DE1220234B

DE1220234B - Verfahren zum vakuumdichten Verbinden Zweier Metallteile

Info

Publication number: DE1220234B
Application number: DEN22097A
Authority: DE
Inventors: Henricus Emanuel Dijkmeijer
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1961-09-19
Filing date: 1962-09-15
Publication date: 1966-06-30
Also published as: GB954877A; US3140382A; CH414777A; NL135879C; BE622539A; DK106343C; NL269393A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

B 23 k

Deutsche Kl.: 49 h-26/01

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1220234
N 22097 VI a/49 h
15. September 1962
30. Juni 1966

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum vakuumdichten, unlösbar haftenden Verbinden zweier Metallteile, von denen wenigstens eines aus Kupfer besteht, mittels örtlicher Zuführung von Wärme durch Widerstandserhitzen. Ein solches Verfahren wird vorzugsweise angewendet zum Verbinden der Metallteile einer Umhüllung für eine Halbleitervorrichtung hoher Leistung, wie Transistoren oder Kristalldioden. Bei solchen Halbleitervorrichtungen ist im Betrieb eine gute Ableitung der entwickelten Wärme äußerst wichtig. Der Halbleiterkörper der Vorrichtung ist mit einem niedrigschmelzenden Lot auf einer aus Kupfer bestehenden Grundplatte mit verhältnismäßig großen Abmessungen aufgelötet. Auf dieser Grundplatte wird ein z. B. aus Eisen bestehender Metallkolben, vorzugsweise gasdicht, haftend befestigt.

Es hat sich gezeigt, daß zum Verbinden der genannten Teile, d. h. des Kolbens und der Grundplatte, Hartlöten ungeeignet ist. Durch die für das Hartlöten erforderliche verhältnismäßig hohe Temperatur würde der Halbleiterkörper durch das in ihn hineindiffundierende Lot beschädigt werden. Durch Löten mit einem niedrigschmelzenden Lot würde keine hinreichend feste und gas- oder vakuumdichte Verbindung erzielbar sein.

Auch ein einfaches Verschweißen der Teile reicht nicht aus, um eine mechanisch hinreichend feste und zugleich gasdichte Verbindung zwischen ihnen zu erzielen. Es hat sich gezeigt, daß eine befriedigende Schweißverbindung durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Kupfers der Grundplatte verhindert wird. Wegen der großen Wärmeleitfähigkeit bleibt beim Schweißen die Temperatur an der Schweißstelle zu niedrig, während die Temperatur des Kolbens zu hoch wird. Wird ein Kolben aus Eisen verwendet, so kann die Temperatur an der Schweißstelle so ansteigen, daß das Eisen verbrennt.

Es war bereits bekannt, Metallteile dadurch haftend miteinander zu verbinden, daß in einem ehemischen Vernickelungsbad oder elektrolytisch eine phosphorhaltige Nickelschicht auf den Teilen niedergeschlagen wird, die Teile aneinandergefügt werden und dann zusammen 5 Minuten bis 2 Stunden oder länger auf eine Temperatur zwischen 800 und 1400° C in einer Schutzgasatmosphäre erhitzt werden, bis im wesentlichen aller Phosphor verschwunden ist.

Weiter war es bekannt, Teile aus Kupfer mit Teilen aus rostfreiem Stahl dadurch zu verbinden, daß zunächst die Oberflächen galvanisch oder stromlos mit einer phosphorhaltigen Nickelschicht bedeckt Verfahren zum vakuumdichten Verbinden zweier Metallteile

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenf abrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter:

Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,

Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:

Henricus Emanuel Dijkmeijer, Nijmegen

(Niederlande)

Beanspruchte Priorität:

Niederlande vom 19. September 1961 (269 393)

werden, die Teile aneinandergefügt und unter Schutzgas auf etwa 1000° C erhitzt werden. Die Teile werden dabei durch das phosphorhaltige Nickel verlötet.

Diese bekannten Verfahren sind zum Verbinden der Teile der Umhüllung von Halbleitervorrichtungen für hohe Leistungen, von denen die Grundplatte aus Kupfer und der Kolben aus einem anderen Metall, z. B. Nickel, Eisen oder Stahl, besteht, ungeeignet. Der Transistor würde dabei unter anderem durch Diffusion von Phosphor in den Halbleiterkörper beschädigt werden. Außerdem ist eine phosphorhaltige Nickelschicht allein ungeeignet, weil diese keinen genügenden Schutz vor Korrosion gibt. Beim Verbinden der Teile fließt eine solche Schicht leicht örtlich von den Teilen weg, d. h., die Nickelschicht fließt durch Kapillarwirkung in die Schweißnaht, so daß das Metall der Teile selbst nicht mehr von der Schicht bedeckt ist.

Diese Nachteile der bekannten Verfahren werden bei dem Verfahren nach der Erfindung zum vakuumdichten, unlösbar haftenden Verbinden zweier Metallteile, von denen wenigstens eines aus Kupfer besteht, mittels örtlicher Zuführung von Wärme durch Widerstandserhitzen, dadurch vermieden, daß die Metallteile mit einer Nickelschicht einer Dicke zwischen 4 und 10 μΐη bedeckt werden und daß das oder die Kupferteile so lange auf eine Temperatur von 500 bis 900⁰C erwärmt werden, daß das Nickel ober-

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Claims

I; 220 flächlich in das Kupfer diffundiert und eine Nickel-Kupfer-Legierung üiit einem hohen' »elektrischen Widerstand und einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit bildet, worauf die Metallteile in einem chemischen Bad mit einer phosphorhaltigen Nickelschicht bedeckt und dann durch Widerstandserhitzen örtlich verbunden werden. ...... Wesentlich für das Verfahren nach der Erfindung ist das Bilden einer Nickel-Kupfer-Eegierung durch Eindiffundieren des-Nickels in das Kupfer. Die Legierung besitzt einen hohen elektrischen Widerstand und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, so daß sehr günstige Bedingungen gegeben sind, um die Teile mit einer niedrigschmelzenden phosphorhaltigen Nickelschicht haftend miteinander zu verbinden, ohne den Halbleiterkörper zu beschädigen und ohne die gute Wärmeleitung zu vermindern, die das Gehäuse einer Halbleitervorrichtung für hohe Leistungen aufweisen muß. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zum vakuumdichten Verschließen einer Halbleiteranordnung, vorzugsweise für hohe Leistungen, deren Umhüllung im wesentlichen aus einer kupfernen Grundplatte, auf der der Halbleiterkörper befestigt wird, und aus einem Metallkolben besteht, der -Halbleiterkörper auf der Grundplatte festgelötet, nachdem die Nickelschicht in das Kupfer eindiffundiert und die phosphorhaltige Nickelschicht aufgebracht worden ist, worauf der Metallkolben an seinem Umfang mit der Grundplatte durch Widerstandserhitzen verbunden wird. Die Nickelschicht wird vorzugsweise auf galvanischem Wege aufgebracht, weil bei einer durch ein chemisches Vernickelungsbad aufgebrachten Schicht beim Hineindiffundieren des Nickels die elektrische und thermische· Leitfähigkeit des Kupfers etwas ungünstig beeinflußt werden. Die Nickelschicht kann auch in Form einer Paste aufgebracht werden. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Nickelschicht in einer Dicke von 4 μηι aufgebracht und während 30 Minuten auf 800 bis 8300C erwärmt. - Um die vernickelten Teile zum Verbinden zu erhitzen, ist eine geringe Energie ausreichend, die vorzugsweise über eine Zeit in der Größenordnung von einer Millisekunde zugeführt wird. ...,„... .... Patentansprüche,: ........ . .,,

1. Verfahren zum vakuumdichten, unlösbar haftenden Verbinden zweier Metallteile, von denen wenigstens eines aus Kupfer besteht, mittels örtlicher Zuführung von Wärme durch Widerstandserhitzen,· dadurch gekennzeich_r net, daß die Metallteile mit einer Nickelschicht einer Dicke zwischen 4 und 10 μπα bedeckt werden und daß das oder die Kupferteile so lange auf eine Temperatur von 500 bis 900° C erwärmt werden, daß das Nickel oberflächlich in das Kupfer diffundiert und eine Nickel-Kupfer-Legierung mit einem .hohen elektrischen Widerstand und einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit bildet, worauf die Metallteile in einem chemischen Bad mit einer phosphorhaltigen Nickelschicht bedeckt und dann durch Widerstandserhitzen örtlich verbunden werden. ■

2. Verfahren nach Anspruch 1 zum vakuum·; dichten Verschließen einer Halbleiteranordnung, vorzugsweise für hohe Leistungen, deren Umhüllung im wesentlichen aus einer kupfernen Grundplatte, auf der der Halbleiterkörper befestigt wird, und einem Metallkolben besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper auf der Grundplatte festgelötet wird, nachdem die Nickelschicht in das Kupfer eindiffundiert und die phos-^ phorhaltige Nickelschicht aufgebracht worden ist, worauf der Metallkolben an seinem Umfang mit der Grundplatte durch Widerstandserhitzen verbunden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickelschicht auf galvanischem Wege aufgebracht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickelschicht in einer Dicke von 4 μΐη aufgebracht und während 30 Minuten auf 800 bis 830° C erwärmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie zum Verbinden während einer Zeit in der Größenordnung von einer Millisekunde zugeführt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1242 813;
USA.-Patentschrift Nr. 2 795 040.