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Lot zum vakuumdichten Verlöten von Metall-und/oder Isolierteilen und
Verfahren dazu Die Erfindung betrifft das vakuumdichte Verlöten von Metall- und/oder
Isolierteilen.
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In vielen technischen Gebieten, wie z. B. bei der Fertigung von Kolben
für Vakuumröhren und Schutzumhüllungen für Halbleitereinrichtungen, werden vakuumdichte
Behälter benötigt, die genügend widerstandsfähig gegen äußere Beanspruchungen der
verschiedensten Art sein müssen, wie z. B. höhere Temperaturen, hohe Feuchtigkeit
oder hohe Beschleunigungen. Derartige Behälter können nicht vollständig aus Metall
hergestellt werden, da Teile davon elektrisch isolieren müssen. Man verwendet deshalb
für diese Zwecke Anordnungen, bei denen Metallteile mit Isolierteilen, beispielsweise
aus Keramik, verschmolzen sind.
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Bei einem bekannten Verfahren werden die Isolierteile an den entsprechenden
Stellen unter Bildung einer Metallschicht metallisiert; die metallisierte Fläche
des Isolierteiles wird dann mit einem Metallteil oder einer anderen metallisierten
Fläche eines Isolierteiles durch Hartlöten im Vakuum oder einer anderen nicht oxydierenden
Oberfläche verbunden. Zur Verbindung dienen im allgemeinen Legierungen der Edelmetalle,
häufig unter Verwendung von Gold oder Silber. Für im Vakuum ausgeführte Verbindungen
eignen sich am besten Materialien mit niedrigem Dampfdruck. Lote, die Elemente mit
einem verhältnismäßig hohen Dampfdruck enthalten, wie Silber oder Indium, arbeiten
nicht zufriedenstellend, da bei den für die Verbindung erforderlichen verhältnismäßig
hohen Temperaturen und niedrigen Drücken eine beträchtliche Menge des betreffenden
Stoffes verdampft, die dabei entstehenden unerwünschten Niederschläge und Schichten
auf den Isolierteilen können Kriechstromwege auf den Isolierteilen der fertigen
Anordnung ergeben.
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Ein kürzlich entwickeltes Verfahren zur Verbindung von Metallteilen
mit metallisierter Keramik, das zufriedenstellende Ergebnisse liefert, beruht auf
der Verwendung einer Gold-Nickel-Legierung als Lot, die etwa 82,5 Gewichtsprozent
Gold und als Rest Nickel enthält. Diese Legierung besitzt einen niedrigen Dampfdruck
und liefert gute vakuumdichte Verbindungen. Der Goldgehalt und damit der Preis dieser
Legierung entspricht jedoch 20karätigem Gold. Dieses Verfahren ist daher ziemlich
aufwendig.
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Es ist ferner bekannt, zum Anlöten von Anschlußdrähten an Halbleiteranordnungen
ein Lot zu verwenden, das mindestens 85 Gewichtsprozent Gold, höchstens 15 Gewichtsprozent
Halbleitermaterial, also beispielsweise Germanium oder Silizium, und zwischen 0,1
und 1,5 Gewichtsprozent eines Dotierungsstoffies enthält. Auch für andere Zwecke
hat man bereits Lote verwendet, die Germanium enthalten. Für zahntechnische Zwecke
sind z. B. Silberlegierungen bekannt, die unter anderem 0,1 bis 20% Germanium enthalten.
Auch Ni-Cr-Ge-Hartlote mit 15 bis 40% Germanium sind bekannt.
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Die zuletzt genannten Lote eignen sich jedoch nicht zum vakuumdichten
Verlöten von Metall- und/oder Isolierteilen.
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Durch die Erfindung sollen die Nachteile der bekannten Lote vermieden
werden, insbesondere soll ein goldfreies. Lot angegeben werden, das vakuumdichte
Lötverbindungen ermöglicht und praktisch keine unerwünschten Metallniederschläge
auf den verlöteten Teilen oder Teilen, die diesen benachbart sind, ergibt.
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Die Erfindung besteht daher in der Verwendung einer Kupferlegierung,
bestehend aus 8 bis 12% Germanium, Rest Kupfer, als Lot zum vakuumdichten Verlöten
von Metallteilen und/oder metallisierten Isolierteilen unter Vakuum oder einer nicht
oxydierenden Atmosphäre.
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Das Löten erfolgt vorzugsweise im Hochvakuum oder zumindest bei niedrigen
Drücken zwischen ungefähr 10-6 und 10-4 Torr.
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Die Verarbeitbarkeit von Loten, die einen verhältnismäßig großen Germaniumgehalt
aufweisen, wie z. B. Legierungen mit einem Gehalt von 11 bis 12 Gewichtsprozent
Germanium, kann durch einen Zusatz von 0,1 bis 2 Gewichtsprozent von Additiven,
wie
Nickel, Eisen, Kobalt, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium, Platin, Titan,
Molybd'än, Tantal, Wolfram od. dgl., verbessert werden. Das Verfahren liefert gute
vakuumdichte Verschmelzungen und hat den Vorzug, kaum unerwünschte Metallschichten
an störenden Stellen zu bilden, da der Dampfdruck des Lotes niedrig ist. Das Lot
ist außerdem billig, so daß die Herstellungskosten sinken. Im Vergleich zu dem bekannten
Gold-Nickel-Lot betragen die Kosten für das Material gemäß der Erfindung bei gleichem
Volumen der Verschmelzungen etwa ein Siebzigstel.
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Der Schmelzpunkt von Loten für Verschmelzungen .dieser Art muß unter
dem der zu verbindenden Teile liegen. Der Schmelzpunkt von Kupfer liegt bei 1083°
C, der des Germaniums bei 958° C. Das Phasendiagramm für das System Germanium Kupfer
ist ziemlich komplex, ein Eutektikum mit einem Schmelzpunkt von 640° C liegt bei
etwa 40 Gewichtsprozent Germanium, ein weiteres Eutektikum, das bei 749° C schmilzt,
bei etwa 27 Gewichtsprozent Germanium. Man nimmt an, daß Kupfer und Germanium nur
eine Verbindung bilden, nämlich Cu3Ge. Man nimmt ferner an, daß Alpha-Kupfer in
der festen Phase ungefähr 10 Gewichtsprozent Germanium gelöst enthalten kann.
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In der Tabelle I werden beispielsweise fünf zur Ausübung der Erfindung
geeignete Lote und deren Fließpunkt angegegen.
| Tabelle 1 |
| Zusammensetzung Fließ- |
| Lot Nr. (Gewichtsprozent) Punkt |
| Germanium I Kupfer 1 Zusatz (° C) |
| 1 8 92 - 1050 |
| 2 9 91 - 1030 |
| 3 10 90 - 1010 |
| 4 11 88,80 0,20 Co 985 |
| 5 12 87,75 0,25 Ni 965 |
Der Schmelzpunkt von Germanium-Kupfer-Loten, die weniger als etwa 8 Gewichtsprozent
Germanium enthalten, liegt beträchtlich näher an dem des reinen Kupfers und sind
deshalb im allgemeinen weniger geeignet. Germanium-Kupfer-Lote, die etwa 11 oder
mehr Gewichtsprozent Germanium enthalten, können verhältnismäßig schlecht verarbeitet
und zu feinen Drähten gezogen werden. Es hat sich gezeigt, daß ein Zusatz von 0,1
bis. 2 Gewichtsprozent eines geeigneten Zusatzmaterials die Verarbeitbarkeit von
Legierungen mit hohem Germaniumgehalt verbessert, ohne die anderen Eigenschaften,
wie Fließpunkt und Benetzbarkeit, für die verschiedenen Metalle und metallisierten
Flächen zu beeinträchtigen. Geeignete Zusätze sind die 17bergangselemente der Gruppe
VIII des Periodischen Systems, die Eisen, Kobalt, Nickel, Ruthenium, Rhodium, Palladium,
Osmium, Iridium und Platin. enthält, ferner verschiedene Metalle außerhalb der Gruppe
VIII, nämlich Titan, Tantal, Molybdän und Wolfram. Die Zusätze verhindern die Bildung
der enggepackten hexagonalen Zetaphase, die in Germanium-Kupfer-Legierungen vorhanden
ist, die etwa 11 bis 19 Gewichtsprozent Germanium enthalten, und liefert Legierungen,
die zu Drähten bis herunter zu einem Durchmesser von 0,5 mm gezogen werden können.
Werden mehr als 2 Gewichtsprozent des Zusatzes verwendet, so liegt der Schmelzpunkt
der sich ergebenden Legierung im allgemeinen nicht so niedrig, wie es erwünscht
wäre. Bei Verwendung von weniger als 0,1 Gewichtsprozent des Zusatzes ergibt sich
keine merkliche Verbesserung der Verarbeitbarkeit.
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Wie oben bereits erwähnt wurde, ist es wünschenswert, daß die Lotlegierung
einen niedrigen Dampfdruck hat, so daß die Bildung von Niederschlägen von Lotmetall
auf Isolierteilen weitgehend verhindert wird. Ein großer Vorzug der gemäß der Erfindung
zu verwendenden Lote ist ihr niedriger Dampfdruck. Der niedrige Dampfdruck rührt
daher, daß Germanium einen wesentlich niedrigeren Dampfdruck besitzt, als die normal
verwendeten Lotbestandteile, wie Indium oder Silber. Der Dampfdruck von Germanium
liegt sogar unter dem des Goldes, das viel teurer ist. In der Tabelle 1I sind die
Dampfdrücke verschiedener für Lote verwendeter Legierungspartner bei 1000° C angegeben.
| Tabelle II |
| Dampfdruck |
| Element bei 1000° C |
| (Torr) |
| Indium ...................... 3-10-2 |
| Silber ....................... 6-10-3 |
| Aluminium .................. 2-10-4 |
| Kupfer ...................... 3-10-5 |
| Gold ........................ 1.10-5 |
| Germanium .................. 4-10-6 |
Die zu verbindenden Isolierteile können aus Glas, Photoceram (Photoglas), Pyroceram
(ein in den keramischen Zustand übergeführtes Glas sehr hohen Schmelzpunktes), Germicon,
Quarz, Saphir oder keramischen Materialien wie Steatit, Forsterit, stark aluminiumoxydhaltigen
Keramiken u. dgl. bestehen.
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Die zu verschmelzenden Metallteile können aus Molybdän, Wolfram, Tantal,
Kupfer, Nickel und Legierungen wie Stahl, Edelstahl, Nickel-Eisen-Legierungen, Kovar,
Fernico u. dgl. bestehen.
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Um die Spannungen in den verbundenen Teilen so klein wie möglich zu
halten, sollten die Wärmeausdehnungskoeffizienten möglichst übereinstimmen. Ein
wichtiger Vorteil des Verschmelzungsverfahrens gemäß der Erfindung besteht darin,
daß die als Lot verwendeten Germanium-Kupfer-Legierungen verhältnismäßig weich und
duktil sind, wenn sie richtig nachbehandelt bzw. angelassen oder geglüht wurden,
so daß die Spannungen auch dann klein bleiben, wenn. Teile mit differierenden Wärmeausdehnungskoeffizienten
verbunden werden.
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Die Erfindung soll nun an Hand eines Bespiels erläutert werden.
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Man stellt eine Legierung aus 12 Gewichtsprozent Germanium, 0,25 Gewichtsprozent
Nickel, Rest Kupfer, her, indem man beispielsweise die Bestandteile in einen Tiegel
einbringt. Diese Lot Nr. 5 in Tabelle I entsprechende Mischung wird dann im Vakuum
geschmolzen und in barrenförmige Stücke von ungefähr 12,5 mm Durchmesser gegossen.
Die einzelnen Barren können etwa 225 g wiegen. Der Barren wird dann im heißen Zustand
bei einer Temperatur zwischen ungefähr 775 bis 800° C auf einen Durchmesser von
ungefähr 2,5 mm heruntergezogen. Dieser Draht wird nun ungefähr 10 bis 30 Minuten
in
einer Wassertoffatmosphäre bei 800° C geglüht. Nach dem Erkalten
auf Zimmertemperatur wird er kalt zu einem Draht mit einem Durchmesser von etwa
1 mm gezogen. Der Draht wird nochmals etwa 10 bis 30 Minuten bei 800='C in einer
Wasserstoffatmosphäre geglüht und nach dem Erkalten auf einen Durchmesser von 0,5
mm gezogen.
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Das Metallteil bestand bei diesem Ausführungsbeispiel aus einem topfförmigen
Teil aus Edelstahl mit einem Flansch am offenen Ende. Das Material bestand aus 17
Gewichtsprozent Chrom und 83 Gewichtsprozent Eisen. Als Isolierteil fand ein keramischer
Sockel in Form einer Scheibe aus Forsterit Verwendung. Das Keramikteil kann. durch
irgendein geeignetes Verfahren metallisiert werden, es wurde hier beispielsweise
mit einer Lösung aus Lithiumdimolybdat überzogen und dann in einer Wasserstoffatmosphäre
erhitzt, so daß sich auf der Oberfläche der Keramik ein Molybdänfilm bildete.
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In den kragenförmigen Flansch des mit der öffnung nach oben weisenden,
topfförmigen Edelstahlteiles wurde die metallisierte Keramikscheibe eingelegt. Ein
Ring aus dem in der beschriebenen Weise hergestellten Lotdraht wurde so auf die
Keramikplatte gelegt, daß er sowohl den Rand des Keramikteiles als auch den Innenrand
des kragentartigen Metallflansches berührte. Die ganze Anordnung mit Metallteil,
Isolierteil und Lotdraht wurde nun auf eine Temperatur von etwa 1000° C erhitzt,
während der Ofen laufend ausgepumpt wurde und der Druck zwischen etwa 0,01 und 1
- 10-3 Torr betrug. Der Drahtring schmilzt dabei und fließt an den Umfang der Keramikscheibe.
Beim Abkühlen ist eine vakuumdichte Verbindung zwischen dem Metallkolben und dem
keramischen Fuß entstanden.
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Das beschriebene Beispiel kann in mancher Hinsicht abgewandelt werden,
statt eines Metallteiles und eines Isolierteiles können beispielsweise zwei Isolierteile
oder zwei Metallteile verbunden werden. Anstatt die Teile in einem Vakuum zu verschmelzen,
kann die Verschmelzung auch in einer nicht oxydierenden Atmosphäre, beispielsweise
Wasserstoff, Stickstoff oder Argon, erfolgen.