DE2319854A1

DE2319854A1 - Verfahren zum direkten verbinden von metallen mit nichtmetallischen substraten

Info

Publication number: DE2319854A1
Application number: DE2319854A
Authority: DE
Inventors: Guy Leo Babcock; Walter Merle Bryant; James Francis Burgess; Constantine Alois Neugebauer
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-04-20
Filing date: 1973-04-19
Publication date: 1973-10-25
Also published as: GB1394322A; FR2181049A1; IT983841B; DE2319854C2; FR2181049B1; JPS4917381A; JPS5713515B2; US3766634A

Description

1 River Road
SCHENECTADY, N.Y./U.S.A.

Verfahren zum direkten Verbinden von Metallen mit nichtmetallischen Substraten

Die vorliegende Erfindung betrifft verbesserte Verfahren zum ,Verbinden von nichtmetallischen Teilen mit Metallteilen und nichtmetallischen Teilen mit anderen nichtmetallischen Teilen durch Erhitzen der Teile in einer·reaktiven Atmosphäre zur Herstellung eines Eutektikums mit dem metallischen Teil, wobei die Teile benetzt werden und anschliessendes Abkühlen der Teile, um das Verbinden zu erreichen, sowie die mit diesen Verfahren er,-hältlichen verbesserten Bindungen.

Es sind verschiedene Verfahren zum- Verbinden nichtmetallischer Teile miteinander oder mit metallischen Teilen verwendet worden, um zu versuchenj beide Teile in zufriedenstellender Weise zu

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benetzen. Ein solches Verfahren verwendet eine Mischung aus Titanhydrid und einem Lötmetall, wie Kupfer, Silber oder Gold, das auf das Teil aufgebracht wird, das metallisiert oder verbunden werden soll und danach wird das Hydrid durch Anwendung von Wärme in
Gegenwart des Lötmetalles zersetzt. Bei diesem Verfahren wird
das Erwärmen vorzugsweise in einer nicht-öxydierenden Atmosphäre, wie reinem trockenem Wasserstoff .ausgeführt. Ein solches Verfahren ist z.B. in der US-Patentschrift 2 570 248 beschrieben.

Bei einem anderen Verfahren zum Verbinden von Metallen mit Keramiken werden Metalle mit geringer Affinität zu Sauerstoff unter

hohen Drucken, z.B. 1 kg/cm , auf eine Keramik" aufgebracht. Ver- ι wendet man Metalle mit Affinität zu Sauerstoff, dann sind aus- ;

I reichend hohe Drucke erforderlich, um den Oxydfilm zu zerstören, j so dass der Metall-Keramik-Kontakt hergestellt werden kann. Ein ; solches Verfahren erfordert daher extrem hohe Drucke, um das Ver-^! binden zu bewirken. Obwohl die bekannten Verfahren für viele An- \ Wendungen brauchbare Bindungen hervorbringen können, ist es doch j sehr erwünscht, eine direkte Bindung zwischen dem Kupfer und dem j keramischen Substrat ohne Anwendung hoher Drucke herstellen zu ] können. '

Ein anderes Verfahren zur Herstellung metallischer Bindungen ist · in der US-Patentschrift 2 857 663 beschrieben. Bei diesem Ver- j fahren werden ein legierendes Metall, wie ein Metall aus der Ti- ! tangruppe IVb des Periodischen Systems der Elemente und ein le- j gierendes Metallg wie Kupfer,-Nickel, Molybdän, Platin, Kobalt, j Chrom oder Eisen verwendet. Werden das legierende Metall und ein ', Metall aus der Titangruppe zwischen nichtmetallischen hitzebe- ; ständigen Materialien oder einem nicht-hitzebeständigen metalli-. j sehen Material und einem metallischen Material angeordnet und auf_; eine Temperatur erhitzt, bei der eine eutektische Flüssigkeit ge-j bildet wird, dann bildet sich eine feste Bindung zwischen den be-j nachbarten Teilen. Obwohl dieses Verfahren für viele Anwendungen
zufriedenstellend arbeitet, hat jedoch der Wunsch;, die Integrität j der Bindung zu verbessern, die thermische Leitfähigkeit zwischen |

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: I

; einem metallischen Teil und einem hitzebeständigen nichtmetall!- j

j sehen Teil zu erhöhen, ebenso wie einen Leiter auf einem hitze- |

j beständigen nichtmetallischen Teil zu schaffen, der einen hohen j

j Strom führen kann, Veranlassung gegeben, nach weiteren Verfahren !

ι "1

ι zum Verbinden solcher Teile zu suchen.

• Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum ; Verbinden nichtmetallischer Materialien miteinander und von me-ί tallischen mit nichtmetallischen Teilen ohne Verwendung dazwi-] schenliegender Bindemittelschichten sowie die damit erhältlichen Bindungen.

Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden nichtmetallischer hitzebeständiger Materialien miteinander oder mit metallischen Teilen unter Anwendung einer einfachen Er war mungs stufe ohne die Notwendigkeit dazwischenjliegender benetzender Mittel sowie die damit herstellbaren Bindungen.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine feste Bindung sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Bindung zwischen einem hitzebeständigen nichtmetallischen Material und einem Metall, das für die Bildung integrierter Schaltungen brauch bar ist, sowie zur Herstellung elektrischer Leiter auf isolierenden Teilen, die einen hohen Strom führen können und eine große Wärmeleitfähigkeit aufweisende Pfade haben," um die Wärme abzuleiten und um hermetische Dichtungen zwischen zwei nichtmetallischen hitzebeständigen Materialien herzustellen.

Kurz gesagt betrifft die vorliegende Erfindung Bindungen und Verfahren zum Verbinden nichtmetallischer Teile mit metallischen Teilen. Beispielsweise wird eine Bindung zwischen metallischen und nichtmetallischen Teilen gebildet, indem man ein metallisches Teil in Kontakt mit einem nichtmetallischen Teil, das vorzugsweise hitzebeständige Eigenschaften aufweist, bringt und die Temperaturen der Teile in einer reaktiven Atmosphäre ausgewählter

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Gase bei eingestellten Partia!drucken für eine ausreichende Zeit erhöht, um eine eutektische Zusammensetzung zu schaffen, die eine eutektische Schmelze aufweist. Diese eutektische Schmelze bildet sich bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des metallischen Teiles und benetzt sowohl das metallische Teil als auch das hitzebeständige nichtmetallische Teil, so dass beim Abkühlen eine bruchfeste Bindung zwischen dem metallischen und dem nichtmetallischen Teil gebildet wird. Brauchbare metallische Ma-' terialien umfassen z.B. Kupfer, Nickel, Kobalt und-Eisen. Brauchbare reaktive Gase schließen z.B. Sauerstoff, phosphorhaltige Verbindungen und schwefelhaltige Verbindungen ein. Im allgemeinen ist die Menge des reaktiven Gases, die zur Herstellung der bruchfesten Bindungen erforderlich ist, teilweise von den Dicken des metallischen und nichtmetallischen Teiles abhängig sowie von den Zeiten und Temperaturen, die für die Bildung der eutektischen Schmelze erforderlich sind.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Pig. 1 eine typische Bindung zwischen nichtmetallischen und me- j

tallischen Materialien gemäss der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine Reihe schematischer Darstellungen des Verfahrens zur j Herstellung einer Bindung zwischen einem Metall und einem Nichtmetall gemäss einer Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 ein Fliessbild, welches die Verfahrensschritte nach der Ausführungsform des Verfahrens der Fig. 2 wiedergibt, "

Figuren 4 und 5 zeigen andere erfindungsgemäss hergestellte Bindungen,

Fig. 6 illustriert schematisch einen horizontalen Ofen, wie er für die Durchführung der vorliegenden Erfindung brauchbar ist und

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. Pig. 7 zeigt schematisch einen. Vertikalofen» wie er für die Durchführung der vorliegenden Erfindung brauchbar ist.

^! Fig. 1 zeigt beispielsweise eine typische Bindung 11 zwischen !

j einem nichtmetallischen hitzebeständigen Teil 12 und einem Metall-

; teil 13. Die Bindung 11 umfasst eine eutektische Zusammensetzung,

] die mit dem metallischen Teil und einem reaktiven Gas gemäss den i

; neuen Aspekten der vorliegenden Erfindung gebildet wurde.

j I

; Der Begriff "nichtmetallisches Material", wie er in der vorlie- \ . genden Beschreibung verwendet wird, soll hitzebeständige Materia-¹

■ i

I lien, wie Aluminiumoxyd AIpO,, Berylliumoxyd BeO, gesintertes

: Siliciumdioxyd und andere brauchbare Materialien, wie Titanate j

'. und Spinelle umfassen. Aluminiumoxyd und Berylliumoxyd sind bei !

: der Durchführung der vorliegenden Erfindung besonders geeignet, da^:.

i sie eine grosse thermische Leitfähigkeit aufweisen, die sie für j

Anwendungen in integrierten Schaltungen auf Halbleiterbasis oder

, in elektrischen Schaltungen für hohe Energie besonders brauchbar

- machen. Es können, wenn es· gewünscht ist, jedoch auch andere

i nichtmetallische hitzebeständige Materialien verwendet werden,

I und die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorgenannten Ma-I terialien beschränkt.

! Das Metallteil 13 kann z.B. solche Materialien, wie Kupfer, Eisen;, Nickel, Kobalt, Chrom und Silber umfassen. Auch Legierungen dieser Materialien, wie Kupfer-Nickel, Nickel-Kobalt, Kupfer-Chrom, Kupfer-Kobalt, Eisen-Nickel, Silber-Gold und ternäre Legierungen aus Eisen, Nickel und Kobalt sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung brauchbar. Doch können, wie der nachfolgenden Beschrei- j bung noch entnommen werden kann, weitere metallische Materialien,! wie z.B. die Legierung Beryllium-Kupfer, vorteilhaft verwendet j werden, wenn dies erwünscht ist.

Das neue Verfahren zur Herstellung einer bruchfesten Bindung zwischen dem Metallteil 13 und einem Substrat 12, wie einem nichtmetallischen hitzebeständigen Material, ist schematisch in Fig. 2 und als Fliessbild in Fig. 3 dargeste1It_1-Die Pig._2 zeigt ein

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I - 6 -

nichtmetallischea hitzebeständlges Material 12, wie Aluminiumoxyd oder Berylllumoxyd, mit einem auf dem nichtmetallischen
hitzebeständigen Substrat 12 liegenden Metallteil 13. Das Substrat 12 und das Metallteil 13 werden in einem geeigneten Ofen
angeordnet, welcher eine reaktive Atmosphäre enthält, die bei
erhöhten Temperaturen auf den Oberflächen des Metallteiles 13 ! eine eutektische Zusammensetzung 11 bildet. Die Bezeichnung i "eutektisch·!' oder "eutektische Zusammensetzung" umfasst eine Mi- i schung von Atomen des Metallteiles und des reaktiven Gases oder '! der Verbindung, die sich zwischen dem Metall und dem reaktiven j Gas gebildet hat. Wenn z.B. das Metallteil aus Kupfer besteht undj das reaktive Gas Sauerstoff ist, dann ist das Eutektikum eine Mi-j schung aus Kupfer und Kupferoxyd. Ist das Metall Nickel und das ; reaktive Gas Phosphor, dann ist das Eutektikum eine Mischung aus ^; Nickel und Nickelphosphid. Wenn weiter das Metallteil Kobalt ist '. und das reaktive Gas ein schwefelhaltiges Gas, dann wird das \ Eutektikum aus Kobalt und Kobaltsulfid gebildet. j

Die folgende Tabelle I ist eine repräsentative. Zusammenfassung
weiterer Eutektika, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung ver-! wendet werden können. Diese Eutektika werden gebildet durch Um- I Setzung des zu vorbildenden Metallteiles mit einem reaktiven Gas, ! das gesteuert in den Ofen eingeführt wird. ;

Tabelle I

Metall-Gas	eutektische
Eutektikum	Temperatur, C
Eisen-Sauerstoff	1523°
Kupfer-Sauerstoff	1065°
Chrom-Sauerstoff	1800°
Chrom-Schwefel	1550°
Kupfer-Phosphor	711°
Nickel-Sauerstoff	1438°
Nickel-Phosphor	880°
Molybdän^Silicium	2070°

Gew.-% des reaktiven Gases bei der eutektischen Temp.

0,16	°2
0,39	°2
0,6	°2
2,2	S
8,4	P
0,24	°2
11,0	P
5,5	Si

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906	ο
878	ο
1067	ο
1451	O
577	O

1,8	S
1,0	P
0,77	S
0,23	°2
11,7	Si

(Forts. Tabelle I) ' ΐ

Metall-Gas eutektische Gew.-% des reaktiven Gases bei; Eutektikum Temperatur_f C der eutektischen Temperatur

Silber-Schwefel Silber-Phosphor Kup fer-S chwe fe1 Kobalt-Sauerstoff Aluminium-Silicium

Nach der vorliegenden Erfindung werden feste Bindungen durch Erhöhen der Temperatur des metallischen und nichtmetallischen. Teiles hergestellt, bis sieh die eutektische Zusammensetzung bildet. Diese eutektische Zusammensetzung benetzt die benachbarten metallischen und nichtmetallischen Teile, so dass nach dem Abkühlen das metallische und nichtmetallische Teil fest miteinander verbunden werden. Werden als Metallteile Legierungen verwendet, dann, so wird angenommen, bildet sich die eutektische Zusammensetzung mit einem der Metallelemente, im allgemeinen mit dem des geringeren Schmelzpunktes.

Ein Paktor, der die Festigkeit und Gleichmässigkeit der Bindung zu beeinflussen scheint, ist die Beziehung zwischen dem Schmelzpunkt des Metallteiles und der eutektischen Temperatur. Liegt die eutektische Temperatur z.B. innerhalb von· ungefähr 30 bis 50 C vom Schmelzpunkt des Metallteiles, dann neigt das Metallteil dazu sich plastisch an die Gestalt des Substratteiles anzupassen und auf diese Weise bessere Bindungen zu bilden als jene Eutektika, die bei Temperaturen Flüssigkeiten werden, die mehr als ungefähr 50 ⁰C unterhalb des Schmelzpunktes des Metallteiles liegen. Die Gleichmässigkeit der Bindung scheint daher mit dem sogenannten "Kriechen" des Metalles in Beziehung zu stehen, das nur in der Nähe des Schmelzpunktes beachtliche Ausmasse annimmt. Der Tabelle I kann z.B. entnommen werden, dass die folgenden eutektischen Verbindungen dieses Erfordernis erfüllen: Kupfer-Kupferoxyd, Nickel-Nickeloxyd, Kobalt-Kobaltoxyd, Eisen-Eisenoxyd und Kupfer-Kupfersulfid.

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Pig. 4 zeigt eine andere Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung, bei der mit einem nichtmetallischen hitzebeständigen Material 12 zwei Metallteile 13 auf den gegenüberliegenden Oberflächen durch Bindungen 11 verbunden sind.

Fig. 5 zeigt noch eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der zwei nichtmetallische Teile 12, wie aus Aluminiumoxyd oder Berylliumoxyd z.B., durch ein Metallteil 15 miteinander verbunden sind. In dieser Ausführungsform der Erfindung bildet sieh das Eutektikum in im wesentlichen der gleichen Weise wie oben beschrieben, wobei jedoch das Verbinden auf den beiden gegenüberliegenden Oberflächen des Metallteiles 15 stattfindet. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist besonders brauchbar für die Herstellung hermetischer Abdichtungen zwischen nichtmetallischen hitzebeständigen Materialien, z.B. für solche, wie sie bei der Herstellung von Vakuumröhren, wie Hochfrequenzröhren, verwendet werden.

Nach der Beschreibung einiger brauchbarer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und des grundlegenden Verfahrens zur Herstellung von Met all-zu-Ni chtmet all- und Nichtmet all- zu-Nichtmetall-.j Bindungen, sollen im folgenden die Apparatur zur Durchführung ! der vorliegenden Erfindung sowie einige spezifische Details des J erfindungsgemässen Verfahrens unter Bezugnahme auf Fig. 6 näher erläutert werden. In Fig. 6 ist ein Horizontalofen dargestellt, der ein langgestrecktes Quarzrphr 22 mit einem Gaseinlass 23 an dem einen Endstück und einem Gasauslass 24 an dem anderen Endstück umfasst. Das Quarzrohr 22 weist auch eine öffnung oder Pforte 25 auf, durch welche die Materialien in den Ofen eingeführt und aus ihm herausgenommen werden. Die Materialien werden auf einem Halter 26 angeordnet, der einen Stab 27 aufweist, welcher sich durch das eine Endstück des Ofens nach aussen erstreckt so dass der Halter und die darauf angeordneten Materialien in den Ofen hineingeschoben und aus ihm herausgezogen werden können.

Der Ofen 21 ist auch mit geeigneten Heizelementen versehen, die in Fig. 6 als elektrisch leitende Heizdrähte 28 dargesteilt sind,

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welche das Quarzrohr in dem zu erhitzenden Bereich umgeben. Die ' Heizdrähte 28 können z.B. mit einer geeigneten Stromquelle verbunden sein, wie einer 220 V-Wechse1stromquelle. Die Drähte 28 ! können dann von einem geeigneten Isolationsmaterial 29 umgeben ; werden, um die von den Drähten erzeugte Wärme in dem Bereich ! innerhalb des Quarzrohres zu halten. Der Fachmann kann selbst- j verständlich ohne weiteres auch andere Heizvorrichtungen verwen- ; den, wenn dies gewünscht ist, und die Fig. 6 stellt lediglich i eine Ausfuhrungsform einer solchen Heizvorrichtung dar. Die Tem- j peratur des Ofens wird durch ein geeignetes Thermoelement 29a ί gemessen, welches sich durch eine öffnung im Quarzrohr erstreckt,! so dass die erforderlichen elektrischen Zuleitungen angebracht \ werden können. ' j

In Fig. 6 ist auch ein Substrat 12, wie ein nichtmetallisches hitzebeständiges Material, dargestellt, das auf dem Halter 26 liegt und auf dem Substrat 12 befindet sich ein metallisches Material 13. Diese Materialien werden durch die öffnung 25 in das Quarzrohr eingeführt und die öffnung wird dann durch einen geeigneten Verschluss abgedichtet.

Das Quarzrohr 22 wird dann mit einem.Strom eines reaktiven Gases gespült, der eine Geschwindigkeit von z.B. etwa 0,11 m /Std. j (entsprechend *J US-Kubikfuss/Stunde) aufweist. Die in der vorliegenden Erfindung verwendete Strömung oder Atmosphäre eines reaktiven Gases besteht aus einer Mischung eines inerten Gases, wie Argon, Helium oder Stickstoff, mit einer bestimmten geringeren Menge eines reaktiven Gases, wie Sauerstoff, eines phosphorhaltigen Gases, wie Phosphin oder eines schwefelhaltigen Gases, wie Schwefelwasserstoff. Die Menge des reaktiven Gases in der Gesamtgasströmung hängt in einer noch näher zu beschreibenden Weise u.a. von den zu verbindenden Materialien und deren Dicke ab. Im allgemeinen muss der Partialdruck des reaktien Gases jedoch den Gleichgewichtspartialdruck de3 reaktiven Gases in dem Metall bei oder oberhalb der eutektischen Temperatur übersteigen Werden z.B. Kupferteile mit hitzebeständigen Teilen in einer

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reaktiven Atmosphäre verbunden, die Sauerstoff enthält, dann muss der Partialdruck des Sauerstoffes oberhalb von 1,5 χ 10 atm bei der eutektischen Temperatur von 1065 ⁰C liegen.

Nach dem Spülen des Quarzrohres Wird der Ofen auf eine Temperatür gebracht, die ausreicht, eine eutektische Flüssigkeit oder Schmelze an der Berührungsfläche von Metall und Substrat zu bil den. Für eine Verbindung von Kupfer mit Aluminium/unter Verwendung von Sauerstoff als reaktivem Gas wird die Temperatur z.B. auf eine solche im Bereich von ungefähr 1065 bis 1075 °C eingestellt. Innerhalb dieses Temperaturbereiches bildet sich das Kupfer-Kupferoxyd-Eutektikum auf dem Kupferteil 13. Diese eutek tische Schmelze benetzt dann das Kupfer und das Aluminiumoxyd und bildet eine feste Bindung zwischen beiden.

Im allgemeinen liegen die für die Bildung dieser eutektischen '

Schmelze erforderlichen Zeiten im Bereich von ungefähr 10 Minu- j

ten für etwa 0,025 mm (entsprechend 1/1000 Zoll) dicke Kupfer- j teile und etwa 60 Minuten für etwa 6,4 mm (entsprechend 1/4 Zoll);

dicke Kupferteile. Eine detailliertere Beziehung zwischen der j

Kupferdicke und der Zeit bei der erhöhten Temperatur im Bereich ■■

von 1065 bis 1075 ⁰C kann der folgenden Tabelle II für eine i

säuerstoffhaltige reaktive Atmosphäre entnommen werden. '

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TABELLE II

Kupferdicke in mm
(Tausendstel Zoll)

0,025 (1)

0,05 (2)

0,125 (5)

0,25 (10)

0,5 (20)

0,125 (5)

6,4 (250)

Substrat und dessen Zeit bei der erhöhten Dicke in mm Temperatur,

(Tausendstel Zoll)

0,64 (25)
96 % Aluminiumoxyd

0,64 (25)
96 % Aluminiumoxy.d

0,64 (25)
99 % Aluminiumoxyd

0,64 (25)
99 % Berrylliumoxyd

0,64 (25)
96 % Aluminiumoxyd

3,75 (150) 99 % Aluminiumoxyd

0,64 (25) ' 96 % Aluminiumoxyd

Minuten

10 15 15 15 30 45 30 60

Die Tabelle II gibt die Beziehung zwischen Kupferdicke, Dicke ! des nichtmetallischen hitzebeständigen Materials und Erhitzungszeit im Ofen wieder, d.h. die Zeit, welche das Material aus Metall und Nichtmetall im Ofen bleibt. Dieser Tabelle kann entnommen werden, dass die Erhitzungszeit mit der Metalldicke ansteigt, obwohl eine lineare Beziehung zwischen beiden nicht ersichtlich* ! ist. !

Die Verbindung von Metallen mit nichtmetallischen hitzebeständigen Materialien kann nach der vorliegenden Erfindung z.B. auch dadurch erreicht werden, dass man einen Vertikalofen verwendet, wie er in Fig. 7 dargestellt ist. Dieser Ofen nach Fig. 7 ist ein Vertikalofen 31, der z.B. ein vertikal angeordnetes Quarzrohr 32 enthält, in welchem eine Kohlenstoffauflage 33 auf einem

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Unterteil 34 aus gesintertem Siliciumdioxyd angeordnet ist.
Das Quarzrohr 32 ist mit R.F.-Heizwindungen 35 umgeben, die
von einem äusseren nicht dargestellten R.P.-Generator gespeist
werden* . "

Fig. 7 zeigt auch ein Substrat 36, wie ein nichtmetallisches ; hitzbeständiges Material auf der Auflage 33 und ein Metallteil : 37 auf dem nichtmetallischen Teil. Inerte und oxydierende Gase
werden durch die Einlasse 38 bzw. 39 eingeführt. Das kombinierte
Gas strömt durch die Leitung 40 auf das metallische und nichtmetallische Teil und wird durch den Auslass 41 wieder herausgeleitet. Strömungsmessgeräte 42 und 43 zeigen bei jedem Einlass
die Strömungsgeschwindigkeit der Gase in dem Ofen an und steuern ; diese Geschwindigkeit. ·

Der Betrieb des Vertikalofens wird nachfolgend beispielsweise i im Hinblick auf die Herstellung einer Verbindung zwischen einem : etwa 0,125 mm (entsprechend 5/1000 Zoll) dicken Kupferteil und j einem ungefähr 1,75 mm (entsprechend 70/1000 Zoll) dicken . Berylliumoxydteil beschrieben. Die Strömungsmessgeräte 42 und 43 j sind so eingestellt, dass reines Argon durch den Einlass 38 . ' und Argon mit einem Gehalt von 2 % Sauerstoff durch den Ein- ' lass 39 eingeführt wird. Das Quarzrohr wird dann für etwa 10
Minuten mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 56 1/Std. j (entsprechend 2 ÜS-Kubikfuss/Stunde) Argon und ungefähr 28 1/Std.i (entsprechend 1 US-Kubikfuss/Stunde) argonhaltigem Sauerstoffgas ; gespült, wobei die kombinierten Gase einen Gesamtsauerstoffge- j halt von ungefähr 0,04MoI-Ji aufweisen. I

Während der Spüldauer wird die Temperatur der Auflage 33» ^des
Berylliumoxyds und des Kupferteils bei Raumtemperatur gehalten.. \ Nach dem Spülen wird R.F,-Energie angewendet, bis die Temperatur
des Kupferteiles oberhalb von 1O65°C, aber unterhalb von i 1O83°C liegt, üblicherweise werden zur Erreichung dieser
Temperatur 2 bis 5 Minuten benötigt, wobei eine überwachung ^: z.B. optisch geschehen kann. Die optische überwachung der
Temperatur ist, an sich bekannt und in dem Maße, wie das ^;

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Kupferteil von Zimmertemperatur aufgeheizt wird, erscheint eine rotbraune Oxydationsfarbe auf der Oberfläche des Cu -Teiles, die typisch für Kupferoxyd ist. Oberhalb von 600 C emittiert die Kupferoberfläche stark Licht. Bei einer Temperatur von IO65 C wird eine Flüssigkeitsschicht um das Kupferteil herum beobachtet. Diese flüssige Schicht benetzt sowohl das Berylliumoxydteil als auch das Kupferteil, wie einer deutlichen Farbänderung zu entnehmen ist. Das Benetzen findet zuerst an den äusseren Kanten des Kupferteiles statt, an denen eine schwarze Farbe erscheint, die sich dann in Richtung auf das Zentrum des Kupfers bewegt, bis das ganze Kupferteil dem Auge schwarz er- ; scheint. Unter diesen Bedingungen behält das Kupferteil seine strukturelle Integrität und zerfällt nicht in einzelne Flüssig- : keitstropfen. Ist der Benetzungsprozess über die gesamte Oberfläche vollständig, dann wird die R.F.-Energie abgeschaltet, und _; man lässt die Teile sich abkühlen. Nach dem Herausnehmen des \ Kupfers und Berylliumoxyds ist das Kupfer mit dem Beryllium- j oxyd fest verbunden, und es sind Bindungsfestigkeiten ober-

halb von etwa 1400 kg/cm (entspreche:
Pfund/Quadratzoll) beobachtet worden.

P
halb von etwa 1400 kg/cm (entsprechend mehr als 20 000 US-

Die Gestalt des verbundenen Kupferteiles ist im wesentlichen die S gleiche wie dfe des ursprünglich nichtverbundenen Kupfers. Es J gibt jedoch einige Anzeichen der Oxydation und Ausfällung von Kupferoxyd in dem verbundenen Teil. Es ist auch etwas Rekristallisation der Kornstruktur innerhalb des Kupferteiles wahrnehmbar.

Ohne die vorliegende Erfindung auf eine spezielle Theorie der Wirkungsweise begrenzen zu wollen, wird doch angenommen, dass sich die erfindungsgemäss hergestellten festen Bindungen auf Grund der Umsetzung des Metalles mit dem reaktiven Gas während des Erhitzens vor der Bildung der eutektischen Schmelze bilden. Während dieser Zeit löst sich eine geringe Menge des reaktiven Gases in dem Metall, das meiste reagiert jedoch damit unter Bildung einer eutektischen Schmelze auf den Oberflächen, Bei der

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eutektischen Temperatur, z.B. für Kupfer-Kupferoxyd, von
1O65°C bildet sich eine flüssige Phase von oder benachbart der
eutektischen Zusammensetzung, die eine Haut um das Metall bildet. Die Dicke dieser geschmolzenen Haut hängt vom Partialdruck.des
reaktiven Gases und der Dauer bei der erhöhten Temperatur ab.
Für Kupfer-Sauerstoff-Systerne z.B. mit einem Sauerstoffpartialdruck von weniger als 1,5 x 10 atm (dem Gleichgewichts_partialdruck über CUpO bei 1O65°C) bildet sich das Kupfer-Sauerstoff-Eutektikum nicht. Es werden daher Partialdrucke oberhalb dieses
Wertes benötigt, um das gewünschte Eutektikum zu bilden.

Unter den Bedingungen, welche die Bildung des Eutektikums gestatten, scheint das Eutektj-kum das Metall und das nichtmetallische hitzebeständige Material in einer solchen Weise zu benetzen,
dass sich nach dem Abkühlen eine feste Bindung zwischen den
beiden Materialien bildet. Es ist auch eine feste Bindung bei
Verwendung von reinem Kupfer bei seinem Schmelzpunkt von IO83 C
in Abwesenheit eines reagierenden Gases (und sogar in einer reduzierenden Atmosphäre) festgestellt worden, doch verliert das ; Kupferteil seine strukturelle Integrität und bildet flüssige
Tropfen, welche sich mit dem nichtmetallischen hitzebeständigen ; Material verbinden.

Wenn der Partialdruck des reaktiven Gases zu gross ist, dann
reagiert das gesamte Metall mit dem reaktiven Gas und büdet z.B. > ein Oxyd, Sulfid, Phosphid usw., was die Bildung der eutektischen Schmelze verhindert. Es ist daher ein Partialdruck des reaktiven ' Gases erforderlich, bei dem sowohl die Phase der eutektischen
Schmelze als auch die metallische Phase vorhanden sind. Versuche haben gezeigt, dass extrem feste Bindungen erhalten werden, wenn beide Phasen vorhanden sind. Zur Durchführung der vorliegenden Erfindung ist daher ein Partialdruck des reaktiven Gases erforderlich, der gross genug ist, um die Bildung eines Eutektikums mit dem Metall zu gestatten, der jedoch nicht so gross ist, um j. während der Reaktionszeit das gesamte Metall in das Oxyd, '

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- 15 Sulfid, Phosphid usw. umzuwandeln.

In der Erfindung ist ferner festgestellt worden,'dass durchweg
gute Bindungen zwischen Metallen und nichtmetallischen Materialien , wie Kupfer und Aluminiumoxyd oder Berylliumoxyd z.B. in Gegenwart von Sauerstoff erhalten werden können, solange der Prozent- i gehalt des Sauerstoffes im Inertgas im Bereich zwischen unge- : fähr 0,03 und 0,1 Vol.-% liegt. Eine Bindung wird nicht erhalten, wenn der Prozentgehalt des Sauerstoffes weniger als ungefähr
0,01 Vol.-Jt beträgt, weil dann nur eine unzureichende Oxydbildung stattfindet. Es tritt auch keine Bindung auf, wenn der Prozentgehalt des Sauerstoffes mehr als 0,5 Vol.-% der Gesamtgasströmung beträgt, da dann das Metall vollständig oxydiert wird. In dem : Zwischenbereich, d.h. von 0,01 bis 0,03 und von 0,1 bis 0,5 VoI,-Jf Sauerstoff tritt lediglich eine Randbindung ein. um durchweg ■ gute Bindungen zwischen Kupfer und Aluminiumoxyd oder Berylliumr · oxyd zu erhalten, ist also ein Arbeiten innerhalb des Bereiches j von ungefähr 0,03 bis 0,1 Vol.-J Sauerstoff bevorzugt. j

Die folgende Tabelle III gibt die Partialdruckbereiche der
reaktiven Gase wieder, bei denen gute Bindungen für andere Me- j talle und Gase erhalten werden. Es sind nur solche Eutektika aufgeführt, die eine eutektische Temperatur im Bereich innerhalb
von 50⁰C vom Schmelzpunkt des Metalles aufweisen.

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TABELLE III

Eutektische Ver- Vol.-# reaktives
bindung Gas

Cu - CuO 0,01-0,5

Cu - CuS 0,01 - 0,5

Ni - NiO 0,01 - 0,3

Co - CoO 0,01 - 0,4 . j

Fe - PeO 0,01 - 0,3 [

Diese ausgewählten Metalle, Nichtmetalle und reaktiven Gase

sind lediglich beispielsweise angegeben und sollen keine Be- ;

grenzung der Erfindung darstellen. Dem Fachmann sind weitere ;

Beispiele geeigneter Materialien und reaktiver Gase auf Grund ' ι

seines Fachwissens zugänglich. i

Brauchbare Bindungen werden z.B. gebildet, mit der vorgenannten ·

binären metallischen Zusammensetzung, wie Kupfer-Nickel, Nickel·· i

Kobalt, Kupfer-Chrom, Kupfer-Kobalt, Eisen-Nickel und Beryllium- . Kupfer in einer reaktiven Atmosphäre, die Sauerstoff enthält.

Ternäre Zusammensetzungen aus Eisen, Nickel und Kobalt führen \

auch zu brauchbaren Bindungen in einer reaktiven Atmosphäre von , Sauerstoff. Auch Silber-Gold-Zusammensetzungen lassen sich mit
nichtmetallischen hitzebeständigen Teilen in einer reaktiven

Atmosphäre, die ein schwefelhaltiges Gas enthält, wie Schwefel- :',

wasserstoff, verbinden. . :

Der Fachmann kann die mit einem.nichtmetallischen hitzebeständigen Material verbundenen Metallteile durch fotolithographische
Maskier- und Ätztechniken zu einem bestimmten Muster gestalten,
nachdem die gewünschte Bindung hergestellt ist. Dieses Verfahren
zur Bildung von Leitermustern wird bei der Herstellung von
integrierten Schaltkreisen auf Halbleiterbasis bevorzugt, bei

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denen die Grosse der Leiter, würde man diese schon vor dem Verbinden handhaben müssen, grosse Probleme aufwerfen würde.

Mikrowellen-Untersuchungen an elektrischen Schaltungen, die aus mit Aluminiumoxyd verbundenen Kupfermustern gebildet waren, wiesen Q'-Werte auf, die vergleichbar solchen waren, die durch Dünnfilmtechniken erhalten wurden. So wurden z.B. Q'-Werte von mehr als : 450 beobachtet.

Die Gesamtgasströmungsgeschwindigkeit kann innerhalb weiter Grenzen variiert'werden, ohne dass die Bindung dadurch wesentlich beeinflusst wird, und es sind im allgemeinen ökonomische Erwägungen, die zur Einstellung einer annehmbaren Gas-Strömungsgeschwindigkeit führen. Auch der Partialdruck des reaktiven Gases in dem Inertgas kann .variiert werden in Abhängigkeit von z.B. den relativen Grossen der Materialien, die zu verbinden sind, der Gas-Strömungsgeschwindigkeit, der Anwesenheit reaktiver ' Elemente in dem Strömungssystem, wie Kohlenstoffauflagen im ^! Falle eines Sauerstoffsystems, der Erhitzungsgeschwindigkeit vor dem Verbinden und der Anwesenheit von restlichem Sauerstoff ■ oder Wasser in dem zu verbindenden System und der Zeit zum Ver- j binden. I

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum direkten Verbindungen eines Metallteils mit einem aus nichtmetallischem hitzebeständigem Material bestehenden Substrat, gekennzeichnet durch die folgenden Stufen:

Inkontaktbringen eines Metallteils mit einem aus nichtmetallischem Material bestehenden Substrat, Erhitzen des Teiles und des Substrates in ejiner reaktiven Atmosphäre, um ein Eutektikum mit dem Metallteil zu bilden, welches das⁷ Teil und das Substrat benetzt, und Abkühlen des Substrates und des damit verbundenen Teiles.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das Metallteil ausgewählt ist aus Kupfer, Nickel, Kobalt, Eisen, Chrom und den Legierungen Kupfer-Nickel, Nickel-Kobalt, Kupfer-Chrom, Kupfer-Kobalt, Eisen-Nickel, Silber-Gold und Beryllium-Kupfer.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass das reaktive Gas ausgewählt ist aus Sauerstoff, einem schwefelhaltigen Gas und einem phosphorhaltigen Gas.

4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Substrat ausgewählt ist aus Aluminiumoxyd, Berylliumoxyd,

" gesintertem Siliciumdioxyd, Titanaten und Spinellen.

5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Metallteil eine Dicke im Bereich von etwa 0,025 mm bis 6,4 mm (1/1000 bis 1/4 Zoll) aufweist.

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6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet , dass in

der reaktiven Atmosphäre ein reaktives Gas mit einem Partialdruck vorhanden ist, der grosser ist als der Gleichgewichtspartialdruck des reaktiven Gases in dem Metall bei oder oberhalb der eutektischen Temperatur.

7· Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites nichtmetallisches Material in Kontakt mit dem Metallteil angeordnet wird, um die beiden nichtmetallischen Materialien miteinander zu verbinden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , dass ein zweites Metallteil in Kontakt mit dem nichtmetallischen Material angeordnet wird, um Bindungen auf den gegenüberliegenden Oberflächen des nichtmetallischen Materials zu schaffen.

9. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Eutektikum bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Metallteiles gebildet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 8 bis 9, dadurch gekenn ze ich η et , dass nach dem Abkühlen aus dem Metallteil ein bestimmtes Muster herausgearbeitet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet , dass nach dem Abkühlen ein Halbleiterelement mit dem Metallteil verbunden wird.

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12, Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche,

dad urch gekennzeichnet , dass bei

der Bildung eines Eutektikums eine Mischung aus einem im wesentlichen inerten Gas mit einem Gehalt von ungefähr 0,01 bis 0,5 VoI,-% eines reaktiven Gases über das Metallteil und das nichtmetallische Teil geleitet wird.

13, Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , - dass das reaktive Gas Sauerstoff in einer Menge von etwa 0,03 bis 0,1 Vol.-Jf der reaktiven Atmosphäre ist.

14, Verfahren nach den Ansprüchen 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Eutektikum Kupfer-Kupferoxyd ist, welches bei einer Temperatur von etwa 1065 C gebildet wird.

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