连接适于制造微结构元件的模组层的方法和微结构元件技术

一种接合微结构元件层的方法，该微结构元件层适于制造微结构元件且其材质选自包含金属及金属合金的群组，该方法包括以下步骤：　　　　ａ）将至少一个多功能屏障涂层施加至该元件层的接合表面上；　　　　ｂ）将至少一个软钎焊／硬钎焊涂层施加至该至少一个屏障涂层上；　　　　ｃ）将所述元件层堆叠；　　　　ｄ）通过加热使所述元件层相互软钎焊／硬钎焊在一起。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及接合微结构元件层的方法，该微结构元件层适于制造微结构元件且包括金属，特别是铝和/或铝合金、铜/铜合金和/或高级钢。本专利技术还涉及包含一叠微结构元件层的微结构元件，该微结构元件层相互接合且包括金属和/或金属合金，特别是铝和/或铝合金、铜和/或铜合金和/或高级钢。如微(μ)反应器、μ-混合器及μ-热交换器的微结构元件已应用于化学制程技术及研发工程。早期的工业制程已加以实施。例如瑞士的Clariant公司与德国的CPC公司联合设置一导引系统，以制造两商业用氮(azo)颜料，并测试连续运转的方法，此方法的结果为产生的粒子提升至多149％的较佳颜色强度、较明亮且更透明(CHE经理，5/2002)。PAMIR研究(PAMIRPotential and Applications of MicroreactionTechnology-A Market Survey，Mainz Institute of Microtechnic GmbH andYOLE Developpement；2002)提供了微结构技术潜力的调查及现今的工业应用。进一步的研发资讯可参见尔费德(Ehrfeld)等发表的“Microreactors”，Wiley VCH，2000以及“Microreaction Technology”研讨会的会议纪录，其自1997年开始每年举办一次(IMRET 1-6，1997至2002)。与传统的反应器及热交换器比较，微结构元件极佳的优点为1.近似等温的方法2.高表面/体积比率3.藉由大小的次序改良热交换，即广泛应用的最紧密高性能热交换器，其运用于燃料电池、汽车及飞机的空调以及高热发性电子元件的冷却器4.最紧密的构造5.最高程度的系统整合6.较佳的制程控制7.高发热反应过程中的高安全标准8.较佳的环境保护微结构元件通常包括一叠细微构造的薄金属层/片，薄金属层的接合在元件中产生细微的通道(channel)，其剖面一般小于1mm2，薄金属层利用干蚀刻方法、湿化学深蚀刻或机械微加工而构造。处理后的薄金属层均设有顶板及底板，并接合为一紧密元件。当适当设计时，该元件以最小的体积可得到最大的热交换或能量交换，故元件中流动条件可调整地界定，且微通道中近似等温状态。因后述的制程，市面上的μ-反应器、μ-热交换器及μ-混合器的材质通常为高级钢。此外，利用此制程的微结构元件无法应用于许多领域，首先因为大序列和大批量生产的成本无法有效降低和/或数量无法提升或成本甚高，其次是制造方法需使元件满足下列技术要求1.在微流通道与环境之间的密封；2.抗压/强度；3.对使用介质的抗腐蚀性；4.抗温；5.轮廓设计良好的流体通道，即通道无制程的干扰残余物。在现有技术中，热扩散焊接仅用于接合堆叠的金属薄层，该薄层用以制造μ-反应器、μ-混合器及μ-热交换器。由各微结构薄层制成且待接合的金属叠层在高温高压及高度真空的情况下藉由交互扩散而焊接在一起。此方法的优点是整体性的，即所制的元件核心为均匀材质。为提供足够的交互扩散，在待接合元件的热扩散焊接过程中表面品质(粗糙度，洁净度，形状/平坦性)要求相当的高，这导致材料的选取受到限制，制程条件及材料预处理的成本较高，特别是铝及其合金，其原因为铝的高度氧亲和性将形成氧化物层，即使在高度真空的情况下作业也是如此。以往此问题导致制造的高废品率，故此接合方法对工业应用而言并不经济，因元件中材料结合相当的困难以及反应器本体上扩散焊接缝泄漏相当多的热量，通常利用电子束焊接的后续罩框制程(在包括终端的罩框与反应器本体之间形成一结合)在很大程度上受到此限制。热扩散焊接的缺点为下列复杂的制造条件高度真空、相当高的接合温度(约1000℃)，长时间的等待和处理以及基础材料及材料结合的限制，此类产品的成本相当程度地限制其使用，故此类元件的现价为数百至数千欧元之间。软钎焊(soldering)/硬钎焊或铜焊(brazing)制程的缺点为接合涂层包括不同于堆叠薄层的金属，然而这些方法具有成本的基本优势。虽然软钎焊/硬钎焊方法已重复建议作为微结构元件的接合技术，但以往经验显示其无法利用软钎焊/硬钎焊方法于μ-元件的工业制造，其原因为μ-元件制造过程的要求相当苛刻1.熔化过程中无软钎料(solder)/硬钎焊材料(brazing material)进入通道中，从而不会造成通道阻塞；2.因溢流残留物无法自加工后元件处移除或相当不易移除，作业需在无任何溢流的情况下执行；3.因结构的尺寸较小及复杂性，软钎料/硬钎焊涂层需相当的薄、均质、均匀分布及无暇疵。漠姆笙(Humptson，G.J.JacObson，D.M.，“Principles of Solderingand Brazing”，4(2001)，ASM International，The Materials InformationSociety，ISBN 0-87170-462-5)详细揭示了暂态的液相结合。此为扩散软钎焊/硬钎焊方法，其中一个或两个软钎焊/硬钎焊涂层位于待结合件之间，且结合处被加热至高于软钎焊/硬钎焊材料的熔点的温度。结合处受热较长的时间，以确保软钎焊/硬钎焊金属及基础材料金属的热扩散，若使用两种不同的软钎焊/硬钎焊金属或合金，可形成两种金属或合金的共熔物，对大部分的软钎焊/硬钎焊制程而言，铜、银或金作为软钎焊/硬钎焊材料，扩散方法中软钎焊/硬钎焊材料的典型范例为铜/锡合金系统。CH 690 029 A5揭示位于一基底上的由至少两层构成的易熔涂层，其特别是用于软钎焊或硬钎焊。所制的基底适用于硬钎焊的观视罩框零件中的气密及液密接合点。对软钎焊/硬钎焊涂层的制造而言，两部分的涂层被电解沉积。在硬钎焊制程中，涂层形成共熔物，其熔点为用于硬钎焊的温度，即高于450℃及低于约1000℃。对软钎焊/硬钎焊涂层而言，金及镍的成分比率约为7∶3，以利于钎焊白金、不锈钢、钛及高比率钛的钛合金，其他适合硬钎焊的金属组合范例为锰和铜以及铜和银，若金/镍涂层施加于不锈钢，金涂层优选先沉积在基底上。此外，EP 0 212 878 A1揭示一制造热交换器的方法，其中热介质的流动通道位于钢板中。该钢板利用扩散焊彼此接合。如前文所述，因生产的限制条件，目前市场上微结构产品的材质皆为高级钢/优质钢(high-grade steel)。关于生产微结构元件的一个特别的挑战为利用铝/铝合金的接合。以往无铝制微结构元件可满足前述技术要求。因此，该问题将详述于后。铝的低密度(2.7g/cm3)及优越的强度特性使其具有最佳的形状及轻质构造，因此使其重量大大减轻，这一点对车辆设计及太空工程的应用而言甚为重要。除了考量轻质及高强度外，铝具有高度正电特性及对应的高度氧亲和性。相对于易腐蚀的钢，铝因生成依附的薄氧化物涂层，故铝可抗氧化，从而防止被氧气进一步腐蚀。此保护性涂层可有效防止铝高度腐蚀，其在微结构元件制造过程中避免了铝金属层或零件接合或导致高废品率，故在接合之前须完全移除。在硬钎焊过程中，用于此范例的熔剂(flux)的熔点约为570℃且可溶解Al氧化物涂层。考量与其用途相关的缺点，例如环境污染、腐蚀、熔剂与基础材料合金之间不必要的反应以及额外的成本，尽可能避免使用熔剂。此外，因熔剂在接合过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：海因里希·迈尔，康拉德·克雷默，奥拉夫·屈茨，拉尔夫·赫贝尔，沃尔夫冈·弗里兹，卡斯·施维肯迪克，奥利弗·林图纳图斯，克里斯蒂安·马德里，
申请(专利权)人：埃托特克德国有限公司，
类型：发明
国别省市：