DE2928943C2

DE2928943C2 - Verfahren zum Diffusionsverbinden durch Thermokompression

Info

Publication number: DE2928943C2
Application number: DE2928943A
Authority: DE
Inventors: Douglas Eugene Ballston Lake N.Y. Houston; James Anthony Scotia N.Y. Loughran
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-07-24
Filing date: 1979-07-18
Publication date: 1986-08-14
Also published as: FR2433387B1; FR2433387A1; SE439894B; US4204628A; JPS5533890A; SE7906343L; JPS6224189B2; DE2928943A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zum Diffusionsverbinden von Metallteilen durch Thermokompression.

Beim Diffusionsverbinden der Oberflachen von Metallteilen ist es häufig erwünscht, daß dieser Vorgang bei möglichst tiefer Temperatur erfolgt Dies ist beispielsweise der Fall, wenn strukturiertes Kupfer (ein Bündel aus im wesentlichen geraden, dicht zusammengepackten Kupfersträngen) durch Thermokompression mit einer Metallfolie diffusionsverbunden wird. Die einzelnen Stränge des strukturierten Kupfers neigen bei Anwendung hoher Temperaturen dazu, sich miteinander zu verbinden, was dazu führt daß sich die Stränge bei Temperaturänderungen nicht einzeln zusammenziehen oder ausdehnen können und daß das erwünschte Spannungsabbauvermögen des strukturierten Kupfers verlorengeht

In Diffusionsverbindungen können leicht Hohlräume entstehen, wenn die miteinander zu verbindenden Oberflächen der Metallteile nicht relativ flach sind. Es ist schwierig, auf Scheiben aus strukturiertem Kupfer flache Oberflächen zu erhalten, da sich das strukturierte Kupfer naturgemäß leicht verformt Auf einer Scheibe aus strukturiertem Kupfer kann zwar durch Schleifen ihrer Oberfläche eine flache Oberfläche erhalten werden, jedoch :st dies relativ kostspielig. Offensichtlich können in Diffusionsverbindungen, die durch Diffusionsverbindungen von strukturiertem Kupfer mit einer Metallfolie erhalten werden, Hohlräume oder nicht verbundene Stellen auftreten, wenn bei dem angewandten Verfahren die zu verbindende Oberfläche des strukturierten Kupfers nicht flach gemacht wird oder die gegebenenfalls auftretenden Unregelmäßigkeiten in der Kontur der Oberfläche des strukturierten Kupfers nicht ausgeglichen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zum Diffusionsverbinden durch Thermokompression gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart zu verbessern, daß in den erhaltenen Diffusionsverbindungen Hohlräume beseitigt werden, um insbesondere eine Verbesserung des elektrischen und thermischen Verhaltens der diffusionsverbundenen Metallteile zu erzielen.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Maßnahme gelöst.
F i g. 1 zeigt eine Seitenansicht eines Querschnitts einer Presse, wie sie bei bekannten Verfahren zum Diffusionsverbinden durch Thermokompression angewandt wird.

F i g. 2 zeigt eine Seitenansicht eines Querschnitts einer Presse, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren angewandt wird, mit den zu verbindenden Metallteilen und der Schicht aus zusammenpreßbarem Material. F i g. 3 zeigt eine Scheibe aus strukturiertem Kupfer, mit deren einer Oberfläche eine Metallfolie durch Thermokompression diffusionsverbunden ist.

F i g. 4 zeigt eine Seitenansicht eines Querschnitts einer Presse, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren angewandt wird, mit den zu verbindenden Metallteilen und zwei Schichten aus zusammenpreßbarem Material.

F i g. 5 zeigt eine Scheibe aus strukturiertem Kupfer, mit deren oberer und unterer Oberfläche je eine Metallfolie durch Thermokompression diffusionsverbunden ist. F i g. 1 zeigt eine Presse 10 zum Diffusionsverbinden, die bei bekannten Verfahren angewandt wird, um durch Thermokompression Diffusionsverbindungen herzustellen. Die Presse 10 weist eine obere Metallplatte 12 und eine parallel dazu angeordnete untere Metallplatte 14, zwischen denen sich ein Zwischenraum befindet, auf.

Ein metallischer Preßblock 16 ist in der Mitte derjenigen Seite der oberen Metallplatte 12, die der unteren Metallplatte 14 gegenüberliegt, angeordnet Metallbolzen 18 und 20 laufen durch dafür vorgesehen.; Löcher in der oberen Metallplatte 12 und sind in die untere Metaliplatte 14 eingeschraubt, um die beiden Metallplatten zu verbinden, wie es in F i g. 1 dargestellt ist

Die Metallbolzen 18 und 20 bestehen aus einem Stahl, der kein nichtrostender Stahl ist, während die obere Metallplatte !?., die untere Metallplatte 14 und der metallische Preßblock 16 aus nichtrostendem Stahl bestehen. Um durch Thermokompression eine Diffusionsverbindung zwischen einer Scheibe 22 aus strukturiertem Kupfer und einem nachgiebigen Metallteil wie z. B. einer dünnen Metallfolie 24 herzustellen, ist es erforderlich, die Metallfolie 24 in Berührung mit der oberen Oberfläche der Scheibe 22 anzuordnen, wie es in F i g. 1 dargestellt ist, und die Anordnung aus Scheibe 22 und Metallfolie 24 zwischen dem metallischen Prc3block 16 und der unteren Metallplatte 14 der Presse 10 anzuordnen. Unter einem nachgiebigen Metallteil ist ein relativ dünnes, verformbares Metallteii zu verstehen. Eine übliche Presse wird angewandt, um die obere Metallplatte 12 und die untere Metallplatte 14 zusammenzupressen, und während auf die Metallplatten Druck ausgeübt wird, werden die Metallbolzen 18 und 20 angezogen.

Wenn die Presse 10, die die Anordnung aus der Scheibe 22 aus strukturiertem Kupfer und der Metallfolie 24 enthält, in einer inerten Atmosphäre angeordnet und 15 min bis 5 h lang auf eine Temperatur von 300 bis 400° C, typischerweise auf 350° C, erhitzt wird, wird zwischen der Scheibe und der Metallfolie durch Thermokompression eine Diffusionsverbindung hergestellt. Während des Erhitzens der Presse 10 dehnen sich die obere Metallplatte 12, die untere Metallplatte 14 und der metallische Preßblock 16 stärker aus als die Metallbolzen 18 und 20. Auf diese Weise wird zwischen dem Preßblock 16 und der unteren Metallplatte 14 eine Kraft ausgeübt, die zum Zusammenpressen der Metallfolie 24 und der Scheibe 22 und zum Diffusionsverbinden der beiden durch Thermokompression führt. Die Scheibe 22 und die damit diffusionsverbundene Metallfolie 24 werden dann aus der Presse herausgenommen. Ein Befestigungsring 26, der die Scheibe 22 umgibt, um vor dem Verbinden mit der Metallfolie die strukturelle Integrität der Scheibe aufrechtzuerhalten, wird von der Scheibe entfernt, und lose gewordene Kupferstränge werden ebenfalls entfernt. Man erhält einen Spannungsdämpfer aus strukturiertem Kupfer, der äußerlich ähnlich wie der in F i g. 3 gezeigte Spannungsdämpfer 20 aussieht.

Im Fall der Anwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens und der vorstehend beschriebenen Presse zum Diffusionsverbinden ist es wichtig, daß die miteinander zu verbindenden Oberflächen der Metallteile flach sind und parallel zueinander und zu der unteren Metallplatte 14 sowie zu dem Preßblock 16 liegen. Es ist jedoch schwierig, auf Scheiben aus strukturiertem Kupfer flache Oberflächen zu erhalten, da strukturiertes Kupfer leicht verformbar ist. Typischerweise weist eine Scheibe oder ein anderer geometrischer Formkörper aus strukturiertem Kupfer Oberflächenunregelmäßigkeiten auf, die in Richtung der Dicke eine Ausdehnung von 1 bis 3 μίτι haben. Wenn das Diffusionsverbinden eines solche Oberflächenunregelmäßigkeiten aufweisenden Kupferteils aus strukturiertem Kupfer mit einem nachgiebigen Metallteil wie z. B. einer Metallfolie durch Thermokompression versucht wird, können diese Oberflächenunregelmäßigkeiten in der Diffusionsverbindung zu nicht verbundenen Stellen oder Hohlräumen führen, die einen Durchmesser bis zu etwa 2 cm haben. Diese Hohlräume treten auf, weil die flache, starre Oberfläche des Preßblockes 16, die mit der Metallfolie 24 in Berührung steht selbst nicht imstande ist die Metallfolie 24 in die Unregelmäßigkeiten derjenigen Oberfläche der Scheibe 22 aus strukturiertem Kupfer, an der das Diffiisionsverbinden stattfinden soll, einzupressen. Infolgedessen kann die Metallfolie 24 durch das

ίο Zusammenpressen nicht vollkommen an die Kontur der zu verbindenden Oberfläche der Scheibe 22 angepaßt werden. Das Diffusionsverbinden eines nachgiebigen Metallteils mit einem Metallteii, das Oberflächenunregelmäßigkeiten aufweist unter Anwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens und der vorstehend beschriebenen Presse kann unerwünschterweise dazu führen, daß das nachgiebige Metallteil wie z. B. die Metallfolie 24 an dem Preßblock 16 anhaftet weil ein Diffusionsverbinden des nachgiebigen Metallteils mit dem Preßblock beginnt.

Die beiden Probleme, die im vorstehenden Absatz erläutert wurden, werden durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst.

Fig.2 zeigt eine Presse 10 zum Diffusionsverbinden mit den zu verbindenden Metallteilen, wobei die Presse und die Metallteile bezüglich der Funktion und des Aufbaus in jeder Hinsicht der Presse bzw. den Metallteilen von F i g. 1 entsprechen, außer daß zwischen dem Preßblock 16 und der Metallfolie 24 (dem ersten, nachgiebigen Metallteil) vor der Belastung, durch die die nachgiebige Metallfolie 24 und das Oberflächenunregelmäßigkeiten aufweisende Metallteil 22 aus strukturiertem Kupfer (das zweite Metallteil) zusammengepreßt werden, erfindungsgemäß eine Schicht 30 aus nichtreaktivem, zusammenpreßbarem Material angeordnet wird.

Unter einem.nichtreaktiven Material ist ein Material zu verstehen, das in dem Sinne, daß es sich nicht direkt mit Metall verbindet, chemisch inaktiv ist.

Die Schicht 30 aus nichtreaktivem, zusammenpreßbarem Material kann aus Glaswolle bestehen, ein Filterpapier aus Glasfasern sein oder aus einem anderen, ähnlich zusammenpreßbaren Material bestehen. Wenn die Schicht 30 aus Glaswolle besteht und die in F i g. 2 gezeigte Presse 10 zum Diffusionsverbinden gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren erhitzt wird, preßt eine differentielle Expansionskraft die Schicht 30 zusammen, und die Schicht 30 wird durch das Zusammenpressen pulverisiert. Dieser Vorgang führt zur Bildung eines Glaspulvers, dessen Teilchen umverteilt werden, und veranlaßt, daß die Metallfolie 24 durch das Zusammenpressen an die Unregelmäßigkeiten der Kontur der Oberfläche der Scheibe 22 aus strukturiertem Kupfer angepaßt wird. Im wesentlichen die gesamte Oberfläche der Metallfolie 24 wird an die benachbarte Oberfläche der Scheibe 22 anstoßend dagegengepreßt und unter Bildung einer im wesentlichen hohlraumfreien Diffusionsverbindung durch Thermokompression mit der Scheibe 22 verbunden. Dieses Verfahren führt zu einer Struktur wie z. B. dem in F i g. 3 gezeigten Spannungsdämpfer 20 aus strukturiertem Kupfer. F i g. 3 zeigt den Spannungsdämpfer 20 nach Entfernung des Befestigungsringes 26 und gegebenenfalls lose gewordener Kupferlitzen.

Die Schicht 30 aus nichtreaktivem, zusammenpreßbarem Material kann auch ein Filterpapier aus Glasfasern, d. h. aus einer Art Glaswolle, die aus zusammengepreßten sehr kleinen Glasteilchen besteht, sein. Die Dicke eines solchen Filterpapiers aus Glasfasern beträgt typi-

scherweise etwa 10 μΐη. Die Verwendung eines Filterpapiers aus Glasfasern mit einer solchen Dicke führt ebenfalls zu im wesentlichen hohlraumfreien Diffusionsverbindungen der Metallfolie mit der Scheibe aus strukturiertem Kupfer, wobei die Scheibe Oberflächenunregelmäßigkeiten von 1 bis 3 μΐη aufweisen kann. Bei Oberflächenunregelmäßigkeiten von mehr als 3 μηι können mehrere Schichten aus solchem Filterpapier als nichtreaktivem, zusammenpreßbarem Material verwendet werden, um hohlraumfreie Diffusionsverbindungen zu erhalten. Je nach dem Ausmaß der Oberflächenunregelmäßigkeiten der Scheibe 22 aus strukturiertem Kupfer beträgt die Dicke eines solchen Filterpapiers im allgemeinen 5 bis 20 μίτι.

Die Schicht 30 aus nichtreaktävem, zusammenpreßba- is rem Material ist in der Weise nichtreaktiv, daß sie nicht an dem Preßblock 16 oder der Metallfolie 24 anhaftet und so ein Klebenbleiben der Metallfolie 24 an dem Preßblock 16 verhindert, wenn sie dem hohen Druck, der bei dem Verfahren ausgeübt wird, ausgesetzt ist. Glaswolle für die Schicht 30 ist billig und leicht erhältlich.

Bei der üblichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor der Belastung zwischen der Scheibe 22 aus strukturiertem Kupfer und der unteren Metallplatte 14 eine Schicht aus Glaswolle, die der Schicht 30 ähnlich ist, angeordnet, wodurch das Verbinden der Scheibe 22 mit der unteren Metallplatte 14 und ein unerwünschtes Anhaften der Scheibe 22 an der unteren Metallplatte 14 verhindert werden.

F i g. 4 zeigt eine Presse 10 zum Herstellen einer Diffusionsverbindung zwischen einer Metallfolie 24 und der oberen Oberfläche einer Scheibe 22 aus strukturiertem Kupfer sowie einer weiteren Diffusionsverbindung zwischen einer Metallfolie 34 und der unteren Oberfläehe der Scheibe 22 aus strukturiertem Kupfer. Das Diffusionsverbinden je einer separaten Metallfolie sowohl mit der oberen als auch mit der unteren Oberfläche der Scheibe 22 aus strukturiertem Kupfer erhöht die strukturelle Integrität des erhaltenen Spannungsdämpfers 50 aus strukturiertem Kupfer, der in F i g. 5 gezeigt wird, weiter.

Das Verfahren zum Herstellen der vorstehend beschriebenen Diffusionsverbindungen ist mit dem zuvor erläuterten Verfahren, bei dem zwischen der Metallfolie 24 und der Scheibe 22 aus strukturiertem Kupfer eine Diffusionsverbindung erhalten wurde, identisch, außer daß vor der Belastung ein weiteres nachgiebiges Metallteil wie z. B. die Metallfolie 34 anstoßend an die untere Oberfläche der Scheibe 22 aus strukturiertem Kupfer angelegt wird und daß ferner eine Schicht 40 aus nichtreaktivem, zusammenpreßbarem Material, die Schicht 30 ähnlich ist, zwischen und in Berührung mit der Metallfolie 34 und der unteren Metallplatte 14 angeordnet wird, wie es in Fig.4 dargestellt ist Die folgenden Schritte des Verfahrens werden in der vorstehend beschriebenen Weise durchgeführt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können unterschiedliche geometrische Formen der Kupferteile aus strukturiertem Kupfer, der Metallfolien oder der Schichten aus nichtreaktivem, zusammenpreßbarem Materia] hergestellt werden, wobei anstelle der Scheiben beispielsweise auch Teile mit quadratischer, rechteckiger oder anders geformter Grundfläche verwendbar sind

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Verfahren zum Diffusionsverbinden durch Thermokompression eines ersten, nachgiebigen Metallteils, das eine erste und eine zweite Oberfläche, die relativ flach sind und einander gegenüberliegen, aufweist, mit einem zweiten Metallteil, das relativ flache, einander gegenüberliegende und Unregelmäßigkeiten enthaltende Oberflächen aufweist, bei dem die zweite Oberfläche des ersten Metallteils im wesentlichen anstoßend an eine Oberfläche des zweiten Metallteils angelegt wird, die so zusammengelegten Metallteile in eine inerte Atmosphäre eingebracht werden und eine Belastung ausgeübt wird, um die beiden Metallteile unter hohem Druck bei einer Temperatur von 300 bis 400⁰C zusammenzupressen, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Belastung eine Schicht aus nichtreaktivem, zusammenpreßbarem Material mit der ersten Oberfläche des ersten Metallteils in Berührung gebracht wird, so daß bei der Belastung das nichtreaktive, zusammenpreßbare Material gleichfalls zusammengepreßt wird und sich das erste, nachgiebige Metallteil der unregelmäßigen Oberflächenkontur des zweiten Metallteils unter Bildung einer gleichmäßigen, im wesentlichen hohlraumfreien Diffusionsverbindung zwischen beiden Metallteilen anpaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine zweite Schicht aus nichtreaktivem, zusammenpreßbarem Material unterhalb des zweiten Metallteils mit dessen verbleibender Oberfläche in Berührung gebracht wird, bevor man die Belastung ausübt

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden, Unregelmäßigkeiten enthaltenden Oberflächen des zweiten Metallteils durch Diffusion mit nachgiebigen Metallteilen verbunden werden, wobei mit den verbleibenden, nicht an die Oberflächen des zweiten Metallteils anstoßenden Oberflächen der nachgiebigen Metallteile vor der Belastung jeweils eine Schicht aus nichtreaktivem, zusammenpreßbarem Material in Berührung gebracht wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als zweites Metallteil strukturiertes Kupfer verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als erstes, nachgiebiges Metallteil bzw. als nachgiebige Metallteile Metallfolien verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Schichten aus zusammenpreßbarem Material in Form von Glaswolle verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Schichten aus zusammenpreßbarem Material in Form von aus Glasfasern bestehendem Filterpapier verwendet werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Schichten aus zusammenpreßbarem Material, die eine Dicke im Bereich von 5 bis 20 μιτι haben, verwendet werden.