DE19801374C1 - Verfahren zum Löten von metallischen mikrostrukturierten Blechen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Löten von mikrostrukturierten, me­ tallischen Blechen zu einer kompakten Einheit, z. B. einem Mikrowärme­ übertrager oder Mikroreaktoren.

Mikrowärmeübertrager oder Mikroreaktoren bestehen aus einzelnen, dün­ nen, fein strukturierten, metallischen Blechen. Die Strukturierung der Ble­ che dient zur Bildung feiner Strömungskanäle für die beteiligten Medien. Die Bleche werden übereinander gestapelt und mit Grund- und Deckplat­ ten versehen, so daß ein kompaktes Bauteil entsteht. Mikrowärmeübertra­ ger oder Mikroreaktoren ermöglichen aufgrund ihrer feinen Strukturen auf kleinstem Raum ein Maximum an Wärme- bzw. Leistungsübertragung zwi­ schen zwei oder mehreren Medien. Die wichtigsten Anforderungen an das Bauteil, sowohl hinsichtlich des verwendeten Folienmaterials als auch hin­ sichtlich der Fügetechnik sind:

• - ausreichende Dichtigkeit (He-Lecktest: 1 × 10^-6 mbar l/s) sowohl zwischen den Passagen zur sicheren Trennung der verwendeten Medien voneinander als auch zur Umgebung
• - ausreichende Festigkeit
• - stoffschlüssige Verbindung auch über den gesamten strukturierten Bereich
• - Korrosionsresistenz gegenüber den einzusetzenden Medien
• - Temperaturbeständigkeit bis 450°C.

Herkömmliche Fügeverfahren wie z. B. Schmelzschweißen, Diffusions­ schweißen, Kleben, können nach heutigem Wissensstand nicht alle Anfor­ derungen an einen gesamten Blechverbund erfüllen.

Das Schmelzschweißen ist bei einer Vielzahl von nacheinander zu fügen­ den Blechen, gerade im Bereich der zu verbindenden Strukturen, nicht an­ wendbar und noch dazu sehr zeit- und kosten intensiv. Außerdem ist bei je­ dem Schweißvorgang der sehr dünnen Metallbleche ein Materialverzug zu erwarten, der sich über den gesamten Blechstapel addiert.

Das Diffusionsschweißen erfordert eine sehr hohe Oberflächenqualität hinsichtlich Rauheit, Reinheit und Formgenauigkeit der Metallbleche, die nur mit sehr großem Aufwand, falls überhaupt, zu erreichen ist.

Eine Klebeverbindung erfüllt die Anforderung von 450°C Temperaturbe­ ständigkeit nicht und ist damit ungeeignet.

Als thermisches Fügeverfahren für metallische Bleche ist außerdem das Löten in Inert-Atmosphäre oder im Vakuum bekannt. Dabei muß eine be­ stimmte Menge an geeignetem Lot in der Fügeebene vorhanden sein. Üblicherweise, also bei der Fertigung herkömmlicher Wärmeübertrager und Reaktoren mit großen Kanalgeometrien (< 1,0 mm), weisen die Lot­ werkstoffe bei diesem Verfahren Foliendicken oder Pulverpartikelabmes­ sungen auf, die wesentlich größer als 25 µm sind. Derartige Lotschicht­ dicken sind jedoch für das Fügen von sehr dünnen, fein strukturierten, metallischen Blechen ungeeignet. Es besteht die Gefahr, daß durch das überschüssige Lot diese feinen Strukturen teilweise oder ganz verschlos­ sen werden und somit die gewünschte Strömungsführung des Mediums innerhalb des Bleches bzw. des Bauteiles behindert oder sogar verhindert werden kann.

Aus der DE 44 26 692 C1 sowie der WO 88/06941 sind jeweils Mi­ krowärmeübertrager bekannt. Als Fügeverfahren für die mikrostrukturier­ ten Bleche wird Löten angegeben, wobei weitere Einzelheiten dieser Ver­ fahren nicht offenbart sind.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Löten von metal­ lischen, mikrostrukturierten Blechen anzugeben, mit dem eine stabile, den Anforderungen genügende Verbindung erreicht wird und gleichzeitig ein Schließen der Mikrostrukturen sicher verhindert wird.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhaf­ te Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.

Das erfindungsgemäße Fügeverfahren für mikrostrukturierte Bleche weist folgende Verfahrensschritte auf:

• - Erzeugen eines Stapels aus den vorgenannten Blechen sowie aus Lotschichten, die jeweils zwischen benachbarten Blechen vorhanden sind, wobei die Schichtdicke der Lotschichten 3 bis 25 µm beträgt
• - Verlöten des Stapels in Vakuum oder in Inertatmosphäre unter Wär­ meeintrag.

Durch die erfindungsgemäße Lotschichtdicke im Bereich zwischen 3 und 25 µm wird gewährleistet, daß die zur Verfügung stehende Lotmenge eine stabile, den Anforderungen genügende Verbindung ergibt und gleichzeitig die feinen Strukturen der Mikrostrukturierung nicht verschlossen werden.

Hinsichtlich der Art und Weise, wie die Lotschichten zwischen die Bleche des Stapels eingebracht werden, sind mehrere Ausführungen möglich. In einer ersten Ausführung werden die Bleche zuerst mit Lot beschichtet und anschließend die beschichteten Bleche übereinandergestapelt. Die ein­ zelnen Verfahrensschritte sind folgendermaßen:

• - Beschichten der Bleche mit Lot, wobei die Schichtdicke des Lots 3 bis 25 µm beträgt;
• - Stapeln der mit Lot beschichteten Bleche;
• - Verlöten des Stapels in Vakuum oder in Inertatmosphäre unter Wärme­ eintrag.

Die Lotschicht kann z. B. in Form einer Folie, Paste oder eines Pulvers oder galvanisch auf die zu fügenden Bleche aufgebracht werden.

In einer alternativen Ausführung werden beim Stapeln der (unbeschichte­ ten) Bleche abwechselnd Lotfolien zwischen die Bleche gelegt. Die ein­ zelnen Verfahrensschritte sind:

• - Stapeln der Bleche, wobei zwischen zwei Blechen jeweils eine Lotfolie gelegt wird, deren Schichtdicke 3 bis 25 µm beträgt;
• - Verlöten des Stapels in Vakuum oder in Inertatmosphäre unter Wärme­ eintrag.

Für sämtliche Ausführungen gilt, daß die Lotschichten vorteilhaft möglichst gleichmäßig, insbesondere mit konstanter Schichtdicke vorhanden sein sollten. Das Lot kann sowohl auf die strukturierten und/oder auf die nicht strukturierten Flächen der Bleche oder deren Teilbereiche aufgebracht werden.

Als Lot können z. B. folgende Materialien verwendet werden:

• - Cu und Cu-Legierungen, insbesondere:
  CuPd Kupfer-Palladium-Legierung mit 10 bis 22 Gew.-%, bevorzugt 15 bis 20 Gew.-% Palladiumanteil
• - Ni Legierungen, insbesondere:
  NiP Nickel-Phosphor-Legierung mit 7 bis 14 Gew.-%, bevorzugt 9 bis 12 Gew.-% Phosphoranteil
• - Au und Au-Legierungen, insbesondere:
  AuNi Gold-Nickel-Legierung mit 10 bis 22 Gew.-%, bevorzugt 15 bis 20 Gew.-% Nickelanteil
• - Ag und Ag-Legierungen, insbesondere:
  AgTi, Silber-Titan-Legierungen mit 2 bis 6 Gew.-%, bevorzugt 3 bis 5 Gew.-% Titananteil.

Die Abstände der zu fügenden Metalloberflächen sollten vorteilhaft im Be­ reich von einigen µm bis zu maximal 0,01 mm liegen, so daß sie durch das vorhandene Lot überbrückt werden können. Um diese Abstände zu errei­ chen, ist es erforderlich, während des Wärmeeintrags beim Löten einen entsprechenden Druck auf das zu lötende Bauteil auszuüben.

Unter Blechen im Sinne der Erfindung werden jede Art von metallischen Bauteilen z. B. in Form von ebenen, flachen Tafeln, Bändern oder Folien verstanden. Geeignete Materialien sind z. B.:

• - Stähle (z. B. 1.4301, 1.4401, 1.4404, 1.4541, 1.4571),
• - Ni, Ni-Legierungen
• - Pd, Pd-Legierungen
• - Cu, Cu-Legierungen.

Die Mikrostrukturierung der Bleche erfolgt durch an sich bekannte Verfah­ ren, z. B. durch mikrostrukturtechnische Verfahren unter Verwendung hoch­ präziser Werkzeuge, durch Ätzen, Fräsen, Prägen, Stanzen oder Drahtero­ dieren. Geeignet sind auch alle in den DE 44 26 692 C1 und WO 88/06941 beschriebenen Verfahren.

Um das Schließen, ganz oder teilweise, der für die Strömungsführung und Reaktionen vorgesehenen Kanäle der Mikrostruktur durch das überschüs­ sige Lot zu verhindern, können an den Blechen als zusätzliche Maßnahme Lotauffangkanäle vorgesehen werden. Die Abmessungen dieser Kanäle sollten hinsichtlich Breite und Tiefe insbesondere gleich oder größer ge­ staltet werden, als die der strömungsführenden Kanäle. Diese Lotauffang­ kanäle können insbesondere an solchen Bereichen der Mikrostruktur an­ geordnet werden, die hinsichtlich der Strömungsführung kritisch sind. Die Lotauffangkanäle füllen sich, wie beabsichtigt, mit dem überschüssigen Lot, so daß die strömungsführenden Kanäle frei und durchgängig bleiben.

Um in bestimmten Bereichen der Bleche ein Ausbreiten des Lotes zu ver­ hindern, kann vorteilhaft ein Mittel eingesetzt werden, mit dem die Benet­ zung des Grundwerkstoffs mit dem Lot verhindert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich z. B. für die Herstellung fol­ gender Einheiten:

• - Mikroreaktoren, Mikrowärmeübertrager;
• - Hochleistungsverdampfer (Mikro-Plattenwärmetauscher), öl- oder kata­ lytisch beheizt;
• - Membranmodule zur H₂-Abtrennung.

Insbesondere können die vorgenannten Einheiten für Brennstoffzellensy­ steme mit integrierter Wasserstofferzeugung für mobile Anwendungen, z. B. an Bord eines Fahrzeugs eingesetzt werden.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 drei Beispiele für die mögliche Strukturierung der Bleche; Fig. 2, 3 Beispiele für den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt drei Beispiele für die mögliche Mikrostrukturierung von Ble­ chen B, wie sie in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können. Die Dicke der Bleche liegt bevorzugt im Bereich 0,025 mm bis 10 mm. Die Kantenlängen der Bleche betragen in typischen Ausführungen bis zu 300 mm × 300 mm.

In der Ausführung a) weist das Blech B eine parallel verlaufende Kanal­ struktur auf, wobei die einzelnen Kanäle K durch Stege St getrennt sind. Die Kanäle K sowie die Stege St weisen einen konstanten, rechteckförmi­ gen Querschnitt auf.

In der Ausführung b) weisen die Stege in regelmäßigen Abständen Unter­ brechungen Ub auf.

In der Ausführung c) weist das Blech B schlitzartige, parallele Durchbre­ chungen Db auf.

Neben den dargestellten Strukturierungen sind selbstverständlich beliebi­ ge andere Strukturierungen möglich.

Typische Abmessungen für die Strukturen (Kanäle und Stege) sind:
Kanaltiefe: von 0,1 mm bis 0,4 mm und tiefer
Kanalbreite: von 0,1 mm bis 10 mm und breiter
Stegbreite: von 0,1 mm bis 10 mm und breiter
Steghöhe: von 0,1 mm bis 0,4 mm und höher.

Die Fig. 2,3 zeigen beispielhaft einzelne Verfahrensschritte des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens. Dabei wird im ersten Schritt (Fig. 2) das Lot L auf die zu fügenden Bleche B aufgebracht.

In der Ausführung nach a) wird die gesamte Oberfläche der beiden Ble­ che, also Stege St, Kanäle K, die unstrukturierte Rückseite R sowie die Seitenflächen mit Lot beschichtet. Dies kann vorteilhaft insbesondere durch an sich bekannte galvanische Beschichtungstechniken erreicht wer­ den.

In der Ausführung b) werden nur die Stege St sowie die Rückseiten R der beiden Bleche mit Lot beschichtet. Dazu können z. B. entsprechend zuge­ schnittene Folien verwendet werden.

In der Ausführung c) ist jeweils zwischen zwei strukturierten Blechen B ein unstrukturiertes Blech ZB vorhanden. Dieses Blech ZB ist in dieser Aus­ führung beidseitig beschichtet. Es dient als Verbindungsblech zwischen den benachbarten strukturierten Blechen B.

In der Ausführung d) wird ähnlich wie in der zuvor beschriebenen Ausfüh­ rung c) zwischen zwei strukturierten Blechen B (das zweite strukturierte Blech ist nicht dargestellt) eine dünne, unstrukturierte Metallfolie MF ange­ ordnet. Hierbei wird das Lot nur an den Randbereichen von Blech B und Metallfolie MF aufgebracht. Die dünne Metallfolie MF kann als Membran, z. B. für die Wasserstoffabtrennung, eingesetzt werden.

In den Ausführungen b) und d) sind bespielhafte Bemaßungen (in mm) für die Dicke (ohne Lotschichten) der Bleche B und der Metallfolie MF ange­ geben.

Bei allen vier Ausführungen können die zu fügenden Bleche gleiche oder wechselweise unterschiedliche Dicken (z. B.: 0,025 und 1 mm) aufweisen und dabei strukturiert oder nicht strukturiert sein.

Im nächsten Schritt (Fig. 3, oben) erfolgt das Stapeln (Kassettieren) der mit Lot L beschichteten strukturierten Bleche B. Es ergibt sich ein Stapel S, bei dem jeweils zwischen benachbarten Blechen eine Lotschicht L vor­ handen ist. In der dargestellten Ausführung werden die Bleche zum Bei­ spiel so ausgerichtet, daß die Kanäle benachbarter Bleche rechtwinklig zu­ einander verlaufen.

In einer alternativen Ausführung des Verfahrens können abwechselnd un­ beschichtete Bleche und Lotfolien, die vorher entsprechend zugeschnitten werden, aufeinandergeschichtet werden.

Typische Werte für Stapelhöhe und Anzahl der gestapelten Bleche sind:
Anzahl: bis zu 150 Bleche
Stapelhöhe: bis zu 100 mm.

Im dritten Schritt (Fig. 3, unten) erfolgt das Verlöten der Bleche in Vakuum oder in Inertatmosphäre zu einem Bauteil. Als Inertatmosphäre kann z. B. Argon, Stickstoff oder Wasserstoff verwendet werden. Durch Wärmezufuhr (bevorzugte Löttemperaturen: 720 bis 1280°C, insbesondere 1020 bis 1170°C) wird das Lot zum Schmelzen gebracht. Um den Abstand zwi­ schen den zu fügenden Metalloberflächen in eine Größenordnung zu brin­ gen, bei dem das vorhandene Lot für eine Verbindung der Bleche sicher ausreicht, wird der Stapel S gleichzeitig druckbeaufschlagt (angedeutet durch die Kräfte F).

Bezugszeichenliste

B Blech
ZB Verbindungsblech
Db Durchbrechung
K Kanal
St Steg
Ub Unterbrechung im Verlauf eines Stegs St
L Lotschicht
S Stapel
R Rückseite
MF Metallfolie.

Claims (14)

1. Verfahren zum Löten von metallischen, mikrostrukturierten Blechen (B), mit folgenden Verfahrensschritten:

• - Erzeugen eines Stapels (S) aus den vorgenannten Blechen (B) so­ wie Lotschichten (L), die jeweils zwischen zwei benachbarten Ble­ chen (B) vorhanden sind, wobei die Schichtdicke der Lotschichten 3 bis 25 µm beträgt;
• - Verlöten des Stapels (S) in Vakuum oder in Inertatmosphäre unter Wärmeeintrag.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel (S) aus Blechen (B) und Lotschichten (L) derart erzeugt wird, daß die Bleche (B) mit der Lotschicht (L) beschichtet werden und die mit Lot beschichteten Bleche (B) danach gestapelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Be­ schichten der Bleche (B) das Lot als Folie oder Paste oder Pulver oder mittels galvanischer Verfahren auf die Bleche (B) aufgebracht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß beim Beschichten der Bleche (B) die Lotschicht (L) mit im we­ sentlichen konstanter Schichtdicke aufgebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel aus Blechen (B) und Lotschichten (L) derart erzeugt wird, daß die Lot­ schichten (L) beim Stapeln (S) zwischen die Bleche gelegt werden.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lotschichten (L) auf die strukturierten und/oder auf die nicht strukturierten Flächen (R) der Bleche oder auf Teilberei­ che (St) dieser Flächen aufgebracht wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Stapel (S) während des Verlötens zusammen­ gepreßt wird, so daß der Abstand benachbarter Bleche (B) im Stapel (S) kleiner als 10 µm ist.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens eines der Bleche (B) nicht mikrostruktu­ riert ist und zwischen zwei mikrostrukturierten Blechen (B) als Verbin­ dungsblech (ZB) oder Membran (MF) angeordnet wird.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bleche (B) aus einem der folgenden Werkstoffe bestehen:

• - Stähle, insbes. 1.4301, 1.4401, 1.4404, 1.4541, 1.4571,
• - Ni, Ni-Legierungen,
• - Pd, Pd-Legierungen,
• - Cu, Cu-Legierungen.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lotschicht (L) aus einem der folgenden Materi­ alien besteht:

• - Cu und Cu-Legierungen, insbesondere
  CuPd Kupfer-Palladium-Legierung mit 10 bis 22 Gew.-%, bevorzugt 15 bis 20 Gew.-% Palladiumanteil;
• - Ni Legierungen, insbesondere
  NiP Nickel-Phosphor-Legierung mit 7 bis 14 Gew.-%, bevorzugt 9 bis 12 Gew.-% Phosphoranteil
• - Au und Au-Legierungen, insbesondere
  AuNi Gold-Nickel-Legierung mit 10 bis 22 Gew.-%, bevorzugt 15 bis 20 Gew.-% Nickelanteil
• - Ag und Ag-Legierungen, insbesondere
  AgTi, Silber-Titan-Legierungen mit 2 bis 6 Gew.-%, bevorzugt 3 bis 5 Gew.-% Titananteil.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an den Blechen Lotauffangkanäle vorhanden sind.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Teilbereiche der Bleche mit einem Mittel zur Ver­ hinderung der Benetzung mit Lot vorbehandelt werden.

13. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorgenannten Ansprü­ che zur Herstellung eines Mikroreaktors, Mikrowärmeübertragers, öl- oder katalytisch beheizten Verdampfers oder eines Membranmoduls zur H₂-Abtrennung.

14. Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die ge­ nannten Einheiten für Brennstoffzellensysteme mit integrierter Wasser­ stofferzeugung für mobile Anwendungen, insbesondere an Bord eines Fahr­ zeugs, eingesetzt werden.