DE102010019276B4

DE102010019276B4 - Verfahren zur Herstellung eines integrierten Teils durch ein Befestigungsmaterial mithilfe eines magnetischen Feldes

Info

Publication number: DE102010019276B4
Application number: DE102010019276A
Authority: DE
Inventors: John C. Ulicny; Paul E. Krajewski; Mark A. Golden; Keith S. Snavely
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-05-07
Filing date: 2010-05-04
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2030-05-05
Also published as: DE102010019276A1; US7878387B2; CN101898282B; CN101898282A; US20100282823A1

Abstract

Verfahren, welches umfasst, dass: ein erstes Substrat (12) vorgesehen wird, welches zumindest ein Loch (20) aufweist, das sich durch das erste Substrat (12) hindurch erstreckt; ein zweites Substrat (14) vorgesehen wird, welches zumindest ein Loch (22) aufweist, das sich durch das zweite Substrat (14) hindurch erstreckt; das zumindest eine Loch (20) des ersten Substrates (12) mit einem jeweiligen von dem zumindest einen Loch (22) des zweiten Substrates (14) ausgerichtet wird, wobei das erste Substrat (12) und das zweite Substrat (14) an Gegenflächen (16, 18) zusammengepasst werden, um ein gekoppeltes Substrat (50) zu bilden; mithilfe eines magnetischen Feldes ein Befestigungsmaterial (40) in einem geschmolzenen Zustand in das zumindest eine Loch (20), das sich durch das erste Substrat (12) hindurch erstreckt, und in das zumindest eine Loch (22), das sich durch das zweite Substrat (14) hindurch erstreckt, hinein gezogen wird; und das Befestigungsmaterial (40) aus dem geschmolzenen...

Description

Technisches Gebiet
Das Gebiet, auf das sich die Offenlegung allgemein bezieht, sind Materialien, die magnetische Partikel enthalten, welche verwendet werden können, um Substrate aneinander zu befestigen.
Hintergrund
Löten ist ein Prozess, bei dem zwei oder mehrere Metallsubstrate durch Schmelzen und Fließenlassen eines Füllmetalls in die Fügestelle hinein zusammengefügt werden, wobei das Füllmetall einen relativ niedrigen Schmelzpunkt aufweist. Bei einem herkömmlichen Lötprozess wird auf die zu fügenden Substrate Wärme angewendet, die bewirkt, dass das Lötmittel schmilzt und durch Kapillarwirkung in die Fügestelle hinein gezogen wird und durch Benetzungswirkung an die zu fügenden Substrate bindet. Es wird typischerweise ein Lötflussmittel oder -material verwendet, um den Fluss des Lötmittels an den gewünschten Ort zu unterstützen.
Metallsubstrate können alternativ mithilfe von Polymerklebstoffmaterialien zusammengefügt werden. Dies erfolgt herkömmlicherweise, indem der Klebstoff zwischen den Metallsubstraten aufgebracht wird. Die Substrate können auch ähnlich wie bei einem herkömmlichen Lötprozess befestigt werden.
Weitere Hintergrundinformationen zur Erfindung finden sich in den Druckschriften DE 25 53 419 A1 , DE 691 24 792 T2 , JP 6 168 966 A , DE 694 02 895 T2 , US 6 054 761 A , US 6 205 264 B1 , US 6 709 966 B1 , DE 103 34 388 B3 , DE 10 2004 041 651 A1 , US 2006/0 251 754 A1 , US 5 780 536 A und US 5 769 996 A .
Zusammenfassung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung
In einer beispielhaften Ausführungsform kann ein Befestigungsmaterial mit einer hohen Schmelztemperatur hergestellt werden, welches magnetische Partikel enthält und verwendet wird, um zwei oder mehrere Substrate aneinander zu befestigen, um ein integriertes Teil zu bilden. Die magnetischen Partikel in dem Befestigungsmaterial können zulassen, dass eine geschmolzene Mischung des Befestigungsmaterials unter Verwendung eines Magneten, Elektromagneten oder magnetischen Feldes an einen gewünschten Ort gezogen wird.
Weitere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der hierin nachfolgend bereitgestellten detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sollte einzusehen sein, dass die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele, während sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, lediglich Illustrationszwecken dienen sollen und den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken sollen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich, in denen:
1 eine schematische perspektivische partielle Schnittdarstellung eines Verfahrens zum Koppeln eines Paares von Substraten in einer Einspannvorrichtung ist;
2 das Koppeln einer magnetischen Formbasis an die Unterseite der in der Einspannvorrichtung von 1 enthaltenen gekoppelten Substrate und das Hinzfügen des Hochtemperatur-Befestigungsmaterials, welches magnetische Partikel aufweist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
3 ein Verfahren zum Ziehen der Hochtemperatur-Befestigungsmaterialien innerhalb der benachbarten Löcher in dem Paar von Substraten in 2 veranschaulicht, um ein integriertes Teil zu bilden;
4 das Entfernen des integrierten Teils von 3 veranschaulicht;
5 eine alternative Anordnung zum Bilden eines integrierten Teils gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht;
6 eine schematische perspektivische Darstellung zum Rückgewinnen von überschüssigen Hochtemperatur-Befestigungsmaterialen veranschaulicht, die zum Bilden eines integrierten Teils wie in den 1–4 verwendet werden;
7 eine weitere beispielhafte alternative Anordnung zum Bilden des integrierten Teils, wie in den 1–4 veranschaulicht; und
8 eine weitere beispielhafte alternative Anordnung zur Rückgewinnung von überschüssigem Hochtemperatur-Befestigungsmaterial, welches zum Bilden eines integrierten Teils wie in den 1–4 verwendet wird, veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen
Die nachfolgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich von beispielhafter (illustrativer) Natur und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen in keiner Weise einschränken.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die 1–4 kann ein beispielhaftes Verfahren zum Befestigen von zwei unterschiedlichen Substraten 12, 14 aneinander, um ein integriertes Teil 10 zu bilden, dargestellt werden. Wenngleich in den 1–4 zwei Substrate gezeigt sind, kann die Verwendung eines Lötmittels, welches magnetische Partikel umfasst, eingesetzt werden, um zwei Teile wie z. B., jedoch nicht beschränkt auf, eine elektronische Komponente und eine Leiterplatte aneinander zu befestigen. In einer Ausführungsform ist die Lötmittelzusammensetzung frei oder im Wesentlichen frei von einem Flussmittel.
In einer Ausführungsform können, wie zuerst in 1 gezeigt, zwei Substrate 12, 14 zunächst derart ausgerichtet sein, dass ihre jeweiligen Gegenflächen 16, 18 zusammengepasst sind und sodass Durchgangslöcher 20, 22 ausgerichtet sind, wie erwünscht. Eine Einspannvorrichtung 30, die eine linke Hälfte 32 und eine rechte Hälfte 34 aufweist, kann dann an jeder Seite der Substrate 12, 14 positioniert werden und dient dazu, die Substrate 12, 14 einzuspannen, um ein gekoppeltes Substrat 50 zu bilden, sodass die zusammenpassenden Flächen 16, 18 miteinander in Kontakt stehen, wobei die Löcher 20, 22 einen kontinuierlichen Hohlraum oder Hohlräume 38 bilden.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, können die gekoppelten Substrate 50 dann auf einer magnetischen Formbasis 60 angeordnet werden. In dieser Anordnung kann eine nicht zusammengepasste Fläche des Substrates 14 mit einer jeweiligen oberen Fläche 62 der magnetischen Formbasis 60 in engem Kontakt stehen. Die magnetische Formbasis 60 kann vertiefte Bereiche 61 umfassen, die dem kontinuierlichen Hohlraum 38 entsprechen.
Ein Befestigungsmaterial 40 in einem geschmolzenen oder flüssigen Zustand, welches magnetische Partikel 42 enthält, kann dann auf eine nicht zusammengepasste Fläche 50 des Substrates 12 gegenüber der magnetischen Formbasis 60 aufgebracht werden. Wie am besten in 3 gezeigt, sind die magnetischen Partikel 42 in dem geschmolzenen Material 40 dabei hilfreich, das Material 40 durch die Löcher 20, 22 hindurch und in die Vertiefungen 61 hinein zu ziehen und darin die jeweiligen Hohlräume 38 zu füllen. Sobald das geschmolzene Material 40 den Hohlraum 38 und die Vertiefungen füllt, wird zugelassen, dass es abkühlt und aushärtet, um darin die Substrate 12, 14 reversibel zu koppeln, um ein integriertes Teil 10 zu bilden.
Die Ziehrate des geschmolzenen Materials 40 in Richtung der magnetischen Formbasis 60 ist eine Funktion der Größe der Hohlräume 38, der Viskosität des geschmolzenen Materials 40, der Schwerkraft und der Stärke des magnetischen Feldes, das durch die magnetische Formbasis 60 erzeugt wird.
An diesem Punkt können, wie in 4 gezeigt, die Einspannvorrichtung 30 und die Formbasis 60 entfernt werden. Überschüssiges Befestigungsmaterial 45, das nicht innerhalb der Hohlräume 38 enthalten ist, welches sich in die Vertiefungen 61 abgesetzt hat oder auf der nicht zusammengepassten Fläche 50 zurückgeblieben ist, kann durch Verwendung eines äußeren Magneten 55 rückgewonnen und aufbereitet werden, wie am besten in 5 gezeigt. Der äußere Magnet 55 kann ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet sein.
In einer alternativen beispielhaften Anordnung zu der in 3 gezeigten Anordnung, wie in 6 gezeigt, ist die Formbasis 70 keine magnetische Formbasis 60, sondern kann stattdessen aus einem beliebigen nicht magnetischen Material gebildet sein. Die Formbasis umfasst Vertiefungen 71 entlang einer oberen Fläche 72, die den oben beschriebenen Vertiefungen 61 ähnlich sind. In dieser beispielhaften Ausführungsform kann ein Magnet 55 in unmittelbare Nähe zu der unteren Fläche 75 der Formbasis 70 gebracht werden, um das Befestigungsmaterial 40 durch die Löcher 20, 22 hindurch zu ziehen, wie oben beschrieben. Der Magnet 55, ob ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet, kann dann entfernt werden, nachdem das Befestigungsmaterial 40 ausreichend durch die Löcher 20, 22 hindurch gezogen wurde und abgekühlt ist. Alternativ kann ein magnetisches Feld durch eine Spule oder ein anderes Mittel erzeugt werden, um zu bewirken, dass das Lötmittel, welches magnetische Partikel umfasst, an einen gewünschten Ort fließt.
In noch einer weiteren alternativen beispielhaften Anordnung zu der in 3, wie in 7 gezeigt, kann, um das Einleiten des Befestigungsmaterials 40 zu ergänzen, eine Heizeinrichtung 80 in unmittelbarer Nähe zu der magnetischen Formbasis 60 und der nicht zusammengepassten Fläche 50 angeordnet sein. Die Heizeinrichtung 80, ob eine Induktionsheizeinrichtung oder eine Strahlungsheizeinrichtung, kann dabei hilfreich sein, das Befestigungsmaterial 40 in einem geschmolzenen oder flüssigen Zustand zu halten, wenn es durch die Löcher 20, 22 hindurch in Richtung der magnetischen Formbasis 60 gezogen wird. Außerdem kann das Vorhandensein der magnetischen Partikel 42 in dem Lötmittel das anfängliche Erwärmen des Befestigungsmaterials 40 aus einem festen Zustand in den geschmolzenen Zustand erleichtern.
In noch einer weiteren alternativen beispielhaften Anordnung zu 4, die in 8 gezeigt ist, kann eine Heizeinrichtung 80 wie z. B. die Heizeinrichtung 80 von 6 in unmittelbarer Nähe zu dem integrierten Teil 10 angeordnet sein, um jegliches überschüssiges Befestigungsmaterial 45 zu entfernen. Die Heizeinrichtung 80 kann wirksam sein, um das überschüssige Befestigungsmaterial 45 zurück in einen geschmolzenen Zustand zu schmelzen, wobei es ohne weiteres von irgendeiner Fläche des integrierten Teils 10 abgekratzt oder anderweitig entfernt werden kann, wie oben beschrieben.
In einer beispielhaften Ausführungsform für jede der obigen beispielhaften Ausführungsformen der 1–8 kann das Befestigungsmaterial 40 eine Vielzahl von magnetischen Partikeln und eine Legierung aus Bismut und Indium mit einer hohen Schmelztemperatur aufweisen. Alternativ kann das Befestigungsmaterial eine Vielzahl von magnetischen Partikeln und eine Legierung aus Bismut und Indium und Zinn mit einer hohen Schmelztemperatur aufweisen. Die Substratmaterialien 12, 14 können ein beliebiges Material umfassen, auf das ein Lötmittel aufgebracht werden kann, und umfasst, ist jedoch nicht beschränkt auf, Metallsubstratmaterialien wie z. B. Kupfer und Stahl. Wenn permanent magnetisierbare Partikel als magnetische Partikel 42 verwendet werden, wird die Flussdichte des magnetischen Feldes, die während des Prozesses verwendet wird, zum Teil die letztendliche Scherfestigkeit der Bindung zwischen den Substraten 12, 14 bestimmen, welche durch das innerhalb der Hohlräume 38 angeordnete Befestigungsmaterial 40 erzeugt wird. Eine Scherfestigkeitsverstärkung kann auch auftreten, wenn im Gegensatz zu permanenten magnetischen Partikeln „weiche” magnetische Partikel verwendet werden, falls der flüssige Anteil des Lötmittels oder Klebstoffes erstarrt, während das magnetische Feld angewendet wird.
Beispielhafte Legierungen aus Bismut, Indium und/oder Zinn, die in dem Hochtemperaturlegierungs-Befestigungsmaterial 40 verwendet werden können, umfassen Indalloy 174, Indalloy 162 und Indalloy 19, die jeweils eine Zusammensetzung aufweisen, welche unten stehend in Tabelle 1 (Prozentsätze stellen Gewichtsprozente dar) beschrieben ist: Tabelle 1

Indalloy # % Bismut % Indium % Zinn Schmelzpunkt (Grad Celsius)

174 56,3 26,5 17,3 79

162 33,8 66,2 0 72

19 50,9 32,5 16,70 60
Beispielhafte magnetische Materialien 42, die mit den beispielhaften Legierungen verwendet werden können, umfassen Eisenpulver (I. P.) wie z. B. CM (durchschnittliche Partikelgröße 8 Mikrometer) oder HS (durchschnittliche Partikelgröße 2 Mikrometer) oder Kombinationen davon, beide erhältlich von BASF Corp., Mt. Olive, New Jersey. Diese beispielhaften magnetischen Materialien 42 können mit Phenylphosphonsäure (PPA), 14MAG124 (einem magnetorheologischen Fluid) oder mit Siliciumoxid (SiO₂) oberflächenbehandelt sein, um eine Oxidation bei erhöhten Temperaturen zu reduzieren. Diese magnetischen Materialien 42 können vor dem Einbringen in das Material 40 mit Lösungsmitteln gewaschen werden, um restliches Öl von den Eisenpulvern zu entfernen.

Beispielhafte Formulierungen von Befestigungsmaterialien 40 umfassen eine der Hochtemperaturlegierungen von Tabelle 1 mit den beispielhaften magnetischen Materialien 42, die für eine vorbestimmte Zeit mit einem Spatel händisch gemischt wurden. Diese beispielhaften Formulierungen sind in Tabelle 2 bereitgestellt: TABELLE 2

Bestandteil	Gew. Prozent	Mischtemp.	Mischverfahren	Mischzeit	Ergebnisse	Nach 5 Tagen bei 100°C
Legierung 174 50/50 (CM/HS) I.P.	53% 47%	100°C	erwärmt Mörser Spatel zweimal	10 min	Trockene Masse	Trockene weiche Masse
Legierung 174 50/50 (CM/HS) I.P.	64% 36%	100°C	erwärmt Mörser Spatel zweimal	10 min	Gute Mischung Weiche Masse	Weiche Masse
Legierung 162 50/50 (CM/HS) I.P.	64% 36%	100°C	erwärmt Mörser Spatel zweimal	10 min	Sehr gute Mischung	Weiche Masse
Legierung 19 50/50 (CM/HS) I.P.	64% 35%	100°C	erwärmt Mörser Spatel zweimal	10 min	Trockenere Mischung Weiche Masse	Trockenere Weiche Masse
Legierung 174 PPA beschichtet HS I.P.	64% 36%	100°C	erwärmt Mörser Spatel zweimal	10 min	Schwierige Mischung Trockene Masse	Viel trockenere Masse
Legierung 162 PPA beschichtet HS I.P.	64% 36%	100°C	erwärmt Mörser Spatel zweimal	10 min	Schwierige Mischung Trockene Masse	Viel trockenere Masse
Legierung 162 14MAG124 HS I.P.	64% 36%	100°C	erwärmt Mörser Spatel zweimal	10 min	Sehr schnelles Benetzen Weiche Masse	Weiche Masse
Legierung 162 50/50 HS/CM I.P.	64% 36%	100°C	erwärmt Mörser Spatel zweimal	10 min	Sehr schnelles Benetzen Weiche Masse	Weiche Masse

In einer weiteren beispielhaften Formulierung für das Befestigungsmaterial 40 kann das Befestigungsmaterial 40 Polymermaterial mit einer hohen Schmelztemperatur sein, welches die oben erwähnten magnetischen Partikel 42 enthält. Beispielhafte thermoplastische Polymere, die verwendet werden können, umfassen Nylon, Polypropylen, Polystyrol oder Polyethylen.
Das Verfahren zum Aneinanderbinden der Substrate 12, 14, um ein integriertes Teil 10 zu bilden, wie in den 1–7 gezeigt und oben beschrieben, ist gleichermaßen zur Verwendung mit dem Polymermaterial mit der hohen Schmelztemperatur, welches die oben erwähnten magnetischen Partikel 42 enthält, wie auch mit dem Hochtemperaturmetalllötmittel geeignet, welches die magnetischen Partikel 42 umfasst, und wird hierin nicht wiederholt.
Dieses Bindeverfahren der beispielhaften Ausführungsformen weist eine Vielzahl von Vorteilen auf. Zum Beispiel können Teile entweder ähnlicher oder verschiedenartiger Substrate schnell und ohne weiteres aneinander befestigt werden. Es können auch mehrere Befestigungsschritte gleichzeitig ausgeführt werden. Des Weiteren können entweder temporäre oder permanente Befestigungselemente mithilfe desselben beispielhaften Verfahrens eingebaut werden. Es können auch Bindungen mit variierender Festigkeit durch die Verwendung von verschiedenen Materialien des integrierten Teils 10, verschiedenen dimensionierten Löchern und einer unterschiedlichen magnetischen Flussdichte realisiert werden. Schließlich kann der Befestigungsprozess durch Erwärmen des Befestigungsmaterials 40 über seinen Schmelzpunkt und das Anwenden eines Magneten ohne weiteres umgekehrt werden, um das geschmolzene Befestigungsmaterial zu entfernen.
Die obige Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur und somit sind Varianten davon nicht als eine Abweichung von dem Geist und Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.
In ausgewählten beispielhaften Ausführungsformen können die magnetischen Partikel in der Lötmittelzusammensetzung in einer Menge im Bereich von etwa 0,01–50 Gewichts (Gew.)-Prozent; etwa 1–10 Gew.-Prozent; etwa 2–6 Gew.-Prozent oder etwa 3–20 Gew.-Prozent vorhanden sein.

Claims

Verfahren, welches umfasst, dass: ein erstes Substrat (12) vorgesehen wird, welches zumindest ein Loch (20) aufweist, das sich durch das erste Substrat (12) hindurch erstreckt; ein zweites Substrat (14) vorgesehen wird, welches zumindest ein Loch (22) aufweist, das sich durch das zweite Substrat (14) hindurch erstreckt; das zumindest eine Loch (20) des ersten Substrates (12) mit einem jeweiligen von dem zumindest einen Loch (22) des zweiten Substrates (14) ausgerichtet wird, wobei das erste Substrat (12) und das zweite Substrat (14) an Gegenflächen (16, 18) zusammengepasst werden, um ein gekoppeltes Substrat (50) zu bilden; mithilfe eines magnetischen Feldes ein Befestigungsmaterial (40) in einem geschmolzenen Zustand in das zumindest eine Loch (20), das sich durch das erste Substrat (12) hindurch erstreckt, und in das zumindest eine Loch (22), das sich durch das zweite Substrat (14) hindurch erstreckt, hinein gezogen wird; und das Befestigungsmaterial (40) aus dem geschmolzenen Zustand in einen festen Zustand abgekühlt wird, um das gekoppelte Substrat (50) in ein integriertes Teil (10) zu überführen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Befestigungsmaterial (40) eine Vielzahl von magnetischen Partikeln (42) und eine Legierung aus Bismut und Indium mit einer hohen Schmelztemperatur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Befestigungsmaterial (40) eine Vielzahl von magnetischen Partikeln (42) und eine Legierung aus Bismut und Indium und Zinn mit einer hohen Schmelztemperatur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Befestigungsmaterial (40) eine Vielzahl von magnetischen Partikeln (42) und ein Polymermaterial mit einer hohen Schmelztemperatur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner umfasst, dass: jegliches überschüssiges Befestigungsmaterial (40) entfernt wird, das nicht innerhalb des zumindest einen Loches (20), welches sich durch das erste Substrat (12) hindurch erstreckt, oder innerhalb des zumindest einen Loches (22), welches sich durch das zweite Substrat (14) hindurch erstreckt, enthalten ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Entfernen jeglichen überschüssigen Befestigungsmaterials (40) umfasst, dass: ein Magnet (55) in unmittelbarer Nähe zu dem integrierten Teil (10) eingeführt wird, um jegliches überschüssiges Befestigungsmaterial (40) rückzugewinnen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Entfernen jeglichen überschüssigen Befestigungsmaterials (40) umfasst, dass: eine Heizeinrichtung (80) in unmittelbarer Nähe zu dem integrierten Teil (10) eingeführt wird, um jegliches überschüssiges Befestigungsmaterial (40) zu schmelzen; und ein Magnet (55) in unmittelbarer Nähe zu dem geschmolzenen überschüssigen Befestigungsmaterial (40) eingeführt wird, um das geschmolzen überschüssige Befestigungsmaterial (40) rückzugewinnen.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner umfasst, dass eine magnetische Basis (60) unterhalb des ersten und des zweiten Substrates (12, 14) vorgesehen wird, wobei die magnetische Basis (60) zumindest eine Vertiefung (61) umfasst, die jeweils mit einem entsprechenden von dem zumindest einen Loch (22) in dem zweiten Substrat (14) gekoppelt ist, wobei jede der zumindest einen Vertiefung (61) verwendet wird, um jegliches überschüssiges geschmolzenes Befestigungsmaterial (40) zu sammeln, welches durch das jeweilige eine von dem zumindest einen Loch (22) in dem zweiten Substrat (14) gezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung des ersten Substrates (12) von dem zweiten Substrat (14) verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Substrat (12) ein Metallsubstrat umfasst.