DE19615841A1 - Production of diffusion solder joins between joining partners - Google Patents
Production of diffusion solder joins between joining partnersInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Her stellung von Diffusionslötverbindungen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.The invention is based on a method for manufacturing position of diffusion solder connections after the Preamble of the main claim.
Das Diffusionslötverfahren beruht darauf, daß zwei in festen Phasen vorliegende Grundwerkstoffe schon bei einer Temperatur weit unterhalb des Schmelz punktes eines Verbindungspartners ineinander dif fundieren können. Gemäß diesem Verfahren wird ein geeignetes Lot zwischen die Lotflächen der Grund werkstoffe gegeben, die Verbindungspartner werden zusammengepreßt und längere Zeit erhitzt. Es ent steht dabei eine vakuumdichte, unlösbare Verbin dung. Es ist bekannt, anstelle eines separaten Lots durch Bedampfen oder Sputtern im Vakuum sowie durch Plasmaspritzen diffusionsunterstützende Schichten auf den Grundwerkstoffen zu erzeugen. Die Grund werkstoffe werden anschließend zusammengepreßt und dabei erhitzt. Als derartige diffusionsunterstüt zende Schichten sind Schichten aus reinem Zinn, reinem Indium und reinem Wismut bekannt. Derartig hergestellte Lötverbindungen weisen jedoch nur eine begrenzte mechanische und thermische Festigkeit auf.The diffusion soldering process is based on the fact that two base materials already in solid phases at a temperature well below the enamel point of a connection partner into each other dif can substantiate. According to this procedure, a suitable solder between the solder surfaces of the bottom given materials that become connection partners pressed together and heated for a long time. It ent there is a vacuum-tight, non-detachable connection dung. It is known instead of a separate solder by vapor deposition or sputtering in a vacuum as well as by Plasma spraying diffusion-supporting layers to produce on the base materials. The reason materials are then pressed together and thereby heated. As such diffusion support zende layers are layers of pure tin, pure indium and pure bismuth. Such However, solder connections produced only have one limited mechanical and thermal strength on.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den im Haupt anspruch genannten Merkmalen weist demgegenüber den Vorteil auf, daß durch die niedrigschmelzende Be schichtungslegierung eine deutlich höhere mechani sche Festigkeit, beispielsweise von Kupfer/Kupfer verbindungen, erreicht wird. Die erfindungsgemäß erzielte Festigkeit ist vergleichbar mit der von Hartlötverbindungen, wobei die Fügetemperatur er heblich geringer als beim Hartlöten sein kann, so daß beispielsweise die durch Walzen erzeugte Kalt verfestigung sowie die Federeigenschaft von Füge werkstoffen erhalten bleibt.The inventive method with the main claim mentioned features, however, the Advantage on that by the low melting Be coating alloy a significantly higher mechani cal strength, for example of copper / copper connections, is achieved. The invention achieved strength is comparable to that of Brazed joints, the joining temperature he can be considerably less than with brazing, so that, for example, the cold generated by rolling consolidation and the spring properties of the joint materials is preserved.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.Further advantageous embodiments of the invention can be found in the subclaims.
Die Erfindung sieht vor, daß als Grundwerkstoff be ziehungsweise Verbindungspartner beispielsweise Kupfer, Eisen, Nickel, Nickel/Eisen, Nickel/Kobalt, Eisen/Nickel oder Kupfer-Legierungen verwendet wer den können. Auf die Grundwerkstoffe werden die er findungsgemäßen niedrigschmelzenden Beschichtungs legierungen aufgetragen und die Verbindungspartner anschließend erhitzt und zusammengepreßt. Im Zusam menhang der vorliegenden Erfindung wird unter einer niedrigschmelzenden Beschichtungslegierung ein Ge misch aus mindestens zwei Metallen verstanden, das einen niedrigen Schmelzpunkt, unter 450°C, auf weist. In besonders bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird die niedrigschmelzende Beschich tungslegierung schmelzflüssig, beispielsweise durch Eintauchen des beziehungsweise der Grundwerkstoffe in eine schmelzflüssige Legierung, aufgetragen. Im Fall der Verwendung von Eisen, Nickel, Eisen- oder Nickellegierungen und insbesondere Eisen/Nickel oder Nickel/Kobalt als Grundwerkstoff kann in be sonders vorteilhafter Weise vorgesehen werden, zunächst eine Kupfer-Basisschicht auf die Grund werkstoffe aufzutragen. Dies kann beispielsweise durch galvanisches Abscheiden geschehen. Auf diese Kupfer-Basisschicht wird dann die erfindungsgemäße niedrigschmelzende Beschichtungslegierung aufgetra gen. Die auf der Kupfer-Basisschicht aufgebauten diffusionsaktiven Schichten, beispielsweise aus In dium und Zinn oder Silber und Zinn ermöglichen eine gute Festigkeit der Fügestelle auch bei den nur we nig im Lot löslichen Nickel- und Eisen-Grundwerk stoffen.The invention provides that be as the base material or connection partner for example Copper, iron, nickel, nickel / iron, nickel / cobalt, Iron / nickel or copper alloys are used that can. On the base materials he will low-melting coating according to the invention alloys and the connecting partners then heated and pressed together. Together The subject of the present invention is one low melting coating alloy a Ge mixed of at least two metals understood that a low melting point, below 450 ° C points. In a particularly preferred embodiment of the Invention is the low-melting coating tion alloy molten, for example by Immersion of the base material (s) in a molten alloy. in the Case of using iron, nickel, iron or Nickel alloys and especially iron / nickel or nickel / cobalt as the base material can be in can be provided in a particularly advantageous manner, first a copper base layer on the ground apply materials. For example done by electrodeposition. To this The copper base layer then becomes the one according to the invention low-melting coating alloy applied gen. The built on the copper base layer diffusion-active layers, for example from In dium and tin or silver and tin enable one good strength of the joint even with the only we nickel and iron base structure soluble in solder fabrics.
Die niedrigschmelzende Beschichtungslegierung kann auch in Form ihrer jeweiligen einzelnen Bestand teile galvanisch oder durch Vakuumbedampfung als Multilayer aufgetragen werden, wobei Schichtdicken von jeweils 1 bis 10 µm bevorzugt werden. Auch ge mäß dieser Verfahrensweise kann vorgesehen werden, daß die Grundwerkstoffe zunächst mit einer Kupfer-Basisschicht versehen werden und anschließend bei spielsweise Indium- und Zinn- oder Silber- und Zinn-Schichten jeweils separat aufgetragen werden. Während des Fügeprozesses diffundieren die einzel nen Schichten ineinander, so daß die Vorteile der Erfindung auch gemäß dieser besonderen Ausführungs form erzielt werden.The low-melting coating alloy can also in the form of their respective individual inventory parts galvanically or by vacuum evaporation as Multilayer can be applied, with layer thicknesses from 1 to 10 μm each are preferred. Also ge According to this procedure, it can be provided that that the base materials first with a Copper base layer and then at for example indium and tin or silver and Tin layers can be applied separately. The individual diffuse during the joining process layers into one another, so that the advantages of Invention also according to this particular embodiment form can be achieved.
Die Erfindung sieht auch vor, daß zur Initiierung und Beschleunigung von Diffusionsvorgängen dünne Aktivmetallschichten, vorzugsweise in einer Dicke von 0,1 bis 1 µm, aus Titan, Zirconium, Hafnium oder Niob zwischen die Schichten der Multilayer, beispielsweise durch Aufdampfen oder Sputtern, ein gebracht werden. Erfindungsgemäß kann selbstver ständlich auch vorgesehen sein, daß die vorgenann ten Aktivmetalle in einer schmelzflüssig aufge brachten niedrigschmelzenden Beschichtungslegierung als Legierungsbestandteil verwendet werden.The invention also provides for initiation and acceleration of diffusion processes thin Active metal layers, preferably in a thickness from 0.1 to 1 µm, made of titanium, zirconium, hafnium or niobium between the layers of the multilayer, for example by vapor deposition or sputtering to be brought. According to the invention, self-ver of course, it should also be provided that the aforementioned active metals in a molten state brought low melting coating alloy can be used as an alloy component.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wer den die niedrigschmelzenden Beschichtungslegierung en vor dem Fügeprozeß durch Aufschmelzen aktiviert, so daß eine nochmals verbesserte Diffusionsfähig keit der Legierungsbestandteile erreicht wird.In a particularly preferred embodiment, who the low-melting coating alloy activated by melting before the joining process, so that a further improved diffusibility speed of the alloy components is achieved.
Herstellung einer Band/Band-überlapp-Verbindung.Establishing a band / band overlap connection.
Zwei jeweils aus Kupfer bestehende Verbindungspart ner werden so in ein schmelzflüssiges Lot aus 50 Gew% Zinn und 50 Gew% Indium getaucht, daß sich an beiden Fügeflächen eine Beschichtungslegierung ei ner Dicke von 3 µm bildet. Die Bandbreite beträgt jeweils 10 mm und die Überlappzone 3 mm. Die beiden beschichteten Verbindungspartner werden mittels zweier Heizstempel unter einem Anpreßdruck von 100 N/mm² und einer Fügetemperatur von 300°C dreißig Minuten aufeinander gepreßt. Die Erwärmungsge schwindigkeit beträgt 1 k/s und das Vakuum 10-2 mbar. Während der Erwärmung findet eine Interdif fussion der hoch- und niedrigschmelzenden Komponen ten statt, so daß sich eine intermetallische Phase mit einem hohen, über dem Schmelzpunkt der Be schichtung liegenden Schmelzpunkt bildet.Two connecting partners, each consisting of copper, are immersed in a molten solder of 50% by weight tin and 50% by weight indium in such a way that a coating alloy of a thickness of 3 μm forms on both joining surfaces. The bandwidth is 10 mm and the overlap zone is 3 mm. The two coated connection partners are pressed together for 30 minutes using two heating stamps at a contact pressure of 100 N / mm² and a joining temperature of 300 ° C. The heating rate is 1 k / s and the vacuum 10 -2 mbar. During the heating an interdif fussion of the high and low melting components takes place, so that an intermetallic phase is formed with a high melting point above the melting point of the coating.
Es ergibt sich eine Band/Band-Überlapp-Verbindung mit einer hohen mechanischen Festigkeit, die der der Hartlötverbindung entspricht und theoretisch bis circa 200 K über der Diffusionstemperatur ther misch und mechanisch belastbar ist.A band / band overlap connection results with a high mechanical strength that the corresponds to the brazed connection and theoretically up to about 200 K above the diffusion temperature ther is mechanically and mechanically loadable.
Grundsätzlich läßt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Festigkeit der Diffusionslötverbin dung erzielen, die der Festigkeit der Grundwerk stoffe entspricht. Die Festigkeit wird dabei beein flußt durch die Grundwerkstoffkombination, die Be schichtungsdicke, die Diffusionstemperatur und Dif fusionszeit, die Aufheizgeschwindigkeit, die Druck kraft, die Ebenheit der Fügeflächen und die Lötat mosphäre (Luft, Schutzgas Vakuum). Die Erfindung umfaßt selbstverständlich alle technisch realisier baren Variationen der vorgenannten Parameter, so lange von den Merkmalen des Hauptanspruchs Gebrauch gemacht wird.Basically, with the invention Process a strength of the diffusion solder joint achieve the strength of the foundation corresponds to fabrics. The strength is affected flows through the base material combination, the Be layer thickness, the diffusion temperature and Dif fusion time, the heating rate, the pressure strength, the flatness of the joining surfaces and the soldering atmosphere (air, protective gas vacuum). The invention includes of course all technically realizable ed variations of the aforementioned parameters, see above long use of the features of the main claim is made.
Claims (14)
48 bis 60 Gew% Zinn, 32 bis 20 Gew% Blei und 8 bis 32 Gew% Indium;
45 bis 55 Gew% Wismut, 25 bis 15 Gew% Indium, 15 bis 25 Gew% Blei und 25 bis 1 Gew% Zinn;
10 bis 65 Gew% Wismut, 15 bis 35 Gew% Indium und 10 bis 25 Gew% Zinn;
85 bis 99 Gew% Zinn und 15 bis 1 Gew% Silber;
80 bis 95 Gew% Zinn, 15 bis 3 Gew% Silber und 17 bis 2 Gew% Titan;
95 bis 99 Gew% Zinn und 5 bis 1 Gew% Kupfer;
85 bis 95 Gew% Zinn, 5 bis 15 Gew% Wismut und 0,1 bis 5 Gew% Kupfer;
70 bis 90 Gew% Zinn, 10 bis 30 Gew% Indium und 0,1 bis 5 Gew% Silber;
50 bis 70 Gew% Indium und 50 bis 30 Gew% Wismut;
40 bis 60 Gew% Wismut, 20 bis 40 Gew% Blei und 10 bis 20 Gew% Zinn;
40 bis 70 Gew% Wismut und 60 bis 30 Gew% Zinn oder
90 bis 99 Gew% Zinn und 10 bis 1 Gew% Silber be steht.2. The method according to claim 1, characterized in that the low-melting coating alloy of 45 to 55% by weight of tin and 55 to 45% by weight of indium;
48 to 60% by weight of tin, 32 to 20% by weight of lead and 8 to 32% by weight of indium;
45 to 55 wt% bismuth, 25 to 15 wt% indium, 15 to 25 wt% lead and 25 to 1 wt% tin;
10 to 65% by weight bismuth, 15 to 35% by weight indium and 10 to 25% by weight tin;
85 to 99% by weight of tin and 15 to 1% by weight of silver;
80 to 95% by weight of tin, 15 to 3% by weight of silver and 17 to 2% by weight of titanium;
95 to 99% by weight of tin and 5 to 1% by weight of copper;
85 to 95% by weight of tin, 5 to 15% by weight of bismuth and 0.1 to 5% by weight of copper;
70 to 90% by weight of tin, 10 to 30% by weight of indium and 0.1 to 5% by weight of silver;
50 to 70% by weight indium and 50 to 30% by weight bismuth;
40 to 60 wt% bismuth, 20 to 40 wt% lead and 10 to 20 wt% tin;
40 to 70% by weight bismuth and 60 to 30% by weight tin or
90 to 99% by weight of tin and 10 to 1% by weight of silver exist.
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