DE2508224B2 - Verfahren zum Verbinden eines Metallstückes mit einem Keramiksubstrat - Google Patents
Verfahren zum Verbinden eines Metallstückes mit einem KeramiksubstratInfo
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Description
Bereichen des Kupferbleches 21 entfernt werden, um eine gemusterte Oxidschicht 22" zu bilden. Durch
Benutzen einer gemusterten Oxidschicht kann man selektiv die Bereiche kontrollieren, an denen die
Bindung zwischen dem Kupferstück und dem Keramik- --,
substrat stattfinden wird.
Das Kupferblech 21 wird dann auf einem Dorn 23 oder einem anderen geeigneten Gerät gebogen, so daß
sich die gemusterte Oxidschicht 22' auf der konvexen Oberfläche befindet. Der Grad der Biegung ist nicht ι ο
kritisch und hängt zum Teil von der Stabilität des erhaltenen Nietallstückes ab, d. h. davon, ob das
Metallstück auf dem Keramiksubstrat an Ort und Stelle verbleibt oder nicht, und er hängt zum Teil auch von der
Größe der Schmelzofenöffnung ab, durch die die Teile hindurchgehen müssen. Es kann sowohl das gesamte
Kupferblech 21 gebogen werden oder nur die oxidierten Teile davon, wie in den F i g. 2d und 2e dargestellt
Das Kupferblech 21 wird dann in die gewünschte Lage auf dem Keramiksubstrat 24 gebracht, das Ganze
in einem geeigneten Schmelzofen angeordnet und auf eine Temperatur oberhalb der eutektischen Temperatur
aus Kupfer und Kupferoxid erhitzt, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes des Kupfers, d. h. zwischen 1065
und 1083° C. Wie in Fi g. 2 ersichtlich, befindet sich das
gebogene Kupferblech 21 zu Beginn des Erhitzens auf eine Temperatur oberhalb der eutektischen Temperatur
nur auf einer relativ kleinen Fläche in Berührung mit dem Keramiksubstrat 24. Mit zunehmender Tempe ratur
wird das Kupferblech 21 duktiler und erweicht, so daß sich das Kupferblech 21 während des Erhitzens entrollt
und sich dem Keramiksubstrat 24 in einer solchen Weise anpaßt, daß die Bildung irgendwelcher Hohlräume und
Blasen in dem Eutektikum im wesentlichen verringert wird. Das so gebildete Eutektikum stellt einen innigen
Kontakt zwischen dem Kupferblech 21 und dem Keramiksubstrat 24 her, was nach dem Abkühlen zur
Bildung der Verbindung 25 nur in den gewünschten Bereichen und dies im wesentlichen frei von irgendwelchen
Fehlern führt. Die Atmosphäre für das zweite ·ιο
Erhitzen umfaßt die gleichen wesentlichen Bestandteile wie für das erste Erhitzen, doch sind sie nicht in den
gleichen Anteilen vorhanden, d. h. die Atmosphäre beim zweiten Erhitzen ist zwar reaktionsfähig, aber nicht so
reaktionsfähig wie beim ersten Erhitzen. Die Atmosphäre beim zweiten Erhitzen soll nicht das Kupfer
oxidieren, sondern sicherstellen, daß das oxidierte Kupfer nicht reduziert wird. Eine Konzentration des
reaktionsfähigen Gases im Bereich von 0,01 bis 0,5 Vol.-% ist beim Erhitzen geeignet.
Als besonderes Beispiel der vorliegenden Erfindung wurde ein etwa 2,5 χ 2,5 cm großes und etwa 0,125 mm
dickes Kupferblech bei einer Temperatur von 10500C
durch einen Förder-Schmelzofen geführt, der eine reaktionsfähige Atmosphäre mit etwa 0,4 Vol.-%
Sauerstoff in Stickstoff enthielt, um eine Oxidschicht zu
bilden. Das Kupferblech wurde dann auf einem Zylinder mit etwa 5 cm Durchmesser gebogen, wobei die
Oxidseite nach außen zeigte, so daß die oxidierte Oberfläche konvex war. Das Kupferblech wurde mit der
Oxidschicht nach außen auf einem Aluminiumoxid-Substrat
angeordnet und nochmals bei etwa 10780C durch den Förder-Schmelzofen geführt, um eine eutektische
Schmeize aus dem Kupfer und dem Kupferoxid zu bilden und das Verbinden abzuschließen. Die Sauerstoffkonzentration
beim eutektischen Erhitzen wurde auf 03 Vol.-°/o vermindert. Die Gesamtzeit in dem Förder-Schmelzofen
einschließlich Erwärmen und Abkühlen betrug etwa 10 Minuten.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden erhöht die Ausbeute an verbundenen Elementen, indem
es die Zahl der Hohlräume und Blasen, die in den zu verbindenden Bereichen gebildet werden, verringert.
Weiter führt das Erhitzen des Metallstückes vor der Stufe des eutektischen Schmelzens zur Bildung einer
Schicht, die dann in geeigneter Weise geformt werden kann, um die Bereiche zu kontrollieren, in denen das
Verbinden stattfindet Außerdem stellt das Erhitzen des Metallstückes in der sauerstoffhaltigen reaktionsfähigen
Atmosphäre vor dem Bilden des Eutektikums sicher, daß sich eine für das Eutektikum angemessene
Oxidschicht bildet. Würde z. B. das Kupferblech 21 einfach über dem Keramiksubstrat 24 liegen, dann
müßte die reaktionsfähige Atmosphäre zwischen beide Teile eindringen, um die eutektische Bindung zu bilden.
Indem man zuerst die Kupferoberfläche behandelt, wird dieses Erfordernis beseitigt. Weiter kann das Kupferblech
21 dünner sein als früher benutzt, da der größte Teil der Bildung des Eutektikums an der Grenzfläche
zwischen Kupferblech 21 und Keramiksubstrat 24 stattfindet und nicht an der oberen Oberfläche des
Kupferbleches 21.
Wie in den F i g. 2e und 2f gezeigt, ragt das Kupferblech 21 über das Substrat 24 hinaus, und dieser
überragende Teil kann z. B. eine Elektrode bilden. Bei der Bearbeitung kann diese Elektrode in einer
Einspannvorrichtung abgestützt werden, die eine Bornitrid- oder Kohlenstoff-Beschichtung trägt, mit der
sich das Eutektikum, wenn ein solches vorhanden ist, nicht verbindet. Die Elektroden werden so während der
Fabrikation geradegehalten. Jene Teile des Kupferbleches 21, die nicht oxidiert sind, aber auf dem
Keramiksubstrat 24 liegen, werden durch dieses Keramiksubstrat abgestützt, jedoch nicht damit verbunden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können selbstverständlich verschiedene Abänderungen vorgenommen
werden. So können außer dem beschriebenen Kupfer/Kupferoxyd-Eutektikum verschiedene Kombinationen
von Metallstücken und reaktionsfähigen Atmosphären eingesetzt werden, wie sie z. B. in der
obengenannten US-PS 37 66 634 beschrieben sind. Auch kann nicht nur ein Förder-Schmelzofen, sondern
irgendein geeigneter Schmelzofen verwendet werden.
Claims (6)
1. Vet fahren zum Verbinden eines Metallstückes
mit einem Keramiksubstrat durch Erhitzen in einer reaktionsfähigen Atmosphäre unter Bildung einer
Schicht aus umgesetztem Metall auf dem Metallstück und Abkühlen von Metallstück und Keramiksubstrat
unter Verbindung beider miteinander, dadurch gekennzeichnet,
daß man erst das Metallstück in der reaktionsfähigen Atmosphäre bis zu einer Temperatur unterhalb der
eutektischen Temperatur des Metalles erhitzt, bei der sich die Schicht aus umgesetztem Metall auf dem
Stück bildet,
daß man das Metallstück biegt, so daß sich die genannte Schicht auf der konvexen Oberfläche des
Metallstückes befindet,
man dann das Metallstück mit dem Keramiksubstrat in Berührung bringt, und
das Metallstück und das Keramiksubstrat bis zu einer Temperatur oberhalb der eutektischen Temperatur
des Metalles und der genannten Schicht, jedoch unterhalb der Schmelztemperatur des Metalles
in einer weniger als die erstgenannte Atmosphäre reaktionsfähigen Atmosphäre erhitzt, wobei sich
das Metallstück durch Erweichen der Oberfläche des Keramiksubstrats anpaßt und das Eutektikum die
Berührungsfläche zwischen dem Metallstück und dem Keramiksubstrat benetzt, woraufhin das Abkühlen
unter Ausbildung der Verbindung erfolgt
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallstück Kupfer und als
reaktionsfähige Atmosphäre Sauerstoff verwendet wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als reaktionsfähige
Atmosphäre eine Atmosphäre aus 0,01 bis 0,5 Vol.-°/o Sauerstoff und Rest Stickstoff verwendet
wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gebildete Schicht
von ausgewählten Bereichen des Metallstückes entfernt wird, bevor man dieses biegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallstück in
einer Atmosphäre erhitzt wird, die 0,4 Vol.-% Sauerstoff enthält, und daß das Metallstück und das
Keramiksubstrat in einer Atmosphäre erhitzt werden, die 0,3 Vol.-% Sauerstoff enthält.
6. Verfahren zum Verbinden eines Metallstückes mit einem Keramiksubstrat nach den Ansprüchen 1
bis 5, gekennzeichnet durch folgende Stufen:
Ausbildung einer Oxydschicht auf mindestens einer Oberfläche des Metallstückes,
Ausbildung einer Oxydschicht auf mindestens einer Oberfläche des Metallstückes,
Biegen des Metallstückes,
Zusammenlegen des Metallstückes und des Keramiksubstrates, so daß die eine Oxydschicht aufweisende
Oberfläche des Metallstückes sich in Berührung mit dem Keramiksubstrat befindet,
Erhitzen der Einheit bU zu einer Temperatur oberhalb der eutektischen Temperatur von Metall und Metalloxyd und unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls, um das Keramiksubstrat mit dem Eutektikum zu benetzen, und
Abkühlen der Einheit, um das Metallstück mit dem Keramiksubstrat zu verbinden.
Erhitzen der Einheit bU zu einer Temperatur oberhalb der eutektischen Temperatur von Metall und Metalloxyd und unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls, um das Keramiksubstrat mit dem Eutektikum zu benetzen, und
Abkühlen der Einheit, um das Metallstück mit dem Keramiksubstrat zu verbinden.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines Metallstückes mit einem Keramiksubstrat gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Bei dem in der US-PS 37 66 634 beschriebenen Verfahren der vorgenannten Art ist die selektive
Ausführung, d.h. daß nur Teile des Metallstückes verbunden werden, schwierig. Eine solche selektive
Verbindung würde die Vielseitigkeit des Verfahrens zum Verbinden vergrößern. Und obwohl das obige
ίο Verfahren eine gute Ausbeute ergibt, ist die weitere
Verbesserung der Ausbeute erwünscht Gleichzeitig soll die Einfachheit, mit der die Verbindung hergestellt wird,
beibehalten werden.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren zum Verbinden eines
Metallstückes mit einem Keramiksubstrat dahingehend zu verbessern, daß es die Herstellung selektiver
Verbindungen gestattet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Patenanspruches 1 gelöst
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
In der obengenannten US-PS sind verschiedene Beispiele geeigneter Metallstücke, reaktionsfähiger
Atmosphären und Keramiksubstrate angegeben, die auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung brauchbar
sind. Die vorliegende Erfindung wird besonders für Kupferstücke, eine sauerstoffhaltige Atmosphäre und
Aluminiumoxid als Keramiksubstrat beschrieben.
jo Die Erf-ndung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt
jo Die Erf-ndung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt
F i g. 1 ein Fließdiagramm der Stufen des erfindungsgemäßen
Verfahrens und
F i g. 2a bis 2f die in jeder Stufe des erfindungsgemä-J5
Ben Verfahrens erhaltenen Strukturen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden
eines Metallstückes mit einem Keramiksubstrat kann am besten durch gemeinsame Betrachtung der F i g. 1
und 2a bis 2f verstanden werden, bei dem zuerst einem Kupferstück in Form eines Bleches 21 je nach der
beabsichtigten Anwendung eine gewünschte Gestalt gegeben wird. Es mag für einige Anwendungen
erwünscht sein, die Gestaltung des Kupferstückes nach dem Verbinden mit dem Keramiksubstrat vorzunehmen.
So kann z. B. das gewünschte Muster für Halbleiteranwendungen zu einem Metallstück führen,
das für eine einfache Handhabung zu zerbrechlich ist.
Führt die Formgebung bei dem Metallstück nicht zu einem zu zerbrechlichen Teil, dann kann sie als erste
so Stufe ausgeführt werden.
Das Kupferblech 21 wird oberflächenbehandelt, um darauf eine Schicht zu erzeugen, mit der Kupfer ein
Eutektikum bildet. Beispielsweise wird das Kupferblech 21 in einer geeigneten Heizkammer oder einem
Schmelzofen angeordnet, der eine sauerstoffhaltige Atmosphäre bei einer erhöhten Temperatur enthält, die
zur Bildung einer Oxidschicht 22 auf der Oberfläche des Kupferbleches 21 führt. Es ist zu bemerken, daß die
' Oxidation des Kupferbleches 21 nicht bei einer so hohen Temperatur ausgeführt wird, daß eine eutektische
Schmelze aus Kupfer und Kupferoxid entsteht. Wie aus Fig.2b ersichtlich, kann sich die Oxidschicht auf einer
oder beiden Seiten des Kupferbleches 21 bilden, je nachdem, wie dieses Kupferblech 21 in dem Schmelzes
ofen gehalten ist, d. h. ob die reaktionsfähige Atmosphäre Zutritt zu beiden Seiten des Kupferbleches hat oder
nicht.
Ein Teil der Oxidschicht 22 kann von ausgewählten
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