhaft in der Membran gebunden ist.
Um elektrische Verbindungen (z. B. metallische Verbindungen) nutzen zu können ist jedoch auch in diesem Fall der Elektrolyt aus der Membran zu entfernen bzw. in der Membran an eine Stelle zu bringen, die nicht mehr im Kontakt zu den für die elektrische Signal/Energieübertragung zu nutzenden Elektroden steht.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt eine ionische Flüssigkeit ist, die mittels Electrowetting zur Bildung oder zum Lösen der stoffschlüssigen Verbindung zugeführt und/oder im Anschluss an die galvanische Abscheidung der in den Poren verbliebene Elektrolyt mittels Elektrowetting zur Herstellung mehrerer voneinander isolierter elektrischer Verbindungen entfernt wird.
Hierfür kann der Effekt des Electrowettings genutzt werden. Es ist bekannt, dass mittels elektrischer Felder flüssige Dielektrika auf Oberflächen bewegt werden können. Hierzu werden Elektroden so unter oder über einer Oberfläche angebracht, dass sie ein elektrisches Wanderfeld erzeugen können (1D: lineare Struktur und 2D: Matrixstruktur), welches das Dielektrikum mitführt.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der poröse Körper (z. B. eine Membran) eine hydrophobe Stelle aufweisen. Dadurch wird das notwendigerweise hydrophile (polare oder ionische) Dielektrikum von dieser Stelle verdrängt. Somit kann erreicht werden, dass im feldfreien Zustand das Dielektrikum/der Elektrolyt nur bestimmte Zonen bzw. Segmente auf dem porösen Körper besetzt, welche von der hydrophobe Stelle begrenzt werden. Hauptsächlich dient die hydrophobe Stelle dazu, die freie Verteilung des Elektrolyts zu verhindern. Es wird damit nicht nur an dieser Stelle, sondern auch an an diese Stelle anschließende Orte (Barrierewirkung) die Abscheidung verhindert als auch die Ausbildung von Querströmen durch den Elektrolyt für elektrische Verbindungen verhindert. Durch den Einbau der hydrophoben Stelle wird also erreicht, dass Elektrolyt sich nicht innerhalb des porösen Körpers verteilt, keine Querströme innerhalb des porösen Körpers entstehen und/oder die Abscheidung ortsselektiv erfolgt, je nach Bedarf innerhalb und/oder außerhalb einer Zone, welche durch die hydrophobe Stelle begrenzt wird.
Mit Hilfe von Wanderfeldern ist es möglich, das Dielektrikum/den Elektrolyt innerhalb der porösen Membran zu bewegen. Die für die elektrische Daten- oder Energieübertragung vorgesehenen elektrisch leitfähigen Körper (Elektroden) können in einer bestimmten, optional von hydrophoben Stellen begrenzten, Region der porösen Membran lokalisiert sein.
Elektrische Felder (z. B. Wanderfelder) werden vorzugsweise an isolierte Elektroden angelegt oder mit Wechselstrom beaufschlagt, um elektrochemische Abscheidung an diesen zu verhindern. Die Benetzungseigenschaften der Membran und des Metalls zum Elektrolyt können darüber hinaus eingestellt und verbessert werden.
Dispergierte Nanopartikel (beispielsweise aus Kupfer) könnten vorteilhaft für die elektrochemische Abscheidung sein. Die Abscheidung von geladenen Nanopartikeln im Gegensatz zu Ionen kann zu einer kürzeren Abscheidungszeit oder größeren Schichtdicke in gleicher Zeit führen: trotz verminderter Diffusionskonstante (invers proportional zum Radius) wird in Nanopartikeln mehr Masse (proportional zum Volumen) in der gleichen Zeit transportiert. Abscheidung mit Nanopartikeln kann auch eine Nutzung von gröberen Membranen in dem erfindungsgemäßen Verfahren ermöglichen. Eine bevorzugte Ausgestaltungsform des Verfahrens ist deshalb dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt dispergierte metallische Nanopartikeln enthält.
Einfachste Anwendung des Verfahrens findet man in der Herstellung mechanischer und/oder elektrischer Verbindungen zwischen leitfähigen Materialien. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine präzise Ausrichtung der Verbindung, deren Beibehaltung und Neuausrichtung möglich. Daher eignet es sich insbesondere für die Präzisionsverbindung von Körpern.
Elektronische Bauteile oder ganze Schaltungen könnten auf diese Art und Weise verbunden werden und aufgrund der zu erwarteten kurzen Prozesszeit schnell aufgebaut als auch umstrukturiert werden. Eine Adaption zur Nutzung als Rapid-Prototyping/Rapid-Manufacturing-Verfahren ist möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit Verwendung finden bei der Herstellung einer reversiblen und/oder hochtemperaturstabilen Verbindung von Substraten, insbesondere bei der Herstellung von nanotechnologischen Heizsystemen und Sensoren, zur Montage und elektrischen Verbindung von Chips und elektronischen Bauelementen, zur Herstellung von repositionierbaren Verbindungen bei optischen Sensoren sowie im Rapid-Prototyping oder Rapid-Manufacturing. Das Verfahren ermöglicht darüberhinaus eine zwischenzeitliche Repositionierung und/oder Justage bei zuverlässiger mechanischer und elektrischer Verbindung.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verbundsystem zur Verfügung, welches über das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt werden kann.
Das Verbundsystem kann mindestens zwei miteinander stoffschlüssig und wieder lösbar verbundenen Körper enthalten oder daraus bestehen, wobei mindestens ein Körper elektrisch leitfähig und mindestens ein Körper zumindest bereichsweise porös ist, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung durch galvanische Abscheidung auf dem mindestens einen elektrisch leitfähigen Substrat und in den Poren des mindestens einen porösen Körpers gebildet ist.
Die stoffschlüssige Verbindung des Verbundsystems kann zumindest bereichsweise dendritische Strukturen aufweisen.
1: Skizze zur Elektroden- und Membranstruktur im einfachsten Verfahren zur elektrochemischen Verbindung.
2: Skizze zur Elektroden- und Membranstruktur im Verfahren der mechanischen und/oder elektrischen Verbindung zweier Körper.
3: Skizze zur Elektroden- und Membranstruktur im Verfahren der mechanischen und elektrischen Verbindung zweier Körper durch selektives Beschalten von Spannungen.
4: Skizze zur Elektroden- und Membranstruktur, welche eine hydrophobe Stelle enthält.
1 beschreibt zwei elektrisch leitfähige Körper 1, 3, die mit einer Spannungsquelle verbunden sind. Der erste elektrisch leitfähige Körper 1 befindet sich zumindest bereichsweise in Kontakt mit einem porösen, mit Elektrolyt 4 gefüllten Körper 2. Das Anlegen einer Spannung bewirkt eine galvanische Abscheidung auf dem ersten elektrisch leitfähigen Körper 1 und in den Poren des porösen Körpers 2, bevorzugt in dendritischem Wachstum. Dadurch erfolgt eine stoffschlüssige Verbindung zwischen elektrisch leitfähigem Körper 1 und porösem Körper 2.
2 beschreibt zwei elektrisch leitfähige Körper 1, 3, die mit einer Spannungsquelle verbunden sind. Beide Körper 1, 3 befinden sich zumindest bereichsweise in Kontakt mit einem porösen, mit Elektrolyt 4 gefüllten Körper 2. Das Anlegen einer Spannung bewirkt zunächst eine galvanische Abscheidung auf dem ersten elektrisch leitfähigen Körper 1 und in den Poren des porösen Körpers 2, bevorzugt in dendritischem Wachstum. Dadurch erfolgt eine stoffschlüssige Verbindung zwischen elektrisch leitfähigem Körper 1 und porösem Körper 2. Das Umkehren der Spannung zwischen den beiden Körpern 1, 3 bewirkt, dass eine galvanische Abscheidung auf dem zweiten elektrisch leitfähigen Körper 3 und in den Poren des porösen Körpers 2 erfolgt, bevorzugt in dendritischem Wachstum. Dadurch wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem elektrisch leitfähigen Körper 3 und dem porösen Körper 2 bewirkt. In dieser Ausgestaltungsform ist folglich eine mechanische stoffschlüssige Verbindung zweier elektrisch leitfähiger Körper 1, 3 möglich.
3 beschreibt vier elektrisch leitfähige Körper 1, 3, die selektiv mit einer Spannungsquelle geschaltet werden können. Die vier Körper 1, 3 befinden sich zumindest bereichsweise in Kontakt mit einem porösen, mit Elektrolyt 4 gefüllten Körper 2. Durch zeitversetztes Anlegen und Umkehren der Spannung kann die galvanische Abscheidung und damit die Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung gezielt auf ein bestimmtes Paar an elektrisch leitfähiger Körper 1, 3 ausgerichtet werden. Es kann dadurch eine stoffschlüssige mechanische Verbindung und/oder eine stoffschlüssige elektrische Verbindung zwischen den beiden elektrisch leitfähigen Körpern 1, 3 erzeugt werden.
4 zeigt acht elektrisch leitfähige Körper 1, 3 (vier Paare). Der poröse Körper weist eine hydrophobe Stelle 5 auf, welche den porösen Körper 2 in zwei Zonen trennt. Diese Vorrichtung ermöglicht eine selektive Bewegung des Elektrolyten 4 in der Membran. Ferner wird es dadurch möglich ortsselektiv eine stoffschlüssige mechanische und/oder elektrische Verbindung zu generieren.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich zum Beispiel Zellulose- und PC-Filter innerhalb von Sekunden bis wenigen Minuten (typischerweise 2–5 Minuten) mit einem Metallstück galvanisch verbinden. Als elektrisch leitfähiger Körper kann beispielsweise eine Kupferplatte und als poröser Körper ein PC-Filter verwendet werden, wobei Kupfer galvanisch in die Poren des PC-Filters abgeschieden wird.
Beispiel 1
Eine Kupfersulfatlösung (0,1 M, Cu(II)SO₄) wurde als Elektrolyt angesetzt. Als Elektroden wurden zuvor geschliffene Kupferquader (ca. 50 mm 10 mm × 1 mm) verwendet. Ein PC-Filter mit einer Porengröße von 400 nm und einer Stärke von etwa 0,1 mm wurden zwischen den Elektroden festgeklemmt. In einem Spannungsbereich von 0,5 V bis 0,7 V lag der sich einstellende Strom bei 2–3 A. Mach etwa zwei Minuten wurde durch den sprunghaft ansteigenden Strom die Bildung von Kurzschlussbrücken aus abgeschiedenem Kupfer angezeigt. Unter dem Mikroskop wurde eine Abscheidung in vielen der Poren beobachtet, die den Filter mit einer Elektrode mechanisch verband.
Beispiel 2
Für die Verbindung von Kupferelektroden mit Zellulose-Filtermaterial wurde handelsübliche saure Kupfersulfatlösung für galvanische Anwendungen verwendet. Dabei wurde der Strom auf 30 mA eingestellt. Die Abscheidezeit betrug zwischen 20 Sekunden und 10 Minuten. Nach der Abscheidung wurde die Elektrode samt Filter mit demineralisiertem Wasser gewaschen und unter Pressen getrocknet, um ein Quellen und Verformen des Filters zu verhindern. Nach 10 bis 20 Minuten ergab sich eine feste Verbindung. Die Verbindungsstelle erwies sich bei einem Reißtest als stabiler als der Zusammenhalt des Filters.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2000265293 A [0003]
US 7618746 B2 [0004]

Claims

Verfahren zur wieder Lösbaren stoffschlüssigen Verbindung mindestens zweier Körper (1, 2, 3), von denen mindestens ein Körper (1, 3) elektrisch leitfähig und mindestens ein Körper (2) zumindest bereichsweise porös ist, bei dem: a) der erste elektrisch leitfähige Körper (1) zumindest bereichsweise in Kontakt mit dem porösen Körper (2) gebracht und zumindest die Poren des porösen Körpers (2) mit einem Elektrolyten gefüllt werden und b) durch Anlegen einer Spannung zwischen dem ersten elektrisch leitfähigen Körper (1) und einem zweiten elektrischen Körper (3) eine galvanische Abscheidung auf dem ersten elektrisch leitfähigen Körper (1) und in den Poren des porösen Körpers (2) erfolgt, wodurch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten elektrisch leitfähigen Körper (1) und dem porösen Körper (2) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest bereichsweise poröse Körper (2) eine poröse Membran oder ein poröses Substrat ist, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kunststoff, keramisches Material, Glas oder deren Verbundsystemen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt b) in einem weiteren Schritt c) die Spannung umgepolt wird, wodurch die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Körpern (1, 2) zumindest teilweise wieder gelöst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite elektrisch leitfähige Körper (3) zumindest bereichsweise in Kontakt mit dem porösen Körper (2) gebracht, wobei nach Schritt b) in einem weiteren Schritt c) die Spannung umgepolt wird, wodurch die galvanische Abscheidung auf dem zweiten elektrisch leitfähigen Körper (3) und in den Poren der porösen Membran (2) zur Herstellung einer weiteren stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem zweiten elektrisch leitfähigen Körper (3) und der porösen Membran (2) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster und ein zweiter elektrisch leitfähiger Körper (1, 3) eingesetzt werden, zwischen denen in einem ersten Schritt a) eine galvanische Abscheidung zur Herstellung einer stoffschlüssigen mechanischen Verbindung erfolgt; oder b) eine galvanische Abscheidung zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung, die sowohl mechanischer wie elektrischer Natur ist erfolgt, diese beiden Körper (1, 3) anschließend extern elektrisch verbunden werden und in einem sich anschließenden Schritt diese beiden elektrisch verbundenen Körper als eine Elektrode mit einer weiteren Elektrode geschaltet werden und eine galvanische Abscheidung auf diesen beiden Körpern zur Verstärkung der mechanischen und/oder elektrischen stoffschlüssigen Verbindung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erster und ein zweiter elektrisch leitfähiger Körper (1, 3) eingesetzt werden, und mit einer weiteren Elektrode so verschaltet werden, dass eine galvanische Abscheidung auf mindestens dem ersten und zweiten elektrisch leitfähigem Körper zur Verstärkung der mechanischen und/oder elektrischen stoffschlüssigen Verbindung zwischen mindestens dem ersten und zweiten Körper erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanische Abscheidung über die Stromstärke sowie die Zusammensetzung des Elektrolyten (4) so gesteuert wird, dass das dendritische Wachstum zur Beschleunigung der Verbindungsbildung gesteigert wird oder dass das dendritische Wachstum für eine stabilere Verbindungsbildung reduziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine elektrische leitfähige Körper (1, 3) und/oder die mindestens eine weitere Elektrode ein Element der Gruppe bestehend aus Aluminium, Antimon, Blei, Cadmium, Cobalt, Chrom, Eisen, Gold, Indium, Kupfer, Mangan, Nickel, Palladium, Platin, Rhenium, Rhodium, Ruthenium, Silber, Wismut, Wolfram, Zink, Zinn sowie Legierungen hiervon oder Kohlenstoff und dessen Allotrope im Wesentlichen enthält oder daraus besteht.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (4) eine Metallsalzverbindung des als elektrisch leitfähigem Körper eingesetzten Elektrolyten ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (4) eine ionische Flüssigkeit ist, die mittels Elektrobenetzung zur Bildung oder zum Lösen der stoffschlüssigen Verbindung zugeführt wird und/oder im Anschluss an die galvanische Abscheidung der in den Poren verbliebene Elektrolyt (4) mittels Elektrobenetzung zur Herstellung mehrerer voneinander isolierter elektrischer Verbindungen entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (4) dispergierte metallische Nanopartikeln enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Membran (2) aus einem elektrisch nicht-leitfähigen Material, insbesondere aus Keramik, Kunststoff, Glas, Papier, Zellulose oder deren Verbunden, besteht oder diese im Wesentlichen enthält.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Membran (2) Poren mit einer Porengröße von 10 nm bis 1 mm, insbesondere von 100 nm bis 10 μm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum zwischen den mindestens zwei Körpern (1, 2, 3) minimiert wird, insbesondere durch mechanisches Anpressen der Körper und/oder durch eine zusätzliche flexible Ausgleichsschicht zwischen den Körpern und/oder durch eine zusätzliche strukturierte Elektrode zwischen den Körpern.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bereichsweise mindestens eine hydrophobe Stelle (5) an dem porösen Körper (2) angebracht wird, wodurch erreicht wird, dass a) Elektrolyt (4) sich nicht innerhalb des porösen Körpers (2) verteilt; b) keine Querströme innerhalb des porösen Körpers (2) entstehen; und/oder c) die Abscheidung ortsselektiv erfolgt, je nach Bedarf innerhalb und/oder außerhalb einer Zone, welche durch die hydrophobe Stelle (5) begrenzt wird.
Verbundsystem aus mindestens zwei miteinander stoffschlüssig und wieder lösbar verbundenen Körpern (1, 2, 3), wobei mindestens ein Körper (1, 3) elektrisch leitfähig und mindestens ein Körper (2) zumindest bereichsweise porös ist, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung durch galvanische Abscheidung auf dem mindestens einen elektrisch leitfähigen Körper (1, 3) und in den Poren des mindestens einen porösen Körpers (2) gebildet ist.
Verbundsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung mechanischer und/oder elektrischer Natur ist.
Verbundsystem nach einem der Ansprüche 16–17, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung zumindest bereichsweise dendritische Strukturen aufweist.
Verbundsystem nach einem der Ansprüche 16–18, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest bereichsweise poröse Körper (2) wenigstens bereichsweise mindestens eine hydrophobe Stelle (5) aufweist.
Verbundsystem nach einem der Ansprüche 16–19 und herstellbar nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15 zur Herstellung einer reversiblen Verbindung von Substraten, insbesondere bei der Herstellung von nanotechnologischen Heizsystemen und Sensoren, zur Montage und elektrischen Verbindung von Chips und elektronischen Bauelementen, zur Herstellung von repositionierbaren Verbindungen bei optischen Sensoren sowie im Rapid-Prototyping oder Rapid-Manufacturing.