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Title:
COMPONENT ARRANGEMENT WITH AT LEAST TWO COMPONENTS AND METHOD FOR PRODUCING A COMPONENT ARRANGEMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/120767
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a component arrangement (1) comprising: a first component (10) which has a first lateral face (11); and a second component (20) which has a second lateral face (21). The first lateral face (11) is connected to the second lateral face (21) using an integrated reactive material system (30). The integrated reactive material system comprises at least one coating (30a, 30b) of at least one of the lateral faces (11), and the integrated reactive material system (30) further comprises an activation region (33, 226) on one surface (12). The activation region (33, 226) is arranged outside joined-together regions of the first and second lateral face regions and adjoins the regions which are joined together. The at least one coating of the integrated reactive material system is structured in such a way that at least one lateral face is only partially or not completely coated or covered with the integrated reactive material system.

Inventors:
SIXTENSSON DANIEL (DE)
Application Number:
PCT/EP2018/081165
Publication Date:
June 27, 2019
Filing Date:
November 14, 2018
Export Citation:
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Assignee:
ENDRESS HAUSER SE CO KG (DE)
International Classes:
G01L19/14; B23K20/16; G01L19/04
Foreign References:
US20170010167A12017-01-12
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
ANDRES, Angelika (DE)
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Claims:
Patentansprüche

Bauteilanordnung (1 ), umfassend:

ein erstes Bauteil (10), welches eine erste Seitenfläche (1 1 ) aufweist; und ein zweites Bauteil (20), welches eine zweite Seitenfläche (21 ) aufweist, wobei die erste Seitenfläche (1 1 ) mit der zweiten Seitenfläche (21 ) unter Verwendung eines integrierten reaktiven Materialsystems (30) mit einander verbunden ist, wobei das integrierte reaktiven Materialsystem mindestens eine Beschichtung (30a, 30b) mindestens einer der Seitenflächen (1 1 ) umfasst, wobei das integrierte reaktiven Materialsystem (30) ferner einen Aktivierungsbereich (33, 226) auf einer Oberfläche (12) umfasst, wobei der Aktivierungsbereich (33, 226) außerhalb eines miteinander gefügten Bereiches der ersten bzw. zweiten Seitenfläche angeordnet ist und an die miteinander gefügten Bereiche angrenzt,

wobei die mindestens eine Beschichtung des integrierten reaktiven

Materialsystems derartig strukturiert ist, dass die mindestens eine Seitenfläche nur teilweise bzw. nicht vollständig mit dem integrierten reaktiven Materialsystem beschichtet bzw. bedeckt ist.

Bauteilanordnung nach Anspruch 1 , wobei die Beschichtung derartig strukturiert ist, dass sie einen ersten Teil (30a) und einen zweiten Teil (30b) umfasst, wobei vorzugsweise zumindest der erste Teil (30a) im Wesentlichen drehsymmetrisch, insbesondere rotationssymmetrisch, um eine Achse (134) ist, die eine

Oberflächennormale der mindestens einen Seitenfläche bildet und der zweite Teil (30b) vorzugsweise durch den Aktivierungsbereich (33, 226) gebildet wird.

Bauteilanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Beschichtung (30a, 30b) derartig strukturiert ist, dass zumindest der erste Teil (30a) im

Wesentlichen einen Randbereich der mindestens einen Seitenfläche bedeckt. 4. Bauteilanordnung nach einem der Ansprüche 2, wobei die Beschichtung derartig strukturiert ist, dass zumindest der erste Teil (30a) im Wesentlichen einen Mittenbereich der mindestens einen Seitenfläche bedeckt und vorzugsweise der zweite Bereich (30b) außerhalb des miteinander gefügten Bereiches der ersten bzw. zweiten Seitenfläche geführt ist.

5. Bauteilanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung derartig strukturiert ist, dass die Seitenfläche mit weniger als 75%, bevorzugt mit weniger als 50%, besonders bevorzugt mit weniger als 25% von der Beschichtung beschichtet bzw. bedeckt ist. 6. Bauteilanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1-5, wobei eine erste der Seitenflächen zum Fügen der Bauteile mit dem integrierten reaktiven

Materialsystem (30) beschichtet ist, und wobei zumindest eine zweite der Seitenflächen eine Haftvermittlerschicht (40) aufweist, die insbesondere ein Metall, bevorzugt Aluminium, Nickel oder Palladium, umfasst, wobei die

Haftvermittlerschicht im Wesentlichen gleich strukturiert ist wie die Beschichtung der ersten der Seitenflächen, vorzugsweise wie der erste Teil der Beschichtung, wobei die Haftvermittlerschicht besonders bevorzugt keinen dem

Aktivierungsbereich entsprechenden Bereich aufweist.

7. Bauteilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das

integrierte reaktive Materialsystem ferner eine weitere Beschichtung (50) und/oder eine Haftvermittlerschicht (40) umfasst, wobei eine erste der Seitenflächen mit der Beschichtung und eine zweite der Seitenflächen mit der weiteren Beschichtung zum Fügen der Bauteile mit dem integrierten reaktiven Materialsystem

beschichtet sind.

8. Bauteilanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die weitere

Beschichtung gleich strukturiert ist wie die Beschichtung der ersten der

Seitenflächen, vorzugsweise wie der erste Teil der Beschichtung, wobei die weitere Beschichtung besonders bevorzugt keinen dem Aktivierungsbereich entsprechenden Bereich aufweist.

9. Bauteilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die

Oberfläche, welche den Aktivierungsbereich aufweist, in einer Ebene, welche durch die verbundenen Bereiche der Fügeflächen definiert ist, angeordnet ist.

10. Bauteilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eines der Bauteile Glas oder einen Halbleiter, insbesondere Silizium als Werkstoff aufweist.

1 1. Druckmesswandler, umfassend eine mit Druck beaufschlagbare Messmembran (1 12) und mindestens einen Gegenkörper (1 14), wobei der Gegenkörper (1 14) die Messmembran (1 12) entlang eines umlaufenden Randes trägt, wobei der Gegenkörper (1 14) mit einem Trägerkörper (120) verbunden ist, wobei der

Druckmesswandler (100) eine erfindungsgemäße Bauteilanordnung nach einem der Ansprüche 1-10 umfasst, wobei der Trägerkörper (120) ein Bauteil, vorzugsweise das erste Bauteil, dieser Bauteilanordnung ist. 12. Druckmesswandler, nach Anspruch 1 1 , weiterhin umfassend einen vorzugsweise keramischen Anschlusskörper (130), wobei der Anschlusskörper (130) das andere Bauteil, vorzugsweise das zweite Bauteil, der Bauteilanordnung ist, welches mit dem Trägerkörper (120) mittels des integrierten reaktiven

Materialsystems gefügt ist.

13. Druckmesswandler nach dem vorhergehenden Anspruch und Bauteilanordnung nach Anspruch 3, wobei der Trägerkörper (120) und der Anschlusskörper (130) einen Kanal (132) aufweisen, durch den die Messmembran mit einem Druck beaufschlagbar ist, welche mit dem Trägerkörper druckdicht gefügt ist, wobei zumindest der erste Teil der Beschichtung (30a) im Wesentlichen

drehsymmetrisch, insbesondere rotationssymmetrisch, um eine Mittelachse des Kanals (132) ist, und der zweite Teil (30b) vorzugsweise durch den

Aktivierungsbereich (33, 226) gebildet wird.

14. Verfahren zum Herstellen mindestens einer Bauteilanordnung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1-10, durch Verbinden mindestens eines ersten Bauteils mit mindestens einem zweiten Bauteil, wobei das erste Bauteil eine erste

Seitenfläche aufweist, und wobei das zweite Bauteil eine zweite Seitenfläche aufweist, wobei die erste Seitenfläche mit der zweiten Seitenfläche in einem miteinander zu fügenden Bereich zu fügen ist, umfassend die Schritte:

Präparieren eines integrierten reaktiven Materialsystems auf mindestens einer Seitenfläche des zumindest ersten Bauteils, so dass zumindest eine Beschichtung der Seitenfläche und eines Oberflächenbereichs erfolgt, wobei das integrierte reaktive Materialsystem auf dem Oberflächenbereich eine Aktivierungszone bildet;

Strukturieren wenigstens der zumindest einen Beschichtung, so dass zumindest die mindestens eine Seitenfläche nur teilweise bzw. nicht vollständig beschichtet bzw. bedeckt ist;

Positionieren des zweiten Bauteils bezüglich des ersten Bauteils, so dass die zweite Seitenfläche an der ersten Seitenfläche anliegt, und dass die

Aktivierungszone frei liegt;

Aktivieren des integrierten reaktiven Materialsystems, so dass das integrierte reaktive Materialsystem eine exotherm Reaktion durchführt, durch welche ein

Fügematerial zwischen der ersten und zweiten Fügefläche aufgeschmolzen wird, wodurch das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil zwischen den beiden Seitenflächen in dem miteinander zu fügenden Bereich gefügt wird. 15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Präparieren des integrierten reaktiven

Materialsystems das Abscheiden mehrerer alternierende Schichten von mindestens zwei Reaktionspartnern zumindest auf dem ersten Bauteil, vorzugsweise auf dem ersten und zweiten Bauteil, umfasst.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei das zweite Bauteil mit einer weiteren Beschichtung und/oder einer Haftvermittlerschicht versehen und strukturiert wird, bevor das zweite Bauteil bezüglich des ersten Bauteils positioniert wird.

Description:
Bauteilanordnung mit mindestens zwei Bauteilen und Verfahren zum Herstellen einer Bauteilanordnung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bauteilanordnung mit mindestens zwei Bauteilen, welche miteinander gefügt sind, einen Druckmesswandler mit einer solchen

Bauteilanordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Bauteilanordnung durch Fügen zweier Bauteile.

Die Anforderungen an die Fügeverbindung sind dabei sehr vielfältig. So müssen beispielsweise temperaturempfindliche Polymere, organische Stoffe und/oder Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und Komponenten mit temperaturempfindlichen Materialien miteinander verbunden werden. In vielen

Anwendungsfällen, insbesondere in der industriellen Prozessmesstechnik, ist es erforderlich, dass Fügeverbindungen hermetisch dicht sind. Dies ist insofern beachtlich, als damit Klebeverbindungen weitgehend ausscheiden. Schweißverbindungen und

Lotverbindungen sind zwar hermetisch dicht, aber sie sind insofern problematisch, als ihre Herstellung die Fügepartner thermisch belastet, insbesondere dann, wenn die zu fügenden Flächen zwischen den Fügepartnern durch Erhitzen der Fügepartner auf die Schmelztemperatur des Lotmaterials zu bringen sind.

Ferner ist es in diversen Anwendungen wünschenswert, dass die Rückwirkung von der Fügung auf die beiden Bauteile so klein wie möglich gehalten werden. Dies trifft insbesondere in dem Fall zu, dass die beiden Bauteile die gefügt werden sollen, Teile eines Druckmesswandlers darstellen. Um die Rückwirkung so klein wie möglich zu halten gibt es Ansätze, bei denen die Fügefläche möglichst klein gehalten wird. So ist es bspw. bekannt, dass die Fügefläche als eine Podeststruktur ausgebildet wird, so dass lediglich die Oberfläche der Podesstruktur zum Fügen genutzt wird und nicht die gesamte Seitenfläche. Alternativ oder ergänzend hierzu gibt es Ansätze, bei denen zumindest ein Bauteil möglichst klein strukturiert wird, so dass eine Seitenfläche, die als Fügefläche fungiert, ebenfalls möglichst klein ist.

Nachteilig an diesen Ansätzen ist es, dass das jeweilige Bauteil aufwendig und nur mit erhöhten Kosten strukturiert werden muss.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Bauteilanordnung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 , den Druckmesswandler gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 1 , und das Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 14.

Die erfindungsgemäße Bauteilanordnung umfasst ein erstes Bauteil, welches eine erste Seitenfläche aufweist; und ein zweites Bauteil, welches eine zweite Seitenfläche aufweist, wobei die erste

Seitenfläche mit der zweiten Seitenfläche unter Verwendung eines integrierten reaktiven Materialsystems mit einander verbunden ist,

wobei das integrierte reaktiven Materialsystem mindestens eine Beschichtung mindestens einer der Seitenflächen umfasst, wobei das integrierte reaktiven Materialsystem ferner einen Aktivierungsbereich auf einer Oberfläche umfasst, wobei der Aktivierungsbereich außerhalb eines miteinander gefügten Bereiches der ersten bzw. zweiten Seitenfläche angeordnet ist und an die miteinander gefügten Bereiche angrenzt,

wobei die mindestens eine Beschichtung des integrierten reaktiven Materialsystems derartig strukturiert ist, dass die mindestens eine Seitenfläche nur teilweise bzw. nicht vollständig mit dem integrierten reaktiven Materialsystem beschichtet bzw. bedeckt ist.

Reaktive Materialsysteme sind grundsätzlich attraktiv, um insbesondere

temperaturempfindliche Fügepartner miteinander zu verbinden. Reaktive Materialsysteme ermöglichen selbst ausbreitende exotherme Reaktionen, die in anderen Einsatzgebieten bereits zum Fügen von Bauteilen verwendet werden. Hierzu gibt es grundsätzlich zwei Varianten. Einerseits werden thermische Reaktionen in Pulvergemischen zum

Aufschmelzen von Stoffen verwendet, andererseits werden selbst ausbreitende

Reaktionen in nanoskalierten Mehrschichtsystemen in Form von Folien verwendet, um Lotschichten aufzuschmelzen und so eine Fügeverbindung zu erzeugen. Die reaktiven Materialsysteme mit nanoskalierten Mehrschichtsystemen in Form von Folien werden beispielsweise von der Firma Indium Corp. unter der Marke NanoFoil® angeboten.

Ein derartiges integriertes reaktives Materialsystem enthält mindestens zwei

Komponenten, deren Mischung zu einer exotherm Reaktion führen kann, die sich nach Aktivierung selbst ausbreitet. Die zwei Komponenten sind in einer Vielzahl von alternierenden Schichten mit jeweils einer Stärke von wenigen Nanometern bereitgestellt. Nach einer lokalen Aktivierung werden benachbarte Atome aus den alternierenden Lagen zur Bildung intermetallischer Phasen angeregt, wobei es zur Diffusion der Komponenten zwischen den Schichten kommt. Die Reaktionswärme wird entlang der Einzelschichten weitergeleitet. Damit es zu einer sich selbst erhaltenden Reaktion kommt, muss die Reaktionswärme mindestens mit einer solchen Rate freigesetzt werden, dass trotz der über Wärmetransport abgeleiteten Wärme eine Aktivierungstemperatur gehalten werden kann. Die Standardbildungsenthalpie der Reaktionspartner sollte dazu beispielsweise nicht weniger als etwa - 30 kJ/mol-Atom, insbesondere nicht weniger als - 40 kJ/mol- Atom, und bevorzugt nicht weniger als 50 kJ/mol-Atom betragen.

Das Bereitstellen des integrierten reaktiven Materialsystems in Form einer Beschichtung kann insbesondere durch Gasphasenabscheidung erfolgen (PVD nach dem englischen Physical Vapor Deposition). Geeignete integrierte reaktive Materialsysteme umfassen beispielsweise alternierende Schichten von Nickel und Aluminium oder Titan und

Aluminium.

Das integrierte reaktive Materialsystem kann insbesondere alternierende Schichten einer der folgenden Materialkombinationen umfassen:

• AI in Kombination mit einem der folgenden Materialien CuOx, Fe203, Ni, Pd, Pt und Zr; oder

• Ti in Kombination mit B, oder Si; oder

• Zr, Ni oder Pd in Kombination mit Si; oder

• Pd oder Pt in Kombination mit Sn oder Zn.

Denkbar ist aber auch, dass das integrierte Materialsystem drei und mehr Materialpartner, beispielweise durch Kombination der obigen Materialien umfasst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Beschichtung derartig strukturiert ist, dass sie einen ersten Teil und einen zweiten Teil umfasst, wobei vorzugsweise zumindest der erste Teil im Wesentlichen drehsymmetrisch, insbesondere rotationssymmetrisch, um eine Achse ist, die eine Oberflächennormale der mindestens einen Seitenfläche bildet und der zweite Teil vorzugsweise durch den Aktivierungsbereich gebildet wird. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass die Beschichtung derartig strukturiert ist, dass zumindest der erste Teil im Wesentlichen einen Randbereich der mindestens einen Seitenfläche bedeckt oder dass die Beschichtung derartig strukturiert ist, dass zumindest der erste Teil im Wesentlichen einen Mittenbereich der mindestens einen Seitenfläche bedeckt und vorzugsweise der zweite Bereich außerhalb des miteinander gefügten Bereiches der ersten bzw. zweiten Seitenfläche geführt ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Beschichtung derartig strukturiert ist, dass die Seitenfläche mit weniger als 75%, bevorzugt mit weniger als 50%, besonders bevorzugt mit weniger als 25% von der Beschichtung beschichtet bzw. bedeckt ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine erste der Seitenflächen zum Fügen der Bauteile mit dem integrierten reaktiven Materialsystem beschichtet ist, und wobei zumindest eine zweite der Seitenflächen eine

Haftvermittlerschicht aufweist, die insbesondere ein Metall, bevorzugt Aluminium, Nickel oder Palladium, umfasst, wobei die Haftvermittlerschicht im Wesentlichen gleich strukturiert ist wie die Beschichtung der ersten der Seitenflächen, vorzugsweise wie der erste Teil der Beschichtung, wobei die Haftvermittlerschicht besonders bevorzugt keinen dem Aktivierungsbereich entsprechenden Bereich aufweist. Wiederum eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das integrierte reaktive Materialsystem ferner eine weitere Beschichtung und/oder eine Haftvermittlerschicht umfasst, wobei eine erste der Seitenflächen mit der Beschichtung und eine zweite der Seitenflächen mit der weiteren Beschichtung zum Fügen der Bauteile mit dem integrierten reaktiven Materialsystem beschichtet sind. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass die weitere Beschichtung gleich strukturiert ist wie die Beschichtung der ersten der Seitenflächen, vorzugsweise wie der erste Teil der

Beschichtung, wobei die weitere Beschichtung besonders bevorzugt keinen dem

Aktivierungsbereich entsprechenden Bereich aufweist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Oberfläche, welche den Aktivierungsbereich aufweist, in einer Ebene, welche durch die verbundenen Bereiche der Fügeflächen definiert ist, angeordnet ist. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mindestens eines der Bauteile Glas oder einen Halbleiter, insbesondere Silizium als Werkstoff aufweist.

Der erfindungsgemäße Druckmesswandler umfasst eine mit Druck beaufschlagbare Messmembran und mindestens einen Gegenkörper, wobei der Gegenkörper die

Messmembran entlang eines umlaufenden Randes trägt, wobei der Gegenkörper mit einem Trägerkörper verbunden ist, wobei der Druckmesswandler eine erfindungsgemäße Bauteilanordnung gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen umfasst, wobei der Trägerkörper ein Bauteil, vorzugsweise das erste Bauteil, dieser Bauteilanordnung ist. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Druckmesswandler weiterhin einen vorzugsweise keramischen Anschlusskörper aufweist, wobei der

Anschlusskörper das andere Bauteil, vorzugsweise das zweite Bauteil, der

Bauteilanordnung ist, welches mit dem Trägerkörper mittels des integrierten reaktiven Materialsystems gefügt ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Trägerkörper und der Anschlusskörper einen Kanal aufweisen, durch den die Messmembran mit einem Druck beaufschlagbar ist, welche mit dem Trägerkörper druckdicht gefügt ist, wobei zumindest der erste Teil der Beschichtung im Wesentlichen drehsymmetrisch, insbesondere rotationssymmetrisch, um eine Mittelachse des Kanals ist, und der zweite Teil vorzugsweise durch den Aktivierungsbereich gebildet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen mindestens einer Bauteilanordnung, insbesondere einer erfindungsgemäßen Bauteilanordnung durch Verbinden mindestens eines ersten Bauteils mit mindestens einem zweiten Bauteil, wobei das erste Bauteil eine erste Seitenfläche aufweist, und wobei das zweite Bauteil eine zweite Seitenfläche aufweist, wobei die erste Seitenfläche mit der zweiten Seitenfläche in einem miteinander zu fügenden Bereich zu fügen ist, umfasset die Schritte: - Präparieren eines integrierten reaktiven Materialsystems auf mindestens einer

Seitenfläche des zumindest ersten Bauteils, so dass zumindest eine Beschichtung der Seitenfläche und eines Oberflächenbereichs erfolgt, wobei das integrierte reaktive Materialsystem auf dem Oberflächenbereich eine Aktivierungszone bildet; - Strukturieren wenigstens der zumindest einen Beschichtung, so dass zumindest die mindestens eine Seitenfläche nur teilweise bzw. nicht vollständig beschichtet bzw. bedeckt ist;

Positionieren des zweiten Bauteils bezüglich des ersten Bauteils, so dass die zweite Seitenfläche an der ersten Seitenfläche anliegt, und dass die Aktivierungszone frei liegt;

Aktivieren des integrierten reaktiven Materialsystems, so dass das integrierte reaktive Materialsystem eine exotherm Reaktion durchführt, durch welche ein Fügematerial zwischen der ersten und zweiten Fügefläche aufgeschmolzen wird, wodurch das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil zwischen den beiden

Seitenflächen in dem miteinander zu fügenden Bereich gefügt wird.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Präparieren des integrierten reaktiven Materialsystems das Abscheiden mehrerer alternierende Schichten von mindestens zwei Reaktionspartnern zumindest auf dem ersten Bauteil, vorzugsweise auf dem ersten und zweiten Bauteil, umfasst.

Wiederum eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das zweite Bauteil mit einer weiteren Beschichtung und/oder einer

Haftvermittlerschicht versehen und strukturiert wird, bevor das zweite Bauteil bezüglich des ersten Bauteils positioniert wird.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer Bauteilanordnung zu verschiedenen

Zeitpunkten des Fügens der Bauteile der Bauteilanordnung mittels eines integrierten reaktiven Materialsystems; Fig. 2: einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors,

Fig. 3: eine Draufsicht auf ein erstes Beispiel einer erfindungsgemäß strukturierten Beschichtung einer ersten Seitenfläche eines ersten Bauteils der Bauteilanordnung, und eine Ansicht von Unten auf eine zweite Seitenfläche eines zweiten Bauteils der

Bauteilanordnung, die zumindest eine strukturierte metallische Haftvermittlerschicht aufweist; und Fig. 4 eine Draufsicht auf ein zweites Beispiel einer erfindungsgemäß strukturierten

Beschichtung einer ersten Seitenfläche eines ersten Bauteils der Bauteilanordnung, und eine Ansicht von Unten auf eine zweite Seitenfläche eines zweiten Bauteils der

Bauteilanordnung, die zumindest eine strukturierte metallische Haftvermittlerschicht; aufweist.

Die in Fig. 1 dargestellte Bauteilanordnung umfasst ein erstes Bauteil 10 und ein zweites Bauteil 20, welche unter Verwendung eines integrierten reaktiven Materialsystems 30 miteinander gefügt werden. Hierzu ist ein typischer Prozessfluss zur Erzeugung der Fügeverbindung mittels des exotherm reagierenden integrierten Materialsystems dargestellt. Das zweite Bauteil 20 wird mit einer zweiten Seitenfläche 21 auf eine erste

Seitenfläche 1 1 des ersten Bauteils 10 positioniert (I), wobei die erste Seitenfläche 1 1 des ersten Bauteils 10 und ein daran angrenzender Oberflächenbereich 12 des ersten Bauteils 10 mit einem integrierten reaktiven Materialsystem 30 beschichtet sind. Die Beschichtung des angrenzenden Oberflächenbereichs bildet einen Aktivierungsbereich, der nicht von dem zweiten Bauteil 20 verdeckt ist. Das Reaktive Materialsystem umfasst eine Schichtfolge von alternierenden Schichten 31 , 32 zweier Reaktionspartner, wobei der erste Reaktionspartner beispielsweise AI ist, und wobei der zweite Reaktionspartner aus den folgenden Materialien ausgewählt ist: CuOx, Fe203, Ni, Pd, Pt oder Zr. Die Schichtstärke beträgt jeweils etwa 20 nm und die Gesamtstärke der Schichtfolge beträgt etwa 1 pm. Vorzugsweise weist das zweite Bauteil eine in Fig. 1 nicht gesondert dargestellte Haftvermittlerschicht aus einem Metall auf. Alternativ oder ergänzend kann das zweite Bauteil auch mit dem integrierten reaktiven Materialsystem 30 beschichtet sein. In einem ebenfalls in Fig. 1 nicht gesondert dargestellten Prozessschritt, welcher dem Prozessschritt des Positionierens (I) vorangestellt ist, wird die Beschichtung strukturiert, so dass die Beschichtung die erste Seitenfläche nicht vollständig bedeckt. In dem Fall, dass die zweite Seitenfläche eine Haftvermittlerschicht und/oder auch eine weitere Beschichtung mit dem integrierten reaktiven Materialsystem aufweist, wird die

Haftvermittlerschicht und/oder die weitere Beschichtung ebenfalls strukturiert, wobei die Strukturierung derartig durchgeführt wird, dass die weitere Beschichtung und/oder die Haftvermittlerschicht im Wesentlichen gleich der Beschichtung der ersten Seitenfläche entspricht, mit der Ausnahme, dass die weitere Beschichtung und/oder die

Haftvermittlerschicht keinen Aktivierungsbereich aufweist bzw. aufweisen. Dies bietet den Vorteil, dass durch die Bereitstellung des Aktivierungsbereichs außerhalb des Raums zwischen den Seitenflächen des ersten und zweiten Bauteils die Fügezone, d.h. der miteinander gefügte Bereich, zwischen den Seitenflächen zur Initiierung nicht direkt zugänglich sein muss und somit komplexe Fügegeometrien bzw. schwer erreichbare Fügegeometrien erzeugt werden können, gleichzeitig aber keine Fügung des nur einseitig erzeugten Aktivierungsbereiches erfolgt, da der entsprechende Fügepartner fehlt.

Das erste Bauteil 10 und zweite Bauteil 20 können sowohl makroskopische als auch mikroskopische Bauteile sein, die Glas, Keramik, Metall, Halbleiter, und oder Kunststoff als Werkstoff aufweisen.

In einem zweiten Schritt (II) wird eine Kraft auf die Bauteile appliziert, um eine definierte Flächenpressung zwischen den Seitenflächen 1 1 , 21 der Bauteile 10, 20 zu erzielen, und eine exotherme Reaktion wird in dem Aktivierungsbereich des integrierten reaktiven Materialsystems außerhalb der Seitenflächen initiiert. Diese Initiierung kann dabei elektrisch, thermisch, elektro-magnetisch, magnetisch, mechanisch und/oder mittels Laserimpulsen erfolgen. Durch die Initiierung bzw. Aktivierung einer exothermen Reaktion zwischen den Schichten 31 , 32 des integrierten reaktiven Materialsystems 30, schmelzen die Schichten auf, so dass es zur Interdiffusion zwischen den Schichten kommt, so dass eine Mischphase 33 gebildet wird, durch welche die Seitenflächen gefügt sind. Wie in Bildern (III) und (IV) gezeigt ist, durchläuft die exotherme Reaktionsfront das gesamte integrierte reaktive Materialsystem, bis es vollständig durch die Reaktion in die neue Mischphase 33 umgesetzt ist. Die vollständige Umsetzung ist dabei innerhalb weniger Millisekunden beendet. Die gefügten Bauteile können aufgrund des geringen

Wärmeeintrags unmittelbar nach dem Fügevorgang weiterbearbeitet werden.

Die erzeugte Fügeverbindung zwischen den ersten Bauteilen 10, 20 ist vorzugsweise hermetisch dicht, d.h. sie weist Leckraten kleiner 1 x 10-8 mbar-l/s auf. Weiterhin sind die Fügestellen mechanisch fest mit Scherfestigkeiten zwischen 30 MPa und 400 MPa. Sie können biokompatibel und/oder resistent gegenüber aggressiven Medien sein, z.B. Ölen oder Säuren.

Ein großer Vorteil der Erfindung ist, dass durch die Strukturierung der Beschichtung der ersten Seitenfläche mit dem integrierten reaktiven Materialsystem eine möglichst kleine Fügezone, d.h. ein möglichst kleiner miteinander gefügter Bereich der beiden

Fügepartner erzielt werden kann. Durch den möglichst kleinen miteinander gefügten Bereich der beiden Bauteile können thermisch induzierte mechanische Spannungen innerhalb der Bauteilanordnung deutlich reduziert werden. Der in Figur 2 gezeigte Drucksensor 100 umfasst einen Halbleiterdruckmesswandler 1 10 aus Silizium, welcher eine von einem Gegenkörper 1 14 gehaltene Messmembran 1 12 aufweist. Die Messmembran 1 12 ist dabei durch anisotropes Ätzen einer Messkammer 1 18 in einem Siliziumwafer gebildet, wobei der um die Messkammer 1 18 stehen gebliebene Randbereich den Gegenkörper 1 14 bildet. Der Halbleiterdruckmesswandler 1 10 umfasst weiterhin Widerstandselemente, die in der Messmembran 1 12 dotiert sind. Der Drucksensor 100 umfasst weiterhin einen Trägerkörper 120, welcher bspw. ein Borosilikatglas oder ein Siliziumdioxid (Si02) aufweist, wobei der Trägerkörper 120 mit einer Unterseite 1 16 des Gegenkörpers 1 14 gefügt ist, bspw. mittels anodischen

Bondens. Durch den Trägerkörper 120, welcher bspw. in Form eines Stückes eines Halbleiter-Wafers vorliegt, erstreckt sich ein Referenzdruckkanal 122, durch den die Messkammer 1 18 mit einem Referenzdruck beaufschlagbar ist.

Auf einer dem Druckmesswandler 1 10 zugewandten Seitenfläche 1 1 eines, vorzugsweise keramischen Sockels 130 ist eine Beschichtung des integrierten reaktiven

Materialsystems 30 aufgebracht, welches sich an einem angrenzenden

Oberflächenbereich der Seitenfläche des Sockels fortsetzt. Der Trägerkörper 120 liegt mit seiner Unterseite auf dem Sockel 130 auf, wobei sich durch den Sockel 130 ein Kanal 132 erstreckt, welcher mit dem Referenzdruckkanal 122 kommuniziert, wobei das reaktive Materialsystem 30 einen Referenzdruckpfad, der durch den Referenzdruckkanal 122 und den Kanal 132 gebildet ist, zwischen dem Trägerkörper 120 und dem Sockel 130 zur Umgebung hin abdichtet. Der Sockel 130 umfasst einen keramischen Werkstoff, insbesondere AI2O3. Durch Aktivieren des reaktiven Materialsystems in dem

Aktivierungsbereich 126 ist eine exotherme Reaktion ausgelöst, welche das reaktive Materialsystem 30 zwischen dem Trägerkörper 120 und dem Sockel 130 vollständig umgesetzt hat, wodurch die beiden Bauteile dicht gefügt sind. Da die Fügung ohne eine wesentliche Erwärmung der Volumina des Sockels 130 und des Trägerkörpers 120 erfolgt sind, und wurden durch das Fügen der Bauteile miteinander kaum thermomechanische Spannungen in die Bauteile eingebracht.

Erfindungsgemäß ist die Beschichtung dabei derartig strukturiert, bspw. durch einen Lift- Off Prozess, dass die Seitenfläche des Sockels 130 nicht vollständig, d.h. nur lokal, bedeckt ist. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Beschichtung weniger als 75%, bevorzugt weniger als 50%, besonders bevorzugt weniger als 25% der Seitenfläche des Trägerkörpers 120 bedeckt. Hinsichtlich der geometrischen Ausgestaltung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Beschichtung derartig strukturiert wird, dass sie einen ersten Teil, der im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine Achse 132 ist, die eine Oberflächennormale der Seitenfläche des Sockels darstellt, und einen zweiten Teil, der im Wesentlichen durch den Aktivierungsbereich gebildet wird, aufweist. Es versteht sich von selbst, dass der erste und zweite Teil entweder miteinander verbunden oder einstückig von der Beschichtung ausgebildet sind. Exemplarisch zeigt Fig. 3 in der linken Darstellung eine Draufsicht auf die beschichtete Seitenfläche des Sockels, die eine erste erfindungsgemäße Strukturierung der Beschichtung umfasst. Die Beschichtung ist hierbei aus zwei Teilen aufgebaut, dem ersten Teil 30a, der für die spätere Fügung vorgesehen ist und dem zweiten Teil 30b, der im Wesentlichen den Aktivierungsbereich 33 darstellt. Der erste Teil der Beschichtung bedeckt im Wesentlichen einen Mittenbereich der Seitenfläche des Sockels. Ferner kann der erste Teil der Beschichtung 30a, wie in Fig. 3 dargestellt, im Wesentlichen kreisringförmig ausgestaltet sein, und vorzugsweise konzentrisch um den Kanal 132 angeordnet sein. Der zweite Teil der Beschichtung ist in dem vorliegenden Beispiel in Form eines„Ankers“ ausgebildet. Die Erfindung ist jedoch losgelöst von der konkreten Ausgestaltung des zweiten Teils 30b und kann hierfür beliebige Strukturen aufweisen, so lange der zweite Teil in zumindest einem

angrenzenden Oberflächenbereich nicht von den beiden Bauteilen bedeckt ist. Fig. 3 zeigt ferner in der rechten Darstellung eine Ansicht von Unten auf eine zweite Seitenfläche eines zweiten Bauteils der Bauteilanordnung, die eine strukturierte metallische Haftvermittlerschicht 40 aufweist. Die Haftvermittlerschicht ist strukturell im Wesentlichen gleich wie der erste Teil der Beschichtung 30a ausgebildet, so dass die Bauteile, bei einer anschließenden Platzierung aufeinander, zueinander ausgerichtet werden können. In dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel ist die Haftvermittlerschicht somit ebenfalls kreisringförmig ausgestaltet, und konzentrisch um den Kanal 132 angeordnet. Wie in Fig. 3 durch Strichlinien kenntlich gemacht, ist ein zu dem zweiten Teil der Beschichtung 30b entsprechender Bereich bei der Haftvermittlerschicht nicht vorgesehen, so dass in diesem Bereich keine Fügung zwischen dem Trägerkörper 120 und dem Sockel 130 entsteht. Durch das Weglassen der Haftvermittlerschicht in diesem Bereich wird eine asymmetrische Fügung verhindert.

Fig. 4 zeigt exemplarisch eine zweite alternative erfindungsgemäße Strukturierung der Beschichtung. Hierzu zeigt Fig. 4 in der linken Darstellung wiederum eine Draufsicht auf die beschichtete Seitenfläche des Sockels, die eine zweite erfindungsgemäße

Strukturierung der Beschichtung umfasst. Die Beschichtung ist wiederum aus zwei Teilen aufgebaut, dem ersten Teil 30a, der für die spätere Fügung vorgesehen ist und dem zweiten Teil 30b, der im Wesentlichen den Aktivierungsbereich 33 darstellt. Der erste Teil der Beschichtung bedeckt im Wesentlichen einen Randbereich der Seitenfläche des Sockels. Ferner kann der erste Teil der Beschichtung 30a, wie in Fig. 3 dargestellt, im Wesentlichen quadratisch oder rechteckförmig ausgestaltet sein, und vorzugsweise konzentrisch um den Kanal 132 angeordnet sein. Der zweite Teil der Beschichtung ist in dem vorliegenden Beispiel wiederum in Form eines„Ankers“ ausgebildet. Fig. 4 zeigt ferner in der rechten Darstellung eine Ansicht von Unten auf eine zweite Seitenfläche eines zweiten Bauteils der Bauteilanordnung, die ebenfalls mit dem integrierten reaktiven Materialsystem 30 beschichtet ist und somit eine weitere

Beschichtung 50 aufweist. Die weitere Beschichtung 50 ist im Wesentlichen gleich wie der erste Teil der Beschichtung 30a strukturiert. In dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel ist die weitere Beschichtung 50 somit ebenfalls quadratisch oder rechteckförmig

ausgestaltet, und konzentrisch um den Kanal 132 angeordnet. Wie in Fig. 3 auch, ist in Fig. 4 durch Strichlinien kenntlich gemacht, dass ein zu dem zweiten Teil der

Beschichtung 30b entsprechender Bereich bei der weiteren Beschichtung 50 nicht vorgesehen ist.

In Fig. 3 und Fig. 4 ist exemplarisch jeweils eine erfindungsgemäß strukturierte

Beschichtung einer ersten Seitenfläche eines ersten Bauteils der Bauteilanordnung, und eine Ansicht von Unten auf eine zweite Seitenfläche eines zweiten Bauteils der

Bauteilanordnung, die lediglich eine strukturierte metallische Haftvermittlerschicht aufweist, dargestellt. Denkbar ist aber auch eine Variante, bei der die zweite Seitenfläche des zweiten Bauteils der Bauteilanordnung neben der strukturierten metallischen Haftvermittlerschicht zusätzlich auch eine weitere Beschichtung mit dem integrierten reaktiven Materialsystem aufweist.

Bezugszeichenliste

I Bauteilanordnung

10 Erstes Bauteil

I I Erste Seitenfläche

12 angrenzender Oberflächenbereich der nicht von dem zweiten Bauteil verdeckt ist

20 Zweites Bauteil

21 Zweite Seitenfläche

30 integriertes reaktives Materialsystem

30a Erster Teil der Beschichtung

30b Zweiter Teil der Beschichtung

31 , 32 alternierende Schichtfolge

33 Aktivierungsbereich

40 Haftvermittlerschicht

50 weitere Beschichtung

100 Drucksensor

1 10 Halbleiterdruckmesswandler

1 12 Messmembran

1 14 Gegenkörper

1 16 Unterseite des Gegenkörpers

1 18 Messkammer

120 Trägerkörper

122 Referenzdruckkanal

124 integriertes reaktives Materialsystem

130 Sockel bzw. Anschlusskörper

132 Kanal

134 Achse

140 Gehäusekörper




 
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