DE2318727A1 - Verfahren zum herstellen einer druckverbindung - Google Patents
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Description
Akte: PHB-32. 250
Anmeldung vom« 12. April 1973
Anmeldung vom« 12. April 1973
"Verfahren zum Herstellen einer Druckverbindung".
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden eines keramischen Körpers mit einem anderen
aus Metall oder Keramik bestehenden anderen Körper durch eine Druckverbindung.
Es ist bekannt, einen keramischen Körper durch Sintern, Hartlöten oder "reflow"-löten (Ruckflusslöten) mit
einem anderen Körper aus Keramik oder Metall zu verbinden. Das Sintern weist den Nachteil auf, dass die Körper sehr
hohen Temperaturen ausgesetzt werden, die dem Schmelzpunkt mindestens eines der Materialien der Körper sehr nahe liegen.
Der Nachteil von Hartlöten ist oft, dass die keramische Stirnfläche bzw. Stirnflächen eine Metallisierung erfordern, was
teuer ist und die bei Hartlöten erforderlichen Temperaturen
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können zu Rissbildung des keramischen Materials führen und zwar infolge Spannungen, die durch den Hartlötprozess herbeigeführt
werden. Einige Weichlötverfahren sind bei bestimmten Anwendungen ungeeignet, weil die erforderlichen Löttemperaturen
höher sein können als in bezug auf andere im System vorhandene Teile, von denen die zwei zu befestigenden Körper
einen Teil bilden, erwünscht ist.
Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Befestigung eines keramischen Körpers an einem anderen aus Metall
oder Keramik bestehenden Körper und zwar mittels einer Druckverbindung und weist dazu das Kennzeichen auf, dass zwischen
praktisch ebenen Flächen der zwei Körper eine verformbare
metallene Zwischenfolie angebracht wird und dass zwischen
den Körpern dadurch eine mechanische Verbindung erhalten wird, dass das Ganze aus den zwei Körpern und der Zwischenfolie in
eine Presse gebracht wird mit einem Druck von mindestens 1 Tonne/Zoll2 und höchstens 5 Tonnen/Zoll2 während das Ganze
bei einer Temperatur gehalten wird, die unterhalb des Schmelzpunktes der Zwischenfolie liegt und unterhalb der Temperatur,
bei der sich eine flüssige Phase bilden würde und zwar durch Einwirkung der Bestandteile der einander zugewandten Oberflächen,
wobei der genannte Druck und die genannte Temperatur zur Erhaltung der Verbindung während einer Periode von weniger
als 30 s beibehalten werden.
Bei diesem Druckverbindungsverfahren wird eine starke Verbindung erhalten, ohne dass die bei der Beschreibung
der bekannten Verfahren erwähnten Nachteile auftreten
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und Beispiele von keramischen Materialien, die beim Verfahren anwendbar sind, sind feuerfeste öxydmaterialien wie Aluminiumoxyd,
Berylloxyd und Zirkonoxyd.
Der genannte Druckbereich mit einer oberen
Grenze von 5 Tonnen/Zoll2 ist gewählt worden um Bruchgefahr
des keramischen Körpers bzw. der keramischen Körper zu vermeiden. Die untere Grenze von 1 Tonne/Zoll2 ist gewählt worden
weil es sich herausgestellt hat, dass Drücke unterhalb dieses Wertes entweder keine geeignete Verbindung oder eine Verbindung
nicht ausreichender Stärke ergeben. Die Temperatur, bei der das Verbinden durchgeführt wird, kann im Vergleich zu
den Temperaturen, die bei dem bekannten "reflow"-Lötverfahren mit ähnlichen Materialien angewandt werden, verhältnismässig
niedrig sein. Die Periode von höchstens 30s, in der der genannte Druck und die genannte Temperatur beibehalten werden
um die Verbindung zu erhalten ist verhältnismässig kurz und kann manchmal weniger als 5 s betragen. Diese kurze Verbindungszeit
zusammen mit den verhältnismässig einfachen Mitteln, die zur Herstellung der Verbindung notwendig sind, ergeben
einen verhältnismässig billigen Produktionsprozess. Für besondere Verbindungsverfahren ist die Periode, in der der genannte
Druck und die genannte Temperatur angewandt werden derart, dass die Verbindung eine gewünschte Zugstärke erreicht,
die im allgemeinen etwa 50$ der schlussendlichen Zugstärke
der verwendeten verformbaren Metallfolie ist. Manchmal ist gedoch die Messung davon durch die Zugstärke des mechanischen
Körpers beschränkt, die, wenn sie niedrig ist, den keramischen
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Körper brechen lässt bevor die Verbindung unter der Belastung
brechen wird. In manchen Formen des Verfahrens, in denen eine Verbindung mit einer hohen Zugstärke nicht erforderlich ist,
kann die Periode, während der die genannte Temperatur und der genannte Druck angewandt werden, derart sein, dass die erhaltene
Verbindung eine Zugstärke aufweist, die nur 20 bis 25$
der schlussendlichen Zugstärke der verformbaren Metallfolie ist. Wenn eine Stärke der Verbindung von 50$ dea?L>
Schluss endlichen Zugstärke der verformbaren metallenen Folie erhalten
wird, wird die Stärke der Verbindung durch Beibehaltung des Ganzen unter dem genannten Druck und unter der genannten
Temperatur während einer längeren Periode nicht wesentlich zunehmen, d.h. die Stärke der Verbindung wird sich um nicht
mehr als 20$ erhöhen. Im genannten Fall, in dem die Stärke
der Verbindung nur 20 bis 25$ der schlussendlichen Zugstärke
der verformbaren Metallfolie ist, wird durch Beibehaltung des Ganzen unter dem genannten Druck und der genannten Temperatur
während einer längeren Periode" die Stärke der Verbindung zunehmen, aber dies ist nicht erwünscht.
Der genaue physikalische Mechanismus, durch
den die Verbindung erhalten wird, ist nicht völlig klar. Die
Temperaturverhältnisse sind jedoch derart, dass ein Verschmelzen der Zwischenfolie mit dem einander zugewandten Oberflächen
nicht auftritt und dass durch Einwirkung eines der vorhandenen Bestandteile keine flüssige Phase gebildet wird. Weiter findet
bei einer derartigen kurzen Periode für die Verbindungszeit keine. Langfristdiffusion der Elemente statt, obschon
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eine gewisse Kurzfristdiffusion, d.h. mit einer Tiefe einiger
Atome, wohl stattfinden kann. Messungen der erhaltenen Verbindungsstärke zeigen, dass die Verbindung nicht völlig van
der Waalsschen Kräften zu verdanken ist, weil die Stärke der Verbindung zu gross ist um nur durch die genannten Kräfte
erklärt zu werden.
Ein weiterer Vorteil des Druckverbindungsverfahrens nach der Erfindung ist, dass, im Vergleich zu den
bekannten Sinter—Hartlot- oder Lötverfahren eine im keramischen
Körper bzw. in den keramischen Körpern erzeugte Spannung minimal ist und zwar Hauptsächlich durch die niedrigeren
Temperaturen, die bei diesem Druckverbindungsverfahren angewandt werden können und die folglich den Effekt eines Unterschiedes
in den Ausdehnungskoeffizienten der Bestandsteile verringern und durch die Tatsache, dass ein geringer Kriech—
effekt von Folienmaterial in seitlicher Richtung zwischen den einander zugewandten Oberflächen gibt. Weiter erfolgt
in manchen Fällen, beispielsweise wenn eine verformbare Metallfolie aus Weichlot verwendet wird, die Verbindung ohne
die Bildung von Zwischenmetallen, die beim üblichen Lötverfahren auftreten würde und dies ist ein Faktor, der dazu
beiträgt, dass die Spannung niedrig ist.
Beim erfindungsgemässen Verfahren hat es sich
herausgestellt, dass die Druck- und Temperaturverhältnisse derart sind, dass die Verformung der verformbaren Metallzwischenfolie
normalerweise weniger als 5$> beträgt, in vielen
Fällen weniger als 2$, wobei die Verformung der Dickenunter-
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schied geteilt durch die ursprüngliche Dicke und als Prozentsatz ausgedrückt ist.
Bei einem erfindungsgemässen Verfahren kann
die zur Verbindung verwendete Oberfläche mindestens eines der zwei Körper mit einer Metallbedeckung versehen werden,
die gegebenenfalls vom Material der Zwischenfolie verschieden
sein kann, wobei die Anforderung für eine derartige Bedeckung vom Material der Körper und vom Folienmaterial abhängig ist.
Im allgemeinen ist, wenn ein Metallkörper mit einem keramischen Körper verbunden werden muss, eine Metallbedeckung,
beispielsweise aus Gold, notwendig und zwar auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Metallkörpers für diejenigen Metalle,
deren Oberflächen leicht oxydieren. Die Anforderung, dass eine keramische Verbindungsoberfläche oder -oberflächen metallisiert
werden müssen, ist vom Material der verwendeten Zwischenfolie abhängig, beispielsweise wenn eine Goldfolie oder
eine Weichlotfolie verwendet wird, ist es im allgemeinen
notwendig, die keramische Verbindungsoberfläche mit einem Material zu metallisieren, das für keramische Metallisierung
allgemein verwendet wird und zwar beispielsweise Gold, Gold/ Palladium oder Silber/Palladium. Wenn jedoch eine Aluminiumfolie
verwendet wird, kann es nicht notwendig sein, die keramischein) Verbindungsoberfläche bzw. -oberflächen zu
metallisieren; beim Verbinden eines Metallkörpers oder eines keramischen Körpers mit einem Körper aus Aluminiumoxyd mit
einer Aluminiumfolie braucht es beispielsweise nicht notwendig
zu sein, dass die Verbindungsoberfläche des Aluminiumoxyd-
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körpers metallisiert wird.
Für die Zwischenfolie können unterschiedliche
Materialien verwendet werden und die spezifische Wahl des Metalles ist von den Materialien der zwei zu verbindenden
Körper und von den erlaubten Temperaturen, die bei.der Verbindung der Körper angewandt werden können, abhängig. Ein
derartiges Metall ist Gold und wenn eine Goldfolie verwendet wird, wird als Dicke mindestens 10 /um bevorzugt. Auf der
keramischen Verbindungsoberflache oder auf den keramischen
Verbindungsoberflächen kann eine Goldschicht angebracht werden. Bevorzugte Verhältnisse beim Verbinden mit Hilfe einer
Goldfolie sind Drücke zwischen 2,5 und 3,5 Tonnen/Zoll2 und Temperaturen im Bereich von 3000C bis 3500C.
Ein anderes Metall, das sich als Zwischenfolie
eignet, ist Aluminium und es wird eine Foliendicke von mindestens 10 /um bevorzugt. Bevorzugte Verhältnisse beim Verbinden
beim Gebrauch von Aluminiumfolien sind Drücke zwischen 2,5 und 3»5 Tonnen/Zoll2 und Temperaturen im Bereich von
35O°C bis 400°C.
Die metallene Zwischenfolie kann aus Weichlotmaterial
bestehen mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 125°C bis 33O°C und das Verbinden kann bei einer Temperatur
-im Bereich von 75°C bis 300°C erfolgen, unter der Bedingung jedoch, dass die gewählte Temperatur niedriger ist als der
Schmelzpunkt des Lotmaterials und niedriger ist als die Temperatur, bei der sich durch Einwirkung der Bestandteile, die
sich in den Verbindungsoberflachen befinden, eine flüssige
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Phase bilden könnte.
Die Folie aus Weichlot kann eine Folie aus
einer Reihe von Weichlotmaterialien sein, die Blei als primären Bestandteil enthalten und Schmelzpunkte aufweisen im
Bereich von 3000C bis 3270C. Ein derartiges Material besteht
aus Blei, Silber und Zinn, wobei die Gewichtsprozentsätze 95t 3>5 bzw. 1 betragen und der Schmelzpunkt 3170C ist. Ein
anderes derartiges Material hat dieselben Bestandteile, wobei die Gewichtsprozentsätze 95t5t 3»0 bzw. 1,5 sind und der
Schmelzpunkt 3O6°C beträgt. Bei Verwendung derartiger Weichlotmaterialien,
die Blei als primären Bestandteil enthalten, werden Drücke im Bereich von 2,5 bis 3»5 Tonnen/Zoll2 und
Verbindungstemperaturen im Bereich von 24o°C bis 29O0C bevorzugt.
Die metallene Zwischenfolie kann eine Folie aus einer
Reihe von Weichlotmaterialien mit Blei und Zinn, Kadmium und Zinn, Blei und Indium, Blei-Kadmium und Zinn, oder Blei-Silber
und Zinn als Bestandteile sein und einen Schmelzpunkt im Bereich von 150°C bis 3000C aufweisen. Bei Verwendung derartiger
Materialien sind bevorzugte Verbindungsumstände Drücke
zwischen 2,5 und 3f5 Tonnen/Zoll2 und Temperaturen zwischen
1000C und 280°C, unter der Bedingung jedoch, dass die gewählte
Temperatur niedriger ist als der Schmelzpunkt der Folie und niedriger als die Temperatur einer flüssigen Phase, die
sich durch Einwirkung der Bestandteile, die in den Verbindungsoberflächen vorhanden sind, bilden könnte. In dieser
Gruppe von Materialien werden Zusammenstellungen aus Lotmaterialien mit Blei und Indium mit Schmelzpunkten in Bereich
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von 235°C bis 2600C bevorzugt, wobei die Verbindung mit
Vorteil bei einer Temperatur im Bereich von 18O°C bis 2000C
durchgeführt wird.
Die metallene Zwischenfolie kann eine Folie sein aus einer Reihe von Weichlotmaterialien, die Indium
als primären Bestandteil aufweisen und Schmelzpunkte haben in Bereich von 125°C bis 16O°C. Bei Verwendung derartiger
Materialien sind die bevorzugten Verbiiidungsumstände Drücke zwischen 2,0 und 3,0 Tonnen/Zoll2 und Temperaturen zwischen
75°C und 1500C, unter der Bedingung jedoch, dass die gewählte
Temperatur niedriger ist als der Schmelzpunkt der Folie und niedriger als die Temperatur einer flüssigen Phase, die sich
bilden könnte.
In einer bevorzugten Ausführungsform des
Verfahrens besteht der eine Körper aus Kupfer und der andere Körper aus Keramik, beispielsweise Berylliumoxyd, wobei diese
Körper mittels einer Weichlot-Zwischenfolie aus Blei und Indium verbunden werden. An den Verbindungsoberflächen kann
der keramische Körper eine aufgebrachte Goldbedeckung aufweisen und der Kupferkörper kann vergoldet sein. Die Verbindungstemperatur
kann zwischen 190°C und 2000C liegen und der
Druck etwa 3 Tonnen/Zoll2 betragen.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens besteht der eine Körper aus Nickel und der
andere aus Keramik, beispielsweise Berylliumoxyd, wobei auch diese Körper mittels einer Weichlotzwischenfolie aus
Blei und Indium unter denselben Umständen, wie diese bei der
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obenstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform beschrieben
wurden, miteinander verbunden werden»
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens bestehen die beiden Körper aus Aluminiumoxyd und diese Körper werden durch Druckverbinden mittelä einer
Weichlotzwischenfolie aus Kadmium und Zinn miteinander verbunden,
wobei die Verbindungsoberflächen der Aluminiumoxydkörper
mit Bedeckungen aus Siebdruck-Palladium/Silber versehen sind. Die Verbindungstemperatur kann zwischen 150°C und
1750C liegen und der Druck etwa 3 Tonnen/Zoll2 betragen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in
den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 einen· senkrechten Schnitt durch einen
Teil einer Presse, die beim erfindungsgemässen Verfahren verwendet
werden kann,
Fig. 2 einen Schnitt durch ein Unterstützungs-
gefüge für ein Transistormodul mit einem Berylliumoxydkörper,
der an der Unterseite durch Druckverbinden mit einem Kupferteil eines Sockels verbunden ist und an der Oberseite durch
Druckverbinden angeordnete aus Nickel bestehende Durchführungsleiter aufweist, wobei diese Figur dazu dient, zwei
spezifische Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemässen Verfahrens zu erläutern,
Fig. 3 einen Schnitt durch eine auseinandergezogene Anordnung der unterschiedlichen Teile, die sich
im Gefüge nach Figt 2 befinden, bevor sie durch das erfin-
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dungsgemässe Verfahren befestigt worden sind,
Fig. 4 einen Schnitt durch eine auseinandergezogene Anordnung von Teilen einer Umhüllung für eine elektronische
Anordnung, wobei die genannten Teile zwei Aluminiumoxydkörper enthalten, die beim Abdichten der Umhüllung durch
ein Druckverbindungsverfahren nach der Erfindung verbunden werden.
Die In Fig. 1 dargestellte Presse enthält
einen festen Stahlsockel 1 und ein bewegliches Pressenoberteil 2. Ein stählernes Sockelglied 3 mit rundem Querschnitt ist
am Sockel 1 befestigt, der zugleich eine AbbestunterStützung
h enthält. Auf der Asbestunterstützung k befindet sich ein
Siliziumoxydrohr 5» das mit dem oberen Teil des stählernen
Sockelgliedes 3 koaxial ist und dieses Blied umgibt. Ein
drahtförmig s Erhitzungselement 6 ist um das Siliziumoxydrohr
5 gewickelt. Das Erhitzungselement 6 und das Rohr 5 sind
von einem äusseren Kupermantel 7 umgeben, der sich am unteren Ende auf die Asbestunterstützung h abstützt und am oberen
Ende einen aus Asbest bestehenden Deckel 8 unterstützt. Auf der Oberseite des stählernen Sockelgliedes ist ein stählernes
Stützglied 9 befestigt, das gehärtet und temperiert worden ist. In der Seite des Stützgliedes 9 befindet sich eine
öffnung 10, in die ein (nicht dargestelltes) Thermoelement gesteckt werden kann. In der Seitenwand des kupfernen Aussenmantels
7 befindet sich eine Öffnung 11 zum Zuführen eines
Mischgases (1O$ Wasserstoff in Stickstoff) um eine regulierte
Atmosphäre um die Teile zu schaffen, wenn diese unter Druck
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-■ Hi -
verbunden werden und um zu vermelden, dass die Werkzeugflächen
oxydieren. Im Asbestdeckel 12 befinden sich eine Anzahl Offnungen zum Abführen des Gases.
Das bewegliche stählerne Pressenoberteil 2
hat einen stählernen Einsatz 15, der in der unteren Fläche des Pressenoberteils befestigt ist. Zwei Stahlplatten 16
und 17 sind am Einsatz 15 befestigt und zwar zusammen mit
einem aus Gummi bestehenden Stossdämperblock 18, der zwischen den Platten 16 und 17 befestigt ist. Ein Bolzen 19 befestigt
das Gefüge aus den Platten 16 und 17 und dem Block 18 am
Einsatz 15» wobei der Kopf des Bolzens 19 in einem stählernen
schalenförmigen Teil 20 liegt, der locker am Einsatz 15
befestigt ist. Der schalenförmige Teil 20 ist mit Innengewinde
versehen und bestimmt die Lage einer mit Aussengewinde versehenen
Enddruckplatte 21, die aus demselben Material wie das Stützglied 9 besteht. Auf der unteren Umfangsflache des
stählernen schalenförmigen Teils 20 befindet sich ein Asbestisolator
22. Die Enddruckplatte 21 hat einen Umfangsrand 23 und zwischen dem Rand 23 und dem Asbestisolator 22 ist ein
flaches Niehrom-Erhitzuhgselement 2k zwischen zwei Mikaplatten
25 eingeklemmt. Die Enddruckplatte hat eine öffnung 26, in
die ein Thermoselement gesteckt werden kann. An der Aussenoberfläche
der Platte 17 ist ein Wasserkühlrohr 27 befestigt.
Nun wird die Wirkungsweise der Pressvorrichtung in einem erfindungsgemässen Verfahren beschrieben. Mit
dem beweglichen Pressenoberteil 2 in der in Fig. 2 dargestellten Lage werden die Gaszuführungs- und Erhitzungselemente
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6 bzw. 2k eingeschaltet und die Temperaturen eingestellt bis
das stählerne Stützglied 9 und die Enddruckplatte 21 die gewünschte Verbindungstemperatur haben. Das Gefüge aus den
zwei zu verbindenden Körpern und der Zwischenfolie wird
auf die Oberfläche des stählernen Stützgliedes 9 gelegt und das bewegliche Pressenoberteil 2 wird nach unten bewegt, so
dass die Enddruckplatte 21 auf der oberen Fläche des oberen Körpers ruht. Danach wird der Druck der Enddruckplatte 21
über eine Periode von 5 bis 10 Sekunden, bis der gewünschte Verbindungsdruck, beispielsweise 2,5 Tonnen/Zoll2 erhalten
worden ist, allmählich erhöht. Dieser Druck wird danach während der gewünschten Zeit beibehalten, beispielsweise
während etwa 10 Sekunden und darauf wird der Druck durch eine Aufwärtsbewegung des Pressenoberteils 2 aufgehoben und zum
Schluss wird das Gefüge der Körper, die mittels der Zwischenfolie verbunden sind, entfernt. Im allgemeinen werden die
Erhitzungselemente 6 und 2k geregelt werden um das Stützglied
9 und die Enddruckplatte auf derselben Temperatur zu halten, aber gewünschtenfalls können diese Temperaturen unabhängig
voneinander geändert werden. Die erreichbare Regelung beträgt +_ 20C und wird erzielt mittels Thermoelemente in den öffnungen
10 und 26 und mittels einer Temperaturregelvorrichtungr Der Druck und der Druckaufbau wird über ein genormtes Nadelventil
und eine hydraulische Kupplung gesteuert.
Fig. 2 zeigt im Schnitt ein Unterstützungs-
gefüge für ein Sendetransistormodul. Das Gefüge enthält einen rechtwinkligen kupfernen Basisteil 31 mit Abmessungen von
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16 mm χ 32 mm χ 1,6 mm, der vernickelt und vergoldet ist.
Ein ebenfalls vernickelter und vergoldeter kupferner Block 32 (Abmessungen 11 mm χ 8 mm χ 1,6 mm) wird unter Druck mit
dem Basisteil 31 mittels einer Zwischenfolie 33 aus Weichlot
verbunden. Ein Körper 3^ aus Berylliumoxyd von 11 mm χ 8 mm
χ 1 mm wird unter Druck mit dem kupfernen Block mittels einer Zwischenfolie 35 aus Weichlot verbunden. Auf der oberen
Fläche des Körpers 3^ aus Berylliumoxyd befindet sich ein
leitendes im Siebdruckverfahren aufgetragenes Goldmuster mit einer Dicke von etwa 15 /um. Auf der unteren Fläche des Körpers
3^· aus Berylliumoxyd befindet sich eine Gold-Metalllsierungsschicht
mit einer Dicke von 15 /um« Drei Ausführungsleiter in Form von Streifen, von denen zwei Streifen 37 und
38 im Schnitt nach Fig. 2 dargestellt sind, sind unter Druck mit Teilen 39 der Verbindungsfläche des Goldmusters mit der
oberen Fläche des Körpers 3^ aus Berylliumoxyd mittels ZWischenfolien
kO aus Weichlot verbunden. Die Streifen bestehen aus Nickel und haben Abmessungen von etwa 13 nun χ 2 mm χ 100
/um, die vergoldet sind und sich lateral ausserhalb des kupfernen Basisteils 31 erstrecken. Auf jeden der drei weiteren
Flächenteile des Goldmusters, von denen im Schnitt nach Fig. 2 nur ein Teil 41 dargestellt ist, können Siliziumtransistorelemente
befestigt werden.
Die Herstellung des Gefüges nach Fig. 2 wird nun an Hand der Fig. 3 näher beschrieben. Der aus Kupfer
bestehende Basiskörper 31 und der kupferne Block 32 werden vernickelt (2 /um) und danach vergoldet (-0,1 /um) . Das leiten-
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de Goldmuster, das eine Dicke von 15 /um hat, und die Teile
39 und 41 umfasst, wird mittels eines üblichen Siebdruckverfahrens
auf dem Berylliumoxydkörper 3^ angebracht und eine Goldschicht 36 gleicher Dicke wird über die ganze Oberfläche
der gegenüberliegenden Fläche des Berylliumoxydkörpers 3h
angebracht. Die aus Nickel bestehenden Streifen werden mit einer dünnen Vergoldung auf allen Oberflächen versehen. Die
drei Streifen, von denen nur die Streifen 37 und 38 in Fig.
2 und 3 dargestellt sind, werden darauf nach einem erfindungsgemässen
Verfahren mit Hilfe einer Anordnung, wie diese in Fig. 1 dargestellt ist, mit dem Berylliumoxydkörper 3^ verbunden.
Dazu wird der Berylliumoxydkörper 3h auf das Stützglied
9 gestellt, wonach die Folienteile kO aus Weichlot auf
die Flächenteile 39 des Goldmusters gestellt werden und die Streifen danach auf die Lötkörper. Die Lotkörper kO bestehen
aus Blei und Indium, wobei die Gewichtsprozentsätze 72 bzw.
28% betragen, während das Material einen Schmelzpunkt von
26o°C hat. Die Körper kO haben Abmessungen von 2 mm χ 2 mm χ 6o /um. Das Verbinden erfolgt bei einer Temperatur im Bereich
von 1900C bis 200°C bei einem Druck von 3 Tonnen/Zoll2 und
während einer Periode von 10 Sekunden.
Der Berylliumoxydkörper 3h mit den daran befestigten
Streifen wird danach nach einem erfindungsgemässen Verfahren unter Druck mit dem Kupferblock 32 verbunden und
gleichzeitig wird der Kupferblock 32 mit dem Teil 31 verbunden,
Dies erfolgt mit einer Vorrichtung nach Fig. 1 und die Einzelteile werden auf dem Stützglied 9 montiert. Zwischen dem kup-
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_ Λβ. 2316727
fernen Basisteil 31 und dem Kupferblock 32 wird ein Lotkörper
33 aus ¥eichlot mit einer Dicke zwischen 250 und 500 /um, in
diesem Fall 4θΟ /um, angebracht. Die Flächenabmessungen des
Folienkörpers sind 11 mm χ 8 mm. Die Folie besteht aus Blei
und Indium, wobei die Gewichtsprozentsätze 72$ bzw. 28$ betragen.
Ein Folienkörper 35 mit derselben Zusammensetzung und denselben Abmessungen wird zwischen den oberen Flächen des
Kupferblockes 32 und der unteren Fläche des Berylliumoxydkörpers
3k angebracht. Das Verbinden erfolgt bei einer Temperatur
im Bereich von 1900C bis 2000C und bei einem Druck von
3 Tonnen/Zoll2 und während einer Periode von 10 Sekunden.
Nachdem das Gefüge nach Fig. 2 erhalten worden ist, können Transistorelemente auf den Flächenteilen 41 des
Goldmusters befestigt werden und zwar ebenfalls im Druckverbindungsverfahren.
Danach werden eine Anzahl passiver Schaltungselemente auf der Oberfläche des Berylliumoxydkörpers 3h
mit Hilfe eines Klebemittels befestigt, wonach Verbindungen zwischen den Schaltungselementen und dem leitenden Goldmuster
hergestellt werden und wobei schliesslich die Vorrichtung in einer Hülle aus Silikon-Kunststoff angeordnet wird, wobei die
drei flachen Durchführungselemente aus der Hülle herausragen.
Zum Druckverbinden der Streifen mit dem Berylliumoxydkörper
3k und zum Druckverbinden des Berylliumoxydkörpers
3h mit dem Kupferblock 32 können andere Weichlotmaterialien
verwendet werden als die obenstehend beschriebenen Materialien. Das Material des leitenden Musters auf der
Oberfläche des Berylliumoxydkörpers 3h und auch das der
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Bedeckung 36 können aus einem anderen Material bestehen als
Gold, beispielsweise aus Silber/Palladiumtinte, die nach dem Anbringen auf der Berylliumoxydoberfläche geglüht worden
ist.
Eine andere Ausführungsform des Druckverbindungs
Verfahrens nach der Erfindung wird nun an Hand der Fig. 4 näher beschrieben, wobei die miteinander zu verbindenden
Körper in diesem Fall beide aus einem keramischen Material bestehen. Die Figur zeigt die Einzelteile einer Umhüllung
für eine elektronische Anordnung. Die Teile umfassen eine aus Aluminiumoxyd bestehende Basisplatte 51 mit Abmessungen
von 3·0 cm χ 3>0 cm χ 2 mm, mit einem in Siebdruckverfahren
angebrachten leitenden Muster aus Palladium und Silber mit einer Dicke von 8 /um, wobei die Streifenteile 53 des genannten
Musters im Schnitt der Figur dargestellt sind und Zuführungsleiterteile bilden. Ein Wandteil 54 mit rechtwinkligem
Umfang besteht aus Aluminiumoxyd und ist abdichtend mit der Basisplatte 51 mittels einer Abdichtung 55 aus Glas
abdichtend verbunden, wobei die genannte Glasabdichtung sich auch zwischen den Streifenteilen 53 des leitenden Musters
und des Aluminiumoxydwandteils erstreckt. Der Aluminiumoxyd— wandteil 54 hat eine Breite von 4,0 mm und eine Dicke von
3,0 mm. Auf der oberen Fläche des Wandteils 54 befindet sich eine Metallisierung aus Palladium und Silber mit einer Dicke
von 8 /um. Ein Deckel 57 aus Aluminiumoxyd mit Abmessungen
von 2,5 cm χ 2,5 cm x 2,0 mm dient als Abschluss für die
Umhüllung und wird unter Druck mit dem Aluminiumoxydwandteil
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54 verbunden und zwar unter Anwendung des erfindungsgemässen
Verfahrens und unter Verwendung einer Zwischeafolie 58 aus
Lotmaterial, das aus Kadmium und Silber besteht, wobei die
Gewichtsprozentsätze 34$ bzw. 66ήο betragen und welches
Material einen Schmelzpunkt von 1770C hat. Die Folie hat
einen rechtwinkligem Umfang und eine Breite von 3 »5 nun und
eine Dicke von 50 /um. Die untere Seite des aus Aluminiumoxyd
bestehenden Deckels 57 ist mit einer Metallisierungsschicht 59 aus im Siebdruckverfahren angebrachtem Palladium und .
Silber versehen. Die Schicht hat ebenfalls einen rechtwinkligen Umfang von 4,0 mm Breite und 8,0 /um Dicke. Das Druckverbinden
erfolgt in einer Vorrichtung nach Fig. 1 bei einer Temperatur von 125°C, einem Druck von 2,5 Tonnen/Zoll2 und
während einer Periode von 5 Sekunden.
Im Rahmen der Erfindung sind für den Fachmann
viele Abwandlungen möglich. So kann beispielsweise in Fig. der aus Aluminiumoxyd bestehende Deckel 57 mit dem aus Aluminiumoxyd
bestehenden Wandteil 54 unter Verwendung eines anderen Folienmaterials., beispielsweise eines Lotmaterials
aus Blei, Silber und Zinn verbunden werden. Die richtige Wahl des Folienmaterials hängt zum Teil von der Art des elektronischen
Teils bzw. der elektronischen Teile, die in der Umhüllung angebracht wird bzw. werden und von der Beständigkeit derartiger Teile gegen die Verbindungstemperatur, die
für jedes spezifische Folienmaterial erforderlich ist, ab. Im allgemeinen werden also die Lotmaterialien auf Bleibasis
eine höhere Verbindungstemperatur erfordern als das beschrie-
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bene Beispiel mit einem Lot aus Kadmium und Zinn. Statt einer Folie mit einem rechtwinkligen Querschnitt ist es in manchen
Anwendungsbereichen möglich, eine Folie mit einem runden Querschnitt zu verwenden und dies ist insbesondere in denjenigen
Fällen geeignet, in denen die Verbindungsverhältnisse
derart sind, dass die Verbindungsoberfläche eines der Körper leicht gekrümt wird.
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Claims (1)
- PHB. 32250.PATENTANSPRÜCHE .1. Verfahren zum Verbinden eines keramischenKörpers mit einem anderen Körper, der aus Metall oder Keramik besteht und zwar durch Druckverbinden, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen praktisch ebenen Flächen der zwei Körper eine verformbare metallene Zwischenfolie angebracht wird und dass zwischen den Teilen eine mechanische Verbindung dadurch erhalten wird, dass das Ganze aus den zwei Körpern und der Zwischenfolie in einer Presse einem Druck von mindestens 1 Tonne/Zoll2 und höchstens 5 Tonnen/Zoll2 ausgesetzt wird, während das Ganze bei einer Temperatur gehalten wird, die niedriger ist als der Schmelzpunkt der Zwischenfolie und niedriger als die Temperatur, bei der sich durch Einwirkung der Bestandteile der einander zugewandten Oberflächen eine flüssige Phase bilden würde, wobei der genannte Druck und die genannte Temperatur zur Erhaltung der Verbindung während einer Periode kürzer als 30 Sekunden beibehalten werden. 2. . Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umstände von Druck und Temperatur derart sind, dass die Verformung der verformbaren metallenen Zwischenfolie weniger ist als 5^·k3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurchgekennzeichnet, dass der Druck und die Temperatur zur Erhaltung der Verbindung während einer Periode kürzer als 5 Sekunden beibehalten werden.k. . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass die metallene Zwischenfolie309848/104 7PHB. 32250.aus Weichlotmaterial besteht mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 125°C bis 33O°C und die Verbindung bei einer Temperatur im Bereich von 75QC bis 300°C durchgeführt wird.5. Verfakren nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, dass die Weichlotfolie eine Folie aus einem Material aus einer Reihe von Weichlotmaterialien ist, die Blei als primären Bestandteil aufweisen und einen Schmelzpunkt haben im Bereich von 300°C bis 327°C.6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung bei einem Druck im Bereich von 2,5 bis 3»5 Tonnen/Zoll2 und bei einer Temperatur im Bereich von 240°C bis 2900C durchgeführt wird.7· Verfahren nach Anspruch kf dadurch gekennzeichnet, dass die metallene Zwischenfoli-e eine Folie aus einem Material einer Reihe von Weichlotmaterialien ist mit den Bestandteilen Blei und Zinn, Kadmium und Zinn, Blei und Indium, Blei-Kadmium und Zinn, oder Blei-Silber und Zinn
und Schmelzpunkte haben im Bereich von 150°C bis 300°C.
8. Verfahren nach Anspruch 7ι dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung bei einem Druck im Bereich
von 2,5 Tonnen bis 3»5 Tonnen/Zoll2 und bei einer Temperatur im Bereich von 1000C bis 2800C durchgeführt wird.
9· Verfahren nach Anspruch 71 dadurch gekennzeichnet, dass die metallene Zwischenfolie eine Folie aus einem Metall aus einer Reihe von Weichlotmaterialien ist
mit Blei und Zinn als Bestandteile und mit Schmelzpunkten im Bareich von 2350C bis 26o°C, wobei die Verbindung bei30984S/1Q47PHB. 32250.einer Temperatur im Bereich, von 18O°C bis 2000C durengeführt wird.10. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolie eine Folie aus einem Metall einer Reihe von Weichlotmaterialien ist mit Indium als primären Bestandteil und mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 125°C bis 16O°C.11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden bei einem Druck im Bereich von 2,0 bis 3,0 Tonnen/Zoll2 und bei einer Temperatur im Bereich von 750C bis 1500C durchgeführt wird.12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis h, dadurch gekennzeichnet, dass dex" eine Körper aus Keramik und der andere Körper aus Kupfer besteht, wobei die genannten Körper durch Druckverbinden mittels einer Zwischenfolie aus einem aus Blei und Indium bestehenden Weichlot verbunden werden.13· Verfahren nach Anspruch 12 r dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Körper aus Berylliumoxyd besteht und auf den Verbindungsoberflächen der Körper aus Berylliumoxyd eine aus Gold bestehende Bedeckung vorhanden und der Kupferkörper vergoldet ist.14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis k,dadurch gekennzeichnet, dass der eine Körper aus Berylliumoxyd besteht und der andere Körper aus Nickel, wobei die genannten Körper durch Druckverbinden mittels einer Zwischenfolie aus einem aus Blei und Indium bestehenden Weichlot verbunden werden«309846/1047PHB. 32250.15· Verfahren nach Anspruch 1h, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Verbindungsoberflächen der Körper aus Berylliumoxyd eine Goldbedeckung vorhanden und der Nickelkörper vergoldet ist.16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Körper aus Aluminiumoxyd bestehen und durch Druckverbinden mittels einer aus einem aus Kadmium und Zinn bestehenden Weichlot verbunden werden.17· Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsoberflächen der Körper aus Aluminiumoxyd bestehen und mit je einer Bedeckung aus Palladium und Silber versehen sind.18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass die metallene Zwischenfolie aus Gold besteht und die Verbindung bei einem Druck zwischen 2,5 und 3i5 Tonnen/Zoll2 und bei einer Temperatur im Bereich von 3000C bis 3500C durchgeführt wird.19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die metallene Zwischenfolie aus Aluminium besteht und die Verbindung bei einem Druck zwischen 2,5 und 3,5 Tonnen/Zoll2 und bei einer Temperatur im Bereich von 3500C bis 400°C durchgeführt wird.20. Einzelteil mit einem keramischen Körper und einem Körper aus Metall oder Keramik, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Körper nach einem der Verfahren nach Anspruch 1-19 erfolgt.309846/1047Leerseite
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