DE2928943A1

DE2928943A1 - Verfahren zum diffusionsverbinden durch thermokompression

Info

Publication number: DE2928943A1
Application number: DE19792928943
Authority: DE
Inventors: Douglas Eugene Houston; James Anthony Loughran
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-07-24
Filing date: 1979-07-18
Publication date: 1980-02-07
Also published as: US4204628A; SE439894B; JPS5533890A; JPS6224189B2; FR2433387A1; FR2433387B1; DE2928943C2; SE7906343L

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Diffusionsverbinden von Metalloberflächen und mehr im besonderen auf ein verbessertes Diffusionsverbinden einer nachgiebigen Metalloberfläche mit einer Metalloberfläche, die unregelmäßigkeiten aufweisen kann, durch Thermokompression.

Verbindet man Metalloberflächen durch Diffusionsverbindung, dann ist es häufig erwünscht, daß diese Verbindung bei möglichst tiefer Temperatur erfolgt. Dies ist z.B. der Fall, wenn strukturiertes Kupfer (ein Bündel im wesentlichen gerader aus Fäden bestehender Kupferstränge, die fest gepackt sind) durc'i Thermokompression mit einer Metallfolie diffusionsverbunden wird. Wird das strukturierte Kupfer so bei hohen Temperaturen verbunden, dann neigen die einzelnen Stränge des strukturierten Kupfers dazu, sich miteinander zu verbinden. Wenn dies geschieht, dann können sich die einzelnen Stränge nicht einzeln bei Temperaturänderungen zusammenziehen und ausdehnen und dadurch verliert man die erwünschten spannungserleichternden Eigenschaften strukturierten Kupfers.

Hohlräume in dieser Diffusionsverbindung könneα jedoch entstehen, wenn die miteinander zu verbindenden Oberflächen nicht relativ flach sind. Es ist schwierig, flache Oberflächen auf Scheiben strukturierten Kupfers zu erhalten, da das strukturierte Kupfer sich naturgemäß leicht verformt. Eine flache Oberfläche kann auf einer strukturierten Kupferscheibe erhalten werden, indem man diese Oberfläche schleift, was jedoch relativ teuer ist. Es ist ersichtlich, daß Hohlräume oder nicht verbundene Stellen in einer Diffusionsverbindung zwischen strukturiertem Kupfer und einer Metallfolie resultieren können, wenn das angewendete Bindeverfahren die Bindeoberfläche des strukturierten Kupfers nicht flach macht oder wenn dieses Verfahren die Unregelmäßigkeiten in der Kontur der Oberfläche des strukturierten Kupfers, wenn diese auftreten, nicht kompensiert. Durch Beseitigung von Hohlräumen

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in mittels Thermokompression hergestellter Diffusionsverbindungen kann man eine verbesserte elektrische und thermische Leistungsfähigkeit erzielen.

Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Diffusionsverbindung durch Thermokompression eines ersten nachgiebigen Metallteiles mit relativ flachen gegenüberliegenden Oberflächen mit einem zweiten Metallteil mit relativ flachen gegenüberliegenden Oberflächen, die Unregelmäßigkeiten aufweisen können, das Anordnen eines der gegenüberliegenden Oberflächen des ersten Metallteiles in wesentlichem Anliegen mit einer Oberfläche des zweiten Metallteiles. Weiter wird eine Schicht aus nichtreaktivem zusammendrückbaren Material oberhalb und in Berührung mit der verbleibenden Oberfläche des ersten Metallteiles angeordnet. Die so angeordnete zusammendrückbare Materialschicht und die Metallteile werden von einer inerten Atmosphäre umgeben. Man wendet eine Belastung auf die so angeordneten Metallteile an, die sie unter hohem Druck zusammenpreßt, während sie auf eine Temperatur im Bereich von 300 bis 400 C erhitzt werden. Als Ergebnis wird das zusammendrückbare Material zusammengepreßt und verursacht das Sichanpassen des ersten nachgiebigen Metallteiles an die irreguläre Oberflächenkontur des zweiten Metallteiles unter Bildung einer gleichförmigen im wesentlichen hohlraumfreien Diffusionsverbindung zwischen den beiden Teilen durch Thermokompression.

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

Figur 1 eine Seitenansicht eines Querschnittes einer Presse zur Durchführung von Verfahren zum Diffusionsverbinden durch Thermokompression nach dem Stande der Technik,

Figur 2 eine Seitenansicht eines Querschnittes einer Presse zum Diffusionsverbinden durch Thermokompression mit den in der Presse angeordneten Materialien zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

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Figur 3 eine strukturierte Kupferscheibe, mit deren einer Seite eine Metallfolie durch Thermokompression diffusionsverbunden ist,

Figur 4 eine Seitenansicht eines Querschnittes einer Presse zum Diffusionsverbinden mit den Materialien bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,die zwei Schichten aus zusammendrückbarem Material einschließen, und

Figur 5 eine strukturierte Kupferscheibe,mit deren oberer und unterer Oberfläche je eine Metallfolie durch Thermokompression diffusionsverbunden ist.

Figur 1 zeigt eine Presse 10 zum Diffusionsverbinden, die in Verfahren nach dem Stande der Technik benutzt worden ist, um mittels Thermokompression Diffusionsverbindungen herzuste]len. Diese Presse 10 ist zusammengesetzt aus einer oberen Metallplatte 12, die parallel zu einer unteren Metallplatte 14 orientiert ist, wobei ein Raum zwischen beiden vorgesehen ist. Ein Metallpreßblock 16 ist im Zentrum der Seite der oberen Platte 12 angeordnet, die der unteren Platte 14 gegenüberliegt. MetaJlbolzen 18 und 2O laufen durch dafür vorgesehene Löcher in der oberen Platte 12 und sind in die untere Platte 14 eingeschraubt, um diese beiden Platten wie in Figur 1 veranschaulicht zu verbinden.

Die Metallbolzen 18 und 20 sind aus einem enderen als korrosionsbeständigen Stahl zusammengesetzt, während die obere Platte 12, die untere Platte 14 und der Metallpreßblock 16 aus korrosionsfreiem Stahl zusammengesetzt sind. Um eine Diffusionsverbindung durch Thermokompression zwischen einer strukturierten Kupferscheibe 22 und einem nachgiebigen Metallteil, wie einem dünnen Metallblech oder einer Folie 24,zu erzielen, ist es erforderlich, die Metallfol .e 24 in Kontakt mit der oberen Oberfläche der strukturierten Kupferscheibe 22 anzuordnen, wie in Figur 1 gezeigt, und die kombinierte Struktur aus Scheibe 22 und Folie 24 zwischen dem metallischen Preßblock 16 und der un eren Platte 14 der Presse 10 anzuordnen. Der Begriff "nachgiebig' , wie er in

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der vorliegenden Anmeldung benutzt wird, bedeutet irgendein relativ dünnes Metallteil, das deformierbar ist. Eine konventionelle Presse wird benutzt, um die obere Platte 12 und die untere Platte 14 zusammenzupressen und während dieser Druck auf diese Platten ausgeübt wird, werden die Bolzen 18 und 20 angezogen.

Die Diffusionsverbindung durch Thermokompression zwischen der strukturierten Kupferscheibe 22 und der Metallfolie 24 wird tatsächlich gebildet, wenn die Presse 10, die diese Baueinheit aus Scheibe und Folie enthält, in einer inerten Atmosphäre angeordnet und auf eine Temperatur im Bereich von 300 bis 400 C, typischerweise auf 350° C,für 15 Minuten bis zu 5 Stunden erhitzt wird. Wird die Presse 10 so erhitzt, dann dehnen sich die obere Platte 12, die untere Platte 14 und der Metallpreßblock 16 stärker aus, als die Vetallbolzen 18 und 20. Auf diese Weise wird eine Kraft zwischen dem Preßblock 16 und der unteren Platte 14 ausgeübt, die zum Zusammenpressen der Metallfolie 24 und der strukturierten Kupferscheibe 22 und zum Diffusionsverbinden der beiden miteinander durch diese Thermokompression führt. Die strukturierte Kupferscheibe 22 und die damit diffusionsverbundene Metallfolie 24 werden danach aus der Presse 10 herausgenommen. Der Haltering 26, der die strukturierte Kupferscheibe 22 umgibt, um ihre strukturelle Integrität vor dem Verbinden der Metallfolie damit aufrechtzuerhalten, wird von der strukturierten Kupferscheibe 22 entfernt und es werden gleichermaßen lose Stränge des Kupfers entfernt. Man erhält einen Deformationspuffer aus struktuiertem Kupfer mit einem äußeren Aussehen ähnlich dem Deformationspuffer 20, wie er in Figur 3 ersichtlich ist.

Bei Benutzung des oben beschriebenen Verfahrens und der oben beschriebenen Presse zum Diffusionsverbinden ist es wichtig, daß die miteinander zu verbindenden Oberflächen der Metallteile flach und parallel zueinander und zu der unteren Platte 14 und dem Preßblock 16 liegen. Es ist schwierig, flache Oberflächen auf Scheiben aus strukturiertem Kupfer zu erhalten, da sich das strukturierte Kupfer leicht deformiert. Typischerweise weist eine Scheibe oder andere geometrische Form aus strukturiertem Kupfer Oberflächenvariationen auf, die eine Dicke im Bereich von

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etwa 1 bis 3_/um haben. Diese Oberflächenunregelmäßigkeiten können zu unverbundenen Stellen oder Hohlräumen in einer Diffusionsverbindung führen, die einen Durchmesser bis zu etwa 2 cm haben, wenn das Diffusionsverbinden durch Thermokompression zwischen einem strukturierten Kupferteil mit einer irregulären Oberfläche und einem nachgiebigen Metallteil, wie einer Metallfolie, versucht wird. Diese Hohlräume treten auf, weil die flache starre Oberfläche des Preßblockes 16, die in Berührung steht mit der Metallfolie 24, selbst nicht in der Lage ist, die Metallfolie in die Unregelmäßigkeiten der Oberfläche der strukturierten Kupferscheibe 22 einzupressen, an denen die Diffusionsverbindung stattfinden soll. Die Metallfolie 24 wird so nicht vollkommen konform mit der Kontur der Bindeoberfläche der strukturierten Kupferscheibe 22 gepreßt. Die Diffusionsverbindung eines nachgiebigen Metallteiles mit einem Metallteil, das Oberflächenunregelmäßigkeiten aufweist, unter Verwendung der oben beschriebenen Presse und des obigen Verfahrens kann unerwünschterweise dazu führen, daß das nachgiebige Metallteil, wie die Metallfolie 24, an dem Preßblock 16 haftet. Dies geschieht, weil eine Diffusionsverbindung des nachgiebigen Metallteiles zum Preßblock 16 hin beginnt.

Diese beiden im vorstehenden Absatz beschriebenen Probleme werden durch das verbesserte Diffusionsverfahren durch Thermokompression nach der vorliegenden Erfindung gelöst.

In Figur 2 ist eine Presse 10 zum Diffusionsverbinden gezeigt, die die miteinander zu verbindenden Metallteile enthält, wobei diese in Funktion und Struktur in jeder Hinsicht der Figur 1 ähnlich sind, mit der Ausnahme, daß gemäß der vorliegenden Erfindung eine Schicht aus nichtreaktivem zusamnendrückbaren Material 30 zwischen dem Preßblock 16 und der Metallfolie 24 vor der Anwendung der Belastung angeordnet wird, die die nachgiebige Metallfolie 24 und das mit einer unregelmäßigen Oberfläche versehene Metallteil 22 aus strukturiertem Kunfer zusammenpreßt. Der Begriff "nichtreaktiv", wie er in dieser Anmeldung benutzt wird, bedeutet chemisch inaktiv in dem Sinne, daß sich

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die beschriebene Substanz nicht direkt mit dem Metall verbindet.

Die Schicht 30 aas zusammendrückbarem Material kann aus Glaswolle oder Filterpapier aus Glasfasern zusammengesetzt sein (erhältlich von der Fis'ier Scientific Company, Clifton, New Jersey) oder einem anderen ähnlich zusammendrückbaren Material. Wenn die'zusammendrückbare Schicht 30 aus Glaswolle zusammengesetzt ist und die in Figur 2 gezeigte Presse 10 zum Diffusionsverbinden gemäß dem oben beschriebenen Verfahren erhitzt wird, dann preßt eine differentielle Expansionskraft die Glaswollschicht 30 und pulverisiert sie unter diesem Druck. Dies führt zur Bildung eines Glaspulvers, dessen Teilchen neu verteilt sind, und preßt die Metallfolie 24 ία eine Anpassung an die Unregelmäßigkeiten der Kontur der Oberfläche der strukturierten Kupferscheibe 22. Im wesentlichen die gesamte Oberfläche der Metallfolie 24 wird in Kontakt mit der benachbarten Oberfläche der strukturierten Kupferscheibe 22 gedrückt und in einer nahezu hohlraumfreien Weise durch Thermokompression damit diffusionsverbunden. Dieses verbesserte Verfahren zum Diffusionsverbinden führt zu einer Struktur wie dem in Figur 3 gezeigten Deformationspuffer 20 aus strukturiertem Kupfer. Figur 3 zeigt diesen Puffer 20 wie er erhalten wird, nachdem der Haltering 26 und irgendwelche losen Kupferstränge entfernt worden sind.

Die Schicht 30 aus zusammendrückbarem Material kann auch ein Filterpapier aus Glasfasern umfassen, eine Art Glaswolle, die aus winzigen Glasteilchen zusammengesetzt ist, die zusammengepreßt worden sind. Typischerweise liegt die Dicke eines solchen Filterpapiers aus Glasfasern bei etwa 10/Um. Die Verwendung einer solchen Dicke aus Glasfaserfilterpapier führt ebenfalls zu im wesentlichen hohlraumfreien Diffusionsverbindungen der Metallfolie mit der strukturierten Kupferscheibe, die Oberflächenunregelmäßigkeiten von bis zu etwa 1 bis 3 ,um haben kann. Für Oberflächenunregelmäßigkeiten von mehr als etwa 3 ,um können mehrere Schichten aus Glasfaserfilterpapier benutzt werden, um hohlraumfreie Diffusionsverbindungen zu erhalten. Im allgemeinen liegt die Dicke des Glasfaserfilterpapiers im Bereich von etwa 5 bis

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20 ,um je nach dem Ausmaß der Oberflächenunregelmäßigkeiten der strukturierten Kupferscheibe 22.

Die Schicht aus zusammendrückbarem Material 30 ist in einer Weise nichtreaktiv, daß wenn sie den Drucken dieses Diffusionsverfahrens ausgesetzt wird, nicht am Preßblock 16 oder der Metallfolie 24 haftet und so ein Klebenbleiben der Metallfolie 24 am Preßblock 16 verhindert. Glaswolle für die Schicht 30 ist billig und leicht erhältlich.

Bei der üblichen Ausführung wird eine Sch:cht aus Glaswolle ähnlich der Schicht 30 zwischen der strukturierten Kupferscheibe 22 und der unteren Platte 14 vor der Anwendung dir Belastung angeordnet. Dies hindert das Verbinden der < truktui ierten Kupferscheibe 22 mit der unteren Platte 14 und t in unerwünschtes Daranhaften.

Die Figur 4 zeigt eine Presse 10 zum Herstellen einer Diffusionsverbindung zwischen einer Metallfolie¹ 24 und der oberen Oberfläche einer strukturierten Kupferschoibe 22 sowie einer weiteren Diffusionsverbindung zwischen einer Metall oiie 24 und der unteren Oberfläche der strukturierten Kupfer: cheibe 22. Das Diffusionsverbinden je einer separaten Metallfol e scrfohl mit der oberen als der unteren Oberfläche der strukturierten Kupferscheibe 22 erhöht die strukturelle Integrität des erhaltenen Deformationspuffers 30 aus strukturiertem Kupfer, wie er in Figur 5 gezeigt ist, weiter.

Das Verfahren zum Herstellen der vorbeschriebene) Diffusionsverbindungen ist identisch dem weiter oben erläu!erten, bei dem eine Diffusionsverbindung zwischen der Metallfol e 24 und der strukturierten Kupferscheibe 22 erzielt wurde, ausgenommen die folgenden Modifikationen: vor der Anwendung der Belastung wird eine Schicht aus nachgiebigem Material, wie die fetallfolie 34, in Berührung mit der unteren Oberfläche der stru] turi arten Kupferscheibe 22 angeordnet, wie in Figur 4 ersieht ich. Eine Schicht aus zusammendrückbarem Material 40, ähnl ch der Schicht

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30, vird zwischen und in Berührung mit Metallfolie 34 und unterer I Latt ■? 14 ar geordnet. Die nachfolgenden Stufen des Verfahrens sind wie ölen beschrieben.

Das erfinIungsgemäße Verfahren ist nicht auf irgendeine bestimmte Geometrie der Teile aus strukturiertem Kupfer, der Metallfolicn cder der zusammendrückbaren Materialschichten beschränkt. Andere Formen als die oben beschriebene Scheibe können Quadrate, Rechtecke und ähnliche sein.

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Claims

Patentansprüche

y. Verfahren zum Diffusionsverbinden durch Thermokompression eines ersten nachgiebigen Metallteiles mit einer ersten und zweiten relativ flachen einander gegenüberliegenden Oberfläche mit einem zweiten Metallteil mit relativ flachen gegenüberliegenden Oberflächen, die Unregelmäßigkeiten aufweisen können, dadurch gekennzeichnet, daß man die zweite Oberfläche des ersten Metallteiles im wesentlichen anstoßend an eine Oberfläche des zweiten Metallteiles legt, daß man die so zusammengelegten Metallteile in eine inerte Atmosphäre einbringt, eine Belastung ausübt, um unter hohem Druck die beiden Metallteile zusammenzupressen und sie

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auf eine Temperatur im Bereich von 300 bis 400° C erhitzt, während sie zusammengepreßt werden, daß man eine erste Schicht aus nichtreaktivem zusammenpreßbaren Material auf die erste Oberfläche des ersten Metallteiles aufbringt, bevor man die Belastung ausübt, so daß diese Belastung auch die erste Schicht aus zusammenpreßbarem Material zusammenpreßt und dazu führt, daß sich das erste nachgiebige Metallteil der irregulären Oberflächenkontur des zweiten Metallteiles anpaßt unter Bildung einer gleichförmigen, im wesentlichen hohlraumfreien Diffusionsverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Metallteil.

2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Schicht aus zusammenpreßbarem Material unterhalb und in Berührung mit der verbleibenden Oberfläche des zweiten Metallteiles gebracht wird, bevor man die Belastung ausübt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß man durch T'iermokompression eine Diffusionsverbindung eines ersten MetaLlbleches mit einer ersten und einer zweiten gegenüberliegenden Oberfläche mit einer der beiden gegenüberliegenden relativ fLachen Oberflächen eines Metallteiles, das Oberf lächenunregelituißigkeiten haben kann, herstellt, und daß man weiter ein zwer.tes Metallblech mit einer ersten und zweiten gegenüberliegenden Oberfläche durch Diffusionsverbinden mittels Thermokompression an der verbleibenden Oberfläche des Metallteiles arbringt, wobei das Verfahren der Anordnung der zweiten Oberfläche des ersten Metallteiles im wesentlichen anliegend an eine der genannten Oberflächen des genannten Metallteiles sowie das Anordnen der ersten Oberfläche des zweiten Metallbleches in wesentlichem Anliegen an der verbleibenden Oberfläche des genannten Metallteiles umfaßt, daß die so angeordneten Metallteile und Bleche in eine inerte Atmosphäre eingebracht werden, daß eine Belastungskraft ausgeübt wird, um unter hohem Druck die angeordneten Metallteile und -bleche zusammenzupressen und daß Metallteile und -bleche auf eine Temperatur im Bereich von ΙΌ0 bis 400° C

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erhitzt werden, während die Metallteile und -bleche unter hohem Druck zusammengepreßt werden, daß man eine erste Schicht aus nichtreaktivem zusammenpreßbaren Material auf-und im wesentlichen anliegend mit der ersten Oberfläche des ersten Metallbleches anordnet und eine zweite Schicht aus nichtreaktivem zusammenpreßbaren Material unterhalb und im wesentlichen anliegend mit der zweiten Oberfläche des zweiten Metallbleches anordnet, bevor man die Belastung ausübt, so daß beim Ausüben der Belastung die erste und zweite Schicht aus zusammendrückbarem Material zusammengepreßt wird und sich das erste und zweite Metallblech den anliegenden irregulären Oberflächen des Metallteiles anpassen, wodurch eine gleichförmige, im wesentlichen hohlraumfreie Diffusionsverbindung zwischen den Metallteilen und jedem der Metallbleche durch Thermokompression erhalten wird.

4. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallteil aus strukturiertem Kupfer zusammengesetzt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Metallblech Metallfolien sind.

6. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Schicht aus zusammendrückbarem Material aus Glaswolle zusammengesetzt sind.

7. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Schicht aus zusammendrückbarem Material aus Filterpapier zusammengesetzt sind, das aus Glasfasern besteht.

8. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Schicht aus zusammendrückbarem Material eine Dicke im Bereich von etwa 5 bis 20,Um haben.

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