DE202015100433U1

DE202015100433U1 - Fügeverbindung zwischen zwei Elementen

Info

Publication number: DE202015100433U1
Application number: DE202015100433.8U
Authority: DE
Original assignee: FHR Anlagenbau GmbH
Current assignee: FHR Anlagenbau GmbH
Priority date: 2014-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2015-02-09
Anticipated expiration: 2025-01-31

Abstract

Fügeverbindung zwischen zwei Elementen, wie einem Target und einer Rückplatte einer Plasmaquelle, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Rückplatte (2) und dem Target (1) eine Metallschaumplatte (3) mit dreidimensionaler metallischer Struktur zwischen zwei miteinander zu verbindenden Flächen der Rückplatte (2) und dem Target (3) angeordnet ist, wobei die Metallschaumplatte (3) zumindest oberflächlich mit einem Klebstoff getränkt oder beschichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fügeverbindung zwischen zwei Elementen, wie einem Target und einer Rückplatte einer Plasmaquelle.
Zum Verbinden von zwei Elementen, wie plattenförmigen Elementen bzw. flächigen gewölbten Elementen, oder zum Befestigen von Elementen mit einer Flachseite an einer Flachseite eines anderen Elementes, oder von zylindrischen Elementen miteinander, sind verschiedene Möglichkeiten bekannt geworden, mit denen lösbare oder unlösbare Verbindungen zwischen solchen Elementen hergestellt werden. Bedingung hierfür ist, dass die miteinander zu verbindenden Flächen der Elemente formkongruent zueinander sind. Die Verbindungen sollen dabei unterschiedliche Anforderungen, wie Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Ausgleich von Spannungen usw., erfüllen.
Hierzu sind die Verschiedensten Fügeverfahren, wie Löten, Diffusionslöten, Kleben, oder Bonden, bekannt geworden, mit denen Verbindungen mit unterschiedlichen Verbindungseigenschaften hergestellt werden können.
So wird in der DE 239 808 A1 ein Verfahren zum Aufbringen von Targets für Plasmaquellen beschrieben, mit dem insbesondere großflächige Targets auf Kühlplatten von Plasmatron-Hochratezerstäubungsquellen aufgebondet werden. Insbesondere wird ein flussmittelfreies Weichlötverfahren an Luft beschrieben. Dazu wird im Vakuum auf jede der miteinander zu verbindenden Flächen ein Schichtsystem aus einer Edelstahlhaftschicht, einer Kupfer enthaltenden Schicht und einer Silberschicht aufgebracht. Dieses derart präparierte Schichtsystem wird anschließend mit einem Weichlot belotet, wobei sich die Silberschicht vollständig im Lot auflöst.
Nachdem die miteinander zu verbindenden Teile auf Löttemperatur erwärmt worden sind, wird eines der Teile auf das andere flächig aufgeschoben, wobei an der Vorderkante ständig Lot zugegeben wird, um das Eindringen von Luft sicher zu verhindern. Nach einer entsprechenden Ausrichtung werden die Teile aufeinander gepresst.
In der DE 601 07 280 T2 wird ein scheibenförmiges Tantal- oder Wolframtarget beschrieben, das unter Zwischenlage eines Einlagenmaterials auf eine Rückplatte diffusionsgebondet ist. Die Rückplatte besteht aus einer Kupfer enthaltenden Legierung und die Zwischenlage besteht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
Mit dieser Konstruktion soll eine thermisch bedingte Krümmung des Targets möglichst vollkommen vermieden werden, auch wenn das Targetmaterial und die Rückplatte aus Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen.
Die Zwischenlage aus Aluminium hat eine Dicke zwischen 2 und 6 mm, wobei das Diffusionsbonden nach vorheriger Reinigung der miteinander zu verbindenden Flächen bei einer Temperatur um 500 °C unter Vakuum erfolgt.
Beide vorstehend beschriebenen Verbindungsverfahren erlauben zwar die Herstellung von sicheren Verbindungen mit den gewünschten Eigenschaften, sind jedoch nur mit großem Aufwand zu realisieren.
Weiterhin wird in der DE 2 608 323 A1 eine Anordnung zum Zerstäuben von Festkörpern im Hochvakuum beschrieben, bei der ein Target auf einen Träger flächig aufgeklebt ist. Als Klebemittel dient ein Aluminiumkitt, oder ein Kleber aus einem Epoxidharz, bestehend aus 20 Gewichts-Prozent Epoxidharz, das mit einem Härter vermischt ist und zu 80 Gewichts-Prozent Aluminium- oder Kupferpartikeln.
Durch den hohen Anteil an Metallpartikeln wird eine gute Wärmeableitung durch die Klebeverbindung gewährleistet, jedoch lassen sich durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten bedingte Spannungen nicht, bzw. nur in einem sehr geringen Maße ausgleichen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Fügeverbindung zwischen zwei Elementen einer Plasmaquelle zu schaffen, die mit geringen Aufwand hergestellt werden kann und die bei guter Wärmeleitfähigkeit einen Ausgleich thermisch bedingter Spannungen ermöglicht. Ferner soll ein einfach ausführbares Verfahren zum Herstellen einer solchen Fügeverbindung geschaffen werden.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass zwischen der Rückplatte und dem Target eine Metallschaumplatte mit dreidimensionaler metallischer Struktur zwischen zwei miteinander zu verbindenden Flächen der Rückplatte und dem Target angeordnet ist, wobei die Metallschaumplatte zumindest oberflächlich mit einem Klebstoff getränkt oder beschichtet ist.
Mit einer solchen Konstruktion wird eine mechanisch und thermisch belastbare Verbindung zwischen verschiedenen Elementen geschaffen, die elektrisch und thermisch leitfähig ist. Dadurch ist die erfindungsgemäße Fügeverbindung insbesondere auch zur Befestigung von Targets an einer Rückplatte geeignet, da diese mit einer Spannungsquelle verbunden werden müssen und bei denen die beim Betrieb der Plasmaquelle entstehende Wärme abgeleitet werden muss.
Die Metallschaumplatte kann auch aus einem offenzelligen Metallschaum bestehen.
Weiterhin besteht die Metallschaumplatte aus Elementen wie Cu, Al, Fe, Ni, Co usw. oder aus Legierungen dieser Elemente.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung befindet sich die Metallschaumplatte in einer Vertiefung in der Rückplatte, oder dem Target, oder in Vertiefungen in beiden Elementen, wobei die Metallschaumplatte dicker ist, als die Tiefe der Vertiefung, bzw. die Summe der Tiefen der Vertiefungen.
Der Klebstoff ist bevorzugt ein Elastomer, ein Epoxidharz oder Silikon.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zu verbindenden Flächen im Verbindungsbereich formkongruent, wie eben, gewölbt, wellig usw. sind, oder die Außenflächen der Metallschaumplatte sind mit der jeweiligen zu kontaktierenden Fläche formkongruent.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
In der zugehörigen Zeichnungsfigur ist eine erfindungsgemäße Fügeverbindung zwischen einem Target und einer Rückplatte dargestellt.
Das in der Zeichnungsfigur dargestellte Target 1 und die Rückplatte 2 können jeweils aus einem beliebigen Material mit beliebiger Konsistenz und beliebiger Struktur bestehen.
Zwischen der Rückplatte 2 und dem mit dieser verbundenen Target 1 befindet sich eine Fügeverbindung, die aus einer zumindest oberflächlich mit einem Klebstoff getränkten oder beschichteten Metallschaumplatte 3 mit einer dreidimensionalen Struktur, wie Metallschaum oder einem offenzelligen Metallschaum, besteht. Die Metallschaumplatte 3 befindet sich dabei zwischen den miteinander zu verbindenden Oberflächen der Rückplatte 2 und dem Target 1.
Als Klebstoff kommt ein Elastomer, Epoxidharz, Silikon oder ein anderer geeignetes Material in Betracht.
Alternativ kann die Metallschaumplatte 3 auch in einer Vertiefung 4 in der Rückplatte 2, oder dem Target 1, oder in beiden Elementen angeordnet werden, wobei die Vertiefung 4 oder die Vertiefungen flächenmäßig kleiner sind, als die miteinander zu verbindenden Flächen. Alternativ kann die Fläche der Vertiefung 4 in der Rückplatte 2 gleich groß sein, wie das auf der Metallschaumplatte 3 zu befestigende Target 1. In jedem Fall ist es wesentlich, dass sich das Target 1 und die Rückplatte 2 nach der Herstellung der Fügeverbindung nicht berühren, zumindest dann, wenn das Target 1 und die Rückplatte 2 aus miteinander unverträglichen Materialien bestehen. In diesem Fall muss die Metallschaumplatte 3 dicker sein als die Tiefe der Vertiefung 4, bzw. der Summe der Tiefen der Vertiefungen 4.
Die Metallschaumplatte 3 besteht aus einem Metall, z.B. aus Elementen wie Cu, Al, Fe, Ni, Co usw., oder aus Legierungen dieser Elemente.
Die vorstehend beschriebene Klebeverbindung von plattenförmigen Elementen ist gleichermaßen auch zum Verbinden von Elementen mit flächig gewölbten Flächen, oder zum Befestigen von Elementen mit einer Flachseite an einer Flachseite eines anderen Elementes, oder auch von zylindrischen Elementen miteinander geeignet. Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass die miteinander zu verbindenden Flächen der Elemente und die dazwischen befindliche Metallschauplatte 3 formkongruent zueinander sind.
Für die Herstellung der Fügeverbindung wird die Metallschaumplatte 3 oberflächlich auf beiden Seiten mit einem der genannten Klebstoffe beschichtet. Dabei infiltriert oder durchdringt der Klebstoff die Metallschaumplatte zumindest teilweise. Daraufhin wird die Metallschaumplatte 3 anschließend zwischen dem Target 1 und der Rückplatte 2, bzw. in der Vertiefung 4 angeordnet. Nach dem genauen Ausrichten der Teile zueinander werden die miteinander zu verbindenden Teile während der Abbindezeit bzw. bis zum Aushärten des verwendeten Klebers mit Druck beaufschlagt, was bevorzugt bei Raumtemperatur, also einer Temperatur um 20 °C, erfolgt, wobei die Klebeverbindung in Abhängigkeit vom verwendeten Kleber auch bei erhöhter Temperatur hergestellt werden kann.
Dadurch entsteht nach dem Abbinden oder Aushärten des Klebers eine vollflächige, oder je nach der Ausbildung der Kontaktflächen eine teilflächige Verbindung der Elemente.
Der besondere Vorteil einer solchen Verbindung unter Verwendung einer Metallschaumplatte 3 besteht darin, dass eine mechanisch stabile Verbindung zwischen den Elementen hergestellt werden kann und dass auch Elemente miteinander verbunden werden können, die aus Metallen bestehen, die bei einer direkten Berührung eine chemische Reaktion auslösen würden, wie das beispielsweise beim Aufeinandertreffen von Cu und Al der Fall wäre.
Weiterhin ermöglicht die Metallschaumplatte 3 die Herstellung einer elektrisch und thermisch leitfähigen Verbindung, so dass beispielsweise die Rückplatte 2 als Wärmesenke zur Kühlung des Targets 1 dienen kann. Dadurch ist es problemlos möglich, das Target während des Betriebes in einem Plasmatron auf einer möglichst niedrigen Temperatur zu halten, bei der die Klebeverbindung stabil hält. Durch die elektrische Leitfähigkeit der Metallschaumplatte 3 kann das Target 1 auf einfache Weise mit einem Potential einer Energiequelle oder mit Masse verbunden werden.
Es versteht sich, dass auf entsprechende Weise auch mehrere Elemente miteinander verbunden werden können.
Die Erfindung wurde zwar hauptsächlich am Beispiel der Befestigung eines Targets an einer Rückplatte beschrieben, ist jedoch auch für andere Verbindungen zwischen zwei Elementen geeignet, bei denen es auf eine gute thermische und elektrische Leitfähigkeit ankommt.
Es versteht sich, dass die zu verbindenden Flächen im Verbindungsbereich formkongruent sein müssen, z.B. eben, gewölbt, wellig usw., oder die Außenflächen der Metallschaumplatte sind mit der jeweiligen zu kontaktierenden Fläche formkongruent.
Die Fügeverbindung ist je nach dem verwendeten Klebstoff thermisch stabil bis 230 °C, 290 °C oder 450 °C.
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 239808 A1 [0004]
DE 60107280 T2 [0006]
DE 2608323 A1 [0010]

Claims

Fügeverbindung zwischen zwei Elementen, wie einem Target und einer Rückplatte einer Plasmaquelle, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Rückplatte (2) und dem Target (1) eine Metallschaumplatte (3) mit dreidimensionaler metallischer Struktur zwischen zwei miteinander zu verbindenden Flächen der Rückplatte (2) und dem Target (3) angeordnet ist, wobei die Metallschaumplatte (3) zumindest oberflächlich mit einem Klebstoff getränkt oder beschichtet ist.
Fügeverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschaumplatte (3) aus einem offenzelligen Metallschaum besteht.
Fügeverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschaumplatte (3) aus Elementen wie Cu, Al, Fe, Ni, Co usw., oder aus Legierungen dieser Elemente, besteht.
Fügeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschaumplatte (3) sich in einer Vertiefung (4) in der Rückplatte (2), oder dem Target (1), oder in Vertiefungen (4) in beiden Elementen befindet.
Fügeverbindung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschaumplatte (3) dicker ist, als die Tiefe der Vertiefung (4), bzw. der Summe der Tiefen der Vertiefungen (4).
Fügeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, der Klebstoff ein Elastomer, ein Epoxidharz oder Silikon ist.
Fügeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden Flächen im Verbindungsbereich formkongruent, wie eben, gewölbt, wellig usw. sind.
Fügeverbindung nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass Außenflächen der Metallschaumplatte mit der jeweiligen zu kontaktierenden Fläche formkongruent sind.