DE2057471C3 - Verfahren zur Herstellung einer gut reproduzierbaren, dichten Verbindung zwischen einem Metallteil und einem Hartglasteil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer gut reproduzierbaren, dichten Verbindung /wischen einem Mcwillicil und einem Hartglasteil. wobei die verbindende Metalloberfläche zunächst oxydiert und dann mit dem Glas durch Erhitzen in einer inerten Atmosphäre verschmolzen wird.

F> sind bereits Verfahren zur Herstellung dichter Verbindungen zwischen Glas und Metall bekannt. Beispielsweise werden hermetischt· bzw. vakuumdichte Verbindungen bei der Herstellung von Leuchtkörpern mit (ilaskolben. Vakuumröhren. Isolatoren und in letzter Zeit auch bei der Herviellung vv.n Dioden und Transistoren verwendet. Hierbei

ίο wird im allgemeinen ein Metall oder eine Metallegierung und eine bestimmte Glaszusammensetzung ausgewählt, durch welche eine leichte Bindung erzielt uud die gewünschten physikalischen Eigenschaften erhalten werden. Nach dem bekannten Verfahren ist eine Kobalt-, Nickel-Eisen-Legierung und ein Glas mit vergleichsweise niedrigem Schmelzpunkt, ein sogenanntes »weiches« Glas, verbunden worden.

Für viele Anwendungsfälle, in denen größere mechanische Festigkeit erforderlich ist oder bei denen

höhere Arbeitstemperaturen auftreten, ist es von Vorteil, sogenannte »harte« Gläser zu verwenden, die auch als Hartgläser bezeichnet werden. Der Schmelzpunkt dieser Hartgläser liegt oberhalb von 70t) C.

as Aus den weiter uv.ten erörterten Gründen ist die Anwendung von Molybdän gegenüber Metallegierungen der genannten Art zu bevorzugen. Es sind auch Verfahren vorgeschlagen worden, die vakuumdichte Verbindungen zwischen Molybdän und bestimmten

Hartgläsern gewährleisten. Die mit Erfolg verwendeten Hartgläser enthalten ein oxydierendes Agens, wie z. B. Eisenoxid, das während dem Glasschmelzvorgang die Oberfläche des Molybdäns oxydiert. Da die Erzeugung einer dichten Verbindung zwischen Glas

und Metall vor allem auf einem Diffusionsvoigang beruht, bei welchem das Metalloxid in das Glas diffundiert, stellt der auf das Molybdän einwirkende Cxjddtionseffekt des im Hartglas enthaltenen Eisenoxids das Entstehen einer einheitlichen und zuverlässigen Bindung sicher.

Die Verwendung von Hartgläsern mit Eisenoxidgehalt erfordert für die Herstellung der Verbindung Temperaturen von ungefähr 900 C. Diese Temperaturen sind für manche Erzeugnisse, z. B. Halbleiter und Halbleitereinrichtungen, kritisch und beeinträchtigen deren Funktion nachteilig.

Um derart hohe Verfahrenstemperaturen zu vermeiden und trotzdem die Vorteile von Hartglas ausnutzen zu können, sind Hartgläser mit niedrigerem Schmelzpunkt entwickelt worden, die mit Metallen und besonders Molybdän bei niedrigeren Temperaturen, beispielsweise schon bei 800ⁿ C, verbunden werden können. Hartgläser mit niedrigerem Schmelzpunkt enthalten jedoch kein Eisenoxid oder andere leicht reduzierbare Metalloxide, so daß es daher zum Erzielen der erforderlichen Bindung zwischen dem Glas und dem Metall notwendig ist, zunächst die Oberfläche des Metalls in. einem getrennten Verfahrensschfitt zu oxydieren. Es ist also ein Zweischrittverfahren erforderlich, d. h., ein Verfahren, bei dem zunächst das Metall oxydiert wird und dann in einem getrennten Verfahrensschritt das Glas und das Metalloxid durch Schmelzung miteinander verbunden werden. Dieses Verfahren ist bekannt. Die dabei auf-1 retenden Produktionsprobleme erschweren jedoch seine Ausnutzung erheblich. Hinzu kommt, daß dieses bekannte Einscbrillverfahren. bei dem die Oberfläche ties Metalls unmittelbar vor dem Schmelzen

I lartglases owdierl und nach dem Verbleien mn m reduzierenden Cias behandelt und. ;iu. Ii dessich als unbefriedigend erwiesen hai. v-eil >.^ keine Reproduzierbarkeit gewährleistet und /u einer unerwünscht hohen Ausschußquote führt. Der Bildungsgrad und die Leistungsfähigkeit der dichten Verbindung hängen hier weitgehend von der gemeinsamen Anordnung der zu verbindenden Teile während der Verbindungsphase ab, worauf die relativ hohe Ausschußquote zurückzuführen ist.

Es ist auch ein Verfahren zur Herstellung von Verbindungen zwischen Glas und besonderen Metallen, wie z. B. Nickel, bekannt. Hier spielen die Eigentümlichkeiten der entsp jchenden Metalle eine Rolle, insbesondere die Bildung der Oxidschichlen. Auch dieses bekannte Verfahren benötigt mehrere Vei iahrensschriite für die Herstellung einer Verbindung, besonders dadurch, daü eine spezielle Dicke der Oxidschicht kritisch ist und gesteuert werden muß.

Ein weiteres bekanntes Verfahren «ur Verbindung von Glas und Metallen schlägt zwei Behandlungsphasen vor, einerseits mit einem inerten und andererseits mit einem reduzierenden Gas entsprechend während der Entglasungsphase und während der Abdichtungsphase, wobei auch eine vielfache Erhitzung und Handhabung der Teile in Kauf genommen werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gegenüber den bekannten Einschrittverfahren verbessertes Verfahren zur vakuumdichten Verbindung von Metall und Hartglas vorzusehen, das nur eine einmalige Handhabung der zu verbindenden Teile erfordert, reproduzierbar ist und eine große Zuverlässigkeit der Verbindung gewährleistet.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch folgende Verfahrensführung gekennzeichnet:

a) das Metallteil und das Hartglasteil muß frei von oxydierenden Bestandteilen sein;

b) das Metallteil und das Hartglasteil werden in einer nichtoxydierenden Atmosphäre innerhalb eines Druckgefäßes bei einem ersten Druck erwärmt, während die Teile in ihrer richtigen Lage zueinander, jedoch lose gefügt sind;

c) die in dem Druckgefäß enthaltene Atmosphäre wird bis zum Erreichen eines zweiten niedrigeren Druckes evakuiert, und in das Druckgefäß wird ein Sauerstoff enthaltendes Gas gemäß einem Partialdruck eingeführt, um einen dritten Druck zu erzeugen, der höher als der zweite Druck ist, während die Temperatur im Druckgefäß bis zu dem Bereich zunimmt, bei welchem das Mctallteil leicht oxydierbar ist, so daß die Oberfläche des Metalltcils in bekannter Weise oxydiert;

d) das Sauerstoff enthaltende Gas wird aus dem Druckgefäß gespült, in dem ein nichtoxydierendes Gas unter Druck durch das Druckgefäß geleitet wird, um einen vierten Druck in dem Gefäß zu erzeugen;

e) die Temperatur im Druckgefäß wird weiterhin gesteigert, bis das Glas mit dem Metallteil erweicht;

I) das erhaltene, abgedichtete Bauteil wird abgekühlt.

Hei dem erfindungsgemäßen Verfahren weiden die Nleiall- und Glasteiie zusammemwi/t. bevor der '- Kvdationsschnii au^LH-tülin uw ; !■· im .tuch ·ϋ-I-innial-Aulliei/tLehni'k viMtier-.iii.:'.. «cUi'e ucü iv deutenden Vm teil hat. wenmer Warme /u benotigen und in kürzerer Zeit das Sehmelzverfahren einzuleis ten als das Doppcl-Autheizvenahren des bekannten Standes der Technik. Der aufgezeigte Vorteil wirkt sich natürlich auch positiv auf die Senkung der Produktionskosten aus.

Die vier unterschiedlichen Drücke bei der neuen

;a ArJich'iinesmethoi!·· führen zu einer besseren Steuerung der Oxydation und es werden daher bessere abdichtende Verbindungen erzielt. Ferner folgen au-, dem neuen Verfahren eine gute Reproduzierbarkcit. die für eine Massenfertigung, und eine Zuverlässigkeil, die für eine vorhersehbare Lehensdauer für hochqualifizierte Halbleiter-Bauteile notwendig sind. Die Erfindung wird nachstehend vor allem unter Bezugnahme aui die Herstellung elektronischer Bauteile, wie beispielsweise Transistoren und Dioden, er- läutert. Es ist selbstverständlich, daß sie nicht auf derartige Bauteile und deren Anwendung beschränkt ist, sondern sich auch für die Herstellung von anderen Bauteilen oder Einrichtungen anwenden läßt. :<nd zwar überall dort, wo dichte, insbesondere va kuumdichte Verbindungen zwischen Glas und Metall benötigt werden. Weiterhin kann die Erfindung, obwohl deren Anwendung bei Molybdän als Metall von besonderem Interesse ist, auch bei der Herstellung von Verbindungen anderer Metalle mit Glas ange wendet werden, wobei selbstverständlich die an sich bekannten oder in einfacher Weise bestimmbaren optimalen Oxydationstemperaturen zu beachten sind.

Das Verfahren nach der L findung wird nachstehend an Hand der Fig. 1 und 2 der Zeichnung bei- spielsweise erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer gemäß der Erfindung hergestellten Diode, und

F i g. 2 einen schematisch dargestellten, teilweise aufgebrochenen Schmelzofen zur Ausführung des

Verfahrens.

In F i g. 1 ist eine Diode 10 dargestellt, die ein Teil, insbesondere eine Platte 11 enthält, das bzw. die aus Halbleitermaterial besteht. Das Teil 11 wird in einer vorbestimmten Lage und in Kontakt mit den Molybdän-Stiften 12 und 13 gehalten. Die das Teil 11 haltenden Flächen der Molybdän-Stifte 12 und 13 sind mit Platin-Kontaktflächen 14, 15 versehen. Der gesamte Avfbau ist von einer Glashülle 16 umgeben, welche die Komponenten in ihrer gegensei'igen ReIa- !ivlage hält, dein Aufbau mechanische Festigkeit verleiht und das Innere hermetisch,bzw. vakuumdicht von der Atmosphäre abschließt. An den Molybdän-Stiften 12 und 13 sind leitende Anschlußdrähte 17. 18 elektrisch leitend befestigt. Vorzugsweise bestehen diese Anschlußdrähte aus einer mit einer Kupferschicht überzogenen Nickel-Eisen-Legicrung.

Fig. 2 veranschaulicht einen Ofen 20, der zum Oxydieren der Oberfläche der Molybdän-Stifte und zum hermetischen bzw. vakuumdichten Abschließen des Inhalts der dadurch gebildeten »Packung« geeignet ist. Der dargestellte Ofen weist eine Reihe von Fächern 21. eine untere, mit einem Ventil versehene Leitung 22 und eine obere, ebenfalls mir einem Ventil versehene Leitung 23 auf. Auf den Fächern 21 ru ft= hen untere Absclilußhaller 24 sowie obere Abschluß- halter 25. Der Zweck dieser AKchlußhalter besteht darin, die Dioden IO währeiid'dcr Wärmebehandlung in rieht!·, er vertikaler Ativ iduuiH: /u hallen. Um die

Einführung von Verunreinigungen in den Ofen zu vermeiden und eine gleichmäßige Temperatur im gesamten Ofen sicherzustellen, bestehen die Abschlußhalter vorteilhafterweise aus einem hochreinen Graphit hoher Dichte.

Sowohl die unleren Abschlußhalter 24 als auch die oberen Abschlußhalter 25 sind mit einer Anzahl nicht dargestellter enger Durchgange versehen, die dazu dienen, die aus Kupfer oder einem anderen geeigneten Material bestehenden Anschlußdrähte 17 aufzunehmen, um die Dioden während der Wärmebehandlung in vertikaler Ausrichtung zu halten. Obwohl nur wenige Dioden 10. die von den Abschlußhaltern gehalten werden, schematisch veranschaulicht sind, sei darauf hingewiesen, daß diese Abschlußhalter im allgemeinen so ausgebildet und bemessen sind, daß sie eine wesentlich größere Anzahl von Dioden, beispielsweise ungefähr 500 Stück, zum Zwecke der gleichzeitigen Behandlung aufnehmen bzw. halten können.

Beim Betrieb wird zunächst der Anschlußdraht 17 in einen der unteren Abschlußhalter 24 eingeführt, um den Molybdän-Stift 12 in einer aufrechten Lage anzuordnen. Daraufhin wird die Hülle 16 nach abwärts über den Molybdän-Stift 12 geschoben.

Als nächstes wird das Teil oder die Platte 11 auf die Oberseite des Molybdän-Stifts 12 aufgebracht, worauf der Molybdän-Stift 13 eingefügt wird. Wenn der untere Abschlußhalter vollständig mit Dioden bestückt ist, wird der obere Abschlußhalter 25 derart aufgesetzt, daß die Anschlußdrähte 18 durch die Löcher in diesem Abschlußhalter hindurchlaufen.

Die Abschlußhalter, welche die ausgerichteten Dioden enthalten, werden in den Ofen 20 eingebracht. Der Ofen wird dann dicht verschlossen, und alle oxydierenden Gase werden durch kontinuierliches Einführen von trockenem, gasförmigem, unter Druck stehendem Stickstoff über die Leitung 22 und Auslaß des Stickstoffs über die Leitung 23 aus dem Ofen herausgespült.

Die Temperatur des Ofens wird schnell erhöht, wobei nach einer vorbestimmten Zeitdauer, die zum Erreichen des für eine schnelle Oxydation erforderlichen Temperaturbereichs ausreicht, der im Falle des Molybdäns bei ungefähr 480 bis 600" C liegt, die Stickstoffatmosphäre innerhalb des Ofens über die mit einem Ventil versehene Leitung 22 evakuiert und ein Vakuum von ungefähr 10 360 kg/m² gezogen wird. Darauf hin wird eine Luft-Partial-Atmosphäre über die mit einem Ventil versehene Leitung 22 eingeleitet, bis etwa Atmosphäre oder ungefähr 6910 kg/m² erreicht sind. Nach einer kurzen Haltczeit innerhalb des Ofens wird die Luft aus dem Ofen gespült, indem wiederum eine Strömung von unter Druck stehendem Stickstoff durch den Ofen erzeugt wird, wobei der Stickstoff über die mit einem Ventil versehene Leitung 22 zugeführt u\d die verunreinigten Gase bzw. die Mischung des Stickstoffs mit der im Ofen befindlichen Gasatmosphäre über die mit einem Ventil versehene Leitung 23 abgeführt werden.

Die Auswahl der Temperatur, bei der ein Vakuum gezogen und die Luft in den Ofen eingeleitet wird, ist wichtig. Einerseits ist es nicht erwünscht, die Oberfläche des Molybdäns bei Temperaturen unterhalb von 500 C zu oxydieren, weil der Oxydationsvorgang bei diesen niedrigen Temperaturen zu langsam vor sich geht. Andererseits sind im Falle des Molybdäns Temperaturen oberhalb von 650" C nicht befriedigend, weil die Sublimationsgeschwindigkeit der Oxidschicht bei dieser Temperatur die Oxid-Bildungsgeschwindigkeit zu übersteigen beginnt. Es wurde festgestellt, daß die optimale Bedingung für die Ausbildung einer Oxidschicht bei ungefähr 600 C liegt, und diese Temperatur wird bei dir Anwendung der Erfindung weitgehend bevorzugt.

Wie bereits vorstehend erwähnt wurde, wird trockner Stickstoff kontinuierlich durch den Ofen hindurchgeleitet, um alle oxydierenden Gase aus dem Ofen herauszuspülen. Obgleich in einer Verfahrensstufe etwas Luft in den Ofen eingeführt wird, um die Molybdän-Stifte zu oxydieren, wird durch die Einleitung und die kontinuierliche Strömung von trockenem, unter Druck stehendem Stickstoff jeder im Ofen verbliebene freie Sauerstoff ausgewaschen. Diese Tatsache ist sehr wichtig, weil nur Spuren von Sauerstoff, beispielsweise 10 ppm, innerhalb der »Packung« zugelassen werden können.

Nachdem die dichte Verbindung hergestellt worden ist, wird der Ofen abgekühlt, und zwar teilweise durch Einführung von trockenem Stickstoff, der unter einem Druck steht, welcher den während dc^ Schmelz-Verfahrensschrittes angewandten Druck beträchtlich übersteigt. Auf Grund dieses Druckes werden die Komponenten bzw. Einzelteile der »Packung«, d. h.. der zusammengefügten Einheit au-Halbieiter, Moiybdan-Stiften und Glasrohr (einschließlich der Anschlußleitungen) infolge der dadurch auftretenden Pressung in innigen Kontakt gedruckt, während das Glas eine Temperatur besitz!, die noch hoch genug ist, um ein plastisches Fließen des Glases zuzulassen.

Ein großer Teil der Festigkeit der »Packung« und die physikalischen Eigenschaften der Diode entstehen während des Kühlvorgangs. Wie bereits obenerwähnt, fürt die Verwendung von Molybdän-Stiften zu bestimmten erwünschten Vorteilen. Einer diesei Vorteile ist darin zu sehen, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Molybdäns etwas größer ah derjenige des Hartglases ist. Das bedeutet, daß sich die Glashülle beim Abkühlen der »Packung« mit nie drigerer Geschwindigkeit zusammenzieht als di< Molybdän-Stifte 12 und 13. Daher entsteht innerhall des Hohlraumes der Glashülle eine Zugspann .ng, di< durch eine Druckspannung im Glas entlang der Molybdän-Stiften 12 und 13 ausgeglichen wird welche diese zwangläufig gegeneinander in sicherer Kontakt mit dem Teil .11 drückt. Auf diese Weisi wird das Teil 11 sicher in elektrischem Kontakt mi den Molybdän-Stiften 12 und 13 befestigt gehalten.

Beispiel

Drei Abschlußhalter werden mit ungefähr je 481 Dioden in der vorstehend in Verbindung mit de Zeichnung beschriebenen Weise bestückt und in dei Ofen eingebracht. Der Ofen wird dicht verschlosser uiui jede oxydierende Atmosphäre wird durch Hin durchleiten von Sauerstoff durch den Ofen ausge spült. Die Stickstoffströmung durch den Ofen wir fortgesetzt und mit der Heizung begonnen. Nac einer Dauer von ungefähr drei Minuten durchläul die Ofentemperatur den kritischen Oxydaiicnstempe raiurbereich von ungefähr 480 bis 600° C. worai der Stickstoff aus dem Ofen evakuiert wird, bis ei Vakuum von IG 630 kg/m² erreicht ist/ Unrnitielbi

danach wird Luft in den Ofen eingeführt, und zwar während einer Dauer von ungefähr 6 bis 10 Sekunden, bis das Druckmeßinstrument ungefähr 6910 kg/m² anzeigt. Nach ungefähr 15 Sekunden Halte?:it wird trockener Stickstoff, der unter einem Druck \on einigen Atmosphären steht, in den Ofen eingeleitet, und gleichzeitig wird ein Auslaßventil geöffnet, um alle Restmengen an Sauerstoff zu evakuieren bzw. abzuführen. Die Temperatur wird während weiterer sieben Minuten in Fortsetzung der vorhergehenden Temperaturerhöhung noch weiter erhöht, bis eine Endtemperatur von 800° C erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt wird das Auslaßventil geschlossen und unter hohem Druck stehender Stickstoff eingeleitet, um die »Packungen« zusammenzupressen, wobei eine weitere Erhitzung eingestellt wird.

Bei diesem Beispiel bestand die Glashülle aus einem alkalifreien Hartglas mit einem Erweichungspunkt von ungefähr 700 ' C. Es sei weiterhin darauf

hingewiesen, daß sich im Sinne der vorliegenden Beschreibung Hartgläser von Weichgläsern dadurch unterscheiden, daß letztere einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen als die Hartgläser.
Um die Unversehrtheit der nach diesem Beispiel hergestellten Dioden festzustellen, werden diese in eine Flüssigkeit sehr niedriger Viskosität eingebracht und vier Stunden in der Flüssigkeit bei einem Druck von 70 kg/cm² untergetaucht gehalten. Irgendwelche

ίο Lecks in den »Packungen« können unter violettem Licht festgestellt werden.

Die über eine beträchtliche Anzahl von Produktionsfolgen gemäß dem oberen Beispiel ermittelt« Ausschußratc, welche sich auf Grund schlechte!

Dichtverbindung zwischen der Glashülle und det Molybdän-Stiften ergab, betrug ungefähr 0,1 ⁰Zu während dagegen vor Einführung des erfindungsge mäßen Verfahrens eine Ausschußrate von ungefähr
bis 3 ⁰Zo üblicherweise auftrat.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Verfuhren zur Herstellung einer gut reproduzierbaren, dichtenden Verbindung zwischen einem Metallteil und einem Hartglasteil, wobei die zu verbindende Metalloberfläche /unächsi oxydiert und dann mit dem Glas durch Erhitzen in einer inerten Atmosphäre verschmolzen wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensführune. bei der die Teile nur einmal gehandhabt werden:

   a) das Metallteil und das Glasteil, welches frei von oxydierenden Bestandteilen sein muß. werden zusammengesetzt:

   b) das Metallteil und das Glasieil werden in einer nichtoxydiercnden Atmosphäre innerhalb eines Druckgefäßes bei einem ersten Druck erwärmt, während die Teile in ihrer richtigen Lage zueinander, jedoch lose gefügt sind;

   c) die in dem Druckgefäß enthaltene Atmosphäre wird bis zum Erreichen eines zweiten niedrigeren Druckes evakuiert, und es wird in das Druckgefäß ein Sauerstoff enthaltendes Gas gemäß einem Partialdruck eingeführt, um einen dritten Druck zu erzeugen, der höher ist als der zweite Druck, während die Temperatur im Druckgefäß bis zu dem Bereich zunimmt, bei weiuiem das Metallteil leicht oxydierbar ist, so daß die Oberfläche des Metailteils in bekannter Weise oxydiert;

   d) das Sauerstoff enthaltende Gas wird aus dem Druckgefäß gespült, indem ein nichtoxydierendes Gas unter Druck durch das Gefäß geleitet wird, um einen vierten Druck in dem Gefäß zu erzeugen;

   e) die Temperatur im Gefäß wird weiterhin gesteigert, bis das Glas mit dem Metallteil erweicht;

   f) das erhaltene, abgedichtete Bauteil wird abgekühlt.

   Z.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall Molybdän verwendet wird und daß das Sauerstoff enthaltende Gas im Temperaturbereich von 480 bis 650° C eingeführt und.

   3. Verfahren nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, Jaß der vierte Druck des Abkühlungsschrittes aufrechterhalten wird, bis das Glas hart wird.

   4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein eisenoxidfreies Glas verwendet wird.

   5. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein alkalifreies Glas verwendet wird.