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Prozessmodellierung von Reaktiv-Multischicht-Systemen (RMS)

 
: Rühl, Johann Maximilian
: Beyer, Eckhard; Lasagni, Andrés-Fabián; Leson, Andreas; Braun, Stefan

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Fulltext ()

Dresden, 2015, XVI, 132 pp.
Dresden, TU, Diss., 2015
URN: urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-198818
German
Dissertation, Electronic Publication
Fraunhofer IWS ()
Prozessentwicklung; Prozessmodellierung; Löten; RMS; Reaktiv-Multischicht-Systeme

Abstract
Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die theoretische und experimentelle Beschreibung von sogenannten Reaktiv-Multischicht-Systemen (RMS).Die RMS bestehen aus mindesten zwei meist metallischen Materialien, die exotherm miteinander in Reaktion treten können. Mittels Magnetronsputter-Deposition(MSD) werden einige hundert bis mehrere tausend alternierende Einzelschichten hergestellt. Die Periodendicke variert zwischen 10-150 nm und die Gesamtdicke zwischen 10-100 mm. Dieexotherme chemische Reaktion wird durch eine Aktivierungsenergie, z.B. mit einem elektrischen Abrissfunken gestartet. Hierbei findet ein Phasenübergang der sich im metastabilen Gleichgewicht befindlichen RMS-Materialien statt. Dadurch wird Energie in Form von Wärme freigesetzt, welche in Nachbarbereichen wieder die Reaktion aktiviert. Es bildet sich eine selbsterhaltende thermische Welle durch die RMS-Folie aus. Hierbei ist soviel Energie vorhanden, dass ein sich auf der RMS und dem zu fügenden Bauteil befindliches Lot bzw. der Grundwerkstoff selbst aufgeschmolzen werden kann. Die RMS ist somit als Wärmequelle zum Verbinden von zwei Bauteilen einsetzbar. Der große Vorteildieser Technologie ist der sehr geringe Wärmeeintrag in die zu fügenden Bauteile aufgrund der sich innerhalb weniger Millisekunden abspielenden Reaktion. Dadurch werden die Bauteile nur oberflächlich erwärmt und es tritt keine Gefügeschädigung auf. So ist ebenfalls ein sehr spannungsarmes Fügen möglich. Außerdem ist durch die metallischen Materialien eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit gewährleistet. Zur Charakterisierung werden Simulationen der physikalischen und chemischen Vorgänge innerhalb der RMS durchgeführt, um aus den Temperatur-Zeit-Verläufen die maximale Temperatur und Ausbreitungsgeschwindigkeit berechnen zu können. Zur Berechnung der Temperaturausbreitung in Bauteilen wird eine neue Methode vorgestellt. Damit ist es möglich die Eindringtiefe der Temperatur in Bauteile, Wärmebarriereschichtdicken und Schmelzzeiten zu bestimmen und so Parameter für das spezielle Fügeproblem, wie Periodendicke etc. der RMS abzuleiten. Durch Modellierung des Wärmetransports nach der Fügung von Bauteilen mittels RMS wird eine Korrelation zwischen thermischer Leitfähigkeit und Scherzugfestigkeit abgeleitet. Um die theoretischen Ergebnisse zu quantifizieren und bestimmte Parameter die in den Berechnungen notwendig sind zu erlangen, wurden Experimente durchgeführt. Die RMS werden hinsichtlich ihrer Enthalpie H, Ausbreitungsgeschwindigkeit v, freiwerdenden Temperatur, Interdiffusionszone w, Phasenumwandlung und dem Einsatz als innovative Wärmequelle zum Löten von Bauteilen experimentell untersucht. Diese Ergebnisse werden mit den Simulationen verglichen und runden die Arbeit ab.

 

The focus of this work is the theoretical and experimentell descreption of so-called ReactiveMultilayer Systems (RMS).The RMS consist of at least two mostly metallic materials, which can exothermic response with each other. Using magnetron sputter deposition (MSD) several hundred to thousands alternating layers are produced. The periodic thickness varies between 10-150 nm and the total thickness between 10-100 mm. The exotermic reaction is effected by an activation energy, e.g. with an electric spark. In this case a phase transition of the RMS materials, which are in a metastable equilibrium, will take place. This released energy in the shape of heat, which actvates the reaction in the neighboring areas. It forms a self-sustaining thermal wave through the RMS foil. In this case the amount of energy is present, that a solder on the RMS or the joining samples or even the material itself can be melted. Therefore the RMS can be used as a heat source for joining two components. The major advantage of this technology is the very low heat input in the bonding components, due to the milliseconds of the reaction. Thus the components are heated only superfical and there is no structural damage. Thus a very low-stress joining is possible. Furthermore is guaranteed, because of the metallic materials, a very high electrical and thermal conductivity. For the theoretical characterization of the physical and chemical processes within the RMSFEM-Simulations of the absolut temperature and the propagation velocity are preformed. In order to calculate the tmeperature ditribution in the components a new method will presented. It is thus possible to calculate the temperature penetration of the components to determine potential thermal barrier layer-thickness and the meltig time. Thus parameters for the specific joint problem such as period thickness, etc. of the RMS are derived. Modelling the heat transport after joining with RMS it is possible to derive a correlation between the thermal conductivity and shear strength. To quantify the theoretical results and to require certain parameters for the calculations experiments were preformed. The RMS will be investigated experimentally in terms of their enthalpy H, propagation velocity v, nascent temperature, melting time tschmelz, interdiffusion zone w, phase transition and its use as inovative heat source for joining components. The experimental results are compared with the theortical and complet this work.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-397690.html