CH445266A - Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung - Google Patents

Description

  Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung    Es sind     bereits        Lötverbindungen    zwischen Metall  blechen und Keramikteilen bekanntgeworden. Man kann  derartige     Lötverbindungen        in        zwei    Gruppen einteilen.  Bei der einen Gruppe werden die Schwierigkeiten, die  infolge der unterschiedlichen     Wärmedehnungskoeffizien-          ten    von Metallen     und    Keramik entstehen,     dadurch    über  wunden,     @dass    die     Metallteile    entsprechend angepasst wer  den.

   Es werden -also spezielle     Metallegierungen    verwen  det, welche     diesen    Zwecken dienen     können.        Derartige     Metallegierungen bestehen z. B. aus Eisen, Nickel und  Kobalt und sind unter den Handelsnamen     Fernico,          Kovar    und     Vacon        bekanntgeworden.     



  Bei der anderen Gruppe von     Lötverbindungen    kann       praktisch    jedes lötbare Metall verwendet werden. Die  Spannungen zwischen Metall und Keramik werden in  diesem Falle durch eine weiche     Lötverbindung    über  brückt. Dagegen ist     eine        Hartlotverbindung    zwischen  Metallen der I.     Nebengruppe    des Periodensystems der  Elemente, also den Metallen Kupfer, Silber und Gold,  und     Keramikteilen        nicht        bekanntgeworden.    Die Erfin  dung schafft ein neues Verfahren, mit -dem die bisher  aufgetretenen     Schwierigkeiten    überwunden werden.  



  Die     Erfindung    betrifft deshalb     ein        Verfahren    zum  Herstellen einer     Lötverbindung    zwischen einem Blech  aus     einem    Metall der I.

   Nebengruppe des Perioden  systems     der    Elemente und einem     Keramikteil,        insbe-          sondere    aus     Aluminiumoxyd.    Es ist erfindungsgemäss  dadurch gekennzeichnet,     .dass    die Blechdicke nicht über  0,5 mm :

  gewählt     wind,    dass der     Keramikteil    so     bemessen          wird,    dass er an der     Lötfläche,    an der das     ,anzulötende     Blech     flächig    anliegt,     wenigstens    um den     Faktbr    10  dicker     als    das :

  Blech ist und     @dass    ein Hartlot verwendet       wird.    Zweckmässig wird ein ,aus dem     Silber-Kupfer-          Eutektikum        bestehendes    Lot verwendet, und     vorteilhaft          wird    nach dem     Aufschmelzen    des Lotes die     Lötverbin-          dung    sehr langsam abgekühlt, wobei ein Ausgleich von       gegebenenfalls    auftretenden     Dehnungsspannungen        ein-          tritt.    Wie     durchgeführte    Versuche zeigten,

   sind derart    hergestellte     Hartlotverbindungen    zwischen Silberfolien  und Keramik mechanisch sehr stabil und auch     feuchtig-          keits-    und gasdicht.  



  Die Zeichnung     charakterisiert    eine Ausführungs  form der Erfindung     als    Verfahrensschritt bei der Her  stellung einer     gekapselten    Halbleiteranordnung. Alle in  der Zeichnung     @dargestellten    Teile können der Einfach  heit halber als     kreisrund    angenommen werden.  



  Das eigentliche     Halbleiterelement    besteht aus dem       Halbleiterkörper    2, welcher Elektroden zur Zu- und       Abführung        des        .Stromes        besitzt,    und zwei     Molybdänschei-          ben    3 und 4, die z. B. 20 mm     Durchmesser    und 3 mm  Dicke haben können und die     ,zum    Schutz     ides    Halbleiter  körpers 2 gegen mechanische Beanspruchungen dienen.

    Das aus den     Teilen    2, 3 und 4 bestehende Bauelement  kann nach einem bekannten     Diffusions-    oder Legie  rungsverfahren hergestellt sein. Dieses Bauelement soll  in eine     gas-    und     feuchtigkeitsdichte:        Kapselüng        einge-          schlossen    wenden.  



  Diese Kapsel besteht aus zwei Keramikringen 5 und  6, welche z. B. aus gesintertem Aluminiumoxyd     (Sinter-          korund)    bestehen können, und zwei Metallfolien 7 und  8 der 1.     Nebengruppe    des Periodensystems:,     @die    an den       Keramikteilen    5 und 6 befestigt sind. Die Folien 7 und 8  haben einen eingedrückten Rand, welcher nach dem  Zusammenbau     dass        seitliche    Verrutschen des .aus den  Teilen 2, 3 und 4 bestehenden Bauelements     verhindert.     An den     Keramikringen    5 und 6 sind weiter zwei Metall  ringe 9 und 10 angebracht, z.

   B. hart angelötet, welche  aus einer geeigneten     Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung        be-          etehen        können.    Mit     Hilfe    dieser Ringe 9 und 10 kann  die Kapsiel verschlossen werden, indem die Aussenrän  der der Teile 9 und 10 miteinander durch Schweissurig,       Hartlötung    oder     Bördelung    verbunden werden.

   Da die       Teile    9 und 10 mit ihrem     inneren    Rand, der an den  Ringen 5 und 6 befestigt ist, bei dieser Behandlung  sehr fest     aufeinanderhegen,    ist eine Gefährdung des  Bauelementes innerhalb der Kapselurig durch die beim      Schliessen der Kapsel am Aussenrand vorgenommenen       Verfahrensschritte    ausgeschlossen.  



  Mehrere in derartige Gehäuse eingeschlossene Halb  leiteranordnungen können dann gestapelt und somit  elektrisch     hintereinandergeschaltet    werden, wobei ein  auf den Stapel drückender Stempel für die     gute        Kontakt-          gabe    der einzelnen Kontaktflächen sorgt. Im schweize  rischen Patent Nr. 417 775 ist eine derartige Halbleiter  anordnung beschrieben.  



  Bei der Herstellung .einer     derartigen    Kapsel kann  nun, wie zuvor angegeben, zunächst einmal :der Ring 9  an dem Keramikring 5 angebracht werden. Davor,  danach oder     zweckmässigerweise        gleichzeitig        wird    die  Folie 7 an dem Keramikteil 5 durch     Lötung    nach dem       erfindungsgemässen    Verfahren befestigt. Die Folie 7       kann    z. B. aus Silber bestehen, das die für die Halb  leitereigenschaften geforderte Reinheit aufweist und  das als elektrisches     Kontaktmaterial    sehr geeignet ist.  Gemäss der Erfindung wird nun ;die Dicke dieser Folie  nicht über     500,u.    gewählt, z.

   B. normalerweise zwischen  100 und     300,u.    Im vorliegenden Beispiel sei angenom  men, dass die Folien 7 und 8 eine Dicke von     etwa     200     ,ls    haben. Dementsprechend wird ;die Dicke der  Ringe 5 und 6 grösser als 2 mm, also z. B. zu 3 mm  bestimmt. Es zeigt sich, dass bei einer     derartigen    Be  messung sich die Spannungen zwischen Silber und  Aluminiumoxyd noch .ausgleichen können.     :Beim    An  löten der Silberfolie an     :dem    Keramikteil wird weder  die Aluminiumfolie zerrissen, noch     wird    der Keramik  ring gesprengt oder zerbrochen, und es tritt auch nicht  ein     Abreiss;    n der Lötverbindung ein.  



  Beim Anlöten der Folie :an das Keramikteil wird       vorzugsweise    ein Hartlot verwendet, welches mit dem  Material der Folie     verwandt    .ist, z. B. hat     seich    bei  Silberfolien das     Silber-Kupfer-Eutektikum    als sehr ge  eignet erwiesen. Es besteht aus Silber mit einem Kupfer  anteil von etwa 28,5     Gew.    %. Es hat eine Schmelz  temperatur von     780     C, die     Löttemperatur    wird zweck  mässig etwas über 800  C, also z. B. auf etwa 815  C  bemessen.  



  Das Lot kann in Form eines Pulvers auf die Löt  stelle aufgebracht werden. Das Lot kann auch     die    Form  eines Ringes, der aus einer Folie des Lotes von z. B.  50     ,u    Dicke gestanzt ist, verwendet werden. Die mit  einander zu verbindenden Teile werden zweckmässig in  einen Ofen eingebracht und dann .auf die     Löttempera-          tur,    z.

   B. 820  C,     erwärmt.    Danach lässt man den Ofen  langsam abkühlen, wobei sozusagen ein     Nachtempera     der Silberfolie eintritt, wobei sich gewisse Dehnungs  spannungen     ausgleichen    können.     Zweckmässigerweise     werden die Teile mit einem     Temperaturgradienten    von  weniger als 10  C pro Minute     abgekühlt.    Der Tempera  turrückgang kann etwa durchschnittlich 5  C pro Mi  nute betragen. Da die Abkühlung nach     einer        -e-Funk-          tion    vor sich geht, kann lediglich ein durchschnittlicher  Temperaturgradient angegeben werden.

   Es: zeigt sich,  dass so hergestellte     Hartlotverbindungen    zwischen Ke  ramik und Metallblechen aus Silber, Kupfer und Gold  sehr     dauerhaft;    und, was in der Halbleitertechnik we  sentlich ist, auch gas- und feuchtigkeitsdicht sind.  



  Nach dem     Befestigen    der Folien 7 und 8 und der  Ringe 9 und 10 an den Keramikteilen 5 und 6 werden  die beiden aus den Teilen 7, 5 und 9 bzw. 6, 8 und  10     bestehenden    Halbgehäuse     aufeinandergelegt    und am  Rand der Ringe 9 und 10 miteinander verbunden.  Dieser     Verfahrensschritt    wird     zweckmässigerweise        @in     einer Atmosphäre eines neutralen Gases, wie z. B.         Stickstoff,    vorgenommen, wodurch das Halbleiterbau  element     innerhalb    des Gehäuses in eine derartige At  mosphäre eingebettet wird.

   Dabei kann bei     einem     Schweissvorgang der an die Keramikteile 5 und 6 an  grenzende Bereich der Teile 9 und 10 z. B. durch. auf  gesetzte Metallkörper 11 gekühlt werden.  



  Gemäss einer weiteren Ausführungsform, insbeson  dere     irn    Hinblick auf die     Alterungsbeständigkeit    der       Lötverbindung,    wird nach .dem Aufschmelzen des Lotes  die Lötverbindung     mit    einer Abkühlungsgeschwindigkeit  von     mindestens    8  C pro Minute auf eine Temperatur  von weniger als 500  C abgekühlt. Die Lötverbindung  wird vorzugsweise mit einer Abkühlungsgeschwindig  keit von mehr     als    10  C, beispielsweise 12  C pro  Minute, abgekühlt. Es ergibt sich hierdurch der Vorteil,  dass das Hartlot das Metallblech nur in geringem Masse  oder gar nicht     anlegieren    kann.

   Hinzu kommt, dass das  Lot für     gewöhnlich    nach seinem Aufschmelzen die Nei  gung hat, auf Metallflächen sich     auszubreiten,    und dass  diese Möglichkeit -der Ausbreitung durch eine schnelle  Abkühlung verhindert wird.  



  Das Keramikteil     kann    z. B. aus Aluminiumoxyd be  stehen. Es kann an der     Lötstelle    .in entsprechender  Weise metallisiert sein, wie dies z. B. von     Hartlötver-          bindungen    von Keramikteilen mit     Eisen-Nickel-Kobalt-          Legierungen    bekannt ist. Als Lot kann das     Silber-          Kupfer-Eutektikum    verwendet werden, das aus Silber  mit einem Kupferanteil von :etwa 28,5     Gewichtsprozent     besteht. Es hat eine Schmelztemperatur von 780  C.

    Die     Löttemperatur    kann zu     etwa    805 bis 810  C be  messen werden.     Zweckmässig    liegt sie bei etwa 8l'5  C.  Das Lot     kann    in Form einer Folie     verwendet        werden,     die in entsprechender Grösse und Form ausgestanzt  wird. Die Folie kann z. B. eine Dicke von     50,u    haben.  Das Lot kann auch in Form eines Drahtes auf die  Verbindungsstelle aufgelegt werden.

   Anderseits     besteht     auch die Möglichkeit, das Lot lediglich an den Rand  der Lötstelle anzulegen; bei Erreichen der Schmelztem  peratur fliesst es dann in den Raum zwischen     ,der     Metallfolie und der     metallisierten    Keramik.  



  Die     Lötung    kann in einem Ofen durchgeführt wer  den, der in verhältnismässig kurzer Zeit auf die erfor  derliche Löttemperatur aufgeheizt werden     kann.    Vor  teilhaft wird     ;die        Lötung    unter Schutzgas vorgenommen,  z. B. unter Wasserstoff oder unter     Formiergas,    einer  Mischung     aus        Stickstoff    und Wasserstoff. Nach dem  Aufschmelzen des Lotes wird ;die Temperatur verhält  nismässig schnell abgesenkt. Zu diesem Zweck kann  z. B. nach Abschalten eines elektrischen Ofens ein       Kühlgas,    z. B.

   Luft, in den     Zwischenraum    zwischen  Heizwicklung und     Muffeleinsatz    geblasen werden. Vor  teilhaft wird Schutzgas,     das    sich während des     Löt-          prozesses    ebenfalls erwärmt hat, entfernt und durch  neues kaltes Schutzgas ersetzt. Gegebenenfalls kann  kaltes Schutzgas, also z. B.     Schutzgas    von     Raumtempe-          ratur    oder von einer     Temperatur,    die einige Grad unter  0  C liegt, in erhöhter Menge zum Abkühlen über die  Lötstelle geführt werden, z. B.

   Wasserstoff aus einer  Wasserstoffflasche. .Auf     @diese    Weise lässt     sich    eine Ab  kühlungsgeschwindigkeit von mehr     als    8   C pro Mi  nute,     gegebenenfalls    auch von mehr als 15  C pro  Minute erreichen. Es genügt, wenn diese     Abkühlungs-          ;eschwindngkeit    bis .zum     Erreichen    einer Temperatur  von :etwa 500  C eingehalten wird. Danach kann die  Abkühlung langsamer erfolgen.

   Dies gilt nicht nur für  das eben beschriebene Lot aus dem Silber-Kupfer-           Eutektsikum,    sondern auch für alle     anderen        Hartlote     mit einer     Schmelztemperatur    von etwa 700 bis 800  C.  



  Wenn die     Abkühlungsgeschwindigkeit    verhältnis  mässig klein     einsgestellt    wird, d. h. also, wenn das Lot  über längere Zeit im flüssigen Zustand verbleibt, kann  es geschehen,     :dass    sich in !dem Lot Teile des Silber  blechs auflösen und     dass    eine sehr .harte     und    spröde  Lötstelle entsteht, an der später Risse     auftreten        können.     Ausserdem hat das Lot die Neigung, auf der Silber  oberfläche sich auszubreiten, und es kann     diese    Aus  breitung während der gesamten Zeit, in der es;

   schmelz  flüssig ist,     fortsetzen.    Daher     isst    eine rasche Abkühlung  zumindest bis unterhalb des Schmelzpunktes, nach Mög  lichkeit bis unterhalb von 500  C, erwünscht.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung zwi schen einem Blech aus einem Metall der I. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente und einem Keramik teil, insbesondere aus Aluminiumoxyd, dadurch gekenn zeichnet, dass die Blechdicke nicht über 0,5 mm ge wählt wird, dass der Keramikteil so bemessen wird, d@ass er an der Lötfläche, an der das anzulötende Blech flächig sanliegt, wenigstens um Iden Faktor 10 dicker als ,das Blech ist und das ein Hartlot verwendet wird. UNTERANSPRÜCHE 1.

   Verfahren nach Patentanspruch, dadurchgekenn zeichnet, dass ein aus dem Silber-Kupfer-Eutaktikum bestehendes Lot verwendet wird. 2. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass nach dem Aufschmelzen des Lotes die Lötverbindung mit einem durchschnittlichen Tem peraturgradienten von weniger als 10 C/min auf die Raumtemperatur abgekühlt wird. 3.

   Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass nach dem Aufschmelzen des Lotes die Lötverbindung mit einer Abkühlungsgeschwindig keit von mindestens 8 C pro Minute auf eine Tem peratur von weniger als 500 C abgekühlt wird. 4. Verfahren nach Unteranspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, dass idie Lötverbindung mit einer<B>Ab-</B> kühlungsgeschwindigkeit von etwa 12 C pro Minute abgekühlt wird. 5.

   Verfahren nach Unteranspruch 3, dadurch ,ge kennzeichnet, dass die Lötung :in einem von Schutzgas durchströmten Raum durchgeführt und nach dem Auf schmelzen des Lotes der Schutizgasstrom verstärkt wird.