DE2911031C2

DE2911031C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer Spannungsentlastungsscheibe

Info

Publication number: DE2911031C2
Application number: DE19792911031
Authority: DE
Inventors: Douglas Eugene Ballston Lake N.Y. Houston
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-03-22
Filing date: 1979-03-21
Publication date: 1986-09-04
Also published as: FR2420393A1; DE2911031A1; FR2420393B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf fiin Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Hersteüen eimr/ Spannungsentlastungsscheibe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 8.

Hochleistungs-Halbleiterbauteile wie Thyristoren und Transistoren müssen im starken Ausmaß Wärme abführen können. Diese Anforderung wird durch in Form eines Bündels dicht aneinander gepackter, fadenartiger Stränge strukturiertes Kupfer erfüllt, wenn es an einer Elektrode eines Halbleiterbauteils befestigt ist. Zudem kann durch dieses Kupfer dem Bauteil Energie

se- zugeführt werden und es kann von der Spannung entlastet werden, die an der Oberfläche der Elektrode auftritt. Das strukturierte Kupfer wird üblicherweise in einem Haltering gelagert, um zu verhindern, daß die einzelnen Kupferstränge sich trennen und auseinanderfallen. Wenn jedoch der Haltering vor der Befestigung einer solchen Kupferscheibe an dem Halbleiterbauteil entfernt wird, müssen Maßnahmen getroffen werden, um die bauliche Einheit der strukturierten Kupferscheibe aufrechtzuerhalten.

Es sind strukturierte Spannungsentlastungsscheiben aus Kupferkabelabschnitten mit kurzer Länge hergestellt worden. Solche Spannungsentlastungsscheiben sind gegen beachtliche mechanische Beanspruchungen widerstandsfähig, nachdem der Haltering entfernt worden ist, falls die einzelnen Stränge des Kabelkupfers miteinander verdreht sind. Bei einem solchen Aufbau sind die einzelnen Kupferstränge jedoch nicht vollständig frei, sich innerhalb der Ebene der Spannungsentla-

stungsscheibe zu bewegen. Derart strukturierte Span- hen, die jeweils mit einem der Löcher der oberen Platte

lungsentlastungsscheiben sind daher Spannungsentla- 12 fluchten, wie z. B. die Gewindelöcher iSb und 20b der

stungsscheiben aus strukturiertem Kupfer in Form ge- unteren Platte 14 mit den Löchern 18a und 20a der

rader Drähte bezüglich der Spannungsentlastungsfähig- oberen Platte 12. Die obere und die untere Platte sind

keit unterlegen. 5 durch Spannelemente voneinander im Abstand gehal-

Zur Gewährleistung der baulicher. Einheit von Span- ten, die, wie in F i g. 2 gezeigt, Gewindestäbe oder

nungsentlastungsscheiben aus geraden Kupfersträngen Schrauben 18, 20,22, 24, 26 und 28 sind und sich in die

wurde vorgeschlagen, Lötmittel an den Enden der fa- zugeordneten Löcher einfügen, so daß die obere Platte

denartigen Stränge aufzubringen. Dabei verschlechter- 12 in fester räumlicher Zuordnung zur unteren Platte 14

ten sich jedoch dis thermischen Eigenschaften des Kup- io gehalten wird. Die Schrauben bestehen vorzugsweise

fers und darüber hinaus floß das Lötmittel in die Hohl- aus nicht rostfreiem Stahl.

räume zwischen den Kupfersträngen, so daß die Span- Andere Metalle können zur Herstellung der Platten

nungseutlastungseigenschaften des strukturierten Kup- 12 und 14, des Metallblocks 16 und der Spannelemente

fers verschlechtert wurden. (Metallschrauben 18 bis 28) verwendet werden. Die

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein 15 temperaturabhängige Gesamtausdehnung der Platten

Verfahren bzw. eine Vorrichtung zu entwickeln, mit 12 und 14 und des Metallblocks 16 muß größer als dieje-

dem bzw. mit der die fadenartigen Kupferstränge der nige der Spannelemente sein. Der Metallblock 16 kann

Spannungsentlastungsscheibe so miteinander verbun- beispielsweise aus einer handelsüblichen Aluminium-

den werden können, daß ihre gegenseitige Beweglich- Kupfer-Magnesiumlegierung bestehen. Diese besitzt ei-

keit weitestgehend erhalten bleibt 20 nen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der größer als

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzei- derjenige von rostfreiem Stahl ist Auf diese Weise kann

ehen des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 8 der Metallblock 16 dünner hergestellt-werden, während

gelöst die temperaturabhängige Ausdehnungsläuge von Block

Hiernach werden die fadenartigen Kupferstränge 16 konstant bleibt

mittels Diffusionsbindung bei einer verhältnismäßig 25 Die Materialien, die miteinander durch Diffusioxrsbinniedrigen Temperatur mit einer Folie verbunden. Die dung verbunden werden sollen (wie strukturiertes Kupniedrige Temperatur gewährleistet, daß keine Bindung fer 30 und Metallfolie 32, die in F i g. 1 gezeigt sind), der fadenartigen Kupferstränge untereinander stattfin- werden in die Presse 10 zwischen den Metallblock 16 det, während sie gleichzeitig ausreicht, um eine Folie mit und die untere Platte 14 eingesetzt. Verschiedene Meden Enden zu verbinden. Die Folie mit ihrer naturge- 30 tallfolien wie Goldfolie und Kupferfoiie können mit anmaß großen Flexibilität bedeutet nur ein Minimum an deren Metallen wie Kupfer, Gold und Silber- unter VerBeschränkung der Bewegungsfreiheit bei gleichzeiti- Wendung der Diffusionsbindungspresse verbunden wergem geordneten Zusammenhalt der fadenartigen Kup- den. Alternativ dazu können andere Metalle mit hoher ferstränge. Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Leitfähigkeit mit-

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben 35 einander verbunden werden,

sich aus den Unteransprüchen 2 bis 7 bzw. 9 bis 15. Eine strukturierte Kupferscheibe 30 besteht aus ei-

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Aus- nem Bündel dicht gepackter, fadenartiger Stränge aus

führungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung Kupfer. Diese Stränge haben einen Durchmesser von

beschrieben. Es zeigt 0,254 mm und eine Länge zwischen 0,1 und 1 cm. Eine

Fig. 1 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen 40 strukturierte Kupferscheibe ist sehr zerbrechlich; die

Vorrichtung; Stränge der strukturierten Kupferscheibe fallen bei Be-

Fig.2 eine Draufsicht auf die in Fig. 1 dargestellte ans^-ruchung auseinander. Zur Verhinderung dieses

Vorrichtung; Zerfalles wird ein Haltering 34 um die nicht miteinander

F i g. 3 eine Seitenansicht einer strukturierten Kup- verbundenen Kupferstränge gelegt Der Hahering 34 ist

fer-Spannungsentlastungsscheibe, mit der eine Metall- 45 in den F i g. 3 und 4 dargestellt.

folie mittels der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung ver- Zur Herstellung der strukturierten KupferEcheibe

bunden ist, wobei sich der Haltering während des Bin- werden ungesäuberte Kupferstränge (vorzugsweise

dungsvorgangs noch an seinem Platz befindet; und Kupferstränge mit oxidierten Oberflächen) verwendet.

F i g. 4 eine Draufsicht auf die in F i g. 3 dargestellte um zu vermeiden, daß die Kupferstränge bei der später

strukturierte Kupfer-Spannungsentlastungsscheibe. 50 folgenden Erhitzung durch Diffusionswirkung aneinan-

F ig. zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung in der kleben oder haften.

Form einer Thermokompressionsdiffusionsbindungs- Vor dem Verbinden der strukturierten Kupferscheibe presse 10, die eine obere Metallplatte 12 und eine untere 30 mit der Metallfolie 32 werden diese gesäubert. Die Metallplatte 14 aufweist, die beide vorzugsweise aus OberHäche der strukturierten Kupferscheibe 30 muß rostfreiem Stahl hergestellt sind. Ein Metallblock 16, der 55 sauber und frei von Oxid sein. Dazu wird Zerstäubungsaus rostfreiem Stahl, Kupfer, Aluminium oder einer Alu- ätzung angewendet Alternativ dazu kann die Oberfläminiumlegierung besteht, kann vorteilhafterweise mit- ehe der strukturierten Kupferscheibe 30 durch Ätzen in tig an der oberen Platte 12 angeordnet sein, wie in der einer Lösung aus HCl und Methanol besteht und nachFigur dargestellt Die ob-;re Platte 12 mit dem Metall- folgendes Spülen in Methanol gereinigt werden. Bevor block 16 und die untere Platte 14 sind parallel zueinan- ω eine Kupferfoiie mit der strukturierten Kupferscheibe der ausgerichtet, wobei zwischen ihnen ein Zwischen- verbunden wird, wird sie zuerst in Wasserstoff bei etwa raum ausgebildet ist Die obere Platte 12, der Metall- 1000⁰C ausgeglüht, damit sie faltbar und flexiler ist. Beblock 16 und die untere Platte 1 können kreisförmig vor die Kupferfolie in die Diffusionsverfcndungspresse oder irgendwie anders konfiguriert sein. Löcher 18a, 10 gelegt wird, wird sie in Lösungsmittel entfettet und in 20a, 22a, 24a, 26a, und 28a sind im gleichen Umfangsab- 65 einer Lösung, bestehend aus 5 ml HCl aus 100 ml Mestand auf der oberew Platte 12 ausgebildet, wie in F i g. 2 thanol geätzt, wobei auch andere Konzentrationen andargestellt, wendbar sind. Nachdem die Kupferfolie geätzt worden

Die untere Platte 14 ist mit Gewindelöchern verse- ist, wird sie in Methanol gespült; sie ist zu diesem Zeit-

punkt sauber genug, um eine Diffusionsbindung einzugehen. Wenn eine Goldfolie mit der strukturierten Kupferscheibe 30 verbunden werden soll, wird sie nur unmittelbar vor dem Binden durch Entfetten ir. Lösungsmittel gereinigt.

Die Oberflächen der strukturierten Kupferscheibe 30 und der Metallfolie 32 werden in Anlage aneinander gebracht und, wie in Fig.3 gezeigt, in die in Fig. 1 gezeigte Presse 10 zwischen den Metallblock 16 und die untere Metallplatte 14 eingesetzt. Eine herkömmliche to Fresse wird verwendet, um die obere Platte 12 und die untere Platte 14 gegeneinander zu drücken. Stahlschrauben 18,20,22,24,26 und 28 werden dann gleichmäßig unter Verwendung eines Drehmomentenschlüssels angezogen, der auf ein Drehmoment im Bereich von 13,8 bis 27,6 Nm eingestellt ist.

Die Presse iö mit der darin befindlichen Foiien-Scheiben-Anordnung wird in eine inerte Atmosphäre gebracht und etwa 15 Minuten bis 5 Stunden mit einer Temperatur von 300⁵C bis 400⁰C, vorzugsweise 350⁰C, beaufschlagt. Der Metallblock 16, die obere Platte 12 und die untere Platte 14, die alle aus rostfreiem Stahl bestehen, haben einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Stahlbolzen 18 bis 28 und sind von ausreichender Dicke, um sich bei dieser Temperaturbeaufschlagung stärker als die Stahlbolzen 18 bis 28 auszudehnen. Es entsteht ein Druck zwischen 140,6 und 3513 N/mm², vorzugsweise 2103 N/mm², der ausreicht, um einen innigen Kontakt zwischen der Metallfolie 32 und der strukturierten Kupferscheibe 30 zu gewährleisten. Statt rostfreiem Stahl für die Platten und den Block und Stahl für die Schrauben können beliebige Metalle mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und in geeigneten vertikalen Abmessungen verwendet werden.

Die Temperatur im Bereich von 300⁰C bis 40O⁰C ist hinreichend hoch, um die Diffusion der Metallfolie aus Kupfer oder Gold in die strukturierte Kupferscheibe zu bewirken.

Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Presse, die mit einer wesentlich höheren Temperatur arbeitet, wodurch die einzelnen Stränge der strukturierten Kupferscheibe durch Diffusion aneinander geklebt und unfähig zu einer unabhängigen Bewegung werden, führt die Anwendung niedrigerer Temperaturen und strukturierter Kupferstränge mit oxidierten Oberflächen zu den erwünschten Spannungsentlastungseigenschaften der Kupferscheibe.

Nach der Diffusionsbindung wird der Haltering 34 von der strukturierten Kupferscheibe 30 entfernt Kupferstränge außerhalb des Bereichs des an die Folie gebundenen strukturierten Kupfers werden ebenfalls entfernt. Strukturierte Spannungsentlastungsscheiben aus Kupfer können in beliebiger Gestalt hergestellt werden, indem die Folie vor der Diffusionsbindung auf die gewünschte Gestalt zugeschnitten wird.

Die beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren können zur Thermokompressionsdiffusionsbindung metallischer Oberflächen bei Kupfer, Aluminium, Gold, Silber, Titan und Molybdän angewendet werden, und zwar sowohl zur Verbindung gleicher als auch verschiedener Metalle.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen einer Spannungsentlastungsscheibe aus vorzugsweise oxidbeschichtetem strukturiertem Kupfer, die gerade, fadenartige Stränge aus oxidbeschichtetem Kupfer umfaßt, die parallel zueinander und dicht gepackt miteinander angeordnet sind, deren beide Seiten jeweils von den fadenartigen Kupfersträngen gebildet werden, die dann auf wenigstens einer Seite untereinander durch ein Fremdmaterial verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß man gerade, gleich lange, fadenartige Kupferstränge in Parallellage zu einer Scheibe zusammenstellt, auf wenigstens eine Seite der Scheibe eine Metallfolie legt und Scheibe und Folie in einer inerten Atmosphäre bei einer Temperatur von 300⁰C bis 400⁰C durch Behinderung der Wärmedehnung gegeneinander drückt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d?B der hohe Druck innerhalb des Bereiches von 140,6 bis 3513 N/mm² liegt

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenzeichnet, daß die Scheibe und die Metallfolie über eine Zeit innerhalb des Bereiches von 15 Minuten bis 5 Stunden auf etwa 350⁰C erhitzt werden, während die Scheibe und die Metallfolie gegeneinander gedrückt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallfolie Gold oder Kupfer verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die Yerfahrr.nsschritte der Reinigung der Scheibe zur Beseitigung von Oberflächenoxid auf ihr sowie der Entfettun-' und Reinigung der Metallfolie vor der Anordnung der Scheibe und der Metaiifoiie in gutem Koniaki miteinander umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Reinigens der Scheibe die Zerstäubungsätzung der Scheibe umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt der Reinigung der Scheibe das Ätzen der Scheibe in einer Lösung, bestehend aus HCl und Methanol und das nachfolgende Spülen der Scheibe in Methanol umfaßt

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, zum Verbinden von Metalloberflächen durch Diffusionsbindung unter Wärme und Druck mit zwei Platten, die mittels Spannelementen im Parallelabstand zueinander unter Zwischenlage zu verbindender Metallteile verspannbar sind, wobei die Materialwahl so getroffen ist, daß sich unter Erwärmen der Paralleiabstand relativ zu den Metallteilen verkleinert, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannelemente (18,20,22,24,26,28) aus einem Werkstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, dessen thermische Ausdehnung geringer ist, als die Gesamtdehnung der Platten (12, 14, 16) in Spannriehtung.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Platte (12,16) und die zweite Platte (14) aus Metall mit dem gleichen Wärmedehnungskoeffizienten bestehen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Platte (12, 16) und die zweite Platte (14) korrespondierende Löcher (18a, 186; 20a, 206; 22a, 226; 24a, 246; 26a, 266 28a, 286J aufweisen, die in Abständen um ihren Umfang herum angeordnet sind, um die metallischen Spannelemente (18, 20, 22, 24, 26, 28) aufzunehmen, wobei diese Löcher (186, 206, 226, 246, 266, 286; auf der zweiten Platte (14) Gewindelöcher sind.

11. Vorrichtung nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Spannelemente eine Vielzahl Metallgewindestäbe oder Metallschrauben (18, 20, 22, 24, 26, 28) umfassen, die die erste Platte (12,16) mit der zweiten Platte (14) verbinden, wobei ein Ende jedes Gewindestabes oder jeder Metallschraube durch ein Loch (18a, 20a, 22a, 24a, 26a, 28a; in der ersten Platte (12) gesteckt ist und das andere Ende mit einem korrespondierenden Gewindeloch (186,206,226,246,266,286; in der zweiten Platte (14) verbunden ist

12. Vorrichtung nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Platte (12, 16) und die zweite Platte (14) aus rostfreiem Stahl bestehen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Platte (12, 16) einen Metallblock (16) umfaßt, der auf der Seite zur zweiten Platte (14) angeordnet ist

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallblock (16) aus einem Metall der Gruppe aus rostfreiem Stahl, Kupfer, Aluminium, Aluminiumlegierung und handelsüblicher Aluminium-Kupfer-Magnesiumlegierung besteht

15. Vorrichtiing nach Anspruch 11 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Gewindestäbe oder Metallschrauben (18,20,22,24,26,28) aus einem anderen als rostfreiem Stahl bestehen.