DE2418106A1

DE2418106A1 - Dry soldering metal foils to ceramic substrates - using flexible carbon felt pressure bolster to ensure uniform surface contact

Info

Publication number: DE2418106A1
Application number: DE2418106A
Authority: DE
Inventors: Winfried Schlapp; Heinrich Dipl Schmidt-Bruecken
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-04-13
Filing date: 1974-04-13
Publication date: 1975-11-06

Abstract

A dry soldering process for the high-strength metallisation of a ceramic, glass or other oxidic substrate by pressing a metal foil contg. an active metal onto the substrate and heating the assembly in an inert atmos. or high vacuum at a temp. below the m.pt. of the metal. Intimate contact between the metal foil and the ceramic, required during heating, is obtd. using pressure applied via a flexible, heat-resistant pressure bolster which does not react with the foil. The bolster is pref. carbon felt, or carbon powder put on top of the foil and, if required, covered by a heavy, heat-resistant body inert to carbon for raising the pressure. Method is used for mfr. of ceramic-metal joints, etc., for strip conductors or integrated circuits.

Description

Trockenlötverfahren zum hochfesten Verbinden von Metallfolien mit Keramiken, Gläsern und anderen oxidischen Werkstoffen.Dry soldering process for high-strength joining of metal foils with Ceramics, glasses and other oxidic materials.

Für die Herstellung festhaftender Metall/Keramik-Verbindungen ist in den letzten Jahren das sogenannte Trockenlötverfahren bekannt geworden. (DU-0 20 55 657). Bei diesem Verfahren werden Legierungen aus beispielsweise Kupfer, Silber oder Gold mit einem kleinen Anteil eines Zktivmetalles (z.B.For the production of firmly adhering metal / ceramic connections The so-called dry soldering process has become known in recent years. (DU-0 20 55 657). In this process, alloys are made of, for example, copper, silver or gold with a small amount of a target metal (e.g.

lithium, Magnesium, Beryllium oder Zirkon) gegen die zu verbindende Keramik gepreßt und dabei im Hochvakuum oder Edelgas auf eine Temperatur von beispielsweise 1000 oder 2000 C unterhalb des Metallschmelzpunktes erhitzt. Der Druck, mit dem diese beiden Partner gegeneinander gepreßt werden, muß so hoch gewählt werden, daß das Metall bei der Glühtemperatur bereits so weit plastisch verformt wird, das es in satten Kontakt zur Keramik kommt. ffierzu ist für Kupfer, Silber und Gold und 8000 C bereits ein Druck von etwa 200 kp/cm2 ausreichend - bei höherer Temperatur genügen niedere Drucke.lithium, magnesium, beryllium or zircon) against the one to be connected Pressed ceramic and thereby in a high vacuum or noble gas to a temperature of, for example Heated 1000 or 2000 C below the metal melting point. The pressure with which these two partners are pressed against each other, must be chosen so high that the metal is already so plastically deformed at the annealing temperature that it comes into full contact with the ceramic. ffierzu is for copper, silver and gold and 8000 C already a pressure of about 200 kp / cm2 sufficient - at higher Low pressures are sufficient for temperature.

Bei der Glühtemperatur reduziert dann das Aktivmetall der Legierung die Oberflächenvalenzen der Keramik, so daß echte Bindungsbrücken zwischen Metall und Keramik entstehen. Die so hergestellte Yetall/Keramik-\Terbindung weist eine extrem hohe Haftfestigkeit (1 bis 2 t/cm²) auf. Hierbei ist es ein besonderer Vorteil dieser Metall/Keramik-Verbindungen, daß ihre Festigkeit nicht durch die hohen Wärmespannungen vorbelastet wird, die in Folge der verschiedenen thermischen Aus-6o dehnungskoeffizienten von Keramik (8 x 10 / C) und Metall (17 x 10-6/° C für Kupfer) entstehen. Weil Legierungen von Kupfer, Silber oder Gold mit nur wenigen At.,bo an Aktivmetall noch die gute Duktilität der reinen Metalle aufweisen, kann vielmehr bei dieser Verbindung der nicht vermeidbare große Unterschied in der Schrumpfung der beiden Partner während des Abkühlens durch plastische Verformung des Metalls ausgeglichen werden.The active metal of the alloy is then reduced at the annealing temperature the surface valences of the ceramic, so that real bonding bridges between metal and ceramics are created. The yetall / ceramic bond produced in this way has a extremely high adhesive strength (1 to 2 t / cm²). It is a particular advantage here These metal / ceramic connections mean that their strength is not due to the high thermal stresses is preloaded as a result of the various thermal expansion coefficients of ceramics (8 x 10 / C) and metal (17 x 10-6 / ° C for copper). Because alloys of copper, silver or gold with only a few atoms, but still the good active metal The ductility of the pure metals can, in this connection, rather be the case unavoidable big difference in the shrinkage of the two partners during of cooling can be compensated for by plastic deformation of the metal.

Auch in elektrischer Hinsicht zeichnen sich diese Metall/Keramik-Verbindungen durch hohe Güte aus. Die Leitfähigkeit der an die Keramik angrenzenden #etalloberfläche - auf die es wegen des Skineffektes besonders ankommt - ist ausgezeichnet, weil sie aus fast reinem Kupfer, silber oder Gold besteht. Auch die dielektrischen Eigenschaften der Keramik werden durch die Trockenlötung nicht verschlechtert, weil zur Bindung nur die Oberflächenvalenzen reaktiviert werden, ohne daß die Keramik im Inneren verändert wird - wie das bei anderen Verfahren durch das Einbrennen von haftungsvermittelnden Fremdstoffen geschieht. Die nach dem Trockenlötverfahren mit Trockenlotfolien hergestellten Metall/Keramik-Verbindungen weisen also erwartungsgemäß sowohl kleine tromverluste als auch kleine Spannungsverlusteauf, so daß sich nach diesem Verfahren Bauteile extrem hoher elektrischer und mechanischer Güte herstellen lassen.These metal / ceramic connections also excel in electrical terms characterized by high quality. The conductivity of the etal surface adjacent to the ceramic - which is particularly important because of the skin effect - is excellent because it consists of almost pure copper, silver or gold. Also the dielectric properties of the ceramics are not deteriorated by the dry soldering because of the bond only the surface valences are reactivated without the ceramic inside is changed - as is the case with other processes by burning in adhesion-promoting materials Foreign matter happens. Those produced by the dry soldering process with dry solder foils As expected, metal / ceramic connections show both small power losses as also small voltage losses, so that after this process components become extremely high electrical and mechanical quality can be produced.

Diese Art von Metall/Keramik-Verbindungen wären deshalb besonders geeignet, um daraus etwa Streifenleitungen oder auch integrierte Schaltungen herzustellen, indem man etwa Metallfolien als leitende Beläge auf dünne Keramiksubstratplättchen aufbringt. Wenn solche Metallfolien einige At.%o Aktivmetall enthalten und sie im satten Kontakt zur Keramik auf eine Temperatur von 100 bis 2000 C unterhalb des Metallschmelzpunktes erhitzt werden, dannetibt sich dte oben für das kompakte Metall beschriebene gute Haftung der Metallfolien auf dem Keramiksubstratplättchen.This type of metal / ceramic bond would therefore be special suitable for making striplines or integrated circuits from them, by placing metal foils as conductive coatings on thin ceramic substrate plates brings up. If such metal foils contain some at.% O active metal and they im full contact with the ceramic at a temperature of 100 to 2000 C below the Metal melting point are heated, then the above is for the compact metal described good adhesion of the metal foils on the ceramic substrate plate.

Das einzige Problem bei dieser Anwendung des Trockenlötverfahrens ist nur die Herstellung des satten Kontaktes zwischen der Metallfolie und dem dünnen Keramiksubstratplättchen. Ein Druck auf die Metallfolie mit 100 bis 200 kp/cm2 würde das dünne Keramikplättchen zerbrechen. Außerdem ist eine Metallfolie von beispielsweise nur 10 /um Dicke nicht derart weit plastisch verformbar, daß sich Unebenheiten durch seitlichen Fluß ausgleichen lassen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, bei einem Trockenlötverfahren einen ausreichend satten Kontakt zwischen einer dünnen Trockenlot- oder Metallfolie und dem Keramiksubstratplättchen herzustellen, ohne letzteres dabei zu zerbrechen.The only problem with this application of the dry soldering process is only the establishment of the full contact between the metal foil and the thin one Ceramic substrate wafers. A pressure on the metal foil with 100 to 200 kp / cm2 would be break the thin ceramic plate. In addition, a metal foil of, for example only 10 / um thickness not plastically deformable to such an extent that unevenness can be seen through Allow lateral flow to equalize. It is therefore an object of the invention in a Dry soldering process ensures a sufficiently full contact between a thin dry solder or to produce metal foil and the ceramic substrate plate without the latter to break.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung in besonders einfacher Weise gelöst.This problem is solved by the invention characterized in the main claim solved in a particularly simple way.

Die dünnen und deshalb flexiblen Metallfolien lassen sich also schon durch geringen Druck satt an die Keramik andrükken, wenn der Druck über ein nachgiebiges Druckpolster über tragen wird. Das nachgiebige Druckpolster drückt dann die leicht verformbare ltetallfolie sowohl auf den Höhen als auch in den Jenken gegen die schwach unebene Keramikoberfläche und stellt dadurch den erforderlichen satten Kontakt auf der ganzen Fläche her. Erforderlich hierfür ist nur ein Druck polster, welches die Glühtemperatur von 800 bis 1 0000 C oder noch höher aushält und welches dabei selbst keine Haftvalenzen zur Metallfolie bildet.The thin and therefore flexible metal foils can be Apply a little pressure to the ceramic, if the pressure is above a yielding one Pressure pad is carried over. The resilient pressure pad then presses the lightly Deformable ltetall sheet both on the heights and in the Jenken against the weak uneven ceramic surface and thus provides the necessary full contact the whole area. All that is required for this is a pressure pad that supports the Withstands an annealing temperature of 800 to 10000 C or even higher and which itself does not form any adhesive valences to the metal foil.

Torzugsweise wird als Druckpolster ein Kohlefilz benutzt. Diese im Handel erhältliehen Kohlefilze haben sich gut bewährt.A carbon felt is preferably used as a pressure pad. This in Commercially available carbon felts have proven themselves well.

Zur Durchführung des Verfahrens werden auf das Keramiksubstratplättchen die etallfolien gelegt, die zuvor durch Ausstanzen oder mit einer Schere in die gewünschte Form geschnitten wurden. Dieses Flächenmuster wird dann mit einem Kohlefilz von beispielsweise etwa 1 cm Dicke abgedeckt und dieses Druckpolster wird - etwa mit einer dicken Keramikscheibe - beschwert, um auf diese Weise einen gleichmäßigen Druck von einigen gr/cm² auf die Metallfolie und das Keramiksubstratplättchen zu übertragen. Als Trockenlotfolien können beispielsweise die im Handel erhältlichen Metallfolien aus Kupfer mit 2,0 oder mit 1,7 Gew. Beryllium benutzt werden. Noch bester geeignet sind solche Metallfolien mit wesentlich kleinerem Berylliumgehalt, z.B.To carry out the process, the ceramic substrate plate is applied the metal foils are laid, which were previously punched into the desired shape were cut. This surface pattern is then made with a carbon felt covered by, for example, about 1 cm thick and this pressure pad is - about with a thick ceramic disc - weighted down in order to create a uniform Pressure of a few gr / cm² on the metal foil and the ceramic substrate plate transfer. For example, those commercially available can be used as dry solder foils Metal foils made of copper with 2.0 or 1.7 wt. Beryllium can be used. Yet Metal foils with a significantly lower beryllium content are more suitable, e.g.

solche mit 1 Ast.% Beryllium. Auch Kupfer/Tithium (mit 0,27 Gew.% Lithium) und #ilber/Magnesium (3 Gew.#1v#) haben sich als gut geeignet #rviesen. Kit Trockenlotfolien aus Kupfer mit 0,15 Ges.~ Zirkon läßt sich bei 9000 C ebenfalls gute Haftung zur Keramik herstellen - obwohl hierbei ein Teildes einlegierten Zirkons durch Reaktion mit dem aufliegenden Kohlefilz verbraucht ist.those with 1 Ast.% beryllium. Also copper / tithium (with 0.27 wt.% Lithium) and # silver / magnesium (3 wt. # 1v #) have proven to be very suitable. Kit of dry solder foils made of copper with 0.15 total zirconium can also be used at 9000 C. good adhesion to the ceramic produce - although this is part of it Alloyed zirconia is consumed by reaction with the carbon felt on top.

Die hierbei über arbidbindungsbrücken angehefteten Kohlefasern lassen sich von der mit der Keramik verbundenen Metallfolie wieder abreiben.Leave the carbon fibers attached by means of binding bridges rub off again from the metal foil bonded to the ceramic.

Metallfolien aus reinem Zirkon erwiesen sich hingegen als ungeeignet. Dieses erst bei 1 8450 C schmelzende Metall reagiert nämlich bei Glühungen bis 1 000 C mit der Keramik noch nicht.Metal foils made of pure zircon, however, proved to be unsuitable. This metal, which only melts at 1 8450 C, reacts to annealing up to 1 000 C with the ceramic not yet.

endet man höhere Temperaturen an, dann reagiert die Solie aber bereits unter Karbidbildung mit dem Kohlefilz. Bei 1 4000 C wird die-Polie vollständig in Zirkonkarbid überführt.if you end up with higher temperatures, the Solie already reacts with carbide formation with the carbon felt. At 1 4000 C, the polie becomes completely in Transferred to zirconium carbide.

Mit dem Titan - das dem Zirkon chemisch verwandt ist - ist hingegen eine Bindung möglich. Angepreßte Folien aus reinem Titan reagieren nämlich bereits bei etwa 1 1000 C mit der Keramik unter Ausbildung der fiaftvalenzen - ohne daß sie bei dieser Temperatur bereits merklich mit dem Kohlefilz unter Karbidbildung reagieren.With titanium - which is chemically related to zircon - is on the other hand a bond is possible. Pressed-on foils made of pure titanium are already reacting at about 1 1000 C with the ceramic forming the fifth valences - without that at this temperature they already noticeably with the carbon felt with carbide formation react.

Auch beim Nob - welches erst bei 2 4500 C schmilzt - ist die Affinität des Metalls bei 1 3000 C gegen die Keramik größer als gegen die Kohle, so daß sich hierbei die Haftung. zwischen Metall und Keramik ausbildet, ohne daß die olie auf der Kohleseite merklich umgesetzt wird.The affinity is also in the case of Nob - which only melts at 2 4500 C of the metal at 1 3000 C against the ceramic is greater than against the carbon, so that here the liability. between metal and ceramic forms without the oil on the coal side is noticeably implemented.

Die Metallisi#erung#der Keramik mit Titan- und besonders mit iobfolien vertragen - nachdem der Kohlefilz abgenommen ist -im Hochvakuum oder in ßdelgasstmosphtire selbstverständlich noch höhere Temperaturen als die, bei denen sie aufgebrannt wurden. Das Niob kann bis nahe an den Schmelzpunkt der Al203-Keramik benutzt werden. Metallisierungen dieser Arst sind deshalb für Anwendungen geeignet, bei denen es weniger auf gute elektrische Leitfähigkeit als auf hohe Temperaturbeständigkeit ankommt.The metallization # of the ceramic with titanium and especially with iob foils tolerated - after the carbon felt has been removed - in a high vacuum or in a gas atmosphere Of course, even higher temperatures than those at which they were burned. The niobium can be used up to the melting point of the Al203 ceramic. Metallizations this arst are therefore suitable for applications where it less on good electrical conductivity than on high temperature resistance arrives.

Die Ausbildung der Haftvalenzen erfolgt bei den beschriebenen Trockenlötverfahren in allen Fällen erst bei Glühtemperaturen - weil die Metalle und besonders die Keramiken bei niederen Temperaturen zu träge reagieren. Hinzu kommt, daß die bei dieser Reaktion als Nebenprodukt entstehenden Oxide des Aktivmetalls in die Keramik unter Mischoxidbildung eindiffundieren müssen - weil sie sonst als schädliche Trennschicht zwischen Metall und Keramik wirken würden. Diese Mischnxidbildung beginnt etwa bei 8000 O. Je höher die Glühtemperatur, um so leichter erfolgt dieses Eindiffundieren.The formation of the adhesive valences takes place in the dry soldering process described in all cases only at annealing temperatures - because the metals and especially the ceramics react too slowly at low temperatures. On top of that, the reaction in this case Oxides of the active metal formed as a by-product in the ceramic with the formation of mixed oxides have to diffuse in - because otherwise they act as a harmful separating layer between metal and ceramics would work. This mixed oxide formation begins at around 8000 O. The higher the annealing temperature, the easier this diffusion takes place.

Bei Kupfer, silber und Gold ist man wegen des nicht sehr hohen Schmelzpunktes dieser Metalle und ihrer Legierungen jedoch auf Temperaturen zwischen 800 und etwa 1 0000 C beschränkt. Für Nickel und Kobalt kann man Temperaturen bis etwa 1 400° C anwenden, was aber für die meisten Aktivmetalle gar nicht erforderlich ist, da Aktivmetalle wie Magnesium, Beryllium, Titan und Zirkon bereits bei 800 bis 1 0000 J schnell genug reagieren und Haftvalenzen bilden. Der Schmelzpunkt der Legierung limiert die erforderliche Glühtemperatur also nach oben, aber es ist - besonders für hochschmelzende Metalle - nicht erforderlich, in der Nähe der Schmelzpunkte zu operieren. Die Glühtemperatur muß also in einem Bereich liegen, der etwa bei 8000 C beginnt und der nach oben durch den Schmelapunkt der Legierung oder den Erweichungspunkt der Keramik bzw. den Entglasungspunkt von Glaskeramiken begrenzt ist. Wie hoch die Glühtemperatur in diesem Bereich nach oben gelegt werden soll, ist nach der erforderlichen Reaktionsgeschwindigkeit auszuwählen, die von der Diffusionsgeschwindigkeit des Aktivmetalloxides in das Keramikoxid bestimmt wird.With copper, silver and gold one is because of the not very high melting point However, these metals and their alloys at temperatures between 800 and about 1 0000 C limited. For nickel and cobalt, temperatures of up to about 1,400 ° can be used Use C, which is not necessary for most active metals, since Active metals such as magnesium, beryllium, titanium and zirconium already at 800 to 1 0000 J react quickly enough and form adhesion valences. The melting point of the alloy so limits the required annealing temperature upwards, but it is - special for refractory metals - not required, close to the melting points to operate. The annealing temperature must therefore be in a range around 8000 C starts and that goes up through the melting point of the alloy or the softening point the ceramic or the devitrification point is limited by glass ceramics. How high they Annealing temperature should be put up in this range, is required according to the To select the reaction rate, which depends on the diffusion rate of the Active metal oxide is determined in the ceramic oxide.

In der vorstehenden Beschreibung sind - für Trockenlotfolien aus Legierungen - immer Kupfer, Silber oder Gold als Beispiele für das Grundmetall genannt, in welches die Aktivmetalle einlegiert sein sollen. Wegen ihrer guten Leitfähigkeit sind diese nämlich für die meisten elektrischen Probleme zu bevorzugen. Das Verfahren ist aber nicht auf diese Grundmetalle beschränkt. So ist z.B. Wickel oder Kobalt als Grundmetall benutzbar, wenn eine duktile magnetische Folie auf Keramik angebracht werden soll.In the above description - for dry solder foils made of alloys - Always named copper, silver or gold as examples of the base metal in which the active metals should be alloyed. Because of their good conductivity, these are namely, preferable for most electrical problems. The procedure is though not limited to these base metals. For example, winding or cobalt is used as the base metal can be used when a ductile magnetic foil is to be applied to ceramic.

Als Keramiksubstrate sind in der vorstehenden Beschreibung immer die sehr häufig benutzten dünnen A1203-ilättchen genannt worden. Auch auf diese ist das Verfahren nicht beschränkt.In the above description, the ceramic substrates are always those very often used thin A1203-wafers. Also on this is the procedure is not limited.

Um Schaltungen für hohe Verlustleistungen herzustellen, wird man beispielsweise Substrate aus Berylliumoxid benutzen, weil dieses die Wärme gut ableitet. Genau so gut sind alle anderen oxidischen Werkstoffe für diese Verbindungen brauchba# - also auch Mischoxid-Keramiken, Gläser und Glaskeramiken.To produce circuits for high power dissipation, one will, for example Use beryllium oxide substrates because it dissipates heat well. Exactly all other oxidic materials are so well usable for these compounds - including mixed oxide ceramics, glasses and glass ceramics.

Claims

1. Dry soldering process for high-strength metallization of a ceramic, a glass or other oxidic materials by pressing an active metal containing metal foil and annealing this combination in an inert atmosphere or in a high vacuum at temperatures below the metal melting point, d a d u r c h G e k e n n n -marked that the full amount required during annealing Contact between the metal foil and the ceramic by pressing on the metal foil via a flexible, temperature-resistant one that does not react with the metal foil Pressure pad is produced.

2. dry soldering method according to claim 1, characterized in that a carbon felt is used as a pressure pad.

3. dry soldering method according to claim 1, characterized in that carbon powder is used as a pressure cushion (for even pressure transfer), which is poured onto the film and which, if necessary, to increase the pressure Placing heavy, temperature-resistant bodies that do not react with the coal can be complained.

40 dry soldering method according to claim 2 or 3, characterized in that that metal foils made of such metals or alloys are used, which at the applied annealing temperatures not or not yet noticeably with the overlying Pressure pads react.