DE2318727C3

DE2318727C3 - Verfahren zum Verbinden eines kermaischen Körpers mit einem anderen Körper

Info

Publication number: DE2318727C3
Application number: DE19732318727
Authority: DE
Inventors: John Robert Westdene Brighton Sussex Dale
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1972-05-03
Filing date: 1973-04-13
Publication date: 1982-04-29
Also published as: DE2318727B2; GB1426873A; JPS4948707A; FR2183213A1; DE2318727A1; IT984490B; NL7305890A; FR2183213B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden eines keramischen Körpers mit einem anderen Körper, der aus Metall oder Keramik besteht durch Druckverbinden, wobei zwischen praktisch ebenen, gegebenenfalls mit einer metallenen Beschichtung versehenen Flächen der zwei Körper eine verformbare, metallene Zwischenfolie angebracht wird und wobei das Ganze auf 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.

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 können zu Rißbildung des keramischen Materials führen und zwar infolge Spannungen, die durch den Hartlotprozeß 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

Aus »Keramische Zeitschrift« 23 (1971), Nr. 4, S. 191—198, ist ein sogenanntes »Trockenlötw-Verfahren zur Verbindung von Keramik mit Metall bekannt, bei dem zwischen die zu verbindenden Teile ein dünnes Blech, z. B. aus Kupfer, Silber, Gold oder Nickel gelegt und im Vakuum bei einer Temperatur nahe unterhalb des Schmelzpunktes zwischen die zu verbindenden Teile gepreßt wird, so daß es durch plastische Verformung in satten Kontakt mit den zu verbindenden Teilen kommt. Um hierbei eine Bindung gegen die Keramik zu erreichen, ist es jedoch notwendig, daß dem Metall des Bleches kleine Mengen eines reaktionsfreudigen Metalls, ζ. Β. Lithium, Beryllium, Magnesium, Aluminium oder Zirkon zulegiert werden. Nachteilig ist außerdem. daß ebenfalls relativ hohe Temperaturen angewendet werden müssen und daß unter ^vakuum gearbeitet werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbindung eines keramischen Körpers mit einem anderen aus Metall oder Keramik zu schaffen, das mit relativ niedrigen Temperaturen arbeitet und dadurch die erwähnten Nachteile umgeht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen den Teilen eine mechanische Verbindung dadurch erhalten #ird, daß die zwei Körper mit einer Zwischenfolie aus Weichlotmaterial mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 125 bis 330° C in einer Presse einem Druck von mindestens 386 bar und höchstens 540 bar ausgesetzt werden, wobei das Ganze auf einer Temperatur im Bereich von 100 bis 280⁰C gehalten wird und wobei der genannte Druck und die genannte Temperatur zur Erhaltung der Verbindung über eine Periode kürzer als 30 s beibehalten werden.

Nach einem abgewandelten Verfahren wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen den Teilen eine mechanische Verbindung dadurch erhalten wird, daß die zwei Körper mit einer Zwischenfolie aus Gold in einer Presse einem Druck von mindestens 386 bar und höchstens 540 bar ausgesetzt werden, wobei das Ganze auf einer Temperatur im Bereich vun 300 bis 350"C gehalten -vird und wobei der genannte Druck und die genannte Temperatur zur Erhaltung der Verbindung über eine Periode kürzer als 30 s beibehalten werden.

Die genannte Aufgabe wird nach einem weiteren abgewandelten Verfahren dadurch gelöst, daß zwischen den Teilen eine mechanische Verbindung dadurch erhalten wird, daß die zwei Körper mit einer Zwischenfolie aus Aluminium in einer Presse einem Druck von mindestens 386 bar und höchstens 540 bar ausgesetzt werden, wobei das Ganze auf einer Temperatur im Bereich von 350 bis 400° C gehalten wird und wobei der genannte Druck und die genannte Temperatur zur Erhaltung der Verbindung über eine Periode kürzer als 30 s beibehalten werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Bei diesen Druckverbindungsverfahren wird eine starke Verbindung erhalten, ohne daß die bei der Beschreibung der bekannten Ve ahren erwähnten Nachteile auftreten;

Beispiele von keramischen Materialien, die bei dem Verfahren verwendbar sind, sind feuerfeste Oxidmaterialien wie Aluminiumoxid, Berylliumoxid und Zirkonoxid.

Der genannte Druckbereich mit einer oberen Grenze von 540 bar ist gewählt worden um Bruchgefahr des keramischen Körpers bzw. der keramischen Körper zu vermeiden. Die untere Grenze von 386 bar 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 eiern bekannten »reflow«-Lötverfahren mit ähnlichen Materialien angewandt werden, verhältnismäßig niedrig sein. Die Periode von höchstens 30 s. 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 Zugfestigkeit erreicht die im allgemeinen etwa 50% der schlußendlichen Zugfestigkeit der verwendeten verformbaren Metallfolie ist. Manchmal ist jedoch die Messung davon durch die ZugfestigkHt des mechanischen Körpers beschränkt, die, wenn sie riedi ig ist, den keramischen Körper brechen läßt bevor die Verbindung unter der Belastung brechen wird. In manchen Formen des Verfahrens, in denen eine Verbindung mit einer hohen Zugfestigkeit nicht erforderlich ist, kann die Periode, während der die genannte Temperatur und der genannte Druck angewandt werden, derart sein, daß die erhaltene Verbindung eine Zugfestigkeit aufweist, die nur 20 bis 25% der Zugfestigkeit der verformbaren Metallfolie ist. Wenn eine Festigkeit der Verbindung von 50% der Zugfestigkeit der verformbaren metallenen Folie erhalten wird, wird die Festigkeit 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 Festigkeit der Verbindung wird sich um nicht mehr als 20% erhöhen. Im genannten Fall, in dem die Festigkeil der Verbindung nur 20 bis 25% der Zugfestigkeit der verformbaren Metallfolie ist, wird durch Beibehaltung des Ganzen unter dem genannten Druck und der genannten Temperatur während einer längeren Periode die Festigkeit der Verbindung zunehmen, aber dies ist nicht erwünscht.

Der genaue physikalische Mechanismus, durch den die Verbindung erhalten wird, ist nicht völlig klar. Die Terhperaturverhältnisse sind jedoch derart, daß ein Verschmelzen der Zwischenfolie mit den einander zugesandten 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 Verbindungszeil keine Langzeitdiffusion der Elemente statt, obschon eine gewisse Kurzzeitdiffusion, d. h. mil einer Tiefe sw»*»**»· A tnmn sunl

"S"

erhaltenen Verbindungsfestigkeit zeigen, daß die Verbindung nicht völlig van der Walls'schen 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-Hartlöt- oder Lötverfahren eine im keramischen Körper bzw. in dem keramischen Körpern erzeugte Spannung minimal ist und zwar hauptsächlich infolge der niedrigeren Temperaturen, die bei diesem Druckverbindungsverfahren angewandt werden können und die folglich den Effekt eines Unterschiedes in den Ausdehnungskoeffizienten zu verbindenden Teile verringern und infolge der Tatsache, daß ein geringer Kriecheffekt beim Folienmaterial in seitlicher Richtung zwischen den einander zugewandten Oberflächen wirksam wird. Weiter erfolgt in manchen Fällen, beispielsweise wenn eine verformbare Metallfolie aus "Weichlot verwendet wird, Die Verbindung ohne die Bildung von Zwischenmetallen, was 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 ausgedrückt ist als Dickenunterschied geteilt durch die ursprüngliche Dicke und als Prozentsatz.

Bei einem erfi"dungsgemäßen 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 das Erfordernis für eine derartige Bedeckung vom Material der Körper und vom Folienmateria] 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 oxidieren. Das Erfordernis, daß eine keramische Verbindungsoberfläche oder -oberflächen metallisiert werden müssen, ist vom Material der verwendeten Zwischenfolie abhängig, beispielsweise kann eine Goldfolie oder eine Weichiotfolie verwendet wird, ist es hn 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 ι jedoch eine Aluminiumfolie verwendet wird, braucht es nicht notwendig zu sein, die keramische(n) Verbindungsoberfläche bzw. -oberflächen zu metallisieren; beim Verbinden eines Metallkörpers oder eines keramischen Körpers mit einem Körper aus Aluminiumoxid mit einer

ίο Aluminiumfolie braucht es beispielsweise nicht notwendig zu sein, daß die Verbindungsoberfläche des Aluminiumosiidkörpers metallisiert wird.

Für die Zwischenfolie können unterschiedliche Materialien verwendet werden und die spezifische Wahl

lä 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

~* rnind«5tä"S !0 ¹¹ITi bevorzug Auf d?r kpramisrhen Verbindungsoberfläche oder auf den keramischen Verbindungsoberflächen kann eine Goldschicht angebracht werden. Bevorzugte Verhältnisse beim Verbinden mit Hilfe einer Goldfolie sind Drücke zwischen 386 bar und 540 bar und Temperaturen im Bereich von 300⁰C bis 350⁰C.

Ein anderes Metall, das sich als Zwischenfolie eignet, ist Aluminium und es wird eine Foüendicke von mindes ins ΙΟμιη bevorzugt. Bevorzugte Verhältnisse beim Verbinden beim Gebrauch von Aluminiumfolien sii<! Drücke zwischen 386 bar und 540 bar und Temperaturen im Bereich von 35^r»°Cbis400°C

Die metallene Zwischenfolie kann aus Weichlotmaterial bestehen mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 125" C bis 330⁰C und das Verbinden kann bei einer Temperatur im Bereich von 75" C bis 300⁰C 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 Verbindungsoberflächen befinden, eine flüssige 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 327° C Ein derartiges Material besteht aus Blei, Silber und Zinn, wobei die Gewichtsprozentsätze 95,33 bzw. 1 betragen und der Schmelzpunkt 317°C ist Ein anderes derartiges

so Material hat dieselben Bestandteile, wobei die Gewichtsprozentsätze 953. 3,0 bzw. 1,5 sind und der Schmelzpunkt 306⁰C beträgt Bei Verwendung cVTartiger Weichlotmaterialien, die Blei als primären Bestandteil enthalten, werden Drücke im Bereich von 386 bar bis 540 bar und Verbindungstemperaturen im Bereich von 240° C bis 290° C 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 386 bar und 540 bar und Temperataren 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 Lolmaterialien mit Blei und Indium mit Schmelzpunkten in Bereich von 23,VC bis 260⁰C bevorzugt, wobei die Verbindung mit Vorteil bei eitler Temperatur im Bereich von 180⁰C bis 20Ö°C 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 I25°C bis 16O⁰C. Bei Verwendung derartiger Materialien sind die bevorzugten Verbindungsumstände Drücke zwischen 309 bar und 463 bar und Temperaluren zwischen 75°C und 15O⁰C, 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 Berylliumoxid, 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 200°C liegen und der Druck etwa 463 bar betragen.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens besteht der eine Körper aus Nickel und der andere aus Keramik, beispielsweise Berylliumoxid, wobei auch diese Körper mittels einer Weichlotzwischen'olie aus Blei und Indium unter denselben Umständen, wie diese bei der obenstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurden, miteinander verbunden werden.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bestehen die beiden Körper aus Aluminiumoxid und diese Körper werden durch Druckverbinden mittels einer Weichlotzwischenfolie aus Cadmium und Zinn miteinander verbunden, wobei die Verbindungsoberflächen der Aluminiumoxidkörper mit Bedeckungen aus S'ebdruck-Palladium/Silber versehen sind. Die Verbindungstemperatur kann zwischen 150° C und 175^oCIiegen und der Druck etwa 463 bar betragen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen Teil einer Presse, die beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden kann.

Fi g. 2 einen Schnitt durch ein Unterstützungsgefüge für ein Transistormodul mit einem BerylHumoxidkörper. 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 Anwendungsmögiichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erläutern,

F i g. 3 einen Schnitt durch eine auseinandergezogene Anordnung der unterschiedlichen Teile, die sich im Gefüge nach Fig.2 befinden, bevor sie durch das erfindungsgemäße Verfahren befestigt worden sind,

F i g. 4 einen Schnitt durch eine auseinandergezogene Anordnung von Teilen einer Umhüllung für eine elektronische Anordnung, wobei die genannten Teile zwei Aluminiumoxidkörper enthalten, die beim Abdichten der Umhüllung durch ein Druckverbindungsverfahren nach der Erfindung verbunden werden.

Die in Fig. I dargestellte Presse enthält einen festen Stahlsockel I und ein bewegliches Pressenoberteil 2, Ein stählernes Sockelglied 3 (nil rundem Querschnitt ist am Sockel 1 befestigt, der zugleich eine Asbestuhterstützung 4 enthält. Auf der Asbestunterstützung 4 befindet sich ein Siliciumoxidrohr 5, das mil dem oberen Teil des stählernen Sockelgliedes 3 koaxial ist. und dieses Glied umgibt. Ein drahtförmiges Erhilzungselemenl 6 ist um das Siliciumoxidrohr 5 gewickelt. Das Erhitzungselement 6 und das Rohr 5 sind von einem äußeren Kupfermantel 7 umgeben, der sich am unteren Ende auf die Asbestunterstützung 4 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 getempert 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 Kupfermantels 7 befindet sich eine Öffnung 11 zum Zuführen eines Mischgases (10% Wasserstoff in Stickstoff) um eine regulierte Atmosphäre um die Teile zu schaffen, wenn diese unter Druck verbunden werden und um zu vermeiden, daß die Werkzeugflächen oxidieren. Im Asbestdeckel 12 befinden sich eine Anzahl öffnungen zum Abführen des Gases.

Das bewegliche stählerne Pressenoberteil 2 hat einen stählernen Einsatz IS. 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 Stoßdämpferblock 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 Umfangsfläche 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 Ni-Chrom-Erhitzungselement 24 zwischen zwei Glimmerplatten 25 eingeklemmt Die Enddruckplatte hat eine öffnung 26. in die ein Thermoelement 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 6 bzw. 24 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 geregt 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 386 bar erhalten 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 Pressenoberleils 2 aufgehoben und zum Schluß wird das Gefüge der Körper, die mittels der Zwischenfolie verbunden sind, entfernt, im allgemeinen werden die Erhitzungselemente 6 und 24 geregelt werden um das Stützglied 9 und die Enddruckplatte auf derselben Temperatur zu halten, aber gewünschtenfalls können diese Temperaluren unabhängig voneinander geändert werden. Die erreichbare Regelung beträgt ± 2°C und wird erzielt mittels Thermoelementen in den Öffnungen 10 und 26 und mittels einer Temperaturregelvorrichtung. Der Druck und der Druckaufbau wird über ein genormtes Nadelventil und eine hydraulische Kupplung gesteuert.

Fig. 2 zeigt im Schnitt ein Unterstützungsgefüge für ein Sendetransistormodul. Das Gefüge enthält einen rechtwinkligen kupfernen Basisteil 31 mit Abmessungen von 16 mm χ 2 mm χ 1.6 mm, der vernickelt und vergoldet ist. Ein ebenfalls vernickelter und vereoldeter kupferner Block 32 (Abmessungen

Il mm χ 8 mm χ 1.6 mm) wird unter Druck mit dem Basisteil 31 mittels einer Zwischenfolie 33 aus Weichlot Verbunden. Ein Körper 34 aus Berylliumoxid 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 34 aus Berylliumoxid befindet sich ein leitendes im Siebdruckverfahren aufgetragenes Goldmuster mit einer Dicke von etwa 15 μπι. Auf der unteren Fläche des Körpers 34 aus Berylliumoxid befindet sich eine Gold-Metallisierungsschicht 36 mit einer Dicke von 15 μπι. Drei AnschluDIeiter in Form von Streifen, von denen zwei Streifen 37 und 38 im Schnitt nach F i g. 2 dargestellt sind, sind unter Druck mit Teilen 39 der Verbindungsteile des Godmusters mit der oberen Fläche des Körpers 34 aus Berylliumoxid mittels Zwischenfolien 40 aus Weichlot verbunden. Die Streifen bestehen aus Nickel und haben Abmessungen von etwa 13 mm χ 2 mm χ 100 μπι, die vergoldet sind und sich lateral außerhalb des kupfernen Basisteils 31 erstrecken. Auf jeden der drei weiteren Flächenteile des Goldmuiters, von denen im Schnitt nach Fi g. 2 nur ein Teil 41 dargestellt ist, können Siliciumtransistorelemente befestigt werden.

Die Herstellung des Gefüges nach F i g. 2 wird nun an Hand der Fig.3 näher beschrieben. Der aus Kupfer bestehende Basiskörper 31 und der kupferne Block 32 werden vernickelt (2 μηι) und danach vergoldet (0,1 μπι). Das leitende Goldmuster, das eine Dicke von 15 μπι hat, iind die Teile 39 und 41 umfaßt, wird mittels eines ■blichen Siebdruckverfahrens auf dem Berylliumoxidfcörper 34 angebracht und eine Goldschicht 36 gleicher Dicke wird über die ganze Oberfläche der gegenüberliegenden Fläche des Berylliumoxidkörpers 34 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 F i g. 2 und 3 dargestellt sind, werden darauf nach einem erfindungsgemäßen Verfahren mit Hilfe einer Anordnung, wie diese in Fig. 1 dargestellt ist mit dem Berylliumoxidkörper 34 verbunden. Dazu wird der BeryUiumoxidkörper 34 auf das Stützglied 9 gestellt wonach die FoÜenteile 40 aus Weichlot auf die Flächenteile 39 des Goldmusters gestellt werden und die Streifen danach auf die Lotkörper. Die Lotkörp^r 40 bestehen aus Blei und Indium, wobei die Gewichtsprozentsätze 72 bzw. 28% betragen, während das Material einen Schmelzpunkt von 260°G hat. Die Körper 40 haben Abmessungen von 2 mm χ 2 mm χ 60 μπι. Das Verbinden erfo^t bei einer Temperatur im Bereich von I9O°C bis 200⁰G bei einem Druck von 463 bar und während einer Periode von 10 Sekunden.

Der BeryUiumoxidkörper 34 mit den daran befestigten Streifen wird danach nach einem erfindungsgemäßen Verfahren unter Druck mit dem Kupferblock 32 verbunden und gleichzeitig wird der Kupfefblock 32 mit

ίο dem Teil 31 verbunden. Dies erfolgt mit einer Vorrichtung nach Fi g. I und die Einzelteile werden auf dem Stützglied 9 montiert. Zwischen dem kupfernen Basisteil 31 und dem Kupferblock 32 wird ein Lotkörper 33 aus Weichlot mit einer Dicke zwischen 250 und 500 μΐη. in diesem Fall 400 μπι, 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 Berylliumoxidkörpers 34 angebracht. Das Verbinden erfolgt bei einer Temperatur im Bereich von 19O⁰C bis 200⁰C und bei einem Druck von 463 bar und während einer Periode von 10 Sekunden.

Nachdem das Gefüge nach F i g. 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 Berylliumoxidkörpers 34 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 BeryUiumoxidkörper 34 und zum Druckverbinden des Berylliumoxidkörpers 34 mit dem Kupfcrblock 32 können andere Weichlotmaterialien verwendet werden als die obenstehend beschriebenen Materialien. Das Material des leitenden Musters auf der Oberfläche des Berylliumoxidkörpers 34 und auch das der Bedeckung 36 können aus einem anderen Material bestehen als Gold.

beispielsweise aus Silber/Palladiumtinte, die nach dem Anbringen auf der Berylliumoxidoberfläche geglüht worden ist

Eine andere Ausführungsform des Druckverbindungsverfahrens nach der Erfindung wird nun an Hand der F i g. 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 Aluminiumoxid bestehende Basisplatte 51 mit Abmessungen von 3,0 cm χ 3,0 cm χ 2 mm, mit einem ein Siebdruckverfahren angebrachten leitenden Muster aus Palladium und Silber mit einer Dicke von μπι, wobei die Streifenteile 53 des genannten Musters im Schnitt der Figur dargestellt sind und Anschlußleiterteile bilden. Ein Wandteil 54 mit rechtwinkligem Umfang besteht aus Aluminiumoxid und ist abdichtend mit der Basisplatte 51 mittels einer Abdichtung 55 aus Glas abdichtend

es verbunden, wobei die genannte Glasabdichtung sich auch zwischen den Streifenteilen 53 des leitenden Musters und des Aluminiumoxidwandteiis erstreckt Der Aluminiumoxidwandteil 54 hat eine Breite von

4,Ct'iift. und etfie Dicke von 3,0 mm. Auf der oberen Fläche des Wandteils 54 befindet sich eine Metallisierung 56 aus Palladium und Silber mit einer Dicke von 8 μπι. Ein Deckel 57 aus Aluminiumoxid mit Abmessungen von 2,5 cm χ 2,5 cm χ 2,0 mm dient als Abschluß für die Umhüllung und wird unter Druck nit dem Aluminiumoxidwandteil 54 verbunden und zwar unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und unter Verwendung einer Zwischenfolie 58 aus Lotmaterial, das aus Kadmium und Silber besteht, wobei die Gewichtsprozentsätze 34% bzw. 66% betragen, wobei das Material einem Schmelzpunkt von 177°C hat. Die Folie hat einen rechtwinkligem Umfang und eine Breite von 3,5 mm und eine Dicke von 50 μιτι. Die untere Seite des aus Aluminiumoxid bestehenden Deckels 57 ist mit einer Metäilisisrungsschicht 59 aus im Siebdruckverfahren angebrachtem Palladium und Silber versehen. Die Schicht hat ebenfalls einen rechtwinkligen Umfang von 4,0 mm Breite und 8,0 μπι Dicke. Das Druckverbinden erfolgt in einer Vorrichtung nach Fig. 1 bei einer Temperatur vor· 125"G, einem Druck von 386 bar und während einir Periode von 5 Sekunden.

Im Rahmen der Er'indung sind für d£n Fachmann viele Abwandlungen möglich. So kann beispielsweise in Fig.4 der aus Aluminiumoxid bestehende Deckel 57 mit dem aus Aluminiumoxid bestehenden Wandteil 54 unter Verwendung eines anderen Folienmaterials, beispielsweise eines Lolmaterials aus Blei, Silber und Zinn verbunden werden. Die richtige Wahl des Folienmaterials hängt zum Teil von der Art des elektronischen Teils bzw. der elektronischen Feile, die in

ίο der Umhüllung angebracht wird bzw. werden und von der Beständigkeit derartiger Teile gegen die Verbindungstemperatur, die für jedes spezifische Folienmaterial erforderlich ist, ak Im allgemeinen werden also die Lötmaterialien auf Bleibasis eine höhere Verbindungs-

temperatur erfordern als das beschriebene Beispiel mit einem Lot aus Cadmium 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 deiien die VerbindungsverhäUnisse derart sind, daß die Verbindungsoberfläche eines der Körper leicht gekrümmt ist;

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verbinden eines keramischen Körpers mit einem anderen Körper, der aus Metall oder Keramik besteht, durch Druckverbinden, wobei zwischen praktisch ebenen, gegebenenfalls mit einer metallenen Beschichtung versehenen, Flächen der zwei Körper eine verformbare metallene Zwischenfolie angebracht wird und wobei das Ganze auf 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, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Teilen eine mechanische Verbindung dadurch erhalten wird, daß die zwei Körper mit einer Zwischenfolie aus Weichlotmaterial mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 125 bis 330°C in einer Presse einem Druck von mindestens 386 bar und höchstens 540 bar ausgesetzt werden, wobei das Ganze auf einer Temperatur im Bereich von 100 bis 280⁰C gehalten wird und wobei der genannte Druck und die genannte Temperatur zur Erhaltung der Verbindung über eine Periode kürzer als 30 s beibehalten werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Weichlotfolic eine Folie aus einem Material aus einer Reihe von Weichlotmaterialien, die Blei als primären Bestandteil aufweisen und einen Schmelzpunkt haben im Bereich von 300° C bis 327° C, verwendet wird.

3. Verfahi en nach Anspruch 1, dadurch gekennteichnet. daß als Wekhlotfoi . eine Folie aus einem Material einer Reihe von Weichlotmaterialien mit den Bestandteilen Blei und Zinj Cadmium und Zinn, Blei und Indium, Blei-Cadmium und Zinn, oder Blei-Silber und Zinn, die Schmelzpunkte haben im Bereich von 150° C bis 300° C. verwendet wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3. dadurch gekennzeichnet, daß als Weichlotfolie eine Folie aus einem Metall aus einer Reihe von Weichlotmaterialien mit Blei und Zinn als Bestandteilen und mit Schmelzpunkten im Bereich von 235° C bis 260°C verwendet wird, wobei die Verbindung bet einer Temperatur im Bereich von 180°C bis 200°C durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß als Weichlotfolie eine Folie aus einem Metall einer Reihe von Weichlotmaterialien mit Indium als primärem Bestandteil und mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 125°C bis 160°C verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennteichnet. daß ein Körper aus Keramik und ein •nderer Körper aus Kupfer verwendet wird, wobei 1lic genannten Körper durch Druckverbinden mittels einer Weichlotfolie aus einem aus Blei und Indium fcestehenden Weichlot verbunden werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn· Zeichnet, daß als keramischer Körper ein Körper aus Berylliumoxid neben dem Körper aus Kupfer verwendet wird, wobei auf den Verbindungsoberflä·· chen der Körper eine aus Gold bestehende Beschichtung aufgebracht isl.

8. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß ein Körper aus Berylliumoxid und ein anderer Körper aus Nickel verwendet wird, wobei die genannten Körper durch Druckverbinden mittels einer Weichlotfolie aus einem aus Blei und Indium bestehenden Weichlot verbunden werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Verbindungsoberflächen der Körper aus Berylliumoxid und Nickel eine Beschichtung aus Gold aufgebracht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Körper aus Aluminiumoxid verwendet und durch Druckverbinden "niüsls eines aus Cadmium und Zinn bestehenden V/eichlotes verbunden werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Verbindungsoberflächen der Körper aus Aluminiumoxid eine Beschichtung aus Palladium und Silber aufgebracht wird.

12. Verfahren zum Verbinden eines keramischen Körpers mit einem anderen Körper, der aus Metall oder Keramik besteht durch Druckverbinden, wobei zwischen praktisch ebenen Flächen der zwei Körper eine verformbare metallene Zwischenfolie ange bracht wird und wobei das Ganze auf 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, dadurch gekennzeichnet, daß zv'schen den Teilen eme mechanische Verbindung dadurch erhalten wird, daß die zwei Körper mit einer Zwischenfoiie aus Goid in einer Presse einem Druck von mindestens 386 bar und höchstens 540 bar ausgesetzt werden, wobei das Ganze auf einer Temperatur im Bereich von 300 bis 350°C gehalten wird und wobei der genannte Druck und die genannte Temperatur zur Erhaltung der Verbindung über eine Periode kürzer als 30 s beibehalten werden.

13. Verfahren zum Verbinden eines keramischen Körpers mit einem anderen Körper, der aus Metall oder Keramik besteht durch Drjckverbinden, wobei zwischen praktisch ebenen Flächen der zwei Körper eine verformbare metallene Zwischenfolie angebracht wird und wobei das Ganze auf 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, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Teilen eine mechanische Verbindung daJurch erhalten wird, daß die zwei Körper mit einer Zwischenfolie aus Aluminium in einer Presse einem Druck von mindestens 386 bar und höchstens 540 bar ausgesetzt werden, wobei das Ganze auf einer Temperatur im Bereich von 350 bis 400°C gehalten wird und wobei der genannte Druck und die genannte Temperatur zur Erhaltung der Verbindung über eine Periode kürzer als 30 s beibehalten werden.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallene Zwischenfolie weniger als 5% verformt wird.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck Und die Temperatur während einer Periode kürzer als 5 s beibehalten werden.