Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Montageprozess für Sensoren und Aktoren auf Basis der Niedertemperatur-Verbindungstechnik

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines Silber-Sinter Prozesses für Mikrosysteme der Sensorik und Aktorik. Das Silber-Sintern stellt dabei eine, in der Leistungselektronik bereits etablierte, Fügetechnologie dar, die eine temperaturstabile metallische Verbindung erzeugt. Bei Prozesstemperaturen von 200 °C bis 300 °C sind anschließend somit höhere Einsatztemperaturen möglich. Durch die geringeren Temperaturdifferenzen lassen sich die thermo-mechanische Belastung für das Bauteil und damit der Einfluss auf das Sensorsignal und die Lebensdauer positiv beeinflussen. Gleichzeitig können Schichten mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit von 200 W/m K oder mehr erzeugt werden.

Die Anforderungen an den Prozess für Sensoren und Aktoren unterscheiden sich dabei in mehrerer Hinsicht von der Leistungselektronik. Allen voran bei den unterschiedlichen Materialien (Keramiken, Edelstahl) und deren Oberflächenmetallisierungen. Zusätzlich werden an die Eigenschaften der Schichten andere Anforderungen (wie Dichtigkeit bei Drucksensoren oder Dämpfung bei Aktoren) gestellt.

Um diese Aspekte zu beleuchten sollen mikro- und nanoskalige Sinter-Pasten verwendet werden. Ein zentraler Punkt ist dabei eine Einflussgrößen-Wirkungsanalyse, die neben den unterschiedlichen Materialien auch die zentralen Prozessparameter (Druck, Temperatur, Zeit, Atmosphäre, etc.) beleuchtet. Mit dem so gewonnenen Prozessfenster sollen Untersuchungen zur Zuverlässigkeit der Verbindungen mittels beschleunigten Alterungstests durchgeführt und schließlich die Funktionalität an Mustern von PA-Firmen getestet werden. Ein weiterer Punkt, der vor allem die Transferierbarkeit zu KMUs sicherstellen soll, sind Materialmodelle für FEM-Simulationen.

Vor allem unter Sensor- und Aktorherstellern findet sich eine Vielzahl von KMU, die von den Ergebnissen direkt profitieren können. Neben dem Prozesshandbuch, das im Projekt angefertigt wird, werden diesen Unternehmen die Ergebnisse auf Tagungen und Konferenzen präsentiert.

Ergebniszusammenfassung:

Im Forschungsprojekt wurde ein Silber-Sinterprozess als Verbindungstechnik für Anwendungen der Sensorik und Aktorik entwickelt. Dazu wurden typische Materialien keramische Werkstoffe sowie rostfreier Stahl (1.4404) und Kupfer betrachtet. Zusätzlich wurden für die Fügeteiloberflächen die Dünnfilmtechnologie (Sputtern), Galvanik und AgPt-Dickfilmmetallisierung getestet. Mit Silber-Sinterpasten, die keinen oder nur einen geringen Anpressdruck von 5 MPa benötigen, stehen Möglich- keiten für empfindliche Bauteile zur Verfügung. Eine Druckpaste mit weniger Additiven, die eine bessere Temperatur- beständigkeit besitzt, erlaubt Anwendungen in rauen Umgebungen. Damit wird Anwendern ein breites Spektrum an Fügematerialien zur Verfügung gestellt. Prozessuntersuchungen zur den Parametern Druck, Temperatur und Zeit bieten darüber hinaus auch eine vereinfachte Umsetzung in Produktionsprozesse durch KMU. Einen Schwerpunkt bildete die Modellbildung mithilfe der FE-Simulation. Hierzu wurden Materialdaten implementiert und die durchgeführten thermomechanischen Analysen wurden anhand von optischen Verformungsmessungen verifiziert. Damit wird eine Auswahl an Materialmodellen zur Verfügung gestellt, anhand derer KMU eine Vorhersage des Sensor- oder Aktorverhaltens möglich wird. Als Funktionsmuster wurden verschiedene Sensoren zur Dehnungs-, Temperatur-, Druck- und Magnetfeldmessung sowie ein piezokeramischer Aktor aufgebaut und evaluiert. Dies brachte das Ergebnis, dass stabile Verbindungen zur Anwendung bis 350 °C möglich sind. Diese sind aber nicht hermetisch dicht oder kriechbeständig sind. Zum Abschluss wurden Untersuchungen zur Zuverlässigkeit unternommen, bei denen das Interesse vor allem auf Anwendungen bei erhöhten Temperaturen lag. Hier wurden unter anderem HT-Auslagerungen bei bis zu 300 °C und Temperaturzyklen zwischen 50 °C und 250 °C untersucht, welche von der Druckpaste erfolgreich durchlaufen wurden. Alle Ergebnisse wurden in einem Prozeßhandbuch zusammengefasst.