用于连接构件的接合方法和系统与流程

本发明涉及一种用于将第一构件与第二构件在压力加载的情况下位置固定地连接的接合方法以及一种用于将第一构件与第二构件连接的系统。

背景技术：

在许多技术领域中存在如下需求，将多个构件(尤其材料配合地)相互连接。例如在电子部件的情况下可以将待冷却的构件与冷却体如此连接，使得出现冷却体中的构件的尽可能低损失的热运输。为此，可以将相应的构件与冷却体螺纹连接、铆接、钎焊连接或粘接。这类构件可以例如是半导体或半导体模块。

然而取决于待相互连接的构件的材料，可长期保持的材料配合的连接(verbindung)通过钎焊或粘接技术可能是不可实现或仅难以实现的。因此，构件可以通过烧结相互材料配合地连接。因为在烧结工艺中将较高的压靠压力施加到连接部位上并且将该连接部位附加地加热到180°c至300°c上，所以该方法主要局限于机械地稳定的构件，因为材料的强度特性通过烧结工艺消极地受到妨碍。

文件de102014114095b4描述了一种烧结装置，在该烧结装置的情况下电子组合件可以与机械稳定的底座(unterlage)通过烧结连接。底座同时用作为下冲头并且不可变形，从而电子组合件可以利用压力垫(druckkissen)形状稳定地抵靠底座受压。

然而，迄今已知的烧结装置和烧结方法可以导致待连接的构件在这些构件薄壁地或脆性地设计时发生损伤。在这类构件的情况下，通过摩擦热所出现的材料配合的连接、如例如摩擦焊接的建立也是有问题的。

技术实现要素：

本发明基于如下任务，提供用于连接在压力加载的情况下敏感的构件的一种方法和一种系统。

该任务通过在权利要求1中和在权利要求8中说明的特征来解决。本发明的另外的有利的设计方案在从属权利要求中描述。

根据本发明的一方面，提供一种用于将第一构件与第二构件在压力加载的情况下位置固定地连接的接合方法。在一个步骤中，将第一构件布置在冲头与第二构件之间。紧接着将第一构件的周围环境压力和第二构件的周围环境压力同时提高到工作压力上。在达到工作压力之后，维持工作压力限定的持续时间或持续地减少第一构件的周围环境压力以用于生成压力差。

出现围绕第一构件和第二构件的周围环境压力到相同的压力水平上的同步的构建。工作压力可以例如是对于烧结工艺、摩擦焊接工艺、粘接工艺、钎焊工艺和同类工艺而言必要的压靠压力。第一构件和第二构件的包裹部(hülle)由于在所有部位处均匀的压力分布而压力平衡并由此不变形。尤其，可以阻止构件在接合过程期间的塑性的和/或弹性的变形。由此，尽管压力加载可以避免第一构件和第二构件的损伤。构件的周围环境压力可以通过空间上的分隔和构件的相应的容纳空间的液压的或气动的联结来调整。优选地，容纳空间可以以压缩空气、液体或例如呈粉末形式的固体来填充，以便将相应的周围环境压力提升到工作压力上。

通过减少第一构件的周围环境压力可以附加地建立受控制的不平衡，通过该不平衡利用压力差来加载在第一构件与第二构件之间的连接部位。在此，第一构件可以在冲头与第二构件之间通过压力差来压紧。冲头可以附加地用于第一构件相对于第二构件的初始定位或取向。

优选地，在其中第一构件的周围环境压力起作用的区域严密地与在其中第二构件的周围环境压力起作用的区域隔开。这可以通过一个或多个可选的密封件或密封轮廓来设计。

通过根据本发明的方法可以实现用于待固定的构件的定位的较短的保持时间以及用于构件的可自动化的连接的较短的过程时间。

在这两个构件以压力的加载之后，可以将连接部位和这两个相互连接的构件卸载，通过将在连接部位两侧上的周围环境压力连续地且均匀地减少到大气压力上。

相比于其它对于我们而言已知的解决方案，通过该方法可以例如将待冷却的电子构件布置在冷却型材中或处，而不冒构件或冷却型材出现损伤的风险。由于电子构件与冷却介质的相应的空间上的分隔可以去除腐蚀或短路的危险。

当第一构件直接地布置在第二构件上或借助于接合材料布置在第二构件上、也就是说接合材料布置在第一构件与第二构件之间时，在第一构件与第二构件之间的材料配合的连接可以在多方面建立。例如可以将可熔化的钎焊层、可激活的或可硬化的粘接层或烧结材料层作为接合材料布置在第一构件与第二构件之间。在构件之间布置的接合材料由此形成构件的连接部位。通过构件以压力的两侧的、沿连接部位的方向指向的加载可以沿着连接部位建立均匀的力分布，由此出现特别稳固的且可保持的材料配合的连接。

根据另一个实施方式，在第一构件的周围环境压力持续地减少的情况下，通过冲头执行压靠压力的相反地成比例的提高。在此，冲头可以设计为主动的冲头，所述冲头可液压或气动地驱动。由此可以确保待固定的第一构件经由压靠冲头的同步的力加载。通过压力的相反地成比例的控制，由在待固定的第一构件处的面压力(flächenpressung)和第一构件的周围环境压力组成的总和在任何时候都相应于第二构件的周围环境压力。由此所出现的力平衡防止第一构件的损伤。在此，第一构件的周围环境压力并行地或除了冲头以外作用。通过冲头可以利用附加的压力、利用热和/或利用运动来加载第一构件。

优选地，在其中第一构件的周围环境压力起作用的压靠腔室的投影到第二构件上的面积仅不显著地大于待固定的第一构件。此外，面积差可以通过在用于第一构件和第二构件的空间上隔开的腔室中的可匹配的压力引导来平衡。优选地，相应的周围环境压力可以测量并经由控制单元来调整。控制单元可以设计为用于该方法的工艺控制部(prozesssteuerung)。

当在执行该方法时由通过冲头引起的压靠力和通过第一构件的周围环境压力引起的到第一构件上的力组成的总和相应于通过第二构件的周围环境压力引起的力时，能够实现构件的特别材料节省的压力加载。在相应的构件以超压(überdruck)的加载之前，可以将在相应的腔室中的压力减少或适应到大气压力上。通过待固定的第一构件经由设计为压靠冲头的冲头的同步的力加载来防止第一构件和第二构件的形变，由此降低通过变形所引起的损伤的危险。

根据另一个实施方式，第二构件是空心体和/或挤压型材，其中，第二构件的内部压力相应于第二构件的周围环境压力。由此，第二构件可以是冷却体并且尤其是挤压型材，其也可以具有空心空间。这类挤压型材可以由于对于烧结工艺而言所需要的压力加载而变形并由此使材料配合的连接变得困难或防止该连接。通过构件的均匀的且同步的负载可以防止或至少减少待相互连接的构件的变形。由此，也可以通过根据本发明的方法将薄壁的且可容易变形的构件在压力下相互连接。

第一构件可以直接地安装在挤压几何结构或第二构件的一个外侧上，其中，挤压几何结构的引导液体的区域处于内部。挤压几何结构可以由例如有挤压能力的材料、例如铝、铜、黄铜和同类物组成。但是除了引导液体的介质以外可能也可以使用气态的冷却剂，如例如空气。挤压几何结构也可以在冷却剂接触的区域中还具有增大表面的几何结构或轮廓化部(konturierung)。

第二构件或挤压型材的这类几何结构也可以通过另一种制造方法如例如3d印刷、铸造方法或冲压弯曲方法来制造。

在工作压力的同步的建立之后或在第一构件的周围环境压力减少之后，根据一个实施方式，利用用于生成材料配合的连接的热或辐射来加载在第一构件与第二构件之间的连接区域或接合材料。通过经由在相应的构件的腔室中的液压的或气动的或由固体物质(例如膏或沙)所形成的流体的与该方法相匹配的压力引导可以在压力和温度的作用下执行在任何时候都压力平衡的烧结工艺或任意其它的接合工艺。相应的周围环境压力可以相应地与流体加热和由此所产生的体积膨胀相匹配以用于补偿局部的超压。

热可以通过冲头的加热，通过第二构件的局部的或完全的加热和/或通过利用激光照射连接部位来带入。在执行的接合过程之后或在热输入结束之后，可以同步地减少两个构件的压力。

根据另一个实施方式，在达到工作压力之后或在第一构件的周围环境压力减少之后，利用用于生成摩擦热的运动来加载第一构件和/或第二构件。由此可以生成相对运动，该相对运动产生摩擦热。由于摩擦热可以或者将接合材料暂时地熔化或者将在第一构件与第二构件之间的连接区域中的材料边界熔化。由此可行的是，将构件通过摩擦焊接或接触焊接材料配合地相互连接。

该相对运动可以例如通过冲头或第二构件的构件容纳部来引起。

根据本发明的另一方面，提供一种用于将第一构件与第二构件连接且用于实施根据本发明的方法的系统。该系统具有接合装置，该接合装置带有压靠腔室和构件腔室，其中，压靠腔室具有用于在单侧接触第一构件的冲头。根据本发明，压靠腔室和构件腔室可以彼此独立地以超压来加载，其中第一构件可以如此布置在压靠腔室中并且第二构件如此布置在构件腔室中，使得第二构件将压靠腔室空气密封地与构件腔室隔开。

在压靠腔室和构件腔室中的周围环境压力可以单独地通过控制单元来调整和调节。在构件腔室中的使用的第二构件的情形中，可以生成流体密封的隔绝(abschluss)，该隔绝将这两个腔室相互密封。由此可以在腔室中调整不同的或相同的压力，以便克服构件的变形。尤其，可以防止可薄壁地设计的第二构件的变形。

通过经由构件腔室和压靠腔室中的适合的流体的相匹配的压力引导可以执行在任何时候都压力平衡的接合工艺、如例如烧结工艺。在此，除了压力加载以外可以利用限定的温度来加载构件和/或腔室。

通过该系统可以例如将电子构件、如半导体模块材料配合地布置在空心体上。空心体或第二构件可以设计为挤压型材并且用作为用于冷却第一构件的冷却通道。

当压靠腔室具有用于构造密封区的端部侧的密封件时，这两个腔室可以特别高效地通过第二构件相互隔开。优选地，密封件可以如此确定尺寸，使得通过压入密封件实现到连接部位上的面压力。此外，可以通过密封件来平衡生产公差。

根据一个实施方式，冲头不可运动地设计或设计为带有可调整的压靠力的压靠冲头。在此，第一构件可以由第二构件抵靠被动地(passiv)设计的冲头来压挤。备选地，冲头可以设计为主动的冲头，该主动的冲头可以将单独的压靠力施加到第一构件上。压靠力可以并行于压靠腔室中的压力加载来实现。

优选地，第一构件可以在压出的冷却型材的内部或外部布置在或第二构件处。由此可以将第一构件特别节省空间地与第二构件连接。

通过该系统和该方法可以例如将需要冷却的电子构件材料配合地与相应的冷却结构连接。它们可以例如使用在机动车、电子控制装置、商用车、摩托车、联合热电厂、电子仪器和诸如此类的领域中。

附图说明

随后借助附图更详细地阐释本发明的实施例。其中：

图1示出根据本发明的一个实施方式的系统的示意性的图示，

图2示出根据本发明的另一个实施方式的系统的示意性的图示，以及

图3示出用于阐明根据本发明的一个实施方式的接合方法的流程图。

附图标记列表

10第一构件/半导体模块

11接合材料/烧结材料

20第二构件/挤压型材

21第二构件的空心空间

30接合装置

31压靠腔室

32构件腔室

33压靠腔室的流体管路

34构件腔室的流体管路

35密封轮廓

36密封件

40冲头

41冲头驱动器

50第一液压系统

51第二液压系统

52第三液压系统

60第一液压系统的控制器

61第二液压系统的控制器

62第三液压系统的控制器

63中央控制器

70连接区域

80接合方法

100系统

a腔室第二构件的面区段

d密封件36的压入-间距

f压靠通过冲头引起的压靠力

fp_内部通过周围环境压力pi引起的压缩力(druckkraft)

fp_腔室通过周围环境压力p腔室引起的压缩力

p腔室在压靠腔室中的周围环境压力

pi在构件腔室中的周围环境压力

pst通过冲头引起的压力。

具体实施方式

图1示出根据本发明的一个实施方式的用于将第一构件10与第二构件20连接的系统100的示意性的图示。

第一构件10设计为半导体模块，所述半导体模块安置到第二构件20上。第二构件20实施为管形的且局部地打开的带有空心空间21的挤压型材。

在第一构件10与第二构件20之间布置有接合材料11。根据本实施例，接合材料11是烧结材料。

在此，第一构件10和第二构件20可以薄壁地和/或在机械上不稳定地设计并且具有任意形状。

系统100具有接合装置30，所述接合装置具有压靠腔室31和构件腔室32。压靠腔室31具有冲头40，所述冲头可以经由驱动器41来控制以用于将压靠力f压靠施加到第一构件10上。驱动器41由此可以通过冲头40生成面压力pst。冲头40与第一液压系统50流体导引地连接并由此可以吸收以用于运行驱动器41的液压压力的形式的能量。

压靠腔室31经由流体管路33与第二液压系统51连接。构件腔室32与第三液压系统52经由另外的流体管路34联结。由此，液压系统51,52可以将相应的腔室31,32填充以液压液体或液压液体对此间接地用于调整在腔室31,32中的周围环境压力p腔室,pi。备选地，在相应的腔室31,32中的周围环境压力p腔室,pi可以通过气动的系统来调整。

为了执行接合材料11的温度加载，冲头40和/或接合装置30可以可加热地设计。

压靠腔室31在端部侧具有密封轮廓35。第二构件20如此布置在构件腔室32中，使得该第二构件抵靠密封轮廓35受压，由此第二构件20用作为在构件腔室32与压靠腔室31之间的严密的分隔壁。尤其，第二构件20的面区段a腔室用作为分隔壁。

液压系统50,51,52可以彼此独立地运行并且具有三个控制器60,61,62，所述控制器设计成用于，控制和调节液压系统50,51,52。控制器60,61,62可以根据本实施例相互通信并且调整在构件腔室32、压靠腔室31与冲头40之间的经优化的压力分布。优选地，经优化的压力分布的突出之处在于第一构件10和第二构件20的不变形或最小变形。在此，构件10,20的初始形状和轮廓也可以在提高的压力和提高的温度的情况下得到维持。例如对于烧结过程而言所需要的是，除了热以外必须施加例如20n/mm²的压力。为了使第二构件20在安置第一构件10时不改变其形状、弹性地变形或甚至塑性地弯曲或在极端情况下被破坏，通过相应的压力加载实现如下，即，第二构件20即使在施加压靠压力pst的情况下也不改变其形状。

为了使第二构件20的形状得到保持，控制器60,61,62可以根据如下方程调整系统100的压缩力：

fp_内部=f压靠+fp_腔室

在此，通过在构件腔室32中的周围环境压力pi引起的压缩力fp_内部相应于由通过冲头40引起的压靠力f压靠和通过在压靠腔室31中的周围环境压力p腔室引起的压缩力fp_腔室得出的总和。压缩力fp_内部,fp_腔室此处基本上作用到第二构件20的面区段a腔室上并且相对彼此指向。取决于冲头40的大小，该冲头可以至少局部地作用到第二构件20的面区段a腔室上。

在一个备选的设计方案中，冲头40可以垂直于压力方向可机械地驱动，由此，可以在构件10,20之间生成相对运动。通过该相对运动可以生成摩擦热并且使构件10,20直接地材料配合地、例如通过焊接相互连接。

在图2中阐明根据本发明的另一个实施方式的系统100的示意性的图示。区别于根据在图1中所示出的实施方式的系统100，冲头40尤其刚性地设计。在此，冲头40实施为接合装置30的不可运动的组成部分。因为省去第一构件10通过冲头40的主动加载，针对这两个构件10,20的最优压力分布的方程改变：

fp_内部=fp_腔室

取决于接合方法，也可以调整在压缩力fp_内部,fp_腔室之间的受控制的不平衡，从而第一构件10和接合材料11在冲头40与第二构件20之间挤压在一起。通过将第一构件10与第二构件20挤压在一起，通过可热激活的接合材料11出现连接区域70，该连接区域将构件10,20相互材料配合地连接。

根据本实施例，液压系统50,52与中央控制器63连接，该中央控制器协调液压系统50,52。

为了可以使第一构件10在冲头40与第二构件20之间挤压在一起，在压靠腔室31与第二构件20之间设置密封件36，该密封件可以在间距d上压入。

在图3中示出用于阐明根据本发明的一个实施方式的接合方法80的流程图。在此，在图1中所示出的系统100用于实施方法80。

在第一步骤i中，实现在构件腔室32中的周围环境压力pi和在压靠腔室31中的周围环境压力p腔室到相同的压力水平上的同步的构建。第二构件20的包裹部在所有部位处压力平衡并由此不变形。

在另一个步骤ii中可以实现该压力水平的保持时间，以便对待固定的第一构件10进行定位或取向。

在另一个步骤iii中，将在压靠腔室p腔室中的压力减少到大气压力上。待固定的第一构件10经由压靠冲头40同步于周围环境压力p腔室的减少以压力pst来加载。由在待固定的构件10处的面压力f压靠和压靠腔室内部压力fp_腔室得出的总和在任何时候都等于在构件腔室32处的内部压力fp_内部。由此出现的力平衡防止构件10,20的损伤。

在另一个步骤iv中出现由压靠力f压靠和在第二构件20中的构件内部压力pi的所产生的力fp_内部组成的完全的力平衡。在该阶段中，待固定的构件10通过温度加载烧结到第二构件20上。方法80如此设计，使得实现对于烧结所需要的压力(pressung)。

在另一个步骤v中，将在压靠腔室31中的压力p腔室提高到第二构件20的构件内部压力pi上。紧接着跟随有待固定的构件10经由压靠冲头40的力加载的同步的减少。由在待固定的构件10处的面压力f压靠和通过压靠腔室内部压力fp_腔室引起的力得出的总和在任何时候都等于通过在构件腔室32中的内部压力pi引起的力fp_内部。由此所出现的力平衡防止第二构件20的损伤。

在另一个步骤vi中(该步骤可以最后地设计)，实现内部压力pi和腔室压力p腔室到大气压力上的同步的卸除。第二构件20的包裹部在所有部位处压力平衡并由此不变形。