Reaktives Fügen von Mikrosystemen (ABH028)

Das Projekt gliederte sich in folgende Phasen:

•  Projektphase 1 (01.06.2016 - 30.09.2016): Untersuchungen der Dynamik des Fügeprozesses
•  Projektphase 2 (01.10.2016 - 31.05.2018): Optimierung der Prozesse
•  Projektphase 3 (01.06.2018 - 30.11.2018): Demonstrator, Prozessbeschreibung und Transfer

Im Einzelnen wurden folgende Arbeiten durchgeführt:

Projektphase 1:
Das reaktive Fügen basiert auf einer Reaktion zwischen unterschiedlichen Metallschichten, bei der innerhalb von Millisekunden lokal sehr viel Wärme entsteht, die zum Löten genutzt wird. Dieser Vorgang geht mit einer mechanischen Stoßwelle einher. Bei Hahn-Schickard wurde deshalb ein Messplatz aufgebaut, der die in-situ Beschleunigungsmessung während des reaktiven Fügeprozesses ermöglicht. Die Messungen zeigen einen eindeutigen Peak, der sich zeitlich dem Abschluss der Reaktion zuordnen lässt. Der Beschleunigungsimpuls (d.h. die mechanische Stoßwelle) lässt sich allerdings nicht eindeutig der schnellen, thermisch verursachten Volumenänderung zuordnen, sondern wird vermutlich hauptsächlich durch das abrupte Verdrängen des flüssigen Lots und den Schwund der abreagierten Reaktivfolie verursacht. Dies kann indirekt daran abgelesen werden, dass häufig höhere Signale mit stärkerer Abnahme der Lotschicht und dickeren Reaktivfolien korrelieren. Bei der Empa wurden Hochgeschwindigkeits-Videoaufnahmen während des Fügeprozesses durchgeführt. Dies diente einerseits dazu, den zeitlichen Ablauf der Reaktion verfolgen und analysieren zu können. Andererseits können die erzeugten Video-Sequenzen gut zur Veranschaulichung des schnellen reaktiven Fügeprozesses eingesetzt werden. Dies spielt eine wichtige Rolle beim Transfer der Ergebnisse in die Wirtschaft.

Projektphase 2:
In dieser Projektphase wurden von den Partnern gemeinsam umfangreiche Versuchsserien zum Fügen von in der Mikrotechnologie häufig eingesetzten Materialien wie Aluminiumoxid-Keramik, Silizium, Borosilikatglas und Kupfer durchgeführt. Hauptziel war ein Verständnis für die Dynamik der Wärmeentwicklung beim Fügen der unterschiedlichen Materialien zu entwickeln. Zur Verbesserung der Krafteinleitung während des Fügeprozesses wurden elastische Komponenten eingesetzt. Ein weiterer Aspekt waren die Versuchsreihen zur Modifikation der laserstrukturierten Preform-Geometrie der Reaktivfolien. Weiterhin wurden zerstörungsfreie Untersuchungen durch Ultraschall und Scherversuche zur Prüfung der Festigkeit der Fügeverbindungen durchgeführt. Zusätzlich wurden metallographische Querschliffe hergestellt und analysiert. Die detaillierten Ergebnisse der Versuche wurden bei nationalen und internationalen Konferenzen und Workshops vorgetragen. Darüber hinaus wurden die technischen Ergebnisse in Publikationen präsentiert. Ergänzend wurden Klimatests durchgeführt, um die Langzeitstabilität der reaktiv gefügten Bauteile nachzuweisen.

Projektphase 3:
Abschließend wurde als Demonstrator für das schonende Fügen ein keramisches Chipgehäuse mit einem Deckel aus Borosilikatglas ausgewählt und aufgebaut. Im Rahmen der Transfertätigkeiten wurden die Ergebnisse am 15.03.2018 beim InnovationForum Smarte Technologien und Systeme in Donaueschingen vorgestellt. Neben einem Fachvortrag wurden die Projektergebnisse auch an einem Messestand präsentiert, um Firmenvertretern in persönlichen Gesprächen die Potenziale der reaktiven Fügetechnologie nahezubringen. Diese Veranstaltung war für diesen Zweck sehr gut geeignet, da viele Teilnehmer aus der Interreg-Region vertreten waren.