Lasergestütztes Fügen von Keramik und Polymeren

Die Multilagen-LTTC-Technologie (LTTC: Low Temperature Cofired Ceramic) ist eine Schlüsseltechnologie zur Herstellung dreidimensionaler Schaltkreise. Sie erfordert ein Fügen von dünnen Einzelfolien aus ungesinterter Keramik und Polymeren. Übliche Verbindungstechniken wie Kleben, Schweißen, Löten oder mechanisch verbinden sind hier nicht durchführbar. Die Grundidee der vorgeschlagenen Verbindungstechnik besteht im partiellen Aufschmelzen des Kunststoffteils und im Pressen des geschmolzenen Materials in die Poren und Strukturen der rauen Keramikoberfläche. Zur Erwärmung der Fügezone kann die Laserstrahlung genutzt werden. Der Fügeprozess besteht aus zwei Schritten: die Oberflächenvorbereitung und das Fügen. Um den Kunststoff eine hohe Adhäsionsfläche und eine Vielzahl von Verankerungspunkten zu bieten, wurde die Oberfläche mit kurzgepulsten Lasern aufgeraut. Die Tiefe, laterale Ausdehnung und Anordnung der Strukturelemente können benutzerdefiniert eingestellt werden. Nach der Vorbereitung der Oberflächen werden die beiden zu fügenden Bauteile mit dem Kunststoffelement nach oben in eine pneumatische Spannvorrichtung gelegt, danach wird der Laserstrahl aktiviert. An der Keramikoberfläche wird die Strahlung absorbiert und in Wärme umgewandelt. In der Fügezone entsteht eine Kunststoffschmelze, die durch den Fügedruck in die Oberflächenstruktur der Keramik gepresst wird. Eine Reihe von Material-und Prozessparameter beeinflussen die Eigenschaften der entstehenden Verbindung. Insbesondere wurde der Einfluss des Strukturanteils an den Eigenschaften (Scherzugfestigkeit, abgelöste Fläche) untersucht. Umgesetzt wurde die Fügetechnik bei einem Sensorsystem aus Kultivierungskörper und PDMS-Flusszelle.