DE1816412A1

DE1816412A1 - Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1816412A1
Application number: DE19681816412
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Dr Henirich Haessler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1968-12-21
Filing date: 1968-12-21
Publication date: 1970-06-25

Description

Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung.
Die Erfindung betrifft einen Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoff, insbesondere zur Herstellung von Gehäuseteilen für Halbleiterbauelemente, bei dem ein Metallkörper wenigstens teilweise mit einem thermoplastischen Kunststoff uberzogen ist, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Metali-Kunststoff-Verbundwerkstoffe sind besonders beim M.ufbau von Halbleiterbauelementen wichtig, bei denen im Prinzip zwei elektrisch leitende, metallische Gehäuseteile über eine elektisch isolierende Zwischenschicht miteinander verbunden werden.
Der entstehende Metll-Kunststoff-Verbundkörper muß dabei auch bei Temperaturwechselbeanspruchung hochvakuumdicht sein, um das im Gehäuseinnern liegende Halbleiterbauelement gegen Feuchtigkeit und andere korrosiv wirkende Gase bzw. Dämpfe zu schützen.
Ähnliche Probleme bestehen auch bei anderen Aufgaben der Hochvakuumtechnik.
Es ist bekannt, Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoff herzustellen, wobei der Metallkörper entweder im Spritz-Preß-Verfahren bei ca. 150°C einen duroplastischen Kunststoffmantel - beispielsweise auf der Basis einer Niederdruek-Preßmasse - erhalt oder im Spritzverfahren in einen thermoplastischen Kunststoff eingebettet wird. In beiden Fällen tritt nahezu keine Adhäsion zwischen Kunststoff und Metall auf, da beim Spritz-Preßverfahren die duroplastische Niederdruckpreßmasse einen hohen Füllstoffgehalt und einen antiadhäsiv wirkenden Gleitmittelzu satz aufweist, während beim Spritzverfahren die unter dem Schmelzpunkt des Thermoplasten liegende Temperatur der Spritz form zu einer schnellen Erstarrung der thermoplastischen Schmelz ze an den Metaliflächen der PDrm und des einzubettenden metallischen Werkstückes führt. Die Verbindungsfestigkeit zwischen Kunststoff und eingebettetem Metall beruht daher nusschlieC-lich auf der thermisch bedingten Kontraktion beim Abkühlen dea Verbundwerkstoffes auf Zimmertemperatur und dem i?esktionsschwund des Kunststoffes. Bei einer Temperaturbeanspruchung sind deshalb im allgemeinen Mikrotranslationen zwischen Metall und Kunststoff an der entsprechenden Grenzschicht nicht zu vermeiden, so daß die emperaturwechselfest1.gkeit beeinträchtigt wird und der Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach häufigen Temperaturwechseln nicht hochvakuundicht ist.
Bekannt ist es auch, die Metailteile vor dem Einbetten mit einem geeigneten Haftvermittler, einem sogenannten "Primer", zu behandeln, der die Adhäsion zwischen Kunststoff und Metall begunstigt.
Die an die Verbindungsfestigkeit und Gasdichtigkeit im Hochvakuum zu stellenden Forderungen sind jedoch auch mit diesem Vor bundwerkstoff nicht zu erfüllen.
Es besteht die Aufgabe, einen hochvakuumdichten Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoff mit großer Verbindungsfestigkeit zwischen dem Metall und dem Kunststoff zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Metallkörper ein poröser Sinterkörper ist und daß der Kunststoff wenigstens teilweise die Poren des Sinterkörpers füllt.
Der Sinterkörper kann eine Poresität bis zu etwa 40% aufweisen.
Vorzugsweise ist der Raumerfüllungsgrad und die Porengröße des Sinterkörpers örtlich verschieden. Zumindest die Bereiche des Sinterkörpers, die den geringsten Raumerfüllungsgrad und oder die die größte Porengröße aufweisen, sind vorteilhaft mit Kunststoff übe-rsogen.
Der Sinterkörper kann aus Kupfer oder Stahl und der Kunststoff ein Polycarbonat oder ein Polysulfon oder ein Polyester sein.
Wegen der Verwendung temperaturbeständiger Kunststoffe mit guten Schme-l-zklebcelegenschaf ten lassen sich zwischen Sinterkörpern aus Kupfer und dem Kunststoff Haftfestigkeiten von 350 bis Jr)O kp/cm2 und zwischen Sinterkörpern aus Stahl und dem Kunststoff Haftfestigkeiten von 550 bis 650 kp/em2 erzielen.
Die erreichte Gasdichtigkeit liegt bei ungefähr 10-11 Morr.1.s-1, alse im Gebiet der sogenannten Holiumdichtigkeit. Da der Kunststeff auferdem bei geeigneten Verarbeitungsbedingungen bis zu einigen Millimetern in die Poren der porösen Sinterkörper eindringt, ergeben sich durch die zusätzliche Verzehnung von Sint.erkörper und eingedrungenem Kunststeff neben den obengenannten Adhäsionskräften hohe Zugscher- und Schälfestigkeiten. Der Metall-Kunstrteff-Verbundwerkstoff bildet daher eine feste Verbindung, die gegen mechanische Krafte beständig ist, die bei einer Temperaturwechselbeanspruchung auftreten, und die daher hochvakuumdisbt ist.
Verteilhaft ist es, zur Herstellung des Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoffes den porösen Sinterkörper und den thermoplastischen Kunststoff bei einer Temperatur miteinander zu verpressen, die gräder als die Schmelztemperatur des Kunststoff fes ist.
Im folgenden wird der erfindungsgemäße Metall-Kunststoff-Verbundwerkstdff und seine Verwendung an Hand der Fig. 1 bis 6 mit einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Die Fig.1 zeigt den Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoff. Der gesinterte Metallkörper 1 ist mit einem Kunststoff 2 überzogen. Der Kunststoff ist im Bereich 7 in die Poren des pörösen .Sinterkörpers eingedrungen.
Als Metall für den Sinterkörper kann beispielsweise Kupfer oder Stahl verwendet werden. Als Kunststoff kommt vorzugsweise ein thermoplastischer Polyester, wie er beispielsweise unter dem Namen "Arnite AR 150" im Handel erhältlich ist, oder ein Polyearbonat, wie es beispielsweise unter dem Handelsnamen "Makrolen 3000", oder ein Polysulfon, wie es beispielsweise unter der Bezeichnung "P 1700" in Handel erhältlich ist, in Frage.
Fig.2 zeigt den Schnitt durch einen Parallelschliff eines Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoffes gemäß Fig. 1. An diesem Paralleischliff wurde mit einem Helium-Lecksucher die Gasdichtigkeit mit ungefähr 10-11 Torr .1.s-1 bestimmt.
Die Fig.2 bis 4 zeigen Ausschnitte aus Parallschliffen länge der Linie III-III der Fig. 1. Aus diesen Figuren geht die Eindringtiefe den Kunststoffes hervor. Die Figuren sind im Maßstab 4 : 1 gezeichnet. Bei allen Figuren ist ein Sint@rörper aus Kupfer mit einem Raumerfüllungsgrad r=0,6 verwendet. Der Kunststeff in Fig.3 ist "Arnite AR 150", der Kunsistoff in Fig.4 "Makrolen 3000" und der Kunststoff in Fig.5 "Polysulfo P 170r". In Tabelle 1 sind die Verarbeitungsbedingungen, nirnllch die Verarbeitungstemperatur T, der Einpreßdruck P sind die Einwirkzeit t aufgeführt. Außerdem sind derletzten Spalte der Tabelle die durchschnittlichen Eindringtiefen d zu entnehmen, die auf einen Kupfer-Sinterkörper des Raumerfüllungsgrades r = 0,6 bezegen sind. Die geringste Eindringtiefe wurde bei einem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.5 mit 0,5 mm erhalten.
Auch bei dieser Eindringtiefe wurde noch keine Beeinträchtigung der Gasdichtigkeit festgestellt.
helle Kunststoff T fc P [kp/em2] t $min d mm Arnite AR 150 295 100 3 2,6 Makrolon 3000 310 180 3 1,75 Polysulfon P 1700 360 180 , 0,9 In Fig.6 ist ein Schnitt durch ein Gehliuse far ein Halbleiterbauelement 4 dargestellt, bei dem erfindungsgemäße Metall--Kunststoff-Verbundwerkstoffe zum Aufban verwendet sind. Das Gehäuse enthält zwei metallische Sinterkörper 5. Diese Sinterkörper weisen je zwei Zonen 5a mit größerem Raumerfüllungsgrad, beispielsweise R = 0,05, und eine Zone 5b mit geringerem Raumerfüllungsgrad, beispielsweise R = 0,6, auf. Sinterkörper mit solchen unterschiedlIchen Raumerfüllungsgraden bzw. mit unter schiedlicher Porosität lassen sich durch eine entsprechende Wahl der Sinterbedingungen, d.h. des Preßdruckes, der Sinterzeit, der Sintertemperatur und des Nachpreßdruckes herstellen. Die Sinterkörper 5 weisen seitlich abstehende Vorsprünge So auf, die zu den Zonen geringen Raumerfüllungsgrades gehören. Diese seltlich abstehenden Vorsprünge So und die Seitenflächen des Sinter,-körpers 5 sind mit einem Kunststoffmantel 6 umgeben, der über eine Stirnfläche jedes Sinterkörpers 5 heraussteht. Die beiden KunststoffmanteL 6 sind durch eine Warmbehandlung und/oder durch Ultraschalleinwirkung miteinander verschweißt. Zur Zentrierung ist ein Zentierring 7 in der Schweißstelle zwischen den beiden Kunststoffmänteln 6 vorgesehen. Dns Halbleiterbauelement wird mit einer Tellerfelder 8 gegen die dicht gepreßte Zone Sa des Cinterkörpers 5 gepreßt Zwischen der Tellerfeder und dem Halbleiterbauelement ist eine Kontaktplatte 9 vorgesehen, die als ein elektrischer Anschluß des Halbleiterbauelementes 1 dient.
Die elektrischen Anschlüsse für das halbleiterbauelement 4 können direkt an die äußere, dicht gepreßte Zone Sa des Sinterkörpers 5a, die lötfähig ist, gelötet sein.
Bei diesem Gehäuse tritt die eingangs geschilderte Problematik nicht auf Die Verbindungsstellen zwischen dem Sinterkörper 5 aus Kupfer und dem Kunststoffmantel 6, der aus einem der genannten Materialien hergestellt ist, ist äußerst beständig gegen Temperaturwechselbeanspruchung und daher hochvakuumdicht Das im Gehäuseinnern liegende Halbleiterbauelement 1 ist daher auf äußerst einfache Weise geschützt.
11 Patentansprüche 6 Figuren

Claims

Patentansprüche 1. Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoff, insbesendere zur Herstellung von Gehäuseteilen für Balbleiterbauelemente, bei dem ein Metallkörper wenigstens teilweise mit einem thermoplastischen Kunststoff überzogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkörper (1) ein poröser Sinterkörper ist und daß der Kunststoff (2) wenigstens teilweise die Peren (3) des Sinterkörpers fülli.
2. Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, ladurch gekennzeichnet, da@ der Sinterkörper (1) eine Poresitäl bis zu etwa 40% aufweist.
3. Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Raumerfüllungsgrad des Sinterkörpers (1) örtlich verschieden ist.
4. Metall-Kunststoff-Merbundwerkstoff nach Ansoruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Perengröße des Sinterkörpers örtlich verschieden ist.
5. Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Bereiche des Sinterkörpers, die den geringsien Raumerfüllungsgrad und/ oder die größte Porengröße aufweisen, mit inststoff überzogen sind.
6. Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper aus Kupfer ist.
7. Metall-Kunstetoff-Verbundwerksteff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet. d@s der Sinterkörper aus Stahl ist.
8. Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff (2) ein Polgearbenat iat.
9. Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach einm der Ansprüche bis 7, dadurch gekennzeichnet, d".L der Kunststoff (2) ein Pelvsulfon ist.
10. Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff (2) ein Polyester ist.
11. Verfahren zur Rerstellung eines Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnt, daß der poröse Sinterkörper und der thermo-Plastische Kunststoff bei einer Temperatur miteinander verpreßt werden, die größer als die Schmelztemperatur des Kunststoffen ist.

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