DE4038989A1 - Verfahren zur spannungsarmen verklebung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer span­ nungsarmen Verklebung sowie eine damit hergestellte Klebever­ bindung.

Technische Klebstoffe sind oft nur für ein ganz bestimmtes Anwendungsgebiet geeignet. Da insbesondere der Zusammenhang zwischen der chemischen Struktur eines Klebstoffs bzw. eines zu verklebenden Materials und der Festigkeit und den Eigen­ schaften der Klebeverbindung bislang nur unvollständig erkannt wurde, ist ein Klebstoff jeweils auf ein begrenztes Eigen­ schaftsspektrum hin optimiert. Ein anspruchsvolles technisches Klebeproblem erfordert daher im allgemeinen einen besonderen Klebstoff.

Anforderungen an einen Klebstoff resultieren nicht nur aus den Eigenschaften einer damit erzeugbaren Klebeverbindung, sondern in zunehmendem Maße auch aus den Verarbeitungseigenschaften, z. B. im Hinblick auf eine sichere und schnelle Verarbeitung in einem hochautomatisierten Prozeß. Bei Fügeprozessen, die ein hohes Maß an Positioniergenauigkeit erfordern, muß bis zum Erreichen einer bestimmten Festigkeit der Klebeverbindung fixiert werden. Zur Vermeidung übermäßig langer Maschinenbele­ gungszeiten bei einem für positionsgenaues präzises Verkleben erforderlichen hohen Equipmentaufwand ist es dabei von Vor­ teil, wenn eine sichere Grundfestigkeit bereits nach kurzer Aushärtungsdauer erreicht wird.

Bei thermisch härtbaren Klebstoffen kann die Aushärtung durch eine Erhöhung der Temperatur, bei UV-härtbaren durch inten­ sivere Bestrahlung beschleunigt werden. Nachteilig ist im ersten Fall die zur schnellen Härtung erforderliche, meist relativ hohe Temperatur. Der zweite Fall erfordert eine von außen ausreichend bestrahlbare, d. h. nicht abgeschattete Kle­ bestelle. Während eine hohe Härtetemperatur zu einer Beschädi­ gung der zu verklebenden Teile führen kann, da beim Abkühlen nach der Härtung eine Verspannung entsteht, ist bei vielen Verklebungen eine herkömmliche Strahlenhärtung wegen abge­ schatteter Klebestellen nicht durchführbar. Außerdem ist beim Erwärmen einer Klebeverbindung innerhalb der Justiervorrich­ tung die Positioniergenauigkeit meist nur ungenügend.

Für ein spezielles Klebeproblem, nämlich die rasche und span­ nungsarme Verklebung von flächigen Werkstücken mit unterschied­ lichen Ausdehnungskoeffizienten, wurde bislang noch kein ge­ eignetes Klebeverfahren gefunden, welches weitere Randbedin­ gungen zur physikalischen und chemischen Stabilität der erzeug­ ten Klebeverbindung erfüllt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verkle­ bungsverfahren samt dazugehöriger Klebstofformulierung für obengenanntes Problem anzugeben, welches eine hohe Positionier­ genauigkeit mit kurzen Taktzeiten in einem automatisierten Fer­ tigungsprozeß erlaubt. Weiterhin soll die Verklebung mit einem einkomponentigen lagerstabilen Reaktionsharz erfolgen, während die Festigkeit der Klebeverbindung auch nach Temperaturwech­ seln und im Kontakt mit Lösungsmitteln gewährleistet sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur spannungsarmen Verklebung eines flächigen Werkstücks mit einer Unterlage, wobei Werkstück und Unterlage unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen,

• - bei dem ein Reaktionsharz mittels einer Applikationsvorrich­ tung in einer dünnen Schicht auf eine Klebestelle aufgebracht wird,
• - durch eine Strahlenquelle mit UV- oder sichtbarem Licht akti­ viert wird,
• - Werkstück und Unterlage mit ihren Klebestellen zusammenge­ fügt und gegebenenfalls entsprechend einer Vorlage innerhalb einer Fügeoffenzeit präzise ausgerichtet werden,
• - die Klebestelle zur Fixierung während einer Anhärtzeit von weniger als 1 Minute auf eine erhöhte Temperatur gebracht wird,
• - gegebenenfalls weitere Verklebungen von weiteren Werkstücken bis zur Anhärtung auf der Unterlage vorgenommen werden und schließlich vollständig ausgehärtet werden, wobei ein UV-initiiert kationisch härtendes Reaktionsharz mit einer Fügeoffenzeit im Bereich von einer Sekunde bis 30 Minuten gewählt wird, dessen chemische An- und Aushärtung sich bei 40 bis 100°C durchführen läßt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie eine daraus her­ stellbare Klebeverbindung sind den Unteransprüchen zu entneh­ men.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird ein UV-aktivierbares Reak­ tionsharz verwendet. Ein im Harz enthaltener Photoinitiator zerfällt bei Bestrahlung in Kationen, welche den Härtungsprozeß katalysieren. Nach der Aktivierung durch Bestrahlung mit UV- oder sichtbarem Licht schreitet der Härtungsprozeß selbsttätig fort und wird in der Härtungsgeschwindigkeit nur noch durch die Temperatur beeinflußt.

Besonderer Vorteil derartiger Reaktionsharze ist, daß es sich um einkomponentige Systeme handelt, die im Dunkeln nahezu be­ liebig lange lagerfähig sind. Das bei zwei- und mehrkomponen­ tigen Systemen unmittelbar vor der Applikation notwendige Zu­ sammenmischen entfällt.

Die Applikation selbst ist problemlos, da das vor der Aktivie­ rung inerte Reaktionsharz keine besonderen Apparaturen erfor­ dert. Solche sind beispielsweise für reaktive Harze nötig, die regelmäßig innerhalb der Topfzeit von Harzresten gereinigt werden müssen und daher nur kurze Maschinenlaufzeiten möglich machen. Restliches Harz muß dann jeweils als Sonderabfall be­ handelt und entsorgt werden.

Im vorliegenden Verfahren wird eine möglichst dünne Reaktions­ harzschicht auf eine Klebestelle aufgebracht, welche sich an Werkstück oder Unterlage befinden kann. Dazu sind verschiedene Verfahren geeignet, die eine entsprechend dünne Klebstoff- bzw. Reaktionsharzschicht erzeugen können, beispielsweise Aufstempeln, Aufstreichen, Aufdrucken oder Aufbringen über einen Lochplattendispenser. Die dünne Klebstoffschicht zeich­ net sich gegenüber einer dickeren durch ihre insgesamt bessere Wärmeableitung aus.

Nach der Aktivierung der Klebstoffschicht startet die Här­ tungsreaktion. Bei Raumtemperatur oder einer anderen gegebenen Temperatur steht nun eine Fügeoffenzeit zur Verfügung, nach der das Reaktionsharz in einen angehärteten Zustand übergeht. Innerhalb der Fügeoffenzeit muß daher die Positionierung des Werkstücks auf der Unterlage sowie ein gegebenenfalls notwen­ diges Verrutschen bzw. eine Nachkorrektur der Lage erfolgen. Die Fügeoffenzeit läßt sich durch Auswahl bzw. Variation eines geeigneten Reaktionsharzes einstellen. Sie wird ausreichend lang gewählt, um ein sicheres Verarbeiten bzw. genaues Posi­ tionieren des Werkstücks zu garantieren und ist gleichzeitig hinreichend kurz, um eine möglichst schnelle Anhärtung zu erzielen.

Die Anhärtung selbst wird nach erfolgter Positionierung durch ein kurzes Erwärmen des Bauteils durchgeführt. Dies kann durch Erhitzen der gesamten Anordnung (Werkstück plus Unterlage) oder durch lokale Erhitzung im Bereich der Klebestelle, bei­ spielsweise durch einen Heizstempel, durchgeführt werden. Aus­ gewählte Reaktionsharze erfordern zum Härten eine nur relativ moderate Temperaturerhöhung auf ca. 40 bis 100°C. Dies ist ins­ besondere für flächige und empfindliche Werkstücke von Vor­ teil, da mit der Temperaturdifferenz zwischen Härtungstempera­ tur und Normaltemperatur (bzw. Betriebstemperatur eines die Klebeverbindung enthaltenden Bauteils) die durch unterschied­ liche thermische Ausdehnungskoeffizienten bedingte mechanische Spannung der Klebeverbindung steigt. Ein völlig spannungsfreier Zustand existiert nur im Bereich der Härtungstemperatur. Das erfindungsgemäße Verfahren erzeugt daher eine relativ span­ nungsarme Verklebung. Die Minimierung der Spannungen wird außerdem durch die Auswahl flexibler Klebstoffe unterstützt.

Nach dem Anhärten ist die Klebeverbindung fixiert. Weitere Verklebungen können parallel dazu oder auch hintereinander folgend mit jeweils individueller Anhärtung durchgeführt werden. Bei ausreichend langer Fügeoffenzeit ist es auch möglich, mehrere Klebestellen in einem Verfahrensschritt mit einer Reaktionsharzschicht zu versehen, diese gemeinsam zu aktivieren, die Positionierung, Fixierung und Anhärtung der einzelnen Klebeverbindungen jedoch individuell und durch lokale Erhitzung einzelner Klebestellen durchzuführen. Dabei wird eine hohe Positionsgenauigkeit der verklebten Werkstücke bei gleichzeitig kurzen Taktzeiten des Verklebungsverfahrens bzw. der dazu verwendeten Apparatur erreicht. Dies hat geringe Maschinenbelegungszeiten zur Folge, erfordert nur ein einfa­ ches Equipment und erlaubt eine sichere Durchführung. Auch ist eine gemeinsame Anhärtung mehrerer Klebestellen in einem Schritt möglich.

Nach Anhärtung sämtlicher Klebeverbindungen werden diese aus­ gehärtet. Dazu wird die durch Verklebung erzeugte Anordnung in einem Ofen auf eine der Anhärttemperatur entsprechende Tempera­ tur gebracht und für einige Zeit dort belassen. Üblicherweise sind weniger als zwei Stunden zur vollständigen Aushärtung ausreichend. Bei verschiedenen Reaktionsharzen genügen bereits die zur Anhärtung gewählten Bedingungen bzw. Härtezeiten, um eine vollständige Aushärtung der Klebeverbindung zu erzielen, so daß eine nachfolgende Aushärtung nicht erforderlich ist, da sie zu keinerlei Verbesserung der Klebeverbindung mehr führt.

Besonders vorteilhaft wird das Verfahren für flächige Werk­ stücke eingesetzt, die empfindlich auf durch die Härtung be­ dingte Verspannungen reagieren können. Besonders dünne flächi­ ge Werkstücke zeigen bei hoher Verspannung einen Bimetall­ effekt, der durch die unterschiedliche thermische Ausdehnung verklebter bzw. verbundener Teile zu einer Verbiegung des Werkstücks führt. Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet diese Effekte und ist daher für Werkstücke geeignet, die bei Verspannung oder Verbiegung mit Bruch oder sonstiger Änderung der Eigenschaften reagieren, insbesondere Werkstücke aus empfindlichen Materialien, wie Keramik, Halbleiterbauelemente oder andere empfindliche Präzisionsbauteile, mikromechanische oder andere feinstrukturierte Bauteile. Es werden maximale Durchbiegungen von 2 µm auf 1 cm verklebter Werkstücklänge bei um den Faktor 10 differierenden Ausdehnungskoeffizienten der verklebten Materialien gemessen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden Reak­ tionsharze verwendet, welche eine Fügeoffenzeit zwischen 1 Se­ kunde und 2 Minuten aufweisen. Bei derart kurzen Fügeoffenzei­ ten reduziert sich zumeist auch die Anhärtzeit. Bei 60 bis 100°C härten derartige Reaktionsharze innerhalb weniger Sekun­ den an.

Das Verfahren läßt sich mit einem Reaktionsharz realisieren, welches nach einem UV-initiiert kationischen Prozeß härtet. Solche Reaktionsharze sind aus der Gruppe der Epoxidharze aus­ gewählt, wobei bis zu 50 Gewichtsprozent weiterer Verbindungen enthalten sein können, die mit Epoxidharzen unter den gegebenen Härtungsbedingungen eine Copolymerisation zeigen. Dies sind insbesondere Polyhydroxiverbindungen und/oder elektronenreiche vinylgruppenhaltige Verbindungen. Auch cyclische Ether können enthalten sein. Während als Basisharz ein oder mehrere Harze aus der Gruppe der cycloaliphatischen und der aliphatischen Epoxidharze ausgewählt sind, die üblicherweise niedermolekular und niederviskos sind, wird zum Erzielen einer für das Ver­ fahren geeigneten Konsistenz vorteilhafterweise ein festes Harz zur Copolymerisation angeboten, beispielsweise ein Cresol-Novolak-Epoxidharz. Als aliphatisches Epoxidharz ist epoxidiertes Sojabohnenöl bevorzugt.

Der Photoinitiator ist in dem im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Reaktionsharz in einem Anteil von 0,1 bis 5 Ge­ wichtsprozent enthalten. Geeignete Photoinitiatoren für den UV-initiierten kationischen Härtungsmechanismus sind beispiels­ weise von stabilen organischen Kationen abgeleitet, insbeson­ dere mit Schwefel oder Jod als Zentralatom. Als besonders vor­ teilhaft haben sich aromatische Oniumsalze mit komplexen An­ ionen erwiesen. Ein eine Lewis-Säure enthaltender Photoinitia­ tor kann als Pi-Donor-Übergangsmetallkomplex realisiert wer­ den. Weiterhin zu nennen sind Phenacylsulfoniumsalze, Hydro­ xylphenylsulfoniumsalze sowie Sulfoxoniumsalze. Auch organi­ sche Siliziumverbindungen, die bei UV-Bestrahlung in Anwesen­ heit von Aluminiumalkoholaten ein Silanol freisetzen, initi­ ieren eine kationische Härtung.

Weiterhin können im Reaktionsharz übliche Zusätze enthalten sein wie Haftvermittler, Verlaufshilfsmittel, Photosensibi­ lisatoren, Coinitiatoren oder Thixotropierungsmittel, insbe­ sondere Füllstoffe.

Für ein spezielles Ausführungsbeispiel, bei dem die Reaktions­ harzschicht über ein siebdruckähnliches Verfahren mittels eines Lochplattendispensers aufgetragen wird, sind insbesondere hochdisperse Kieselsäuren als Füllstoffe geeignet.

Als Haftvermittler wird in einem Ausführungsbeispiel zur Ver­ klebung eines Werkstücks mit einer aus Silizium bestehenden Klebestelle auf eine Aluminium- oder Kunststoffunterlage ein Epoxysilan und als Verlaufsmittel ein Acrylharz eingesetzt.

Als Photosensibilisatoren können alle üblicherweise verwende­ ten und bekannten Verbindungen eingesetzt werden, beispiels­ weise Perylen.

Die Auswahl einer geeigneten Strahlenquelle zur Initiierung des Härtungsprozesses ist von dem ausgewählten Photoinitiator bzw. vom System Photoinitiator/Photosensibilisator abhängig. Sie erfolgt in erster Linie anhand des Empfindlichkeitsberei­ ches des Photoinitiators derart, daß ein möglichst großer Teil des emittierten Strahlenspektrums der Strahlenquelle innerhalb dieses Empfindlichkeitsbereiches liegt. Die Intensität der Strahlenquelle wird nach Möglichkeit so gewählt, daß bei Bestrahlung einer Reaktionsharzschicht der darin enthaltene Photoinitiator innerhalb einer möglichst kurzen Zeit voll­ ständig umgesetzt wird. Die Bestrahlungsdauer ist dabei noch von der Schichtdicke der Reaktionsharzschicht sowie von der Absorption darin enthaltener Bestandteile abhängig. Der Umsatz des Photoinitiators soll zwar vollständig sein, jedoch ist eine zu lange Bestrahlung zu vermeiden, um eine zu starke Erwärmung des Reaktionsharzes und eine dadurch ausgelöste vorzeitige Anhärtung zu verhindern.

Gut geeignet als Bestrahlungsquellen sind Quecksilberdampf­ lampen, die in den folgenden Ausführungsbeispielen optimale Bestrahlungsdauern für dünne Reaktionsharzschichten im Bereich weniger Sekunden ergeben.

Als spezielle Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im folgenden in einem Ausführungsbeispiel die Herstellung eines Spritzmoduls für Tintenstrahldrucker beschrieben, dafür besonders geeignete Reaktionsharzzusammensetzungen angegeben und die Eigenschaften der erfindungsgemäß hergestellten Ver­ klebung mit denen von bekannten Klebestoffen bzw. Klebever­ fahren verglichen.

Zusätzlich erläutert wird das Verfahren durch die dazugehörigen zwei Figuren, welche in schematischer Darstellung die Verkle­ bung eines Spritzkopfes (Werkstück) auf einem Aluminiumträger (Unterlage) darstellen.

Für die genannte Anwendung besteht das spezifische Problem darin, einen auf einem Siliziumsubstrat aufgebauten Spritz­ kopf mit den ungefähren Ausmaßen 10 mm · 10 mm · 2 mm mit seiner Siliziumunterseite auf einem Aluminiumträger flächig aufzukleben.

An einer Schmalseite des Spritzkopfes enden Tintenkanäle in zum Beispiel 40 µm durchmessenden Düsen. Aufgrund dieser ge­ ringen Strukturabmessungen sind die Druckeigenschaften des späteren Spritzmoduls wesentlich von einer spannungsarmen Ver­ klebung des Spritzkopfes auf dem Aluminiumträger abhängig. Bereits geringe beim Härten der Verklebung auftretende Ver­ spannungen führen zu einer Verschlechterung der Druckqualität, insbesondere im Mehrfarbdruck. Dort werden für unterschied­ liche Farben unterschiedliche Spritzmodule verwendet, die das aus mehreren Farben zusammengesetzte Bild exakt übereinander drucken müssen, um eine hohe Qualität zu erzielen.

Außerdem kann die Verklebung in Kontakt mit verwendeten Tinten stehen, so daß sie auch gegen die Tinte beständig sein muß. Sie darf auch bei längerer Lagerung in Tinte weder einen durch Auswaschung bedingten Gewichtsverlust noch eine durch Auf­ quellen bedingte übermäßige Massenzunahme zeigen. Dabei soll auch eine niedrige Glasübergangstemperatur im Bereich der Raumtemperatur sowie eine ausreichende mechanische Festigkeit der Klebeverbindung gewährleistet bleiben.

Die als Klebstoffe verwendeten Reaktionsharze werden durch Zu­ gabe von Thixotropierungsmitteln auf eine bestimmte Applika­ tionsvorrichtung optimiert.

Für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Applikations­ vorrichtungen sind insbesondere sogenannte Lochplattendis­ penser, für den eine Einstellung der Reaktionsharz-Viskosität auf 12(±4) Pas bei einem Schergefälle von 40 s^-1 (Platte-Kegel- Viskosimeter) erforderlich ist. Weitere Vorrichtungen bzw. Verfahren sind Siebdruck (20±5 Pas, 40 s^-1), Stempeltransfer (3±1 Pas) oder Lochbodendispenser (70±10 Pas 20 s^-1).

Die Vorbereitung der Harze erfolgt durch Lösen der festen Be­ standteile (hier Cresol-Novolak-Epoxidharz) in den flüssigen Bestandteilen bei 90°C unter Lichtausschluß. Anschließend wer­ den Photoinitiatoren und weitere Additive unter Rühren bei ca. 50°C gelöst. Mit einer mit 3000 min^-1 drehenden Zahnscheibe (ca. 4 cm Durchmesser) werden die Aerosile eindispergiert. Bei ca. 100 Pa wird für 15 Minuten entgast.

Fig. 1: Für die Applikation der Reaktionsharze auf die Klebe­ stelle des Aluminiumträgers 1 wird ein Lochplattendispenser verwendet, welcher auf 1 cm² Fläche 2,5 mg Reaktionsharz in 247 Punkten 2 aufbringt. Dafür ist eine thixotrope Einstellung des Klebstoffs erforderlich.

Mit einer intensiven Quecksilberdampf-Lampe (hier: Blue-Point, Firma Hönle) werden die optimalen Bestrahlungsbedingungen er­ mittelt, wobei sich für die gewählte Lampe eine Bestrahlungs­ dauer von 5 Sekunden im Abstand von 15 mm bewährt. Nach der Be­ strahlung (siehe Pfeile 3) weist das Reaktionsharz eine Füge­ offenzeit von ca. 15 Minuten bei Raumtemperatur auf, innerhalb der die Positionierung des zu verklebenden Werkstücks erfolgen muß.

Fig. 2: Nun wird der Spritzkopf 4 (Werkstück) auf die vorge­ sehene und mit der Reaktionsharzschicht versehene Klebestelle auf dem Aluminiumträger 1 (= Unterlage) aufgesetzt und ange­ preßt, wobei sich eine durchgehende Reaktionsharzschicht 5 mit einer Dicke von ca. 17 µm ausbildet.

Durch Ansetzen eines Heizstempels an den Aluminiumträger wird dieser im Bereich der Klebestelle für ca. 20 Sekunden auf 65° erwärmt. Dadurch geliert das Reaktionsharz und fixiert den Spritzkopf auf dem Träger. Die Fixierung ist ausreichend, um vor der endgültigen Härtung weitere Verarbeitungsschritte und insbesondere auch weitere Verklebungen vorzunehmen, ohne ein Verrutschen des Spritzkopfes befürchten zu müssen.

Die endgültige und vollständige Aushärtung des Reaktionsharzes wird durch zweistündiges Erwärmen auf 80°C durchgeführt.

Die fertig verklebten Spritzmodule werden auf spannungsbeding­ te Durchbiegung untersucht, die zum Lösen der Klebeverbindung nötigen Scherkräfte bestimmt und die Messung nach einer Lage­ rung des Spritzmoduls in Tinte (21 Tage/70°C) wiederholt. Außerdem wird die Massenveränderung der gehärteten Klebever­ bindung nach der genannten Tintenlagerung untersucht.

Für die Reaktionsharze werden Mischungen eingesetzt, die aus gebräuchlichen Einzelkomponenten zusammengesetzt sind. Für das Basisharz werden ein niederviskoses cycloaliphatisches Epoxid­ harz (CY 179, Ciba-Geigy), ein festes Cresol-Novolak-EP-Harz (Quatrex 3310, Dow Chemical) und ein epoxidiertes Sojabohnen­ öl (Edenöl D 82, Henkel) ausgewählt. Cyclopentadienyl-isopro­ pylbenzol-Eisen(II) -hexafluorophosphat (Irgacure 261, Ciba- Geigy) wird als Photoinitiator verwendet und als Sensibili­ sator Perylen (Merck).

Thixotropiert wird der Klebstoff mit hochdispersen Kieselsäu­ ren (Aerosil 200 und Aerosil R 805, Degussa) .

Als Haftvermittler wird ein Epoxysilan (A 187, UCC) und als Verlaufsmittel ein Acrylharz (Modaflow, Monsanto) eingesetzt.

Die Zusammensetzung ausgewählter für diese Anwendung besonders geeigneter Reaktionsharze ist der folgenden Tabelle 1 zu ent­ nehmen (Angabe in Masseteilen).

Bei den Reaktionsharzmischungen handelt es sich um thixotrope grüngelblich fluoreszierende Flüssigkeiten. Relevante Eigen­ schaften einiger Zusammensetzungen sind in Tabelle 2 aufge­ listet.

Tabelle 2

Die angegebenen Viskositäten sind zu Beginn der Messung ermit­ telt, die im Platte-Kegel-Viskosimeter auftretenden Scherkräf­ te also noch nicht abgebaut.

Eine weitere Untersuchung der erfindungsgemäß hergestellten Klebeverbindung wurde zur Bestimmung der Temperaturwechselbe­ ständigkeit durchgeführt. Dazu wurden jeweils mehrere erfin­ dungsgemäß verklebte Spritzmodule im Wechsel auf -25°C abge­ kühlt, 15 Minuten bei der tiefen Temperatur gehalten, dann für 15 Minuten auf + 70°C erhitzt und schließlich wieder ab­ gekühlt. Die erfindungsgemäßen Verklebungen zeigen auch nach 30 solcher Temperaturzyklen keine Ausfälle.

Die zum Abscheren der Spritzköpfe nötigen Scherkräfte einiger Klebeverbindungen sind Tabelle 3 zu entnehmen. Eine weitere Bestimmung der Scherkräfte wird nach der genannten 21-tägigen Tintenlagerung bei 70°C vorgenommen und ist ebenfalls Tabelle 3 zu entnehmen.

Tabelle 3

Für Vergleichsuntersuchungen wurden die Spritzmodule mit han­ delsüblichen Klebstoffen entsprechend den Herstellervorschrif­ ten verklebt und den gleichen Tests unterzogen. Dabei ergaben sich sowohl für das Verfahren als auch für die Eigenschaften der Klebeverbindung deutliche Nachteile gegenüber der Erfindung. Diese zeigten entweder zu hohe Reaktivität und daher zu gerin­ ge Fügeoffenzeit, nicht ausreichende Temperaturzyklenfestig­ keiten, für die Verarbeitung nicht geeignete Viskositäten oder nach der Verklebung zu hohe Verspannungen im Spritzmodul, die bei diesem zu Verbiegungen bis zu 10 µm führten. Bei den Be­ stimmungen der Tintenfestigkeit zeigte keiner der bekannten getesteten Klebstoffe ein befriedigendes Ergebnis. Beobachtet wurden vor allem eine unzulässig hohe Massenzunahme durch Auf­ quellen, eine zu starke Massenabnahme durch Auswaschung und/oder eine auf einen unzulässig niedrigen Wert abgesunkene Scherfestigkeit der Klebeverbindung.

Von den angegebenen Klebstoffzusammensetzungen härtet LX-B 22 am schnellsten und weist daher auch die kürzeste Fügeoffenzeit auf. Dies ist auf den relativ hohen Anteil an cycloaliphati­ schem Epoxid (CY 179) zurückzuführen. Die Mischung mit der langsamsten Härtung ist LX-B 31, bedingt durch den relativ hohen Anteil an Novolak-Harz (Quatrex 3310). So läßt sich für jeden Anwendungszweck eine geeignete Mischung mit individu­ ellem Härteverhalten auswählen.

Am Beispiel der Zusammensetzung LX-B 31 wird die Abhängigkeit der Reaktionsharzeigenschaften von den Härtungsbedingungen Strahlendosis, Härtungstemperatur und Zeit bestimmt.

Fig. 3 zeigt die Festigkeit einer Klebeverbindung in Abhän­ gigkeit von der Zeit, wobei die verschiedenen Kurven A bis F bei unterschiedlichen Bedingungen bestimmt wurden.

Bei der den Kurzen E und F entsprechenden Versuchsdurchführung wurde das Reaktionsharz 10 s bei Raumtemperatur UV-bestrahlt und die Klebeverbindung zusammengefügt. Zum Härten wird auf 70°C erhitzt. Dabei werden in gleichbleibenden Abständen die zum Abscheren des Werkstücks nötigen Kräfte (in Newton) be­ stimmt. Man sieht, daß eine hier mit 10 N ausreichende An­ härtung unter diesen Bedingungen nach 70 bis 75 s erreicht wird.

Die Meßkurven C und D wurden bei einer Klebeverbindung ge­ messen, deren Klebestelle 60 s bei Raumtemperatur bestrahlt und schließlich bei 70°C gehalten wird. Es ist eine deutlich schnellere Härtung zu beobachten. Die Anhärtung (erreicht bei 10 N Scherkraft) wird nach 37 bis 45 s erreicht.

Die Kurven A und B schließlich zeigen, daß unter den angeführ­ ten Beispielen die höchste Härtungsgeschwindigkeit mit der höchsten Temperatur von 90°C erreicht wird, obwohl in diesem Versuch nur 10 s bestrahlt wurde.

Fig. 4 zeigt das Viskositätsverhalten des 50 s bestrahlten Klebstoffes LX-B 31 über die Zeit in Abhängigkeit von der Temperatur. Bei Raumtemperatur wird im Meßintervall kein Viskositätsanstieg beobachtet (Linie G). Bei 70°C dagegen (siehe Kurve H) steigt die Viskosität nach ca. 30 s steil an.

Oberhalb von 50 Pas bzw. nach 75 s ist der Klebestoff bereits so weit ausgehärtet, daß sich die Viskosität nicht mehr mit dem zur Messung verwendeten Platte-Kegel-Viskosimeter bestim­ men läßt. Es steht also eine bei Raumtemperatur ausreichend lange Fügeoffenzeit zur Verfügung, wohingegen bei Temperatur­ erhöhung eine schnelle An- und Aushärtung erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch seine ein­ fache und sichere Durchführung aus, kann bei niedrigen Tempe­ raturen durchgeführt werden, führt zu spannungsarmen und aus­ reichend festen Klebeverbindungen, die außerdem sowohl gegen­ über schwankenden Temperaturbelastungen als auch gegenüber einer Tintenlagerung außerordentlich unempfindlich sind. Das Verfahren und die dadurch hergestellte Klebeverbindung sind besonders für spannungsempfindliche flächige Werkstücke mit unterschiedlichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten ge­ eignet. Vorteilhafte allgemeinere Anwendungen sind dort zu sehen, wo eine Lösungsmittelbeständigkeit der Klebeverbindung erforderlich ist. Darüber hinaus können mit dem erfindungsge­ mäßen Verfahren natürlich auch Verklebungen hergestellt werden, an die nicht so hohe Anforderungen gerichtet werden. Die im Ausführungsbeispiel erläuterte Anwendung für ein Spritzmodul ist daher nur als besonders vorteilhafte und die Breite der Erfindung nicht einschränkende Ausführung zu sehen.

Claims (7)

1. Verfahren zur spannungsarmen Verklebung eines flächigen Werkstücks mit einer Unterlage, wobei Werkstück und Unterlage unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufwei­ sen,

• - bei dem ein Reaktionsharz mittels einer Applikationsvor­ richtung in einer dünnen Schicht auf eine Klebestelle aufge­ bracht wird,
• - durch eine Strahlenquelle mit UV- oder sichtbarem Licht ak­ tiviert wird,
• - Werkstück und Unterlage mit ihren Klebestellen zusammengefügt und gegebenenfalls entsprechend einer Vorgabe innerhalb einer Fügeoffenzeit präzise ausgerichtet werden,
• - die Klebestelle zur Fixierung während einer Anhärtzeit von weniger als einer Minute auf eine erhöhte Temperatur ge­ bracht wird,
• - gegebenenfalls weitere Verklebungen von weiteren Werkstücken bis zur Anhärtung auf der Unterlage vorgenommen werden und schließlich vollständig ausgehärtet werden, wobei ein UV-initiiert kationisch härtendes Reaktionsharz mit einer Fügeoffenzeit im Bereich von einer Sekunde bis 30 Minu­ ten gewählt wird, dessen chemische An- und Aushärtung sich bei 40 bis 100°C durchführen läßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Reaktionsharz mit einer Fügeoffen­ zeit von 1 Sekunde bis 2 Minuten verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Anhärtung bei 60 bis 90°C innerhalb weniger Sekunden durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reaktionsharz verwendet wird, enthaltend
50 bis 99 Gewichtsprozent eines Epoxidharzes oder eines Gemi­ sches mehrerer Epoxidharze,
1 bis 50 Gewichtsprozent einer zur Copolymerisation mit dem Epoxidharz fähigen Verbindung, ausgewählt aus Polyhydroxyver­ bindung und/oder einer vinylgruppenhaltigen Verbindung,
0,1 bis 5 Gewichtsprozent eines Kationen erzeugenden Photo­ initiators
sowie gegebenenfalls weitere für Reaktionsharze übliche Zu­ sätze wie Haftvermittler, Verlaufshilfsmittel, Thixotrobie­ rungsmittel, insbesondere Füllstoffe, oder Sensibilisatoren.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reaktionsharz verwendet wird, welches cycloaliphatische Epoxide, aliphatische Epoxide und als zur Copolymerisation fähige Verbindung ein Cresol-Novo­ lakharz enthält.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Reak­ tionsharz als Photoinitiatoren von Ferrocen abgeleitete Salze, Sulfoniumsalze oder in Anwesenheit von aluminiumorganischen Verbindungen unter UV zu Silanolen zerfallende Siliziumverbin­ dungen verwendet werden.

7. Klebeverbindung zwischen einem flächigen Werkstück mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten, insbesonde­ re aus einem Halbleitermaterial oder Metall, und einer aus Me­ tall oder Kunststoff bestehenden Unterlage mit einem zweiten, vom ersten verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wobei die Klebeverbindung aus einem Reaktionsharz besteht, welches nach einem kationischen Härtungsprozeß bei moderaten Temperaturen von weniger als 100°C gehärtet und daher span­ nungsarm ist, eine Glasübergangstemperatur kleiner gleich 40°C aufweist und wobei die Klebeverbindung von Werkstück und/oder Substrat zumindest teilweise gegen eine zur Härtung verwendete Strahlung abgeschattet ist.