DE2318727B2 - Verfahren zum Verbinden eines kermaischen Körpers mit einem anderen Körper - Google Patents
Verfahren zum Verbinden eines kermaischen Körpers mit einem anderen KörperInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden eines keramischen Körpers mit einem
anderen Körper, der aus Metall oder Keramik besteht durch Druckverbinden, wobei zwischen praktisch
ebenen, gegebenenfalls mit einer metallenen Beschichlung versehenen Flächen der zwei Körper eine
verformbare, metallene Zwischenfolie angebracht wird und wobei das Ganze auf einer Temperatur gehalten
wird, die niedriger ist als der Schmelzpunkt der Zwischenfolie und niedriger als die Temperatur, bei der
sich durch Einwirkung der Bestandteile der einander zugewandten Oberflächen eine flüssige Phase bilden
würde.
Es ist bekannt, einen keramischen Körper durch Sintern, Hartlöten oder »reflow«-löten (Ruckflußlöten)
mit einem anderer. Körper aus Keramik oder Metall zu verbinden. Das Sintern weist den Nachteil auf, daß die
Körper sehr hohen Temperaturen ausgesetzt werden, die dem Schmelzpunkt mindestens eines der Materialien
der Körper sehr nahe liegen. Der Nuchteil von Hartlöten ist oft, da8 die keramische Stirnfläche bzw.
Stirnflächen eine Metallisierung erfordern, was teuer ist und die bei Hartlöten erforderlichen Temperaturen
können zu Rißbildung des keramischen Materials führen und zwar infolge Spannungen, die durch den Hartlotprozeß
herbeigeführt werden. Einige Weichlötverfahren sind bei bestimmten Anwendungen ungeeignet, weil
die erforderlichen Löttemperaturen höher sein '.önnen
als in bezug auf andere im System vorhandene Teile, von denen die zwei zu befestigenden Körper einen Teil
bilden, erwünscht ist.
Aus »Keramische Zeitschrift« 23 (1971), Nr. 4, S. 191 — 198, ist ein sogenanntes »Trockenlötw-Verfahren
zur Verbindung von Keramik mit Metall bekannt, bei dem zwischen die zu verbindenden Teile ein dünnes js
Blech, z. B. aus Kupfer, Silber, Gold oder Nickel gelegt und im Vakuum bei einer Temperatur nahe unterhalb
des Schmelzpunktes zwischen die zu verbindenden Teile gepreßt wird, so daß es durch plastische Verformung in
satten Kontakt mit den zu verbindenden Teilen kommt. Um hierbei eine Bindung gegen die Keramik zu
erreichen, ist es jedoch notwendig, daß dem Metall des Bleches kleine Mengen eines reaktionsfreudigen Metalls,
z. B. Lithium, Beryllium, Magnesium, Aluminium oder Zirkon zulegiert werden. Nachteilig ist außerdem,
daß ebenfalls relativ hohe Temperaturen angewendet werden müssen und daß unter Vakuum gearbeitet
werden muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbindung eines keramischen Körpers
mit einem anderen aus Metall oder Keramik zu schaffen, das mit relativ niedrigen Temperaturen arbeitet und
dadurch die erwähnten Nachteile umgeht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen den Teilen eine mechanische Verbindung
dadurch erhalten wird, daß die zwei Körper mit einer Zwischenfolie aus Weichlotmaterial mit einem Schmelzpunkt
im Bereich von 125 bis 330°C in einer Presse einem Druck von mindestens 386 bar und höchstens
540 bar ausgesetzt werden, wobei das Ganze auf einer Temperatur im Bereich von 100 bis 28O0C gehalten wird
und wobei der genannte Druck und die genannte Temperatur zur Erhaltung der Verbindung über eine
Periode kürzer als 30 s beibehalten werden.
Nach einem abgewandelten Verfahren wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen den Teilen eine
mechanische Verbindung dadurch erhalten wird, daß die zwei Körper mit einer Zwischenfalle aus Gold in einer
Presse einem Druck von mindestens 386 bar und höchstens 540 bar ausgesetzt werden, wobei das Ganze
auf einer Temperatur im Bereich von 300 bis 350° C gehalten wird und wobei der genannte Druck und die
genannte Temperatur zur Erhaltung der Verbindung über eine Periode kürzer als 30 s beibehalten werden.
Die genannte Aufgabe wird nach einem weiteren abgewandelten Verfahren dadurch gelöst, daß zwischen
den Teilen eine mechanische Verbindung dadurch erhalten wird, daß die zwei Körper mit einer
Zwischenfolie aus Aluminium in einer Presse einem Druck von mindestens 386 bar und höchstens 540 bar
ausgesetzt werden, wobei das Ganze auf einer Temperatur im Bereich von 350 bis 400° C gehalten wird
und wobei der genannte Druck und die genannte Temperatur zur Erhaltung der Verbindung über eine
Periode kürzer als 30 s beibehalten werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Bei diesen Druckverbindungsverfahren wird eine starke Verbindung erhalten, ohne daß die bei der
Beschreibung der bekannten Verfahren erwähnten Nachteile auftreten;
Beispiele von keramischen Materialien, die bei dem Verfahren verwendbar sind, sind feuerfeste Oxidmaterialien
wie Aluminiumoxid, Berylliumoxid und Zirkonoxid.
Der genannte Druckbereich mit einer oberen Grenze von 540 bar ist gewählt worden um Bruchgefahr des
keramischen Körpers bzw. der keramischen Körper zu vermeiden. Die untere Grenze von 386 bar ist gewählt
worden, weil es sich herausgestellt hat, daß Drücke unterhalb dieses Wertes entweder keine geeignete
Verbindung oder eine Verbindung nicht ausreichender Stärke ergeben. Die Temperatur, bei der das Verbinden
durchgeführt wird, kann im Vergleich zu den Temperaturen, die bei dem bekannten »refloww-Lötverfahren
mit ähnlichen Materialien angewandt werden, verhältnismäßig niedrig sein. Die Periode von höchstens 30 s, in
der der genannte Druck und die genannte Temperatur beibehalten werden, um die Verbindung zu erhalten, ist
verhältnismäßig kurz und kann manchmal weniger als 5 s betragen. Diese kurze Verbindungszeit zusammen
mit den verhältnismäßig einfachen Mitteln, die zur Herstellung der Verbindung notwendig sind, ergeben
einen verhältnismäßig billigen Produktionsprozeß. Für besondere Verbindungsverfahren ist die Periode, in der
der genannte Druck und die genannte Temperatur angewandt werden derart, daß die Verbindung eine
gewünschte Zugfestigkeit erreicht die im allgemeinen etwa 50% der schlußendlichen Zugfestigkeit der
verwendeten verformbaren Metallfolie ist. Manchmal ist jedoch die Messung davon durch die Zugfestigkeit
des mechanischen Körpers beschränkt, die, wenn sie niedrig ist, den keramischen Körper brechen läßt bevor
die Verbindung unter der Belastung brechen wird. In manchen Formen des Verfahrens, in denen eine
Verbindung mit einer hohen Zugfestigkeit nicht erforderlich ist, kann die Periode, während der die
genannte Temperatur und der genannte Druck angewandt werden, derart sein, daß die erhaltene Verbindung
eine Zugfestigkeit aufweist, die nur 20 bis 25% der Zugfestigkeit der verformbaren Metallfolie ist. Wenn
eine Festigkeit der Verbindung von 50% der Zugfestigkeit eier verformbaren metallenen Folie erhalten wird,
wird die Festigkeit der Verbindung durch Beibehaltung des Ganzen unter dem genannten Druck und unter der
genannten Temperatur während einer längeren Periode
nicht wesentlich zunehmen, d. h. die Festigkeit der Verbindung wird sich um nicht mehr als 20% erhöhen.
Im genannten Fall, in dem die Festigkeit der Verbindung nur 20 bis 25% der Zugfestigkeit der verformbaren
Metallfolie ist, wird durch Beibehaltung des Ganzen unter dem genannten Druck und der genannten
Temperatur während einer längeren Periode die Festigkeit der Verbindung zunehmen, aber dies ist nicht
erwünscht.
Der genaue physikalische Mechanismus, durch den die Verbindung erhallen wird, ist nicht völlig klar. Die
Temperaturverhältnisse sind jedoch derart, daß ein Verschmelzen der Zwischenfolie mit den einander
zugesandten Oberflächen nicht auftritt und daß durch Einwirkung eines der vorhandenen Bestandteile keine
flüssige Phase gebildet wird. Weiter findet bei einer derartigen kurzen Periode für die Verbindungszeit
keine Langzeitdiffusion der Elemente statt, obschon eine gewisse Kurzzeitdiffusion, d. h. mit einer Tiefe
einiger Atome, wohl stattfinden kann. Messungen der erhaltenen Verbindungsfestigkeit zeigen, daß die
Verbindung nicht völlig van der Walls'schen Kräften zu verdanken ist, weil die Stärke der Verbindung zu groß
ist um nur durch die genannten Kräfte erklärt zu werden.
Ein weiterer Vorteil des Druckverbindungsverfahrens nach der Erfindung ist, daß, im Vergleich zu den
bekannten Sinter-Hartlöt- oder Lötverfahren eine im keramischen Körper bzw. in dem keramischen Körpern
erzeugte Spannung minimal ist und zwar hauptsächlich infolge der niedrigeren Temperaturen, die bei diesem
Druckverbindungsverfahren angewandt werden können und die folglich den Effekt eines Unterschiedes in
den Ausdehnungskoeffizienten zu verbindenden Teile verringern und infolge der Tatsache, daß ein geringer
Kriecheffekt beim Folienmaterial in seitlicher Richtung zwischen den einander zugewandten Oberflächen
wirksam wird. Weiter erfolgt in manchen Fällen, beispielsweise wenn eine verformbare Metallfolie aus
Weichlot verwendet wird. Die Verbindung ohne die Bildung von Zwischenmetallen, was beim üblichen
Lötverfahren auftreten würde und dies ist ein Faktor, der dazu beiträgt, daß die Spannung niedrig ist.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren hat es sich herausgestellt, daß die Druck- und Temperaturverhältnisse
derart sind, daß die Verformung der verformbaren Metallzwischenfolie normalerweise weniger als 5%
beträgt, in vielen Fällen weniger als 2%. wobei die Verformung ausgedrückt ist als Dickenunterschied
geteilt durch die ursprüngliche Dicke und als Prozentsatz.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kann die zur Verbindung verwendete Oberfläche mindestens eines
der zwei Körper mit einer Metallbedeckung versehen werden, die gegebenenfalls vom Material der Zwischenfolie
verschieden sein kann, wobei das Erfordernis für eine derartige Bedeckung vom Material der Körper und
vom Folienmaterial abhängig ist. Im allgemeinen ist,
wenn ein Metallkörper mit einem keramischen Körper verbunden werden muß, eine Metallbedeckung, beispielsweise
aus Gold, notwendig und zwar auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Metallkörpers für
diejenigen Metalle, deren Oberflächen leicht oxidierea Das Erfordernis, daß eine keramische Verbindungsoberfläche
oder -oberflächen metallisiert werden müssen, ist vom Material der verwendeten Zwischenfolie abhängig,
beispielsweise kann eine Goldfolie oder eine Weichiotfolie verwendet wird, ist es im allgemeinen notwendig.
die keramische Verbindungsoberfläche mit einem Material zu metallisieren, das für keramische Metallisierung
allgemein verwendet wird und zwar beispielsweise Gold, Gold/Palladium oder Silber/Palladium. Wenn
> jedoch eine Aluminiumfolie verwendet wird, braucht es nicht notwendig zu sein, die keramische(n) Verbindungsoberfläche bzw. -oberflächen zu metallisieren; beim
Verbinden eines Metallkörpers oder eines keramischen Körpers mit einem Körper aus Aluminiumoxid mit einer
κι Aluminiumfolie braucht es beispielsweise nicht notwendig
zu sein, daß die Verbindungsoberfläche des Aluminiumoxidkörpers metallisiert wird.
Für die Zwischenfolie können unterschiedliche Materialien verwendet werden und die spezifische Wahl
ii des Metalles ist von den Materialien der zwei zu
verbindenden Körper und von den erlaubten Temperaturen, die bei der Verbindung der Körper angewandt
werden können, abhängig. Ein derartiges Metall ist Gold und wenn eine Goldfolie verwendet wird, wird als Dicke
mindestens 10 μηι bevorzugt. Auf der keramischen Verbindungsoberfläche oder auf den keramischen
Verbindungsoberflächen kann eine Goldschicht angebracht werden. Bevorzugte Verhältnisse beim Verbinden
mit Hilfe einer Goldfolie sind Drücke zwischen
:5 386 bar und 540 bar und Temperaturen im Bereich von
3000C bis 3500C.
Ein anderes Metall, das sich als Zwischenfolie eignet, ist Aluminium und es wird eine Foliendicke von
mindestens 10 μιτι bevorzugt. Bevorzugte Verhältnisse
jo beim Verbinden beim Gebrauch von Aluminiumfolien
sind Drücke zwischen 386 bar und 540 bar und Temperaturen im Bereich von 350° C bis 400° C.
Die metallene Zwischenfolie kann aus Weichlotmaterial bestehen mit einem Schmelzpunkt im Bereich von
125° C bis 330° C und das Verbinden kann bei einer Temperatur im Bereich von 75°C bis 3000C erfolgen,
unter der Bedingung jedoch, daß die gewählte Temperatur niedriger ist als der Schmelzpunkt des
Lotmaterials und niedriger ist als die Temperatur, bei der sich durch Einwirkung der Bestandteile, die sich in
den Verbindungsoberflächen befinden, eine flüssige Phase bilden könnte.
Die Folie aus Weichlot kann eine Folie aus einer Reihe von Weichlotmaterialien sein, die Blei als
primären Bestandteil enthalten und Schmelzpunkte aufweisen im Bereich von 3000C bis 327°C. Ein
derartiges Material besteht aus Blei, Silber und Zinn, wobei die Gewichtsprozentsätze 95,3,5 bzw. 1 betragen
und der Schmelzpunkt 317°C ist Ein anderes derartiges Material hat dieselben Bestandteile, wobei die Gewichtsprozentsätze
95,5, 3,0 bzw. 1,5 sind und der Schmelzpunkt 3060C beträgt Bei Verwendung derartiger
Weichlotmaterialien, die Blei als primären Bestandteil enthalten, werden Drücke im Bereich von 386 bar
bis 540 bar und Verbindungstemperaturen im Bereich von 240°C bis 2900C bevorzugt Die metallene
Zwischenfolie kann eine Folie aus einer Reihe von Weichlotmaterialien mit Blei und Zinn, Kadmium und
Zinn, Blei und Indium, Blei-Kadmium und Zinn, oder Blei-Silber und Zinn als Bestandteile sein und einen
Schmelzpunkt im Bereich von 150° C bis 300° C
aufweisen. Bei Verwendung derartiger Materialien sind bevorzugte Verbindungsumstände Drücke zwischen
386 bar und 540 bar und Temperaturen zwischen 100°C und 2800C, unter der Bedingung jedoch, daß die
gewählte Temperatur niedriger ist als der Schmelzpunkt der Folie und niedriger als die Temperatur einer
flüssigen Phase, die sich durch Einwirkung der
Bestandteile, die in den Verbindungsoberflächen vorhanden sind, bilden könnte. In dieser Gruppe von
Materialien werden Zusammenstellungen aus Lotmaterialien mit Blei und Indium mit Schmelzpunkten in
Bereich von 235°C bis 260°C bevorzugt, wobei die ;
Verbindung mit Vorteil bei einer Temperatur im Bereich von 180°C bis 200°C durchgeführt wird.
Die metallene Zwischenfolie kann eine Folie sein aus einer Reihe von Weichlotmaterialien, die Indium als
primären Bestandteil aufweisen und Schmelzpunkte in haben in Bereich von 125°C bis 160°C. Bei Verwendung
derartiger Materialien sind die bevorzugten Verbindungsumstände Drücke zwischen 309 bar und 463 bar
und Temperaturen zwischen 75°C und 1500C, unter der
Bedingung jedoch, daß die gewählte Temperatur niedriger ist als der Schmelzpunkt der Folie und
niedriger als die Temperatur einer flüssigen Phase, die sich bilden könnte.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens besteht der eine Körper aus Kupfer und der andere
Körper aus Keramik, beispielsweise Berylliumoxid, wobei diese Körper mittels einer Weichlot-Zwischenfolie
aus Blei und Indium verbunden werden. An den Verbindungsoberflächen kann der keramische Körper
eine aufgebrachte Goldbedeckung aufweisen und der Kupferkörper kann vergoldet sein. Die Verbindungstemperatur kann zwischen 1900C und 2000C liegen und
der Druck etwa 463 bar betragen.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens besteht der eine Körper aus Nickel und der m>
andere aus Keramik, beispielsweise Berylliumoxid, wobei auch diese Körper mittels einer Weichlotzwischenfolie
aus Blei und Indium unter denselben Umständen, wie diese bei der obenstehend beschriebenen
bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurden, miteinander verbunden werden.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bestehen die beiden Körper aus Aluminiumoxid
und diese Körper werden durch Druckverbinden mittels einer Weichlotzwischenfolie aus Cadmium und
Zinn miteinander verbunden, wobei die Verbindungsoberflächen der Aluminiumoxidkörper mit Bedeckungen
aus Siebdruck-Palladium/Silber versehen sind. Die Verbindungstemperatur kann zwischen 15O0C und
175°C liegen und der Druck etwa 463 bar betragen. 4 j
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden
näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen Teil einer Presse, die beim erfindungsgemäßen Verfahren
verwendet werden kann,
F i g. 2 einen Schnitt durch ein Unterstützungsgefüge für ein Transistormodul mit einem Berylliumoxidkörper,
der an der Unterseite durch Druckverbinden mit einem Kupferteil eines Sockels verbunden ist und an der
Oberseite durch Druckverbinden angeordnete aus Nickel bestehende Durchführungsleiter aufweist, wobei
diese Figur dazu dient, zwei spezifische Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens zu
erläutern,
F i g. 3 einen Schnitt durch eine auseinandergezogene Anordnung der unterschiedlichen Teile, die sich im
Gefüge nach F i g. 2 befinden, bevor sie durch das erfindungsgemäße Verfahren befestigt worden sind,
F i g. 4 einen Schnitt durch eine auseinandergezogene Anordnung von Teilen einer Umhüllung für eine
elektronische Anordnung, wobei die genannten Teile zwei Aluminiumoxidkörper enthalten, die beim Abdichten
der Umhüllung durch ein Druckverbindungsverfahren nach der Erfindung verbunden werden.
Die in Fig. 1 dargestellte Presse enthält einen festen
Stahlsockel 1 und ein bewegliches Pressenoberteil 2. Ein stählernes Sockelglied 3 mit rundem Querschnitt ist am
Sockel I befestigt, der zugleich eine Asbestunterstützung 4 enthält. Auf der Asbestunterstützung 4 befindet
sich ein Siliciumoxidrohr 5, das mit dem oberen Teil des stählernen Sockelgliedes 3 koaxial ist und dieses Glied
umgibt. Ein drahtförmiges Erhitzungselement 6 ist um das Siüciumoxidrohr 5 gewickelt. Das Erhitzungselement
6 und das Rohr 5 sind von einem äußeren Kupfermantel 7 umgeben, der sich am unteren Ende auf
die Asbestunterstützung 4 abstützt und am oberen Ende einen aus Asbest bestehenden Deckel 8 unterstützt. Auf
der Oberseite des stählernen Sockelgliedes ist ein stählernes Stützglied 9 befestigt, das gehärtet und
getempert worden ist. In der Seite des Stützgliedes 9 befindet sich eine Öffnung 10, in die ein (nicht
dargestelltes) Thermoelement gesteckt werden kann. In der Seitenwand des Kupfermantels 7 befindet sich eine
öffnung 11 zum Zuführen eines Mischgases (10% Wasserstoff in Stickstoff) um eine regulierte Atmosphäre
um die Teile zu schaffen, wenn diese unter Druck verbunden werden und um zu vermeiden, daß die
Werkzeugflächen oxidieren. Im Asbestdeckel 12 befinden sich eine Anzahl öffnungen zum Abführen des
Gases.
Das bewegliche stählerne Pressenoberteil 2 hat einen stählernen Einsatz 15, der in der unteren Fläche des
Pressenoberteils befestigt ist. Zwei Stahlplatten 16 und 17 sind am Einsatz 15 befestigt und zwar zusammen mit
einem aus Gummi bestehenden Stoßdämpferblock 18, der zwischen den Platten 16 und 17 befestigt ist. Ein
Bolzen 19 befestigt das Gefüge aus den Platten 16 und 17 und dem Block 18 am Einsatz 15, wobei der Kopf des
Bolzens 19 in einem stählernen schalenförmigen Teil 20 liegt, der locker am Einsatz 15 befestigt ist. Der
schalenförmige Teil 20 ist mit Innengewinde versehen und bestimmt die Lage einer mit Außengewinde
versehenen Enddruckplatte 21, die aus demselben Material wie das Stützglied 9 besteht. Auf der unteren
Umfangsfläche des stählernen schalenförmigen Teils 20 befindet sich ein Asbestisolator 22. Die Enddruckplatte
21 hat einen Umfangsrand 23 und zwischen dem Rand 23 und dem Asbestisolator 22 ist ein flaches Ni-Chrom-Erhitzungselement
24 zwischen zwei Glimmerplatten 25 eingeklemmt. Die Enddruckplatte hat eine öffnung 26.
in die ein Thermoelement gesteckt werden kann. An der Außenoberfläche der Platte 17 ist ein Wasserkühlrohr
27 befestigt.
Nun wird die Wirkungsweise der Preßvorrichtung in einem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben. Mit
dem beweglichen Pressenoberteil 2 in der in F i g. 2 dargestellten Lage werden die Gaszuführungs- und
Erhitzungselemente 6 bzw. 24 eingeschaltet und die Temperaturen eingestellt bis das stählerne Stützglied 9
und die Enddruckplatte 21 die gewünschte Verbindungstemperatur haben. Das Gefüge aus den zwei zu
verbindenden Körpern und der Zwischenfolie wird auf die Oberfläche des stählernen Stützgliedes 9 gelegt und
das bewegliche Pressenoberteil 2 wird nach unten bewegt, so daß die Enddruckplatte 21 auf der oberen
Fläche des oberen Körpers ruht. Danach wird der Druck der Enddruckplatte 21 über eine Periode von 5
bis 10 Sekunden, bis der gewünschte Verbindungsdruck,
beispielsweise 386 bar erhalten ist, allmählich erhöht. Dieser Druck wird danach während der gewünschten
Zeil beibehalten, beispielsweise während etwa 10 Sekunden
und darauf wird der Druck durch eine Aufwärtsbewegung des Pressenoberteils 2 aufgehoben
und zum Schluß wird das Gefüge der Körper, die mittels der Zwischenfolie verbunden sind, entfernt. Im allgemeinen
werden die Erhitzungselemente 6 und 24 geregelt werden um das Stützglied 9 und die Enddruckplatte auf
derselben Temperatur zu halten, aber gewünschtenfalls können diese Temperaturen unabhängig voneinander
geändert werden. Die erreichbare Regelung beträgt ± 2°C und wird erzielt mittels Thermoelementen in den
öffnungen 10 und 26 und mittels einer Temperaturregelvorrichtung. Der Druck und der Druckaufbau wird
über ein genormtes Nadelventil und eine hydraulische Kupplung gesteuert.
F i g. 2 zeigt im Schnitt ein Unterstützungsgefüge für ein Sendetransistormodui. Das Gefüge enthält einen
rechtwinkligen kupfernen Basisteil 31 mit Abmessungen von 16 mm χ 2 mm χ 1,6 mm, der vernickelt und
vergoldet ist. Ein ebenfalls vernickelter und vergoldeter kupferner Block 32 (Abmessungen
11 mm χ 8 mm χ 1,6 mm) wird unter Druck mit dem Basisteil 31 mittels einer Zwischenfolie 33 aus Weichlot
verbunden. Ein Körper 34 aus Berylliumoxid von 11 mm χ 8 mm χ 1 mm wird unter Druck mit dem
kupfernen Block mittels einer Zwischenfolie 35 aus Weichlot verbunden. Auf der oberen Fläche des
Körpers 34 aus Berylliumoxid befindet sich ein leitendes im Siebdruckverfahren aufgetragenes Goldmuster mit
einer Dicke von etwa 15 μΐη. Auf der unteren Fläche des
Körpers 34 aus Berylliumoxid befindet sich eine Gold-Metallisierungsschicht 36 mit einer Dicke von
15μιη. Drei Anschlußleiter in Form von Streifen, von
denen zwei Streifen 37 und 38 im Schnitt nach F i g. 2 dargestellt sind, sind unter Druck mit Teilen 39 der
Verbindungsfläche des Godmusters mit der oberen Fläche des Körpers 34 aus Berylliumoxid mittels
Zwischenfolien 40 aus Weichlot verbunden. Die Streifen bestehen aus Nickel und haben Abmessungen von etwa
13 mm χ 2 mm χ 100 μπι, die vergoldet sind und sich
lateral außerhalb des kupfernen Basisteils 31 erstrecken. Auf jeden der drei weiteren Flächenteile des Goldmusters,
von denen im Schnitt nach Fig. 2 nur ein Teil 41 dargestellt ist, können Siliciumtransistorelemente befestigt
werden.
Die Herstellung des Gefüges nach F i g. 2 wird nun an Hand der F i g. 3 näher beschrieben. Der aus Kupfer
bestehende Basiskörper 31 und der kupferne Block 32 werden vernickelt (2 μπι) und danach vergoldet (0,1 μηι).
Das leitende Goldmuster, das eine Dicke von 15 μπι hat,
und die Teile 39 und 41 umfaßt, wird mittels eines üblichen Siebdruckverfahrens auf dem Berylliumoxidkörper
34 angebracht und eine Goldschicht 36 gleicher Dicke wird über die ganze Oberfläche der gegenüberliegenden
Fläche des Berylüumoxidkörpers 34 angebracht Die aus Nickel bestehenden Streifen werden mit einer
dünnen Vergoldung auf allen Oberflächen versehen. Die drei Streifen, von denen nur die Streifen 37 und 38 in
F i g. 2 und 3 dargestellt sind, werden darauf nach einem erfindungsgemäßen Verfahren mit Hilfe einer Anordnung,
wie diese in F i g. 1 dargestellt ist, mit dem Berylliumoxidkörper 34 verbunden. Dazu wird der
Berylliumoxidkörper 34 auf das Stützglied 9 gestellt, wonach die Folienteile 40 aus Weichlot auf die
Flächenteile 39 des Goldmusters gestellt werden und die Streifen danach auf die Lotkörper. Die Lotkörper 40
bestehen aus Blei und Indium, wobei die Gewichtsprozentsätze 72 bzw. 28% betragen, während das Material
einen Schmelzpunkt von 260°C hat. Die Körper 40 haben Abmessungen von 2 mm χ 2 mm χ 60 μηι. Das
Verbinden erfolgt bei einer Temperatur im Bereich von I9O"C bis 2000C bei einem Druck von 463 bar und
- während einer Periode von 10 Sekunden.
Der Berylliumoxidkörper 34 mit den daran befestigten Streifen wird danach nach einem erfindungsgemäßen
Verfahren unter Druck mit dem Kupferblock 32 verbunden und gleichzeitig wird der Kupferblock 32 mit
ίο dem Teil 31 verbunden. Dies erfolgt mit einer
Vorrichtung nach F i g. 1 und die Einzelteile werden auf dem Stützglied 9 montiert. Zwischen dem kupfernen
Basisteil 31 und dem Kupferblock 32 wird ein Lotkörper 33 aus Weichlot mit einer Dicke zwischen 250 und
500 μιη, in diesem Fall 400 μηι, angebracht. Die
Flächenabmessungen des Folienkörpers sind i 1 mm χ 8 mm. Die Foiie besteht aus Biet und indium,
wobei die Gewichtsprozentsätze 72% bzw. 28% betragen. Ein Folienkörper 35 mit derselben Zusammensetzung
und denselben Abmessungen wird zwischen den oberen Flächen des Kupferblockes 32 und der
unteren Fläche des Berylüumoxidkörpers 34 angebracht. Das Verbinden erfolgt bei einer Temperatur im
Bereich von 1900C bis 200°C und bei einem Druck von
463 bar und während einer Periode von 10 Sekunden.
Nachdem das Gefüge nach Fig.2 erhalten worden
ist, können Transistorelemente auf den Flächenteilen 41 des Goldmusters befestigt werden und zwar ebenfalls
im Druckverbindungsverfahren. Danach werden eine Anzahl passiver Schaltungselemente auf der Oberfläche
des Berylliumoxidkörpers 34 mit Hilfe eines Klebemittels befestigt, wonach Verbindungen zwischen den
Schaltungselementen und dem leitenden Goldmuster hergestellt werden und wobei schließlich die Vorrich-
js tung in einer Hülle aus Silikon-Kunststoff angeordnet
wird, wobei die drei flachen Durchführungselemenie aus der Hülle herausragen.
Zum Druckverbinden der Streifen mit dem Berylliumoxidkörper 34 und zum Druckverbinden des Berylliumoxidkörpers
34 mit dem Kupferblock 32 können andere Weichlotmaterialien verwendet werden als die obenstehend
beschriebenen Materialien. Das Material des leitenden Musters auf der Oberfläche des Berylüumoxidkörpers
34 und auch das der Bedeckung 36 können
4") aus einem anderen Material bestehen als Gold,
beispielsweise aus Silber/Palladiumtinte, die nach dem Anbringen auf der Berylliumoxidoberfläche geglüht
worden ist.
Eine andere Ausführungsform des Druckverbindungsverfahrens nach der Erfindung wird nun an Hand
der F i g. 4 näher beschrieben, wobei die miteinander zu verbindenden Körper in diesem Fall beide aus einem
keramischen Material bestehen. Die Figur zeigt die Einzelteile einer Umhüllung für eine elektronische
Anordnung. Die Teile umfassen eine aus Aluminiumoxid bestehende Basisplatte 51 mit Abmessungen von
3,0 cm χ 3,0 cm χ 2 mm, mit einem ein Siebdruckverfahren angebrachten leitenden Muster aus Palladium
und Silber mit einer Dicke von μπι, wobei die Streifenteile 53 des genannten Musters im Schnitt der
Figur dargestellt sind und Anschlußleiterteile bilden. Ein Wandteil 54 mit rechtwinkligem Umfang besteht aus
Aluminiumoxid und ist abdichtend mit der Basisplatte 51
mittels einer Abdichtung 55 aus Glas abdichtend verbunden, wobei die genannte Glasabdichtung sich
auch zwischen den Streifenteilen 53 des leitenden Musters und des Aluminiumoxidwandteils erstreckt
Der Aluminiumoxidwandteil 54 hat eine Breite von
4,0 mm und eine Dicke von 3,0 mm. Auf der oberen
Fläche des Wandteils 54 befindet sich eine Metallisierung 56 aus Palladium und Silber mit einer Dicke von
8 μπι. Ein Deckel 57 aus Aluminiumoxid mit Abmessungen
von 2,5 cm χ 2,5 cm χ 2,0 mm dient als Abschluß s
für die Umhüllung und wird unter Druck mit dem Aluminiumoxidwandteil 54 verbunden und zwar unter
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und unter Verwendung einer Zwischenfolie 58 aus Lotmaterial,
das aus Kadmium und Silber besteht, wobei die Gewichtsprozentsätze 34% bzw. 66% betragen, wobei
d^'s Material einem Schmelzpunkt von 177°C hat. Die
Kolie hat einen rechtwinkligem Umfang und eine Breite
von 3,5 mm und eine Dicke von 50 μιη. Die untere Seite
des aus Aluminiumoxid bestehenden Deckels 57 ist mit einer Metallisierungsschicht 59 aus im Siebdruckverfahren
angebrachten! Päiiäuiüfn UUu Siiucr versehen. L/iC
Schicht hat ebenfalls einen rechtwinkligen Umfang von 4,0 mm Breite und 8,0 μιη Dicke. Das Druckverbinden
erfolgt in einer Vorrichtung nach F i g. 1 bei einer Temperatur von 125°C, einem Druck von 386 bar und
während einer Periode von 5 Sekunden.
Im Rahmen der Erfindung sind für den Fachmann viele Abwandlungen möglich. So kann beispielsweise in
F i g. 4 der aus Aluminiumoxid bestehende Deckel 57 mit dem aus Aluminiumoxid bestehenden Wandteil 54
unter Verwendung eines anderen Folienmaterials, beispielsweise eines Lotmaterials aus Blei, Silber und
Zinn verbunden werden. Die richtige Wahl des Folienmaterials hängt zum Teil von der Art des
elektronischen Teils bzw. der elektronischen Teile, die in der Umhüllung angebracht wird bzw. werden und von
der Beständigkeit derartiger Teile gegen die Verbindungstemperatur, die für jedes spezifische Folienmaterial
erforderlich ist, ab. Im allgemeinen werden also die Lotmaterialien auf Bleibasis eine höhere Verbindungstemperatur
erfordern als das beschriebene Beispiel mit einem Lot aus Cadmium und Zinn. Statt einer Folie mit
einem rechtwinkligen Querschnitt ist es in manchen Anwendungsbereichen möglich, eine Folie mit einem
runden Querschnitt zu verwenden und dies ist insbesondere in denjenigen Fällen geeignet, in denen die
Verbindungsverhältnisse derart sind, daß die Verbindungsoberfläche eines der Körper leicht gekrümmt ist.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (15)
1. Verfahren zum Verbinden eines keramischen Körpers mit einem anderen Körper, der aus Metal!
oder Keramik besteht, durch Druckverbinden, wobei -■
zwischen praktisch ebenen, gegebenenfalls mit einer metallenen Beschichtung versehenen, Flächen der
zwei Körper eine verformbare metallene Zwischenfolie angebracht wird und wobei das Ganze auf einer
Temperatur gehalten wird, die niedriger ist als der Schmelzpunkt der Zwischenfolie und niedriger als
die Temperatur, bei der sich durch Einwirkung der Bestandteile der einander zugewandten Oberflächen
eine flüssige Phase bilden würde, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Teilen
eine mechanische Verbindung dadurch erhalten wird, daß die zwei Körper mit einer Zwischenfolie
aus Weichlotmaterial mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 125 bis 330° C in einer Presse einem
Druck von mindestens 386 bar und höchstens 540 bar ausgesetzt werden, wobei das Ganze auf
einer Temperatur im Bereich von 100 bis 28O0C
gehalten wird und wobei der genannte Druck und die genannte Temperatur zur Erhaltung der
Verbindung über eine Periode kürzer als 30 s beibehalten werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Weichlotfolie eine Folie aus einem
Material aus einer Reihe von Weichlotmaterialien, die Blei als primären Bestandteil aufweisen und
einen Schmelzpunkt haben im Bereich von 300° C bis 327°C, verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Weichlotfolie eine Folie aus einem
Material einer Reihe von Weichlotmaterialien mit den Bestandteilen Blei und Zinn, Cadmium und Zinn,
Blei und Indium, Blei-Cadmium und Zinn, oder Blei-Silber und Zinn, die Schmelzpunkte haben im
Bereich von 150° C bis 300° C, verwendet wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Weichlotfolie eine
Folie aus einem Metall aus einer Reihe von Weichlotmaterialien mit Blei und Zinn als Bestandteilen
und mit Schmelzpunkten im Bereich von 235°C bis 260°C verwendet wird, wobei die
Verbindung bei einer Temperatur im Bereich von 18O0C bis 200° C durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Weichlotfolie eine Folie aus einem
Metall einer Reihe von Weichlotmaterialien mit Indium als primärem Bestandteil und mit einem
Schmelzpunkt im Bereich von 125°C bis 1600C verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Körper aus Keramik und ein
anderer Körper aus Kupfer verwendet wird, wobei die genannten Körper durch Druckverbinden mittels
einer Weichlotfolie aus einem aus Blei und Indium bestehenden Weichlot verbunden werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als keramischer Körper ein Körper aus
Berylliumoxid neben dem Körper aus Kupfer verwendet wird, wobei auf den Verbindungsoberflächen
der Körper eine aus Gold bestehende Beschichtung aufgebracht ist.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Körper aus Berylliumoxid und ein anderer Körner aus Nickel verwendet wird, wobei
die genannten Körper durch Druckverbinden mittels einer Weichlotfolie aus einem aus Blei und Indium
bestehenden Weichlot verbunden werden.
9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Verbindungsoberflächen der
Körper aus Berylliumoxid und Nickel eine Beschichtung aus Gold aufgebracht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Körper aus Aluminiumoxid
verwendet und durch Druckverbinden mittels eines aus Cadmium und Zinn bestehenden Weichlotes
verbunden werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß auf die Verbindungsoberflächen der Körper aus Aluminiumoxid eine Beschichtung aus
Palladium und Silber aufgebracht wird.
12. Verfahren zum Verbinden eines keramischen Körpers mit einem anderen Körper, der aus Metall
oder Keramik besteht durch Druckverbinden, wobei zwischen praktisch ebenen Flächen der zwei Körper
eine verformbare metallene Zwischenfolie angebracht wird und wobei das Ganze auf einer
Temperatur gehalten wird, die niedriger ist als der Schmelzpunkt der Zwischenfolie und niedriger als
die Temperatur, bei der sich durch Einwirkung der Bestandteile der einander zugewandten Oberflächen
eine flüssige Phase bilden würde, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Teilen eine mechanische
Verbindung dadurch erhalten wird, daß die zwei Körper mit einer Zwischenfolie aus Gold in einer
Presse einem Druck von mindestens 386 bar und höchstens 540 bar ausgesetzt werden, wobei das
Ganze auf einer Temperatur im Bereich von 300 bis 350°C gehalten wird und wobei der genannte Druck
und die genannte Temperatur zur Erhaltung der Verbindung über eine Periode kürzer als 30 s
beibehalten werden.
13. Verfahren zum Verbinden eines keramischen Körpers mit einem anderen Körper, der aus Metall
oder Keramik besteht durch Druckverbinden, wobei zwischen praktisch ebenen Flächen der zwei Körper
eine verformbare metallene Zwischenfolie angebracht wird und wobei das Ganze auf einer
Temperatur gehalten wird, die niedriger ist als der Schmelzpunkt der Zwischenfalls und niedriger als
die Temperatur, bei der sich durch Einwirkung der Bestandteile der einander zugewandten Oberflächen
eine flüssige Phase bilden würde, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Teilen eitie mechanische
Verbindung dadurch erhalten wird, daß die zwei Körper mit einer Zwischenfolie aus Aluminium in
einer Presse einem Druck von mindestens 386 bar und höchstens 540 bar ausgesetzt werden, wobei das
Ganze auf einer Temperatur im Bereich von 350 bis 4000C gehalten wird und wobei der genannte Druck
und die genannte Temperatur zur Erhaltung der Verbindung über eine Periode kürzer als 30 s
beibehalten werden.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallene
Zwischenfolie weniger als 5% verformt wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck
und die Temperatur während einer Periode kürzer als 5 s beibehalten werden.
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