DE102014104510B4 - Verfahren zum Fügen und Einrichtung zum Fügen einer Anordnung unter Verwendung des Verfahrens - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Fügen von Strukturelementen (3, 4) in Form von Beschichtungen (3) und/oder Bauteilen (4) auf organischen Substratmaterialien (2), bei dem eine Verbindungsoberfläche (30) wenigstens eines Strukturelements (3, 4) mit einer Verbindungsoberfläche (20) wenigstens eines Substratmaterials (2) in Form eines organischen Kunststoffmaterials stoffschlüssig verbunden wird, gekennzeichnet durch die Schritte:a) Erzeugen einer oxidierten Oberfläche an der Verbindungsoberfläche (20, 30) des Strukturelements (3, 4) und/oder des Substratmaterials (2) oder Verwenden eines Strukturelements (3, 4) und/oder Substratmaterials (2) mit einer bereits oxidierten Oberfläche an dessen Verbindungsoberfläche (20, 30),b) Pressen der Verbindungsoberfläche (30) des Strukturelements (3, 4) gegen die Verbindungsoberfläche (20) des Substratmaterials (2) mit einem bestimmten Anpressdruck (11) ungleich Null bei gleichzeitiger Erwärmung zumindest der aneinander gepressten Verbindungsoberflächen (20, 30) auf eine Temperatur oberhalb einer Mindesttemperatur, wobei die Erwärmung auf eine Temperatur durchgeführt wird, die im Bereich der Solidustemperatur des Materials des Strukturelements (3, 4) zumindest an dessen Verbindungsoberfläche (30) ist und geringer als die Liquidustemperatur des Substratmaterials (2) ist,c) Beenden des Anpressens und der Erwärmung nach Erreichen einer bestimmten Diffusionstiefe der Diffusion wenigstens eines Bestandteils der Oxidschicht der oxidierten Oberfläche an der einen Verbindungsoberfläche (20, 30) in das Material der anderen Verbindungsoberfläche (20, 30).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Strukturelementen in Form von Beschichtungen und/oder Bauteilen auf organischen oder nicht-organischen Substratmaterialien gemäß dem Anspruch 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Einrichtung zur Herstellung einer solchen Anordnung gemäß Anspruch 7.
  • Allgemein betrifft die Erfindung das Fügen von Beschichtungen und/oder Bauteilen auf Substratmaterialien, d.h. deren stoffschlüssige Verbindung mit dem Substratmaterial. Für solche Fügeverfahren gibt es diverse Anwendungen. Ein wichtiger Anwendungsbereich liegt in der Herstellung elektrischer und/oder elektronischer Schaltungen. Diese werden gemäß dem Stand der Technik entweder auf festen Leiterplatten (Platinen) aufgebaut, oder es werden Flexleiter verwendet, die ein flexibles Substrat aufweisen, das mit Leiterbahnen versehen wird. Flexible Substrate bestehen meistens aus auf Polymerbasis entwickelten Werkstoffen. Die Leiterbahnen werden aus vornehmlich metallischen Werkstoffen gebildet. Bei Verbindungen von Polymeren mit Metallen sind verschiedene Probleme zu lösen, z.B. verschiedene Längenausdehnungskoeffizienten, im Wesentlichen keine Möglichkeit der Herstellung chemischer Verbindungen zwischen Polymeren und Metallen aufgrund verschiedener Atomstrukturen sowie die Beachtung verschiedener Schmelztemperaturen, wenn ein thermischer Fügeprozess verwendet wird.
  • Aber auch außerhalb der Flexleitertechnologie ist grundsätzlich ein Trend zur Verwendung von Leiterbahnen bzw. Metallisierungen auf Polymersubstraten erkennbar, da diese im Gegensatz zu Keramiken leicht sind und außerdem von Fall zu Fall dotierbar und strukturierbar sind. Dabei werden allerdings bisher dotierte und strukturierte Varianten bevorzugt, da wie erwähnt Metall/Polymerverbindungen meist unter produktionstechnisch hohem Aufwand durch thermische Fügetechnologien erstellt werden. Hier gilt es insbesondere die Reproduzierbarkeit einer präzisen Fertigung sicher zu stellen.
  • Bekannte Fügeverfahren haben ferner den Nachteil, dass sie Probleme der Positionierung im Hinblick auf ihre Zugänglichkeit für eine Massenfertigung nicht befriedigend lösen können.
  • Bei Flexleitern ist außerdem die Dauerhaltbarkeit der Fügeverbindung noch nicht zufriedenstellend, insbesondere wenn der Flexleiter häufigen Biegebelastungen unterworfen ist.
  • Aus der US 3,414,487 sind Verfahren zur Herstellung gedruckter Schaltungen bekannt. Aus der DE 26 33 869 A1 ist eine direkte Verbindung von Metallen mit Keramikmaterialien und Metallen bekannt. Aus der DE 600 01 776 T2 ist ein Einkapselungsverfahren einer Halbleiteranordnung mit einem anisotropisch leitenden Kunststoff bekannt. Aus der US 2012/0085574 A1 sind ein wärmeabstrahlendes Substrat und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Aus der DE 10 2005 036 517 A1 ist ein Metallbondingverfahren bekannt.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Fügen von Strukturelementen auf Substratmaterialien anzugeben, das eine hohe Präzision bei der Herstellung mit einer hohen Haltbarkeit der Fügeverbindung verbindet. Ferner soll eine dementsprechende Anordnung sowie eine Einrichtung zur Herstellung einer solchen Anordnung angegeben werden.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Fügen von Strukturelementen gemäß Anspruch 1 gelöst. Das Verfahren beinhaltet die Schritte:
    • a) Erzeugen einer oxidierten Oberfläche an der Verbindungsoberfläche des Strukturelements und/oder des Substratmaterials oder Verwenden eines Strukturelements und/oder Substratmaterials mit einer bereits oxidierten Oberfläche an dessen Verbindungsoberfläche,
    • b) Pressen der Verbindungsoberfläche des Strukturelements gegen die Verbindungsoberfläche des Substratmaterials mit einem bestimmten Anpressdruck ungleich Null bei gleichzeitiger Erwärmung zumindest der aneinander gepressten Verbindungsoberflächen auf eine Temperatur oberhalb einer Mindesttemperatur,
    • c) Beenden des Anpressens und der Erwärmung nach Erreichen einer bestimmten Diffusionstiefe der Diffusion wenigstens eines Bestandteils der Oxidschicht der oxidierten Oberfläche an der einen Verbindungsoberfläche in das Material der anderen Verbindungsoberfläche.
  • Die Erfindung hat den Vorteil, dass sie mit relativ geringem technischen Aufwand die Herstellung erheblich haltbarer Fügeverbindungen erlaubt als bekannte Verfahren. Insbesondere werden auch andere Nachteile bekannter Verfahren, die zu Problemen bei der Herstellpräzision führen, vermieden. So gibt es bei der Erfindung z.B. keine Probleme mit übertretender Schmelze, die nachträglich erst wieder entfernt werden muss. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch relativ robust gegenüber fertigungsbedingten Inhomogenitäten der erzeugten Anordnung, sodass ein hoher Grad an Reproduzierbarkeit der Fertigung, gerade auch in Massenfertigung, mit vergleichsweise geringem Aufwand erreicht werden kann. Das erfindungsgemäße Fügeverfahren kann ferner ohne Zusatzstoffe, die zur Herstellung der Fügeverbindung bei bekannten Verfahren erforderlich sind, durchgeführt werden, z.B. ohne Löt- oder Schweißmittel.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können z.B. elektrische und/oder elektronische Schaltungen hergestellt werden. Das Substratmaterial dient dabei als Träger, ähnlich wie die Platine oder das Flexleiter-Substrat bei bekannten Schaltungen. Als Beschichtung können Leiterbahnen auf das Substratmaterial aufgebracht werden. Ferner können Bauteile, z.B. elektrische und elektronische Bauteile, auf das Substratmaterial aufgebracht werden. Die Erfindung eignet sich aber auch für andere Anwendungsbereiche, in denen ein Fügeprozess mit hoher Haltbarkeit erforderlich ist.
  • Das Substratmaterial kann ein elektrisch leitendes oder ein elektrisch isolierendes Material sein. Als elektrisch isolierendes Material kann als Substratmaterial insbesondere ein organisches Kunststoffmaterial verwendet werden, z.B. in Form einer Folie oder einer dünnen Platte. So kann als Substratmaterial z.B. ein Polymermaterial verwendet werden, z.B. Polyethylenterephtalat oder Polyimid. Vorteilhaft sind insbesondere weiche Kunststoffe. Das Substratmaterial kann insbesondere ein optisches Polymermaterial sein, z.B. ein klartransparentes Material, wie z.B. Plexiglas. Auch Polycarbonate können vorteilhaft als Substratmaterial eingesetzt werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Verbindungsoberfläche des Strukturelements ein Metall, eine Metalllegierung oder einen metallhaltigen Werkstoff auf, wobei dieses Material oxidierbar ist. Die Metalllegierung kann insbesondere eine eutektische Legierung sein. Der metallhaltige Werkstoff kann z.B. ein Kompositmaterial sein. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Strukturelement zumindest im Bereich der Verbindungsoberfläche ein niedrigschmelzendes Metall oder eine Metalllegierung auf. Es kann sich z.B. um eine Indium-Zinn-Legierung handeln, z.B. 52In48Sn, oder eine andere Indium-Metall-Legierung. Im Falle einer Metalllegierung ist es vorteilhaft, die Legierungsmaterialien als Materialien mit im Wesentlichen gleicher dynamischer Viskosität auszuwählen. Hierdurch wird der Fügepartner homogen bereitgestellt, wodurch ein besonders homogener Diffusionsprozess der Oxidschicht erreicht werden kann.
  • Das Strukturelement, insbesondere in Form der Beschichtung, kann auch als Mehrschichtsystem ausgebildet sein, z.B. in Form von Leiterbahnen, die als stromleitendes Element eine Edelmetall- oder Halbedelmetallschicht, z.B. Gold, Silber oder Kupfer, aufweisen, wobei an der Verbindungsoberfläche des Strukturelements die genannte Metallschicht oder Metalllegierungsschicht, die oxidierbar ist, angeordnet ist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Strukturelement mittels eines strukturierten Stempels gegen das Substratmaterial gepresst, wobei der Stempel ein Abbild der auf dem Substratmaterial zu erzeugenden geometrischen Struktur einer Beschichtung des Substratmaterials ist. Auf diese Weise können z.B. elektronische Schaltungen mit großer Präzision schnell und kostengünstig hergestellt werden. Mittels der Strukturierung des Stempels, die z.B. der zu erzeugenden Leiterbahnstruktur entsprechen kann, können die gewünschten Leiterbahnen auf dem Substratmaterial aufgepresst und zugleich durch die Diffusionsverbindung mittels der Oxidschicht stoffschlüssig befestigt werden. Bei entsprechender Ausgestaltung des Stempels können auch zugleich elektronische Bauteile der zu erzeugenden elektronischen Schaltung an dem Substratmaterial angebracht werden.
  • Der beim Pressen einzustellende Anpressdruck muss selbstverständlich größer Null sein und sollte von seiner Höhe her so gewählt werden, dass innerhalb eines gewünschten, möglichst kurzen Zeitraums die bestimmte Diffusionstiefe der Diffusion der Oxidschicht in das Material der anderen Verbindungsoberfläche erreicht wird. Der Anpressdruck darf aber nicht so hoch gewählt werden, dass dabei das Strukturelement oder das Substratmaterial irreversibel deformiert oder anderweitig beschädigt wird. Beim Erzeugen von Beschichtungen, bei denen an der Verbindungsoberfläche das genannte niedrigschmelzende Metall oder die Metalllegierung vorhanden ist, auf einer Polymerfolie als Substratmaterial kann der Anpressdruck z.B. im Bereich von 0,1 bis 0,3 N/mm2 gewählt werden, z.B. bei 0,2 N/mm2.
  • Gemäß der Erfindung wird die Erwärmung auf eine Temperatur durchgeführt, die im Bereich der Solidustemperatur des Materials des Strukturelements zumindest an dessen Verbindungsoberfläche ist und geringer als die Liquidustemperatur des Substratmaterials ist. Hierdurch wird ein Wegschmelzen des Substratmaterials vermieden und zugleich die Diffusion der Oxidschicht in das Material der anderen Verbindungsoberfläche gefördert, z.B. von einer oxidierten Metall- oder Metalllegierungsschicht des Strukturelements in die Verbindungsoberfläche des Substratmaterials. Die Temperatur kann dabei gleich der Solidustemperatur des Materials des Strukturelements zumindest an dessen Verbindungsoberfläche sein, oder geringfügig darüber oder darunter. Wenn das Material des Strukturelements zumindest an dessen Verbindungsoberfläche ein nicht-eutektisches Material ist, ist es vorteilhaft, wenn die Temperatur unterhalb der Liquidustemperatur dieses Materials ist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Erwärmung auf eine Temperatur durchgeführt, die unterhalb der Glasübergangstemperatur des Substratmaterials ist. Hierdurch wird insbesondere bei Substratmaterialien aus Kunststoffen eine unerwünschte Beschädigung oder Verformung während des Fügeprozesses vermieden.
  • Die oxidierte Oberfläche an der Verbindungsoberfläche des Strukturelements und/oder des Substratmaterials kann bereits dadurch erzeugt oder bereitgestellt werden, indem die Verbindungsoberfläche der Umgebungsluft ausgesetzt wird und dadurch selbsttätig oxidiert. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Oxidation der Verbindungsoberfläche als kontrollierter, gleichmäßig gesteuerter Oxidationsprozess durchgeführt, insbesondere als beschleunigter Oxidationsprozess. Dies hat den Vorteil, dass eine besonders gleichmäßige, homogene Oxidschicht erzeugt werden kann. Dies führt wiederum dazu, dass die Präzision und Reproduzierbarkeit der Fügeverbindung weiter verbessert wird. Hierbei ist es vorteilhaft, die Oxidschicht in Form einer kontinuierlichen, gleichmäßigen von der Außenseite der Verbindungsoberfläche nach Innen verlaufenden Oxidation durchzuführen. Der kontrollierte, gleichmäßig gesteuerte Oxidationsprozess kann z.B. mittels eines Oxidationsofens durchgeführt werden. Hierbei kann die Oxidation weiter optimiert werden durch Zuführung eines geeigneten Oxidationsgases, z.B. unter Verwendung von Präkursoren und/oder Reaktoren zur Vermeidung von ungewollten Reaktionen oder Verunreinigungen an der Verbindungsoberfläche.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Strukturelement und/oder das Substratmaterial während der Durchführung des Fügeverfahrens mittels Unterdruck temporär fixiert. Dies hat den Vorteil, dass die häufig relativ kleinen und/oder empfindlichen Strukturelemente und Substratmaterialien zuverlässig gehalten werden können, ohne sie dabei zu beschädigen. Für die Erzeugung des Unterdrucks reichen kleine Differenzdrücke zum Umgebungsdruck bereits aus, um eine sichere Fixierung zu gewährleisten. Der Unterdruck kann dabei während des gesamten Fügeprozesses aufrecht erhalten werden. Durch den Unterdruck wird das Strukturelement bzw. das Substratmaterial angesaugt und hierdurch an einem Bauteilaufnehmer gehalten.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann während des Anpressvorgangs mittels eines Anpresswerkzeugs unter Ausnutzung des Kapillardrucks die Fließrichtung des Materials der Beschichtung kontrolliert werden. So kann beim Aufsetzen des Anpresswerkzeugs auf das zu verfügende Bauteil temperaturbedingt ein nahezu luftdichtes System erzeugt werden, weil die in Folge der Erwärmung erzeugte „halbflüssige“ Schicht wie eine Dichtung wirkt. Dies ist wiederum vorteilhaft für die Durchführung der Unterdruck-Ansaugung des Bauteils. Aber auch nahezu vollkommen flüssige Schichten sind durch das beschriebene Verfahren verfügbar.
  • Das Anpresswerkzeug kann dabei über Ansaugkanäle für die Erzeugung des Unterdrucks verfügen. Ein zusätzlich in das Anpresswerkzeug eingebrachter Entlüftungskanal kann im Bedarfsfall zum Abbau des Unterdrucks belüftet werden. Als Anpresswerkzeug kann z.B. der bereits erwähnte Stempel dienen.
  • Die vorliegende Erfindung gewährleistet einen stoffschlüssigen, präzisen Fügeprozess, der produktionstechnisch bauteil- bzw. substratunabhängig ist, mit dem Vorteil, dass Nachbearbeitungsprozesse entfallen können, Fügewerkzeuge ähnlich einem Stempel eingesetzt werden können und hierdurch der Zugang zur Massenfertigung ermöglicht wird.
  • Beschrieben wird außerdem eine Anordnung aus wenigstens einem organischen oder nicht-organischen Substratmaterial und wenigstens einem stoffschlüssig damit verbundenen Strukturelement, wobei Strukturelemente Beschichtungen und/oder Bauteile sein können, wobei die stoffschlüssige Verbindung als Diffusionsverbindung zwischen einer Verbindungsoberfläche des Substratmaterials und einer Verbindungsoberfläche des Strukturelements ausgebildet ist und innerhalb einer Diffusionszone der Diffusionsverbindung sich wenigstens ein Bestandteil einer oxidierte Oberfläche der Verbindungsoberfläche des Substratmaterials und/oder des Strukturelements befindet. Die Diffusionsverbindung ist dabei eine durch Diffusion erzeugte stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Verbindungsoberflächen. Die Anordnung kann aus den zuvor für das Fügeverfahren genannten Materialien gebildet werden, insbesondere im Hinblick auf das Substratmaterial und das Material der Strukturelemente. Die Anordnung kann insbesondere als flexible elektronische Schaltung ausgebildet sein.
  • Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner durch eine Einrichtung gemäß Anspruch 7 gelöst. Dies umfasst eine Einrichtung zur Herstellung einer Anordnung unter Verwendung eines Verfahrens der zuvor beschriebenen Art, mit einer Anpressvorrichtung zum Anpressen der Verbindungsoberfläche des Substratmaterials an die Verbindungsoberfläche des Strukturelements mit einer definierten Anpresskraft. Mit einer solchen Einrichtung können ebenfalls die zuvor genannten Vorteile erzielt werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Einrichtung einen strukturierten Stempel auf, der eine Strukturierung entsprechend einem Abbild der auf dem Substratmaterial zu erzeugenden geometrischen Struktur einer Beschichtung des Substratmaterials aufweist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Stempel Aussparungen zur Aufnahme von mittels des Stempels auf dem Substratmaterial aufzubringenden Bauteilen auf. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere elektronische Schaltungen in einem Arbeitsschritt derart hergestellt werden können, dass sowohl die elektrischen Leiterbahnen auf dem Substratmaterial befestigt werden als auch elektrische und/oder elektronische Bauteile auf dem Substratmaterial oder den hergestellten Leiterbahnen befestigt und daran elektrisch angeschlossen werden können. Dies erlaubt eine hoch effiziente Massenfertigung von Anordnungen der zuvor genannten Art, insbesondere in Form von elektronischen Schaltungen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Stempel an seiner Andruckseite, mit der er mit der am Substratmaterial anzupressenden Beschichtung in Kontakt kommt, eine Antihaftbeschichtung auf. Dies hat den Vorteil, dass der Stempel nach Durchführung des Anpressvorgangs im Wesentlichen ohne Rückstände des Beschichtungsmaterials wieder entfernt werden kann. Hierdurch werden insbesondere unerwünschte Beschädigungen durch das Entfernen des Stempels am Beschichtungsmaterial vermieden. Die Antihaftbeschichtung kann aus Teflon oder anderen Materialien, die eine Lotuseffekt-Oberfläche hervorrufen, verwendet werden.
  • Gemäß der Erfindung weist die Einrichtung eine Beheizungseinrichtung auf, die zur Beheizung des Strukturelements und/oder Substratmaterials zumindest im Bereich der Verbindungsoberflächen eingerichtet ist. Dies hat den Vorteil, dass die erfindungsgemäße Einrichtung bereits integrierte Mittel zur Erzeugung der notwendigen Erwärmung im Bereich der Verbindungsoberflächen aufweist und keine externe Beheizung notwendig ist. Die Beheizungseinrichtung kann z.B. ganz oder teilweise in den strukturierten Stempel integriert sein. Die Beheizungseinrichtung kann z.B. in Form von Heizkartuschen oder als Heißluft-Heizung ausgebildet sein. Für die Realisierung der Heißluft-Heizung können im Stempel dünne Luftkanäle (Kapillare) vorgesehen sein.
  • Generell ist es vorteilhaft, die sich in der Fügezone befindenden Werkzeugbestandteile im Hinblick auf ihre Geometrie abzurunden bzw. mit einer Antihaftbeschichtung zu versehen. Dies kann insbesondere bei den Kapillaren durch Erzeugen von Inlays realisiert werden, die zur Erzeugung von sehr dünnen Kanälen durch spanende Bearbeitung erzeugt werden können. Ferner können auch aktive Absaugvorrichtungen zum Zwecke der Schmelzeführung eingesetzt werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 bis 3 die Schritte des Erzeugens von Beschichtungen in Form von Leiterbahnen auf einer Polymerfolie und
    • 4 bis 7 die Schritte des monolithischen Beschichtens einer Polymerfolie mit Leiterbahnen und des Bestückens mit Bauteilen und
    • 8 ein Schnittbild einer realen Probe, die eine Diffusionsverbindung zwischen einem Strukturelement in Form einer Beschichtung und einem Substrat in Form einer Polymerfolie aufweist.
  • In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
  • Die in den 1 bis 3 dargestellte Einrichtung 1 zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung weist einen strukturierten Stempel 8 auf, an dem an einer mit einer Antihaftschichtung 7 versehenen Seite Strukturen von Leiterbahnen angeordnet sind, die als Beschichtung 3 auf ein Substratmaterial 2, hier beispielhaft ein Polymerfilm, aufgebracht werden sollen. Die Beschichtungen 3 sind als Schichtaufbau aus einem eine Leiterbahn bildenden Metall 5 und als Oberschicht 6 aus einer oxidierten Metalllegierung ausgebildet, die eine Verbindungsoberfläche 30 der Beschichtung 3 bildet. Insbesondere kann eine indiumbasierte Legierung als oxidierte Oberschicht 6 vorgesehen sein. Der Polymerfilm 2 ist auf einer in den Figuren nicht dargestellten Auflagefläche der Einrichtung 1 angeordnet und daran z.B. durch Adhäsion fixiert. Das Substratmaterial 2 weist eine zu den Beschichtungen 3 gerichtete Verbindungsoberfläche 20 auf.
  • In dem Stempel 8 befindet sich ein Kanalsystem 9, das mit einem Heiz- und Saugkopf 16 gekoppelt ist. Hierüber kann ein Ansaugen der Beschichtungen 3 an die antihaftbeschichtete Oberfläche des Stempels 8 mittels Unterdruck erfolgen. Zudem kann eine Beheizung zur Erreichung einer ausreichenden Erwärmung im Bereich der Verbindungsoberflächen 20, 30 durch Durchleiten erwärmter Luft durch Heizkanäle des Kanalsystems 9 erfolgen. Der Stempel 8 ist ferner mit einer Mikropositioniereinheit 10 verbunden, mit der eine hoch genaue Positionierung des Stempels gegenüber dem Substratmaterial 2 in drei Raumrichtungen erfolgen kann.
  • Die 1 zeigt die Einrichtung 1 in einem mit den Beschichtungen 3 vorbereiteten, bestückten Zustand. Gemäß 2 erfolgt der Schritt des Pressens der Verbindungsoberfläche 30 der Beschichtungen 3 an die Verbindungsoberfläche 20 des Polymermaterials 2. Hierbei wird eine Anpresskraft 11 erzeugt, die einen vorbestimmten Anpressdruck zwischen dem Substratmaterial und dem Strukturelement erzeugt. Zugleich erfolgt eine Erwärmung der aneinander gepressten Verbindungsoberflächen auf eine Temperatur oberhalb einer Mindesttemperatur, zumindest oberhalb von 50°C. Wie erwähnt, kann die Erwärmung auf eine Temperatur durchgeführt wird, die nahe oder oberhalb der Solidustemperatur des Materials der Beschichtungen 3 zumindest an deren Verbindungsoberflächen 30 ist und geringer als der Glasübergangstemperatur des Polymermaterials 2 ist. Nun beginnt die Oxidschicht in das Material der Verbindungsoberfläche 20 bzw. in das Polymermaterial 2 hinein zu diffundieren. Hierbei bilden sich Sauerstoffbrücken zwischen der Oxidschicht und dem Polymermaterial 2.
  • Der Zustand gemäß 2 wird solange beibehalten, bis die Oxidschicht der oxidierten Oberfläche an der Verbindungsoberfläche 30 ausreichend tief in das Material der Verbindungsoberfläche 20 bzw. in das Polymermaterial 2 diffundiert ist. Nach Erreichen einer bestimmten Diffusionstiefe werden der Anpressvorgang sowie die Erwärmung beendet. Der Stempel 8 wird mittels einer Zugkraft 12 von der nun fertigen Anordnung aus dem Substratmaterial 2 sowie den Beschichtungen 3 entfernt. Dies gelingt dank der Antihaftbeschichtung 7 im Wesentlichen rückstandsfrei.
  • Das anhand der 1 bis 3 beschriebene Verfahren zum Fügen der Beschichtungen 3 an dem Substratmaterial 2 kann auch erweitert werden zu einem monolithischen Beschichtungs- und Bestückungsverfahren, bei dem zugleich elektronische Bauteile mittels des Stempels 8 auf dem als flexible Leiterplatte dienenden Substratmaterial 2 angebracht werden. Dies wird nachfolgend anhand der 4 bis 7 beschrieben. Es wird wiederum eine Einrichtung 1 verwendet, die im Wesentlichen so aufgebaut ist wie zuvor anhand der 1 bis 3 beschrieben. Im Unterschied zu der Einrichtung 1 gemäß den 1 bis 3 weist der Stempel 8 eine oder mehrere Aussparungen zur Aufnahme jeweils eines Bauteils 4 auf. Wie in 4 erkennbar, kann ein Bauteil 4 z.B. zwischen zwei Beschichtungen 3 in einer Aussparung des Stempels 8 angeordnet werden. Hierbei ist das Bauteil 4 bereits mit einer Lötmittelschicht 13 an der dem Substratmaterial 2 zugewandten Seite versehen, z.B. mit Lötzinn. Die Beheizung sowie das Fixieren der Beschichtungen 3 und diesem Fall zusätzlich des Bauteils 4 erfolgt wie zuvor mittels des kombinierten Heiz- und Saugkopfs 16. Das Bauteil 4 kann z.B. ein SMD-Bauteil (SMD - Surface Mounted Device) sein, z.B. eine Leuchtdiode, ein Widerstand oder ein Kondensator.
  • Die Befestigung des Bauteils 4 an dem Substratmaterial 2 kann auch durch Kleben erfolgen, z.B. mit einem anisotropen (elektrisch leitfähigen) Klebstoff.
  • Gemäß 5 erfolgt wiederum der Anpressvorgang zum Erzeugen der stoffschlüssigen Diffusionsverbindung zwischen der Oxidschicht an der Verbindungsoberfläche 30 mit dem Substratmaterial 2, wie zuvor anhand der 2 erläutert. Das Bauteil 4 sowie die Lötmittelschicht 13 wird zu diesem Zeitpunkt noch nicht beaufschlagt. Sobald die gewünschte Diffusionsverbindung mit der bestimmten Diffusionstiefe hergestellt ist, kann unmittelbar eine Herstellung einer Lötverbindung zum elektrischen Kontaktieren des Bauteils 4 mit den benachbarten Leiterbahnen 5 erfolgen, wie in der 6 anhand der nun durch das Lötmittel überbrückten Lücken 14 dargestellt ist. Das Lötmittel kann z.B. durch Erwärmen mittels des Stempels 8 verflüssigt werden. Nach Erkalten des Lötmittels ist zugleich das Bauteil 4 mechanisch an dem Substratmaterial 2 fixiert. Sodann wird der Stempel 8 entfernt, wie in 7 dargestellt. Die 7 zeigt damit zugleich eine fertige Anordnung aus dem Substratmaterial 2 mit den damit verbundenen Beschichtungen 3 sowie dem Bauteil 4.
  • Die 8 zeigt einen Ausschnitt einer realen Probe mit der Diffusionsverbindung zwischen dem Bauteil 3 und dem Substratmaterial 2. Erkennbar ist, dass die oxidierte Oberschicht 6 der indiumbasierten Legierung gleichmäßig in das Polymermaterial 2 hinein diffundiert ist und Diffusionsbereiche 17 herausgebildet hat. Vorteilhaft ist hierbei insbesondere eine kontinuierliche, gleichmäßige, von Außen nach Innen verlaufende Oxidation, wie durch die Ellipse 15 in 8 markiert.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Fügen von Strukturelementen (3, 4) in Form von Beschichtungen (3) und/oder Bauteilen (4) auf organischen Substratmaterialien (2), bei dem eine Verbindungsoberfläche (30) wenigstens eines Strukturelements (3, 4) mit einer Verbindungsoberfläche (20) wenigstens eines Substratmaterials (2) in Form eines organischen Kunststoffmaterials stoffschlüssig verbunden wird, gekennzeichnet durch die Schritte: a) Erzeugen einer oxidierten Oberfläche an der Verbindungsoberfläche (20, 30) des Strukturelements (3, 4) und/oder des Substratmaterials (2) oder Verwenden eines Strukturelements (3, 4) und/oder Substratmaterials (2) mit einer bereits oxidierten Oberfläche an dessen Verbindungsoberfläche (20, 30), b) Pressen der Verbindungsoberfläche (30) des Strukturelements (3, 4) gegen die Verbindungsoberfläche (20) des Substratmaterials (2) mit einem bestimmten Anpressdruck (11) ungleich Null bei gleichzeitiger Erwärmung zumindest der aneinander gepressten Verbindungsoberflächen (20, 30) auf eine Temperatur oberhalb einer Mindesttemperatur, wobei die Erwärmung auf eine Temperatur durchgeführt wird, die im Bereich der Solidustemperatur des Materials des Strukturelements (3, 4) zumindest an dessen Verbindungsoberfläche (30) ist und geringer als die Liquidustemperatur des Substratmaterials (2) ist, c) Beenden des Anpressens und der Erwärmung nach Erreichen einer bestimmten Diffusionstiefe der Diffusion wenigstens eines Bestandteils der Oxidschicht der oxidierten Oberfläche an der einen Verbindungsoberfläche (20, 30) in das Material der anderen Verbindungsoberfläche (20, 30).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (3, 4) mittels eines strukturierten Stempels (8) gegen das Substratmaterial (2) gepresst wird, wobei der Stempel (8) ein Abbild der auf dem Substratmaterial (2) zu erzeugenden geometrischen Struktur einer Beschichtung (3) des Substratmaterials (2) ist.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung auf eine Temperatur durchgeführt wird, die unterhalb der Glasübergangstemperatur des Substratmaterials (2) ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsoberfläche (30) des Strukturelements (3, 4) ein Metall, eine Metalllegierung oder einen metallhaltigen Werkstoff aufweist, wobei dieses Material oxidierbar ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation der Verbindungsoberfläche als kontrollierter, gleichmäßig gesteuerter Oxidationsprozess durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (3, 4) und/oder das Substratmaterial (2) während der Durchführung des Fügeverfahrens mittels Unterdruck temporär fixiert wird.
  7. Einrichtung (1) zur Herstellung einer Anordnung unter Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer Anpressvorrichtung (7, 8) zum Anpressen der Verbindungsoberfläche (20) des Substratmaterials (2) in Form eines organischen Kunststoffmaterials an die Verbindungsoberfläche (30) des Strukturelements (3, 4) mit einer definierten Anpresskraft (11), wobei die Einrichtung eine Beheizungseinrichtung (16) aufweist, die zur Beheizung des Strukturelements (3, 4) und/oder des Substratmaterials (2) zumindest im Bereich der Verbindungsoberflächen (20, 30) derart eingerichtet ist, dass die Erwärmung auf eine Temperatur durchgeführt wird, die im Bereich der Solidustemperatur des Materials des Strukturelements (3, 4) zumindest an dessen Verbindungsoberfläche (30) ist und geringer als die Liquidustemperatur des Substratmaterials (2) ist.
  8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) einen strukturierten Stempel (8) aufweist, der eine Strukturierung entsprechend einem Abbild der auf dem Substratmaterial (2) zu erzeugenden geometrischen Struktur einer Beschichtung (3) des Substratmaterials (2) aufweist.
  9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (8) Aussparungen zur Aufnahme von mittels des Stempels (8) auf dem Substratmaterial (2) aufzubringenden Bauteilen (4) aufweist.
  10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (8) an seiner Andruckseite, mit der er mit der am Substratmaterial (2) anzupressenden Beschichtung (3) in Kontakt kommt, eine Antihaftbeschichtung (7) aufweist.
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