DE2100491C3

DE2100491C3 - Vorrichtung zur Herstellung einer Adhäsionsverbindung

Info

Publication number: DE2100491C3
Application number: DE2100491A
Authority: DE
Inventors: Emmanuel Philippos Acton Mass. Papadakis
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1970-01-09
Filing date: 1971-01-07
Publication date: 1982-04-08
Also published as: DE2100491A1; NL7100241A; BE761265A; JPS4948463B1; FR2083027A5; NL170385B; US3664902A; DE2100491B2; GB1329952A; NL170385C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, wie sie aus der US-PS 34 53 166 bekannt ist.

Bei Ultraschall-Verzögerungsleitungen mit Volumeneffekt-Festkörpern als Verzögerungsmedien ist das Verhalten des Ultraschallstrahles von der Größe und Gestalt der mit den Leitungen verbundenen Sende- und Empfangs-Umsetzern abhängig. Zur genauen Formung und Lenkung des Ultraschallstrahles sind oft sehr große Umsetzerflächen erforderlich, z. B. solche in der Größenordnung von 200 χ 6 mm. Andererseits müssen die Umsetzer eine Dicke in der Größenordnung von einer halben Schwingungswellenlänge der Arbeitsfrequenz aufweisen, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen. Dies hat zur Folge, daß die Verbindung zwischen Umsetzer und Verzögerungsleitung extrem dünn und gleichförmig sein muß, um nachteilige Auswirkungen des Verbindungsmittels auf den Ultraschallstrahl zu vermeiden.

Zur Erzielung einer ausreichend dünnen, gleichförmigen Verbindung muß der Druck in solcher Weise auf die Oberfläche des Umsetzers aufgebracht werden, daß die überschüssige Menge des Verbindungsmittels aus dem Bereich der Stoßflächen zwischen Umsetzer und Verzögerungsleitung herausgepreßt wird. Die so erhaltene, dünne Verbindungsmittelschicht muß während des Härtens des Verbindungsmitiels aufrechterhalten werden. Dabei tritt die Gefahr auf, daß bei größeren Oberflächen Verbindungsmittel ira Bereich der Stoßflächen zurückbleibt, was die Gleichförmigkeit der Verbindung beeinträchtigt Um dieser Gefahr zu begegnen, ist es aus der US-PS 34 53 166 bekannt eine aufblasbare Membran zur Aufbringung eines konstanten Verbindungsdruckes zu verwenden. Der konstante

ι ο Druck wird hierbei durch die Membran anfänglich längs der Mittellinie des plattenförmigen Werkstücks aufgebracht Sodann wird die Membran aufgeblasen, bis die gesamte Werkstückfläche unter Druck steht und das überschüssige Verbindungsmittel herausgedrückt ist Um den geforderten Druck- und Temperaturverlauf für die Membran einzuhalten, ist bei der bekannten Vorrichtung eine genaue Zeitsteuerung für die Temperatur und für den Aufblasdruck der Membran während des gesamten Arbeitszyklus mit Hilfe einer besonderen Bedienungsperson oder einer entsprechend aufwendigen Einrichtung erforderlich.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darin, bei einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art auf einfachere Weise sehr dünne, hochgradig gleichförmige Verbindungen zwischen dünnen Werkstücken und festen Substraten zu erzielen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Vorrichtung nach Anspruch 1 ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zur Druckerzeugung ein Festkörper-Druckorgan beispielsweise in Form einer Kugel oder eines Zylinders vorgesehen, wobei dieses Druckorgan so beaufschlagt wird, daß sich die Oberfläche des das Werkstück berührenden Druckorgans abflacht, bis die gesamte Werkstückoberfläche beaufschlagt ist. Es stellt sich hierbei ein Druckprofil ein, dessen Maximum im Fall des kugelförmigen Druckorgans im Mittelpunkt und im Fall des zylinderförmigen Druckorgans auf der Mittellinie der Stoßflächen zwischen Werkstück und Substrat liegt und ein Minimum an den Kanten des Werkstücks aufweist. Das Fließen des Verbindungsmittels nach außen hält so lange an, wie es flüssig ist. Die Dicke der Verbindungsschicht ist daher unabhängig von der Anstiegsgeschwindigkeit des Druckes auf das nachgiebige Druckorgan sowie ziemlich unempfindlich gegen einen Überdruck, welcher den zum Abflachen des nachgiebigen Druckorgans auf der gesamten Werkstückoberfläche erforderlichen Minimalwert übersteigt. Anstelle eines zylindrischen oder kugelförmigen Druckorgans können auch andere geeignete Festkörper mit gekrümmten bzw. gewölbten Oberflächen zur Erzeugung eines für die vorliegenden Zwecke geeigneten Druckprofils in Betracht kommen.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung des Druckprofils, das sich mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielen läßt, und

F i g. 2 eine Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Für die folgende Erläuterung von Verformungserscheinungen wird auf das Buch von Timoshenko and Goodier, »Theory of Elasticity«, 2. Ausgabe, 1951, Verlag McGraw-Hill, Seiten 372 bis 382, Bezug genommen. Hieraus ergeben sich die bekannten

Zusammenhänge zwischen Kraft und Verformung bzw. Spannungen und Dehnungen an der Berührungsfläche von zwei parallelen, gegeneinander angepreßten Zylinder. Die hier angegebene Lösung gilt für den Fall, daß der Angriffspunkt der die Zylinder zusammenpressenden Kräfte im Vergleich zu der Breite der Berührungsfläche sehr weit entfernt ist (Prinzip von StVenant). Wenn zwei Zylinder mit den Radien Äi und ^₂ aus Werkstoffen mit den Elastizitätsmodulen £Ί und E₂ sowie den Querkontraktionszahlen j>i und γ₂ mit einer Kraft von f·*■ pro Längeneinheit der Zylinder zusammengepreßt werden, so ergibt sich eine Berührungsfläche der Halbbreite b. Über dieser Berührungsfläche ergibt sich ein ellipsenförmiges Druckprofil mit einem Maximum qo auf der Mittellinie und einem Druckabfall auf Null im Abstand ±b von der Mittellinie. Dieses System ist bestimmt durch die Beziehungen:

b = [4FR, A₂(K₁ + K₂)/(K₁ +R₂)]¹

q„ = [P-(R_x +R₂)In¹ (K₁ + K₂)R_xR₂V'², (2)

wobei

K = (X-y²)/nE.

Bei der in F i g. 1 angedeuteten Ausführungsform soll ein Substrat I₁ welches aus einem Werkstoff mit dem Elastizitätsmodul E₂ und einer Querkontraktionszahl y₂ besteht, mit einem streifenförmigen sowie dünnen und daher biegsamen Werkstück 3 von einer Halbbreke b durch zwischen die Stoßflächen 2-2' eingebrachtes Epoxidharz verbunden werden. Bei dem Substrat 1 handelt es sich z. B. um eine übliche Verzögerungsleitung, während das Werkstück 3 einen Umsetzer darstellt.

Ein Zylinder 4 mit dem Radius R\, dem Elastizitätsmodul E\ und der Querkontraktionszahl γ\ wird auf das Werkstück gesetzt und mit einer Kraft P' pro Einheit der Zylinderlänge beaufschlagt, bis die gesamte Oberfläche des Werkstücks in der aus F i g. 1 ersichtlichen Weise bedeckt ist. Das sich ergebende Druckprofil ist durch die Vektoren 5 dargestellt, wobei der Maximaldruck qo auf der Mittellinie des Werkstücks in Erscheinung tritt. Das dargestellte Druckprofil hat die Form einer Halbellipse gemäß der Gleichung

X¹

Y² _

Das überschüssige Epoxidharz wird zu den Kanten des Werkstücks hin abgepreßt, und zwar durch das sich ergebende Druckgefälle —dY/dX entsprechend der Gleichung

dX

b b VX-X²Ib²

Dieses nach außen gerichtete Druckgefälle (als Vektor der Gradient des skalaren Druckfeldes) besteht so lange, wie der Zylinder die Kanten des Werkstücks nicht merklich überlappt.

Um den als Druckorgan Vorgesehenen, nachgiebigen Körper über einer großen Fläche des Werkstücks zusammenzupressen, ist eine extrem hohe Elastizität dieses Druckorgans im Vergleich zu dem Substrat erforderlich. Es gilt also E\IE₂<X. Im einzelnen sollte dieser Verhältniswert z. B. in einer Größenordnung zwischen 10~³ und 10~⁵ liegen. Unter Berücksichtigung dieses Faktors können die Gleichungen (1) und (2) für den vorliegenden Spezialfall mit R₂ —■ ":

b s [4P'R_x(X+γ²θIE_xV'², q₀ = [FE_xI π² (X+ γ²) R_xV'².

Dies sind dann die Parameter für die Verwendung eines nachgiebigen Zylinders in Anpressung gegen eine steife Ebene. Für die Verbindung eines gegebenen Werkstücks der Halbbreite b mittels eines Zylinders aus einem bestimmten Material kann hieraus die erforderliche Kraftdichte P' und der sich ergebende Maximaldruck qo für verschiedene Werte von R\ und E\ berechnet werden. Einige repräsentative Werte für einen Gummizylinder sind in der folgenden Tabelle I wiedergegeben.

20	Tabelle I	P' und qo für	Gummizylinder	<7o, kp/cm³
	Werte von	&=3,15mm		4
	}Ί=0,5 und	R_x, mm	P\ kp/cm	2
25	£i, kp/cm²	6,3	3,6	1
	35	12,1	1,8	8
		25,4	0,9	4
		6,3	1	2
30		12,7	3,6	16
	70	25,4	1.8	8
		6,2	14	4
		12,7	7
35	140	25,4	3,6

Bei praktischen Untersuchungen wurde nach diesem Verfahren eine Anzahl von Verbindungen mit Epoxidharz an polierten und plattierten Schmelzquarz-Substraten von 12 mm Breite und 126 bis 380 mm Länge hergestellt, und zwar mit streifenförmigen Umsetzern von 0,38 mm Dicke, 6 mm Breite und bis 200 mm Länge. Hierbei wurden als Druckorgane Neopren-Zylinder verwendet, die den Maßbedingungen 2 b<R\<8 b entsprachen. Während des Verbindungsvorganges wurden die Substrate für einen Zeitraum einer Stunde nach der anfänglichen Druckbeaufschlagung auf einer Temperatur von 60°C gehalten und sodann unter Aufrechterhaltung des Druckes und Aushärtung der Verbindung abgekühlt. Es ergaben sich allgemein Verbindungen, die gleichförmig unter 150 Angstrom Dicke lagen und den üblichen Schleif- und Plattiervorgängen, wie sie zur Herstellung von Hochfrequenz-Umsetzern erforderlich sind, standhielten.

Aus dem angegebenen Buch von Timoshenko und Goodier ergibt sich ferner die Lösung für die Kraft- und Verformungskennwerte an der Berührungsfläche von zwei Kugeln. Wenn die Berührungsfläche als in der X-Y-Ebene liegend angenommen wird und die Kraft in der Z-Richtung auf den Kugelmittelpunkt wirkt, so ergibt sich ein sphäroidisches Druckprofil gemäß der Beziehung

_L_
B²

1,

wobei B nun der Radius der Berührungsfläche und Qo

der Maximaldruck im Mittelpunkt der Berührungsfläche ist. In diesem Fall ist die Berührungsfläche ein Kreis in der X- V-Ebene, wobei sich ein Druckgefälle längs dem Kreisradius r=(X^+ Y²Y¹² ergibt. Dieses Druckgefälle ruft den Fluß des Verbindungsmittels nach außen hervor. Wenn F i g. 1 als Querschnitt in der A"-Z-Ebene durch den Kugelmittelpunkt betrachtet wird, so ist hierdurch genau das Druckprofil für den genannten Fall dagestellt. Wenn wiederum berücksichtigt wird, daß /ξ> als gegen unendlich gehend und das Verhältnis E\IEi sehr viel größer als Eins zu betrachten ist, so ergeben sich die Parameter des Systems aus den Beziehungen

B = [3/7?(l-yf)/4£,

11/3

Q₁= 3 P/2 π Β².

Hierbei ist Pnun die gesamte auf die Kugel wirkende Kraft.

Mit einer solchen Ausbildung ist es ebenfalls möglich, gleichförmige Verbindungen mit einer Dicke unter 150 Angstrom zu erhalten.

Bei der Ausführung des Verfahrens bestehen für den Wert von R gewisse Grenzen. Der Radius muß wenigstens groß genug sein, um das Aufpressen des Druckorgans über dem gesamten Werkstück zu erreichen. Wenn dagegen der Radius oder die Nachgiebigkeit des Druckorgans zu groß ist, so erfolgt die Abflachung des Druckorgans bis hinaus zu den Kanten des Werkstücks bei einem Druck, der nicht mehr ausreicht, um einen geeigneten Fluß des Verbindungsmittels hervorzurufen. Ein bevorzugter Bereich für den Radius ist für die Zwecke des vorliegenden Verfahrens b< R<30 b.

Bei der in Fig.2 vereinfacht dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung ist ein Substrat 1 in eine Halterung 6 eingesetzt. Ein als Druckorgan vorgesehener Zylinder 4 ist in eine V-Nut eines Trägers 7 eingesetzt, der seinerseits geschlitzt und an Stützen 8 der Einrichtung vertikal verschiebbar gelagert ist. Die zur Anpressung des Zylinders bis zur Bedeckung der Breite eines streifenförmigen Werkstücks 3 erforderliche Kraft wird mittels einer Reihe von federbelasteten Schrauben 9 erzeugt.

Letztere werden mit Hilfe von Drehmomentschlüsseln angezogen. Die Anpreßkraft kann gegebenenfalls auch mit Hilfe einer Reihe von hydraulischen oder pneumatischen Zylindern oder anderen geeigneten Vorrichtungen aufgebracht werden. Bei der dargestellten Beispielsausführung erfolgt die Einstellung der zum (9) ' Abflachen des Zylinders erforderlichen Anpreßkraft über das Anzugsdrehmoment der Druckschrauben. Für die Einstellung wird ein eben polierter und halbversil-(10) berter Prüfstab als Substrat in Verbindung mit einem

aufgesetzten, polierten und voll plattierten Umsetzer verwendet. Bei der Druckbeaufschlagung des Zylinders können längs den Grenzen der Berührungsfläche Interferenzlinien ähnlich den Newtonschen Ringen beobachtet werden, bis die Grenzen der Berührungsfläche die Kanten des streifenförmigen Körpers des Umsetzers erreichen. Db zum Anziehen der Druckschrauben verwendeten Drehmomentschlüssel werden dann auf einen der hierfür erforderlichen Verformung des Zylinders entsprechenden Durchdrehwert eingestellt.
Im Fall von kugelförmigen Druckorganen kann eine ähnliche Einrichtung verwendet werden. Der mit einer V-Nut versehene Träger wird dann z. B. durch einen mit einer konischen Aussparung versehenen, ebenfalls an den Stützen der Einrichtung vertikal verschiebbaren Metallblock, z. B. einen Aluminiumblock, ersetzt. Wirkungsweise und Einstellung der Einrichtung stimmen dabei mit dem erläuterten Ausführungsbeispiel überein. Ähnliche Einrichtungen können auch für andere Druckorgane verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Herstellung einer Adhäsionsverbindung zwischen einem Werkstück und einem Substrat, bestehend aus einer Halterung für das Substrat und einem Druckorgan, das an einem Träger befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckorgan ein nachgiebiger Festkörper (4) mit einer gekrümmten Oberfläche und einem Elastizitätsmodul E\ ist und das Substrat (1) einen Elastizitätsmodul E> aufweist, wobei das Verhältnis E\/E> sehr viel kleiner als Eins ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Druckbeaufschlagung des nachgiebigen Festkörpers (4) federbelastete Schrauben (9) umfassen, welche mittels Drehmonrjntschlüsseln angezogen sind, die auf einen der gewünschten Verformung des nachgiebigen Festkörpers entsprechenden Drehmoment-Durchdrehwert eingestellt sind.

3. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der nachgiebige Festkörper (4) ein Zylinder ist

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet daß der nachgiebige Festkörper (4) eine Kugel ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß der Zylinder (4) an einem mit einer V-Nut versehenen Träger (7) angebracht ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der mit einer V-Nut versehene Träger geschlitzt und auf Stützen (8) der Einrichtung verschiebbar gelagert ist

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die Kugel in einem konisch ausgesparten, an Stützen (8) der Einrichtung vertikal verschiebbaren Metaliblock angebracht ist.