DE2554934C3

DE2554934C3 - Verfahren zum haftfesten Verbinden einer Kupferoberfläche an einem Glas

Info

Publication number: DE2554934C3
Application number: DE2554934A
Authority: DE
Inventors: Herman Eindhoven Bloem
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1974-12-19
Filing date: 1975-12-06
Publication date: 1981-07-30
Also published as: IT1051080B; NL7416556A; FR2294992B1; DE2554934A1; SE412225B; GB1499030A; JPS5186516A; CA1041224A; DE2554934B2; JPS5529949B2; US4049416A; FR2294992A1; SE7514165L

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum haftfesten Verbinden einer Kupferoberfläche an einem Glas.

Nach einem bekannten Verfahren (siehe z. B. das Handbuch von Espe und Knoll »Werkstoffkunde der Hochvakuumtechnik«, Springer-Verlag, Berlin 1936, S. 328) wird Kupfermanteldraht mit einem Nickeleisenkern zunächst oberflächlich oxidiert und dann in Glas eingeschmolzen. Dabei muß die Temperatur auf einen nicht zu hohen Wert gebracht werden, weil sonst das CU2O, das für eine gute Haftung verantwortlich ist, sich völlig in dem Glas löst.

Das Oxidieren von Kupfermanteldraht in demselben Ofenzyklus wie das Verschmelzen des Glases weist eine ziemlich große Anzahl Nachteile auf, z. B. für Einzelteile, wie sie in der Halbleitertechnik verarbeitet werden, wobei in der Regel Graphitlehren verwendet werden. Dabei ist eine oxidierende Atmosphäre bei höherer Temperatur unerwünscht, weil dadurch z. B. die ziemlich teueren Lehren sehr schnell unbrauchbar werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, bei dem das Kupfer nur in sehr geringem Maße oxidiert zu werden braucht, um eine gute Glas-Metall-Haftung zu erhalten, so daß die Oxidation unbedenklich während des Einschmelzzyklus in Graphitlehren stattfinden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung eines Glases, welches 0,2 bis 0,5 Gew.-% CuO und/oder Cr2Ü3 enthält sowie durch folgende Verfahrensschritte:

a) zunächst wird die Kupferoberfläche nur schwach oxidiert, indem sie in einer oxidierenden Atmosphäre bei möglichst niedrigen, jedoch über 300°C liegenden Temperaturen behandelt und dabei der

Tabelle

Sauerstoffdruck der oxidierenden Atmosphäre umgekehrt proportional zum CuO-Gehalt des Glases und/oder der Oxidationstemperatur eingestellt wird;

b) danach wird die Metall-Glas-Anordnung in einer nichtoxidierenden Atmosphäre so hoch erhitzt, daß das Glas mit der oxidierten Kupferoberfläche verschmilzt

Im allgemeinen wird eine Chromverbindung für diesen Zweck bevorzugt, weil Kupferverbindungen leicht zu Kupfermetall reduziert werden können. Dies ist für die meisten Anwendungen weniger geeignet

Die Kupferoberfläche, mit der das chromoxidRaltige Glas verschmolzen werden muß, muß rein sein; vorzugsweise wird vor dem Verschmelzen in einer reduzierenden Atmosphäre erhitzt

Eine wichtige Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Halbleitertechnik und bezieht sich auf das Umhüllen von Dioden, wobei ein Halbleiterkristall zwischen zwei Kontaktblöckchen festgeklemmt wird. Es ist wichtig, daß diese Kontaktblöckchen eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen, so daß die vom Halbleiterkristall entwickelte Wärme schnell abgeleitet wird. Diese Kontaktblöckchen werden aus Kupfermanteldraht hergestellt, der in kurze Stücke geschnitten oder gesägt wird. Durch Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung ist es nun möglich, bevor die Kontaktblöckchen mit dem dazwischen festgeklemmten Halbleiter-Kristall in ein umhüllendes Glasrohr eingeschmolzen werden, die Blöckchen galvanisch- in einer Trommelgalvanisiervorrichtung — oder stromlos zu verkupfern. Dadurch werden auch die Stirnseiten der Blöckchen, d. h. die Seiten, an denen sie abgeschnitten oder abgesägt worden sind, mit Kupfer überzogen, wodurch eine bessere Wärmeableitung vom Kristall möglich ist. Die geringe Oxidation des Kupfers bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung ist kein Hindernis für einen guten Kontakt zwischen dem Halbleiterkristall und dem Blöckchen.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Beispiels der Herstellung einer umhüllten Halbleiteranordnung näher erläutert.

Kupfermanteldraht mit einem Durchmesser von

1,5 mm, der aus einem Nickel-Eisen-Kern

(42 Ni — 58 Fe) und einem Kupfermantel bestand, derart,

daß das Kupfer 24 Gew.-% des Drahtes ausmachte,

wurde in Stücke einer Länge von 2,5 mm gesägt, gebeizt

und ir, einer Galvanisiertrommel bis zu einer Schichtdik-

ke von 15 μπι verkupfert. Die auf diese Weise

erhaltenen Blöckchen wurden mittels eutektischen

Kupfer-Silbers auf einer Seite mit einem Kupferdraht

von einer Dicke von 1 mm verlötet.

Glaspulver aus Glas einer der nachstehenden Zusammensetzungen wurde mit einem Methacrylatbindemittel in einer Menge von 2,5 Gew.-% gemischt und aus diesem Gemisch wurden Rohre mit einem Außendurchmesser von 3,5 mm, einem Innendurchmesser von 1,9 mm und einer Länge von 5 mm gepreßt.

Glaszusammensetzungen (Gew.-%)

SiO₂
K₂O
Li₂O
Na₂O

35,1	34,5	35,2	68,5	-	52,7
4,7	4,7	4,7	0,9	14,8
2,0	1,9	2,0	-

16,8

	Fortsetzung	(Gew.-%)	25 54	934	4	5,4	—
3	G !^zusammensetzungen	-				2,2	-
CaO	-				2,8	-
BaO	-			1,8	1,3
MgO	2,5	-	—	-	30,0
Al₂O₃	54,6	-	-	0,7	0,3
PbO		-	-	-	-
Sb₂O₃	0,9	2,4	2,5	0,9	0,9
CoO	0,2	53,8	54,7	650	580
Cr₂O₃	530			830	740
Sintertemp. C	680	0,9	-
Einschmelztemp. C	1,8	0,9
	530	530
	680	680

Die obenstehenden Gläser wurden dadurch erhalten, daß der Ausgangszusammensetzung eine Chromverbindung wie Cr₂O^ CrO3 oder K₂Cr₂O?, zugesetzt wurde, das Gemenge geschmolzen und dann gemahlen wurde.

Die Rohre wurden bei der angegebenen Temperatur gesintert und anschließend wurden die mit Anschlußdrähten versehenen Blöckchen unter Zwischenfügung des Halbleiterkristalls in die Rohre gesetzt, wonach das ganze System in einer Graphitlehre in einen Ofen gesetzt wurde. Die Lehre wurde in Luft auf 350° C erhitzt und während einer halben Minute auf dieser Temperatur gehalten, wonach in reinem Stickstoff bis zu ,der in der Tabelle angegebenen Einschmelztemperatur erhitzt wurde. Diese Temperatur wurde während einer Minute aufrechterhalten.

Nach einer Abwandlung dieses Verfahrens erfolgte die Kupferoxidation in einem Ofen, der auf einen Druck zwischen 6,65 und 13,3 mbar evakuiert wurde. Auf diese Weise wurde ein Partialsauerstoffdruck zwischen 1,33 und 2,66 mbar eingestellt. Die Lehre wurde nur auf 500⁰C erhitzt und während einer halben Minute auf dieser Temperatur gehalten, wonach reiner Stickstoff eingeleitet wurde. In dieser Atmosphäre erfolgte das Einschmelzen bei der in der Tabelle angegebenen Temperatur, die während einer Minute aufrechterhalten wurde.

Durch beide Verfahren wurden Erzeugnisse erhalten, die eine besonders gute Haftung zwischen dem Glas und dem Metall aufwiesen, wie aus vergleichenden Zugversuchen hervorging. Wenn die Versuche mit Glas ohne die erfindungsgemäßen Zusätze durchgeführt werden, ist die Haftung zwischen dem Glas und dem Metall schlecht. Ähnliche Ergebnisse wurden erzielt, wenn das Cr₂O3 im Glas durch einen gleich großen Gehalt an CuO ersetzt wurde.

Dioden, die bis zu einer Leistung von höchstens 1,3 W brauchbar sind, können bei Anwendung der Erfindung leicht 20% höhere Leistungen aushalten.

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum haftfesten Verbinden einer Kupferoberfläche an einem Glas,

gekennzeichnet durch die Verwendung eines Glases, welches 0,2 bis 0,5 Gew-% CuO und/oder CJ2O3 enthält sowie durch folgende Verfahrensschritte:

a) zunächst wird die Kupferoberfläche nur schwach oxidiert, indem sie in einer oxidierenden Atmosphäre bei möglichst niedrigen, jedoch über 300" C liegenden Temperaturen behandelt und dabei der Sauerstoffdruck der oxidierenden Atmosphäre umgekehrt proportional zum CuO-Gehalt des Glases und/oder der Oxidationstemperatur eingestellt wird;

b) danach wird die Metall-Gas-Anordnung in einer nichtoxidierenden Atmosphäre so hoch erhitzt, daß das Glas mit der oxidierten Kupferoberfläche verschmilzt