Abstract:
In nahezu allen modernen Fügetechnologien, die in der Mikrosystemtechnik Anwendung finden, kommen hohe Temperaturen zum Einsatz. Zwar sind diese notwendig, um die erwünschten Verbindungen herzustellen, können aber zu erheblichen Problemen führen. Insbesondere im Zusammenhang mit sensiblen mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) können hohe Temperaturen die funktionellen Strukturen beschädigen. Hinzu kommt, dass häufig das Fügen von unterschiedlichen Materialien gefordert wird. Aufgrund von Differenzen in den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe können hohe Temperaturen während des Fügeprozesses zu intrinsischen Spannungen im Bauteil führen. ... mehrDies führt zu erhöhter Ausfallquote und reduzierter Lebensdauer der Produkte.
Reaktives fügen mittels integrierter Reaktivsysteme (integrated reactive material systems – iRMS) wurde in jüngerer Vergangenheit vermehrt untersucht, da es eine vielversprechende Methode liefert um heterogene Materialkombinationen ohne großen thermischen Eintrag in das System zu Verbinden [1]. Diese Konzepte setzen auf eine große Zahl abwechselnd aufgetragener Schichten von reaktiven Materia-
lien wie zum Beispiel Al, Ti, Ni, Co, Zr, Pd oder Pt. Im Schichtstapel kann eine selbsterhaltende exotherme Reaktion ablaufen, welche äußerst lokal für einen sehr kurzen Zeitraum hohe Temperaturen erzeugt [2, 3].
Die mit iRMS-Fügen erzielten Ergebnisse sind überzeugend, es gibt allerdings zwei große Nachteile. Erstens ist die Herstellung von hunderten abwechselnden Schichten mittels Magnetron Sputtering sehr zeitaufwändig und kostspielig. Der zweite Nachteil ist die Notwendigkeit der Strukturierung der reaktiven Stapel. Dies wird mittels Lithographie- und Ätzprozessen durchgeführt, und birgt ob der hohen Reaktivität der Schichtstapel ein nicht zu vernachlässigendes Risiko zur ungewollten Zündung.
Ziel dieser Arbeit ist es, ein neues reaktives Fügekonzept zu entwickeln, das auf einer einzelnen gedruckten Schicht eines reaktiven Nanokomposits bestehend aus metallischen Nanopartikeln basiert. Das Fügekonzept basiert auf vier Prozessschritten: Durch dispergieren der Nanopartikel in einem organischen Lösungsmittel wird ungewollter Zündung vorgebeugt und die Handhabung wird vereinfacht. Nach dem Dispensen der Dispersion mittels Drucktechnologien auf den ersten Fügepartner wird das Lösungsmittel entfernt und die Schicht reaktiver Nanokomposite getrocknet. Der zweite Fügepartner wird anschließend ausgerichtet und unter Anpressdruck wird die reaktive Schicht mittels Laserpuls gezündet. Die daraus folgende selbsterhaltende exotherme Reaktion gibt genügend Wärme frei um die Bauteile zu fügen, während die umliegenden Bereiche nicht signifikant erhitzt werden.
Experimentelle Untersuchungen des Dispergierens, zur mechanischen Aktivierung der Nanokomposite und zur Zündung wurden durchgeführt. Schlussendlich wurde eine kurze Serie von Fügeversuchen mit Silica-Gläsern durchgeführt, jedoch mit negativem Ergebnis. Allen Vorversuchen wurden umfangreiche Charakterisierungen und Analysen der Materialien, Reaktionsprodukte und Reaktionsparameter mittels Elektronenmikroskopie, energiedispersiver Röntgenspektroskopie, Weißlichtinterferometrie, Röntgenstrukturanalyse, Transmissionselektronenmikroskopie, Differenz-Thermoanalyse, dynamischer Differenzkalorimetrie und Hochgeschwindigkeitsbildgebung hintenangestellt. Abschließend wurden die Ergebnisse der Experimente ausgewertet und es wird ein Ausblick gegeben, der die notwendigen Schritte zur Realisierung vom Fügen mit gedruckten, reaktiven Nanokompositen darstellt.
Die Ergebnisse haben die Praktikabilität des Konzepts auf Grund der hohen Reaktivität der Nanopartikel und Eignung zum Drucken bestätigt. In Anbetracht des aktuellen Standes der Technik in Mikrofügetechnologien und dem dargestellten Bedarf an neuen Niedrigtemperaturprozessen stellt diese Arbeit ein überzeugendes Argument für die Weiterentwicklung des Konzepts zur vollen Einsatzfähigkeit und Marktreife dar.
Abstract (englisch):
Most modern bonding techniques in microsystems technologies make use of high temperatures. While this is necessary to establish strong bonding forces, it can cause significant problems. Especially when dealing with delicate microelectromechanical systems (MEMS) devices, high temperatures can destroy the functional structures. Furthermore, it is often required to bond different materials, which can lead to intrinsic tensions caused by differences in the material’s coefficients of thermal expansion.
Reactive bonding using integrated reactive material systems (iRMS) has gained attention throughout the last years. ... mehrAs an internal heat source for bonding, these systems promise a feasible way to join heterogeneous materials without applying too much thermal stress to the whole device [1]. These concepts usually comprise multiple alternating layers of reactive materials such as Al, Ti, Ni, Co, Zr, Pd or Pt which undergo a self-propagating high temperature synthesis (SHS)-reaction [2,3].
While the bonding results with iRMS are compelling, there are two major drawbacks hindering the usage in high volume industrial scales. First, the fabrication of hundreds of alternating layers via magnetron sputtering is very time consuming and costly. Second, the deposited iRMS layers are highly reactive but still subject to patterning process steps like lithography, etching and lift-off, which can be dangerous in regard of unintended ignition.
The scope of this thesis is to develop a novel concept for reactive bonding based on a single printed layer of a reactive nanocomposite (RNC), containing intermixed metal nanoparticles.
The joining concept proposed is based on four process steps: The nanoparticles are dispersed in a volatile organic solvent to enhance handling properties and prevent unintended ignition. After deposition of the dispersion by printing technologies onto the first substrate, the solvent evaporates, leaving a dry layer of intermixed reactive nanoparticles. A second substrate is aligned on top of the reactive layer and while applying pressure, the reactive nanocomposite layer is ignited by a laser pulse. The resulting self-sustaining exothermic reaction creates a sufficient amount of heat to establish a bond between the substrates, without significantly heating the surrounding areas at the same time.
The concept was developed and evaluated for feasibility in regard of deposition techniques, reaction parameters and materials. A series of experiments was conducted comprising dispersion, mechanical activation and ignition. Ultimately, a
brief set of tests for bonding of two fused silica substrates was conducted negative outcome. All intermediate experiments were followed by extensive characterization and analysis measures using scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive x-ray spectroscopy (EDX), scanning white light interferometry, x-ray powder diffractometry (XRD), high resolution transmission electron microscopy (HR-TEM), differential thermal analysis (DTA), differential scanning
calorimetry (DSC) and high-speed imaging. Finally, the experimental results were evaluated and an outlook is given on the steps necessary to realizing printed-RNC enabled bonding.
Results confirmed the practicability of the concept based on high reactivity of nanoparticles and suitable deposition methods. In regard of the current state of the art in bonding techniques and the outlined demand for new low temperature bonding processes this thesis makes a good case for further developing the proposed concept into an operational, market-ready technology.
