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Reaktive Nanometer-Multischichten als maßgeschneiderte Wärmequellen beim Fügen

Reactive nanometer multilayers as tailored heat sources for joining
 
: Braun, S.; Dietrich, G.; Gawlitza, P.; Leson, A.

:

Vakuum in Forschung und Praxis 21 (2009), Nr.1, S.15-21
ISSN: 0947-076X
ISSN: 1522-2454
Deutsch
Zeitschriftenaufsatz
Fraunhofer IWS ()
Löttechnik; Schweißtechnologie; Erwärmung; Gefügeumwandlung; Eigenspannung; Wärmeausdehnung; Mehrfachschicht; Schichtdicke; Nanometerbereich; Diffusion; exotherme Reaktion; Aktivierungsenergie; Wärmeerzeugung; Temperaturverteilung; Wärmequelle; Sputtern; Nickel; Aluminium

Abstract
Zum Fügen von Bauteilen eingesetzte Löt- und Schweißverfahren haben im Allgemeinen eine deutliche Erwärmung der an die Fügezonen angrenzenden Bereiche zur Folge. Dies kann zu festigkeitsmindernden Gefügeveränderungen der Materialien und/oder zu Eigenspannungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung der zu fügenden Bauteile führen. Ein neuer Ansatz, die für das Fügen notwendige Energie kurzzeitig und exakt im Bereich der Fügezone einzubringen, wurde kürzlich durch die Entwicklung von sogenannten Reaktivmultischichten (RMS) eröffnet. RMS bestehen aus mehreren hundert bis zu einigen tausend Wechselschichten aus mindestens zwei Materialien, welche exotherm miteinander reagieren können. Die Dicken der Einzelschichten liegen dabei im Bereich von 10-50 nm. Nach Einwirkung einer Aktivierungsenergie wird innerhalb der Nanometer- Multischicht eine atomare Interdiffusion beider Materialien ineinander angeregt, wodurch es innerhalb kürzester Zeit zu einer hohen Wärmefreisetzung in einem lokal eng begrenzten Gebiet kommt. Durch Variation von Materialzusammensetzung, Periodendicke und Gesamtschichtdicke kann gezielt Einfluss auf charakteristische Eigenschaften der RMS wie abgegebene Wärmemengen, Ausbreitungsgeschwindigkeiten und maximal erreichbare Temperaturen genommen werden. Für die industrielle Anwendung steht damit eine präzise kontrollierbare und maßgeschneiderte Energie- bzw. Wärmequelle zur Verfügung. Zur Herstellung der Reaktivmultischichten werden Sputterverfahren, wie das Magnetronsputtern und das Ionenstrahlsputtern angewandt. Mit diesen Verfahren können Nanometerschichten über einen langen Zeitraum reproduzierbar, hochpräzise und stabil abgeschieden werden. Die RMS werden dabei direkt auf die jeweiligen Bauteile beschichtet oder auch als universell einsetzbare freistehende Folie hergestellt.

 

The use of traditional joining techniques like soldering or brazing for heat sensitive microstructures often results in damaging or stress induced deformation of the components. Therefore a technology would be desirable, where heat is produced locally and only for a short time. A very promising approach is the application of socalled reactive nanometer multilayers.

Reactive nanometer multilayers consist of several hundreds or a few thousands of alternating layers with thicknesses in the nanometer range that can exothermic react with each other. After a local activation of the chemical reaction by an electrical spark or a laser pulse, a self-sustaining reaction starts, which propagates parallel to the multilayer surface resulting in a stable intermetallic single layer. The peak temperature of the reaction can be above 1000 8C, but the maximum temperature is only reached for several ten milliseconds. Therefore, the heat remains localized in the vicinity of the solder layers surrounding the reactive multilayer. During the entire process the components to be joined exhibit temperatures close to room temperature. We will show new results concerning the fabrication of reactive nanometer multilayers by magnetron and ion beam sputter deposition and the fabrication of free standing nanometer multilayers.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-91174.html