DE102016115364A1 - Verfahren zur Ausbildung einer stoffschlüssigen Fügeverbindung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Ausbildung einer stoffschlüssigen Fügeverbindung zwischen einer auf einem Glassubstrat aufgebrachten, insbesondere gedruckten leitfähigen Struktur, und einem elektrischen Anschlussbauteil, insbesondere einem Lötfuß, durch Anwendung beloteter oder unbeloteter reaktiver Nanometermultischichtfolien, welche aus mindestens zwei exotherm reagierenden Materialien bestehen, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Vorkonfektionieren der reaktiven Nanometermultischichtfolien entsprechend der sich gegenüberstehenden Fügeflächen der leitfähigen Struktur und dem elektrischen Anschlussbauteil; – Anordnen einer Löt-Preform jeweils zwischen der jeweiligen Fügefläche und der Nanometermultischichtfolie bei unbeloteten Folien oder Anordnung einer zusätzlichen Löt-Preform bei bereits beloteten Nanometermultischichtfolien, wobei die Löt-Preform oder die zusätzliche Löt-Preform zwischen der Nanometermultischichtfolie und der auf dem Glassubstrat aufgebrachten leitfähigen Struktur eine größere, insbesondere mindestens doppelte Schichtdicke im Vergleich zur weiteren Löt-Preform aufweist, so dass eine Verringerung des Temperatureintrages auf die leitfähige Struktur und ein Ausgleich von Unebenheiten die Folge ist; – temporäres Aufbringen einer Druckkraft (P), welche zwischen den Fügeflächen zur Einwirkung gelangt; und – Auslösen des exothermen Reaktionsvorganges der Nanometermultischichtfolie.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer stoffschlüssigen Fügeverbindung zwischen einer auf einem Glassubstrat aufgebrachten, insbesondere gedruckten leitfähigen Struktur und einem elektrischen Anschlussbauteil, insbesondere einem Lötfuß durch Anwendung beloteter und unbeloteter reaktiver Nanometermultischichtfolien, welche aus mindestens zwei exotherm reagierenden Materialien bestehen gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Aus der DE 10 2015 003 086 A1 ist ein Verfahren zur Prozesszeitverkürzung beim Löten elektrischer oder elektronischer Bauteile mittels elektro-magnetischer Induktionserwärmung bekannt. Bei diesem Verfahren geht es insbesondere um das Verlöten von elektrischen Kontaktelementen mit Lötanschlussflächen, welche auf einem nicht-metallischen Substrat, insbesondere einer Glasscheibe, aufgebracht sind.
  • Gemäß der dortigen Lösung wird ein elektrisches Kontaktelement, ausgebildet als Lötfuß, geschaffen, das aus einem Material auf der Basis einer Eisen-Nickel- oder Eisen-Chrom-Legierung besteht. Im Anschluss wird auf den Lötfuß ein bleifreies Verbindungsmaterial aufgebracht. Nach dem Positionieren des Lötfußes auf der jeweiligen Lötanschlussfläche erfolgt ein induktives Aufheizen des Lötfußes mittels hochfrequenter Energie mit erhöhter Erwärmung des Lötfußmaterials und reduzierter Erwärmung des silberhaltigen Materials der jeweiligen Lötanschlussfläche. Der Lötschritt wird nach einer Zeit < 10 s abgeschlossen.
  • Auch bei dieser reduzierten Prozesszeit kann es noch zu einer Schädigung der elektrischen Anschlussstruktur, insbesondere eines Silberdruckes auf einer Glasscheibe kommen, so dass die Langzeitstabilität diesbezüglicher elektrischer Kontakte problematisch ist.
  • Bei dem Verfahren zum technologisch optimierten Ausführen von Lötverbindungen nach DE 10 2012 007 804 A1 wird auf bleifreie Lötverbindungen abgestellt, wobei wenigstens einer der Fügepartner das zur Verbindung erforderliche Lot bereitstellt. Zur Aktivierung des Lotes kommt ein Flussmittel zum Einsatz. Die elektrische sowie die mechanische Verbindung wird durch einen Lötprozess mittels Wärmeeinwirkung und Aufschmelzen des Lot-Flussmittel-Gemisches einschließlich nachfolgender Abkühlphase realisiert.
  • Um die Belastung der Fügepartner zu reduzieren, werden diese und das Lot in einer ersten Temperaturbehandlungsphase bis auf eine Temperatur unterhalb der Aktivierungstemperatur des Lotes und des Flussmittels erwärmt. Hierin anschließend erfolgt in einer zweiten Temperaturbehandlungsphase eine weitere Erwärmung auf eine Temperatur oberhalb der Aktivierungstemperatur des Flussmittels bis zum oberen Bereich der Schmelzstrecke des Lotes, wobei das Lot aufschmilzt und sich mit den jeweiligen Fügepartnern beginnt zu verbinden. Weiterhin wird zum Zweck der Beschleunigung des Adhäsionsverhaltens der Fügepartner in einer dritten Temperaturbehandlungsphase eine Steigerung der bisher zur Einwirkung gebrachten thermischen Leistung um weitere 5–30 % vorgenommen.
  • Obwohl mit dieser Technologie der Ausbildung von Lötverbindungen, insbesondere der bleifreien Art, eine wesentliche Verbesserung der Verfahrensparameter möglich ist, ergibt sich eine nicht unerhebliche Belastung der im Lötprozess eingebundenen Glassubstrate, insbesondere von Kfz-Gläsern. Dieses Problem wird verstärkt durch vielfach aufgebrachte Beschichtungen auf der relevanten Kontaktierungsseite des Glases, zum Beispiel Farbschichten oder Schichten, die als Reflexionsschichten, zum Beispiel bezogen auf infrarote Strahlung, ausgeführt sind.
  • Bekannt sind darüber hinaus reaktive Nanometermultischichten. Diese bestehen aus Materialien, bei deren chemischer Verbindung Energie freigesetzt wird. Mögliche Anwendungen derartiger Folien sind in der Publikation der Indium Corporation unter www.indium.com genannt.
  • Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes Verfahren zur Ausbildung einer stoffschlüssigen Fügeverbindung zwischen einer auf einem Glassubstrat aufgebrachten, insbesondere gedruckten leitfähigen Struktur, und einem elektrischen Anschlusselement, insbesondere einem Lötfuß, anzugeben.
  • Zur Lösung der Aufgabe der Erfindung wird auf die Anwendung beloteter oder unbeloteter reaktiver Nanometermultischichtfolien orientiert, wobei die Multischichtfolien aus mindestens zwei exotherm reagierenden Materialien bestehen.
  • Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch das Verfahren gemäß der Lehre nach Anspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ausbildung stoffschlüssiger Fügeverbindungen zwischen einer auf einem Glassubstrat, insbesondere einer Kfz-Scheibe, aufgebrachten gedruckten leitfähigen Struktur und elektrischen Anschlussbauteilen, zum Beispiel Lötfüßen, ist durch die Anwendung beloteter oder unbeloteter reaktiver Nanometermultischichtfolien geprägt. Die reaktiven Nanometermultischichtfolien sind in der Lage, im Ergebnis eines Zündimpulses eine exotherme Reaktion auszulösen, so dass kurzzeitig die für das Herstellen der stoffschlüssigen Verbindung notwendige thermische Energie bereitstellbar ist.
  • Die reaktiven Nanometermultischichten bestehen aus sehr dünnen Einzelschichtlagen, wobei mindestens zwei Materialien eingesetzt werden, die exotherm miteinander reagieren.
  • Wenn in einem solchen Schichtsystem eine Aktivierungsenergie, zum Beispiel in Form eines elektrischen Funkens oder eines Laserimpulses, eingebracht wird, findet eine atomare Interdiffusion der Materialien ineinander statt und es kommt zur Ausbildung einer fortschreitenden, selbsterhaltenden exothermen Reaktion.
  • Die Folge ist, dass die gesamte Reaktivschicht in sehr kurzer Zeit reagiert und Energie in Form von Wärme in einem räumlich eng begrenzten Gebiet freisetzbar ist.
  • Mit Hilfe von reaktiven Nanometermultischichtfolien können klar definierte Reaktionssysteme geschaffen werden und es lassen sich quasi maßgeschneiderte Wärmequellen für Fügeanwendungen schaffen mit der Folge, dass beim Einsatz der entsprechenden Folien die Wärmebelastung bezogen auf umgebende Komponenten oder Bauteile oder Substrate gering gehalten werden kann.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein Vorkonfektionieren der reaktiven Nanometermultischichtfolien entsprechend der sich gegenüberstehenden Fügeflächen der leitfähigen Struktur einerseits und dem elektrischen Anschlussbauteil andererseits vorgenommen.
  • Im Anschluss daran wird eine Lot-Preform jeweils zwischen der jeweiligen Fügefläche und der Nanometermultischichtfolie bei unbeloteten Folien oder eine Anordnung einer zusätzlichen Lot-Preform bei bereits beloteten Nanometermultischichtfolien realisiert, wobei die Lot-Preform oder die zusätzliche Lot-Preform zwischen der Nanometermultischichtfolie und der auf dem Glassubstrat aufgebrachten leitfähigen Struktur eine größere, insbesondere mindestens doppelte Schichtdicke im Vergleich zur weiteren Lot-Preform aufweist derart, dass eine Verringerung des Temperatureintrages auf die leitfähige Struktur und ein Ausgleich von Unebenheiten im Spaltbereich zwischen den Fügeflächen die Folge ist.
  • Folgend wird eine temporäre Druckkraft aufgebracht, welche zwischen den Fügeflächen zur Einwirkung gelangt. Im Anschluss wird der exotherme Reaktionsvorgang der Nanometermultischichtfolie ausgelöst, was zum Beispiel mit Hilfe eines Laserimpuls oder eines elektrischen Kurzschlusses mit resultierender Funkenbildung möglich ist.
  • Ausgestaltend ist zum Einbringen des Zündimpulses in die Nanometermultischichtfolie eine Aussparung in der Oberfläche des elektrischen Anschlussbauteiles vorgesehen.
  • Ergänzend oder alternativ kann zum Einbringen des Zündimpulses in die Nanometermultischichtfolie diese zumindest über eine Seite der Fügefläche überstehend ausgebildet werden.
  • Die Gesamtdicke der Nanometermultischichtfolie ist bezüglich der Menge freizusetzender Wärmeenergie in Abhängigkeit von den Eigenschaften der leitfähigen Struktur und deren Untergrund skaliert, um eine thermische Überlastung insbesondere des Untergrundes bzw. der leitfähigen Struktur zu vermeiden.
  • Mindestens Teile oder Komponenten der reaktiven Nanometermultischichtfolie sind auf mindestens einer der Fügeflächen, insbesondere der Fügefläche des elektrischen Anschlussbauteiles, unmittelbar aufgebracht. Dies kann durch einen Abscheidevorgang, insbesondere einen Sputter-Vorgang erfolgen.
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles und einer Figur näher erläutert werden.
  • Die Figur zeigt hierbei in Schnittansicht einen schematischen Aufbau einer Fügeverbindung unter Einsatz reaktiver Nanometermultischichtfolien.
  • Gemäß der figürlichen Darstellung wird ein Bauteil, insbesondere ein Lötfuß 1, bestehend aus einem metallischen Material, insbesondere einer Speziallegierung, auf eine aufgedruckte leitfähige Struktur, insbesondere in Form einer Silberschicht 2, angeordnet.
  • Die leitfähige Struktur, das heißt die Silberschicht 2, ist auf einem Glassubstrat 3 befindlich.
  • Zwischen der Silberschicht 2 und dem Glassubstrat 3 befindet sich noch eine Farbschicht 4.
  • Als Fügefläche sind also die Oberfläche der Silberschicht 2 und die entsprechende Unterseite des Lötfußes 1 anzusehen.
  • Zwischen diesen Fügeflächen wird nun eine belotete oder unbelotete reaktive Nanometermultischichtfolie 5 als reaktives, nanoskaliges Multischichtsystem angeordnet.
  • Bei dem Einsatz eines beloteten Multischichtsystems 5 sind auf beiden Oberflächenseiten Mengen eines Lotes 6 aufgebracht.
  • Bei dem Einsatz unbeloteter Multischichtsysteme 5 wird eine entsprechende Lot-Preform 6 zwischen den Fügeflächen unter Zwischenschaltung des Multischichtsystems 5 ausgebildet.
  • Die entsprechenden Multischichtsysteme 5 sind bezogen auf die Fügeflächen vorkonfektioniert.
  • Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Lot-Preform oder eine zusätzliche Lot-Preform zwischen der Nanometermultischichtfolie 5 und der auf dem Glassubstrat 3 aufgebrachten leitfähigen Struktur 2 so ausgeführt, dass diese eine größere, insbesondere eine mindestens doppelte Schichtdicke im Vergleich zu einer weiteren Löt-Preform aufweist, und zwar zu dieser Preform, welche sich zwischen dem Lötfuß 1 und der Nanometermultischichtfolie 5 befindet. Hierdurch ist sichergestellt, dass bezogen auf die leitfähige Struktur 2 kein unzulässig hoher Temperatureintrag erfolgt. Weiterhin wird der vorhandene Lötspalt ausreichend gefüllt, so dass ein Ausgleich von Unebenheiten die Folge ist.
  • Nach Aufbringen einer Druckkraft P, welche zwischen den Fügeflächen zur Einwirkung gelangt, erfolgt ein Auslösen eines exothermen Reaktionsvorganges der Folie. Dies ist in der figürlichen Darstellung durch ein Blitzsymbol dargestellt.
  • Das Auslösen des exothermen Reaktionsvorganges kann mit Hilfe eines Laserimpulses oder einer elektrischen Entladung erfolgen.
  • Gemäß Weiterbildung des Ausführungsbeispieles ist zum Einbringen des Zündimpulses in die Nanometermultischichtfolie 5 eine Aussparung in der Oberfläche des elektrischen Anschlussbauteiles (nicht gezeigt) vorgesehen.
  • Zum Einbringen des Zündimpulses in die Nanometermultischichtfolie 5 kann diese über mindestens eine Seite der Fügeflächen gemäß der figürlichen Darstellung überstehen.
  • Über eine Auswahl reaktiver Materialsysteme zur Herstellung von Reaktionsfolien kann die adiabatische Reaktionstemperatur gewählt werden. Maximale adiabatische Temperaturen können bei Ni/Al-Reaktionssystemen im Bereich von 1600°C liegen.
  • Durch die Anwendung von reaktiven Nanometermultischichtfolien entsteht bezogen auf die jeweiligen Fügeflächen jeweils eine lokale Wärmequelle. Die Folge ist eine Minimierung des Wärmeenergie- und Spannungseintrages bezogen auf angrenzende Bauteile, da die thermische Energie direkt im Fügespalt, das heißt im vorliegenden Beispiel im Lötspalt, freigesetzt wird. Eine äußere Erwärmung durch einen Ofen, mittels Induktion oder dergleichen ist nicht notwendig.
  • Die Prozesseffizienz lässt sich weiterhin dadurch steigern, dass das zur Ausbildung des Stoffschlusses notwendige Lot direkt auf die Folie aufgebracht wird, so dass ein anwendungsfreundlicher Verbund entsteht, der zum einen den Lotwerkstoff und zum anderen die Wärmequelle darstellt.
  • Zusammenfassung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer stoffschlüssigen Fügeverbindung zwischen einer auf einem Glassubstrat aufgebrachten, insbesondere gedruckten leitfähigen Struktur, und einem elektrischen Anschlussbauteil, insbesondere einem Lötfuß, durch Anwendung beloteter oder unbeloteter reaktiver Nanometermultischichtfolien, welche aus mindestens zwei exotherm reagierenden Materialien bestehen. Erfindungsgemäß erfolgt zunächst ein Vorkonfektionieren der reaktiven Folien entsprechend der sich gegenüberstehenden Fügeflächen der leitfähigen Struktur und dem elektrischen Anschlussbauteil. Danach wird eine Lot-Preform jeweils zwischen der jeweiligen Fügefläche und der Folie bei unbeloteten Folien oder die Anordnung einer zusätzlichen Lot-Preform bei bereits beloteten Folien vorgenommen, wobei die Lot-Preformen oder die zusätzliche Lot-Preform zwischen der Folie und der auf dem Glassubstrat aufgebrachten leitfähigen Struktur eine größere, insbesondere mindestens doppelte Schichtdicke im Vergleich zur weiteren Lot-Preform aufweist, so dass eine Verringerung des Temperatureintrages auf die leitfähige Struktur und ein Ausgleich von Unebenheiten die Folge ist. Nach einem temporären Aufbringen einer Druckkraft, welche zwischen den Fügeflächen zur Einwirkung gelangt, erfolgt ein Auslösen des Reaktionsvorganges, beispielsweise mittels eines elektrischen Impulses oder eines Laserimpulses.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102015003086 A1 [0002]
    • DE 102012007804 A1 [0005]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • www.indium.com [0008]

Claims (5)

  1. Verfahren zur Ausbildung einer stoffschlüssigen Fügeverbindung zwischen einer auf einem Glassubstrat aufgebrachten, insbesondere gedruckten leitfähigen Struktur, und einem elektrischen Anschlussbauteil, insbesondere einem Lötfuß, durch Anwendung beloteter oder unbeloteter reaktiver Nanometermultischichtfolien, welche aus mindestens zwei exotherm reagierenden Materialien bestehen, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Vorkonfektionieren der reaktiven Nanometermultischichtfolien entsprechend der sich gegenüberstehenden Fügeflächen der leitfähigen Struktur und dem elektrischen Anschlussbauteil; – Anordnen einer Löt-Preform jeweils zwischen der jeweiligen Fügefläche und der Nanometermultischichtfolie bei unbeloteten Folien oder Anordnung einer zusätzlichen Löt-Preform bei bereits beloteten Nanometermultischichtfolien, wobei die Löt-Preform oder die zusätzliche Löt-Preform zwischen der Nanometermultischichtfolie und der auf dem Glassubstrat aufgebrachten leitfähigen Struktur eine größere, insbesondere mindestens doppelte Schichtdicke im Vergleich zur weiteren Löt-Preform aufweist, so dass eine Verringerung des Temperatureintrages auf die leitfähige Struktur und ein Ausgleich von Unebenheiten die Folge ist; – temporäres Aufbringen einer Druckkraft (P), welche zwischen den Fügeflächen zur Einwirkung gelangt; und – Auslösen des exothermen Reaktionsvorganges der Nanometermultischichtfolie.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen des Zündimpulses in die Nanometermultischichtfolie eine Aussparung in der Oberfläche des elektrischen Anschlussbauteiles vorgesehen ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen des Zündimpulses in die Nanometermultischichtfolie diese zumindest über eine Seite der Fügeflächen übersteht.
  4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtdicke der Nanometermultischichtfolie bezüglich der Menge freizusetzender Wärmeenergie in Abhängigkeit von den Eigenschaften der leitfähigen Struktur und deren Untergrund skaliert ist.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens Teile oder Komponenten der reaktiven Nanometermultischichtfolie auf mindestens einer der Fügeflächen, insbesondere der Fügefläche des Anschlussbauteiles unmittelbar aufgebracht, insbesondere abgeschieden wird.
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