DE102010019276A1 - Magnetische Partikel enthaltendes Material zum Befestigen von Teilen oder Substraten aneinander - Google Patents
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Abstract
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.
- 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 von1 enthaltenen gekop pelten 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 in2 veranschaulicht, um ein integriertes Teil zu bilden; -
4 das Entfernen des integrierten Teils von3 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 den1 –4 verwendet werden; -
7 eine weitere beispielhafte alternative Anordnung zum Bilden des integrierten, wie in den1 –4 veranschaulicht; und -
8 eine weitere beispielhafte alternative Anordnung zur Rückgewinnung von überschüssigem Hochtemperatur-Befestigungsmaterial, welches zum Bilden eines integrierten Teils wie in den1 –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 Substraten12 ,14 aneinander, um ein integriertes Teil10 zu bilden, dargestellt werden. Wenngleich in den1 –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 Substrate12 ,14 zunächst derart ausgerichtet sein, dass ihre jeweiligen Gegenflächen16 ,18 zusammengepasst sind und sodass Durchgangslöcher20 ,22 ausgerichtet sind, wie erwünscht. Eine Einspannvorrichtung30 , die eine rechte Hälfte32 und eine linke Hälfte34 aufweist, kann dann an jeder Seite der Substrate12 ,14 positioniert werden und dient dazu, die Substrate12 ,14 einzuspannen, um ein gekoppeltes Substrat50 zu bilden, sodass die zusammenpassenden Flächen16 ,18 miteinander in Kontakt stehen, wobei die Löcher20 ,22 einen kontinuierlichen Hohlraum oder Hohlräume38 bilden. - Wie in den
2 und3 gezeigt, können die gekoppelten Substrate50 dann auf einer magnetischen Formbasis60 angeordnet werden. In dieser Anordnung kann eine nicht zusammengepasste Fläche34 des Substrates14 mit einer jeweiligen oberen Fläche62 der magnetischen Formbasis60 in engem Kontakt stehen. Die magnetische Formbasis60 kann vertiefte Bereiche61 umfassen, die dem kontinuierlichen Hohlraum38 entsprechen. - Ein Befestigungsmaterial
40 in einem geschmolzenen oder flüssigen Zustand, welches magnetische Partikel42 enthält, kann dann auf eine nicht zusammengepasste Fläche50 des Substrates12 gegenüber der magnetischen Formbasis60 aufgebracht werden. Wie am besten in3 gezeigt, sind die magnetischen Partikel42 in dem geschmolzenen Material40 dabei hilfreich, das Material40 durch die Löcher20 ,22 hindurch und in die Vertiefungen61 hinein zu ziehen und darin die jeweiligen Hohlräume38 zu füllen. Sobald das geschmolzene Material40 den Hohlraum38 und die Vertiefungen füllt, wird zugelassen, dass es abkühlt und aushärtet, um darin die Substrate12 ,14 reversibel zu koppeln, um ein integriertes Teil10 zu bilden. - Die Ziehrate des geschmolzenen Materials
40 in Richtung der magnetischen Formbasis60 ist eine Funktion der Größe der Hohlräume38 , der Viskosität des geschmolzenen Materials40 , der Schwerkraft und der Stärke des magnetischen Feldes, das durch die magnetische Formbasis60 erzeugt wird. - An diesem Punkt können, wie in
4 gezeigt, die Einspannvorrichtung30 und die Formbasis60 entfernt werden. Überschüssiges Befestigungsmaterial45 , das nicht innerhalb der Hohlräume38 enthalten ist, welches sich in die Vertiefungen61 abgesetzt hat oder auf der nicht zusammengepassten Fläche50 zurückgeblieben ist, kann durch Verwendung eines äußeren Magneten55 rückgewonnen und aufbereitet werden, wie am bes ten in5 gezeigt. Der äußere Magnet55 kann ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet sein. - In einer alternativen beispielhaften Anordnung zu der in
3 gezeigten Anordnung, wie in6 gezeigt, ist die Formbasis70 keine magnetische Formbasis60 , sondern kann stattdessen aus einem beliebigen nicht magnetischen Material gebildet sein. Die Formbasis umfasst Vertiefungen71 entlang einer oberen Fläche72 , die den oben beschriebenen Vertiefungen61 ähnlich sind. In dieser beispielhaften Ausführungsform kann ein Magnet55 in unmittelbare Nähe zu der unteren Fläche75 der Formbasis70 gebracht werden, um das Befestigungsmaterial40 durch die Löcher20 ,22 hindurch zu ziehen, wie oben beschrieben. Der Magnet55 , ob ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet, kann dann entfernt werden, nachdem das Befestigungsmaterial40 ausreichend durch die Löcher20 ,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 in7 gezeigt, kann, um das Einleiten des Befestigungsmaterials40 zu ergänzen, eine Heizeinrichtung80 in unmittelbarer Nähe zu der magnetischen Formbasis60 und der nicht zusammengepassten Fläche50 angeordnet sein. Die Heizeinrichtung80 , ob eine Induktionsheizeinrichtung oder eine Strahlungsheizeinrichtung, kann dabei hilfreich sein, das Befestigungsmaterial40 in einem geschmolzenen oder flüssigen Zustand zu halten, wenn es durch die Löcher20 ,22 hindurch in Richtung der magnetischen Formbasis60 gezogen wird. Außerdem kann das Vorhandensein der magnetischen Partikel42 in dem Lötmittel das anfängli che Erwärmen des Befestigungsmaterials40 aus einem festen Zustand in den geschmolzenen Zustand erleichtern. - In noch einer weiteren alternativen beispielhaften Anordnung zu
4 , die in8 gezeigt ist, kann eine Heizeinrichtung80 wie z. B. die Heizeinrichtung80 von6 in unmittelbarer Nähe zu dem integrierten Teil10 angeordnet sein, um jegliches überschüssiges Befestigungsmaterial45 zu entfernen. Die Heizeinrichtung80 kann wirksam sein, um das überschüssige Befestigungsmaterial45 zurück in einen geschmolzenen Zustand zu schmelzen, wobei es ohne weiteres von irgendeiner Fläche des integrierten Teils10 abgekratzt oder anderweitig entfernt werden kann, wie oben beschrieben. - In einer beispielhaften Ausführungsform für jede der obigen beispielhaften Ausführungsformen der
1 –8 kann das Befestigungsmaterial40 eine Lötmittellegierung aus Bismut, Indium und/oder Zinn enthaltenden magnetischen Partikeln mit einem hohen Schmelzpunkt sein, die an ein Substratmaterial gekoppelt ist, welches die Außenflächen der Substrate12 ,14 bildet. Die Substratmaterialien12 ,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 Partikel42 verwendet werden, wird die Flussdichte des magnetischen Feldes, die während des Prozesses verwendet wird, zum Teil die letztendliche Scherfestigkeit der Bindung zwischen den Substraten12 ,14 bestimmen, welche durch das innerhalb der Hohlräume38 angeordnete Befestigungsmaterial40 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 1Indalloy # % 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 Materialien42 können mit Phenylphosphonsäure (PPA), 14MAG124 (einem magnetorheologischen Fluid) oder mit Siliciumoxid (SiO2) oberflächenbehandelt sein, um eine Oxidation bei erhöhten Temperaturen zu reduzieren. Diese magnetischen Materialien42 können vor dem Einbringen in das Material40 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 Materialien42 , die für eine vorbestimmte Zeit mit einem Spatel händisch gemischt wurden. Diese beispielhaften Formulierungen sind in Tabelle 2 bereitgestellt: TABELLE 2Bestandteil 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 Befestigungsmaterial40 Polymermaterial mit einer hohen Schmelztemperatur sein, welches die oben erwähnten magnetischen Partikel42 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 Teil10 zu bilden, wie in den1 –7 gezeigt und oben beschrieben, ist gleichermaßen zur Verwendung mit dem Polymermaterial mit der hohen Schmelztemperatur, welches die oben erwähnten magnetischen Partikel42 enthält, wie auch mit dem Hochtemperaturmetalllötmittel geeignet, welches die magnetischen Partikel42 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 Befestigungsmaterials40 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 (10)
- Verfahren, welches umfasst, dass: ein erstes Substrat vorgesehen wird, welches zumindest ein Loch aufweist, das sich durch das erste Substrat hindurch erstreckt; ein zweites Substrat vorgesehen wird, welches zumindest ein Loch aufweist, das sich durch das zweite Substrat hindurch erstreckt; das zumindest eine Loch des ersten Substrates mit einem jeweiligen von dem zumindest einen Loch des zweiten Substrates ausgerichtet wird; mithilfe eines magnetischen Feldes ein Befestigungsmaterial in einem geschmolzenen Zustand in das zumindest eine Loch, das sich durch das erste Substrat hindurch erstreckt, und in das zumindest eine Loch, das sich durch das zweite Substrat hindurch erstreckt, hinein gezogen wird; und das Befestigungsmaterial aus dem geschmolzenen Zustand in einen festen Zustand abgekühlt wird, um das gekoppelte Substrat in ein integriertes Teil zu überführen.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Befestigungsmaterial eine Vielzahl von magnetischen Partikeln und eine Legierung aus Bismut und Indium mit einer hohen Schmelztemperatur umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Befestigungsmaterial eine Vielzahl von magnetischen Partikeln und eine Legierung aus Bismut und Indium und Zinn mit einer hohen Schmelztemperatur umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Befestigungsmaterial eine Vielzahl von magnetischen Partikeln und ein Polymermaterial mit einer hohen Schmelztemperatur umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner umfasst, dass: jegliches überschüssiges Befestigungsmaterial entfernt wird, das nicht innerhalb des zumindest einen Loches, welches sich durch das erste Substrat hindurch erstreckt, oder innerhalb des zumindest einen Loches, welches sich durch das zweite Substrat hindurch erstreckt, enthalten ist.
- Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Entfernen jeglichen überschüssigen Befestigungsmaterials umfasst, dass: ein Magnet in unmittelbarer Nähe zu dem integrierten Teil eingeführt wird, um jegliches überschüssiges Befestigungsmaterial rückzugewinnen.
- Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Entfernen jeglichen überschüssigen Befestigungsmaterials umfasst, dass: eine Heizeinrichtung in unmittelbarer Nähe zu dem integrierten Teil eingeführt wird, um jegliches überschüssiges Befestigungsmaterial zu schmelzen; und ein Magnet in unmittelbarer Nähe zu dem geschmolzenen überschüssigen Befestigungsmaterial eingeführt wird, um das geschmolzene überschüssige Befestigungsmaterial rückzugewinnen.
- Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner umfasst, dass eine magnetische Basis unterhalb des ersten und des zweiten Substrates vorgesehen wird, wobei die magnetische Basis zumindest eine Vertiefung umfasst, die jeweils mit einem entsprechenden von dem zu mindest einen Loch in dem zweiten Substrat gekoppelt ist, wobei jede der zumindest einen Vertiefung verwendet wird, um jegliches überschüssiges geschmolzenes Befestigungsmaterial zu sammeln, welches durch das jeweilige eine von dem zumindest einen Loch in dem zweiten Substrat gezogen wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung des ersten Substrates von dem zweiten Substrat verschieden ist.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Substrat ein Metallsubstrat umfasst.
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