Development of a Bonding Concept for MOEMS Packaging: Reactive Nanocomposites
Creators: name: Kremer, Matthias Peter
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: Reactive Bonding
MOEMS
Nanoparticles
Printing

description: 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. Dies 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.