DE3210647A1

DE3210647A1 - Verfahren zum kaltpressen aufeinanderliegender (metallblech-)scheiben

Info

Publication number: DE3210647A1
Application number: DE19823210647
Authority: DE
Inventors: Toshio Yokosuka Kanagawa Yamamoto
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-03-26
Filing date: 1982-03-23
Publication date: 1982-11-25
Also published as: GB2097311B; GB2097311A; DE3210647C2; JPS5952030B2; US4467953A; JPS57159280A

Description

Henkel, Kern, Feiler &■ Hänzel

-3-

Patentanwälte

Registered Representatives

before the

European Patent Office

Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Ka ιsha Kawasaki, Japan

Möhlstraße 37 D-8000 München 80

Tel.: 089/982085-87 Telex: 0529802 hnkld Telegramme- ellipsoid

23. März 1982

Verfahren zum Kaltpressen aufeinanderliegender (Metallblech-)Scheiben

2 3.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kaltpressen mehrerer aufeinanderliegender Scheiben, insbesondere Metallblech-Scheiben.

Wenn ein wärmeempfindlicher Bauteil, etwa ein Halbleiterelement, eingekapselt werden soll, wird herkömmlicherweise ein Gehäuse für das Halbleiterelement durch Kaltpressen verschweißt.

Ein wesentlicher, die Haftfestigkeit eines einem Kaltpressen unterworfenen Gegenstands beeinflussender Faktor ist das plastische Fließvermögen (plastic fluidity) des einem Druck unterworfenen Bereichs dieses Gegenstands. Wenn z.B. gemäß Fig. 1 übereinander angeordnete Scheiben la, Ib an einer Ringnaht 2 miteinander verpreßt werden, entstehen innerhalb der Ringnaht 2 zwei einander entgegengesetzte Belastungen bzw. Spannungen infolge der Verformung aufgrund des plastischen Fließens dieser Scheiben la, Ib in diesem Bereich. Diese Spannungen wirken eher dem plastischen Fließen der verpreßten Scheiben la, Ib an der Ringnaht 2 entgegen, so daß in nachteiliger Weise das Haftvermögen der Scheiben la, Ib an der Ringnaht 2 abnimmt und damit eine unzufriedenstellende Haftfestigkeit der Verbindung erhalten wird. Wenn die aufeinanderllegenden Scheiben la, Ib eine große Dicke besitzen oder die Ringnaht 2 weit von ihren Außenrändern entfernt ist, führt die Verformung aufgrund des plastischen Fließens der Scheiben la, Ib an der Ringnaht 2 zum Auftreten einer Kraft, die bestrebt ist, den Außenbereich der Ringnaht 2 zu expandieren, d.h. zum Auftreten einer Gegenwirkspannung (reactionary stress), welche das plastische Fließen des Scheibenwerkstoffs an der Ringnaht 2 behindert.

Hierbei tritt an der Außenseite der Ringnaht 2 dasselbe Problem auf wie an ihrer Innenseite.

Üblicherweise wird daher die bei der Verformung mehrerer übereinander angeordneter Lagen bzw. Scheiben aufgrund des plastischen Fließens z.B. an der Ringnaht,d.h. im Verbindungsbereich auftretende Minderung der Druck-Haftfestdgkeit dadurch kompensiert, daß die Formbarkeit (workability) dieser Lagen möglichst stark erhöht wird. ( Der Ausdruck "Formbarkeit" bezieht sich dabei auf das Ausmaß, bis zu dem die Dicke der aufeinanderliegenden Scheiben reduziert werden kann.) Beim Zusammenpressen solcher Scheiben mit hoher Formbarkeit erhält jedoch ihre Verbindung (s-

steile) eine verringerte Dicke, worunter die mechanische Festigkeit des durch Preßverschweißung hergestellten Erzeugnisses leidet.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung eines Kaltpreßverfahrens, welches die Preßverbindung oder -schweißung mehrerer Lagen, insbesondere Metallblech-Scheiben einer zweckmäßigen Formbarkeit oder Dicke mit hoher Haftfestigkeit ohne Beeinträchtigung der mechanischen Festigkeit des erhaltenen Erzeugnisses ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Kaltpressen aufeinanderliegender (Metallblech-)Scheiben erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Nähe eines umlaufenden Kaltpreßabschnitts der aufeinander zu legenden Scheiben jeweils ein Bereich zur Entlastung einer bei der Verformung der Scheiben aufgrund des plastischen Fließens (des Scheiber.erkstoffs) in ihrem Verbindungsbereich hervorgerufenen Spannung ausgebildet wird,

daß die Scheiben sodann flachig aufeinander gelegt werden und daß die aufeinanderliegenden Scheiben längs ihrer umlaufenden Kaltpreßbereiche einem Kaltpressen unterworfen bzw. durch Kaltpressen miteinander verschweißt werden.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. IA eine Aufsicht auf zwei aufeinanderliegende ' Lagen b'zw. Scheiben, die nach dem bisherigen

Kaltpreßverfahren zusammengepreßt worden sind,

Fig. IB einen Schnitt längs der Linie M-M in Fig. IA,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Hauptteils einer

Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Kaltpreßverfahrens,

Fig. 3A eine Aufsicht auf zwei aufeinanderliegende

Lagen oder Scheiben, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zusammengepreßt werden sollen,

Fig. 3B einen Schnitt längs der Linie N-N in Fig. 3A,

Fig. 4 eine Schnittansicht, welche die Scheiben

gemäß Fig. 3 beim Kaltpressen in einer Kaltpreßvorrichtung zeigt, 35

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Spannungsentlastvngszustands in der Nähe des druckbeaufschlagten Abschnitts der aufeinander-

liegenden Scheiben,

Fig. 6 eine graphische Darstellung eines Vergleichs der Formbarkeit oder Dicke und der Verbindungsbreite bei nach dem erfindungsgemäßen Verfah

ren bearbeiteten Scheiben einerseits und nach dem bisherigen Verfahren behandelten Scheiben andererseits,

Fig. 7 eine Fig. 4 ähnelnde Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung und

Fig. 8 eine Aufsicht auf aufeinanderliegende Scheiben, die nach einem weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung bearbeitet worden sind.

Im folgenden ist die Erfindung anhand des Kaltpressens einer Gehäusekapsel zum Einkapseln einer Halbleitervorrichtung beschrieben.

Das erfindungsgemäße Kaltpreßverfahren wird mittels einer an sich bekannten, nicht dargestellten Preßformmaschine, mit der ein im folgenden einfach als "Scheibe" bezeichnetes Blech bzw. eine Lage in eine vorbestimmte Form gebracht wird, sowie einer Vorrichtung, deren Hauptteil in Fig. 2 dargestellt ist, zum Kaltpressen von übereinander angeordneten Scheiben durchgeführt. Die Kaltpreßvorrichtung umfaßt Stempel (dies) 4a, 4b mit einander zugewandten umlaufenden Stegen 3a, 2b_f Halterungen 5a, 5b für die Stempel 4a, 4b sowie eine nicht dargestellte Öldruckvorrichtung zum Zusammen- und Auseinanderbewegen der Stempel-Halterungen.

Vor dem Kaltpressen werden die beiden Scheiben la, Ib, die jeweils mit einer zentralen Eindrückung bzw. Vertiefung versehen sind, durch Preßformen in die vorbestimmte Form gemäß Fig. 3 gebracht. Hierbei wird an der einen Scheibe la innerhalb eines ringförmigen bzw. umlaufenden, durch Kaltpressen zu verschweißenden Preßabschnitts 6 eine (umlaufende) Ringsicke 7a ausgebildet. Eine ähnliche Ringsicke 7b wird in der Scheibe Ib innerhalb des umlaufenden Preßabschnitts geformt. Diese Ringsicken 7a, 7b sollen zur Entlastung (release) der Spannungen dienen, die bei der Verformung der Scheiben la, Ib aufgrund des plastischen Fließens (plastic fluidity) des umlaufenden Preßabschnitts 6 beim Kaltpressen desselben auftreten. Die zentralen Eindrückungen der Scheiben la, Ib werden so zusammengebracht, daß ein Aufnahmeraum 8 für ein Halbleiterelement 9 entsteht. Die umlaufenden Preßabschnitte 6 beider Scheiben la, Ib werden sodann auf den Ringsteg 3b des Stempels 4b aufgelegt, worauf die Kaltpreßvorrichtung zum Zusammenpressen der Scheiben la, Ib bestätigt wird (vgl. Fig. 4).

Hierbei tritt im ringförmigen bzw. umlaufenden Verbindungsbereich (junction) 2 der kaltgepreßten Scheiben la, Ib ein deren Verformung bewirkendes plastisches Fließen auf. Diese Verformung führt zum Auftreten zweier einander entgegengesetzter (mechanischer) Spannungen A, B innerhalb dieses Verbindungsbereichs 2. Einwärts des Umkreises des Verbindungsbereichs 2 sind jedoch die erwähnten Ringsicken 7a, 7b ausgebildet, durch welche diese Spannungen aufgefangen bzw. entlastet werden. Diese Ringsicken 7a, 7b werden durch die genannten Spannungen so verformt, daß sich ihre Höhe vergrößert und dadurch die einander ent-

gegenwirkenden Spannungen A, B aufgehoben werden. Da hierbei das plastische Fließen der Scheiben la, Ib im umlaufenden Verbindungsbereich 2 durch die Spannungen A, B weniger stark behindert wird, können die Scheiben la, Ib auch ohne wesentliche Dickenreduzierung vollständig gegeneinander verpreßt bzw. durch Kaltpressen verschweißt- werden.

Die Beziehung zwischen der Dicke (0,4 mm) zweier Kupfer-Scheiben la, Ib und der Breite ihres Verbindungsbereichs 2 wurde für das bisherige und das erfindungsgemäße Kaltpreßverfahren bestimmt; die Ergebnisse finden sich in Fig. 6. Bei einer Breite des Verbindungsbereichs von O,3 mm mußten beim bisherigen Verfahren die Scheiben la, Ib durch Druckausübung aluf 403= ihrer ursprünglichen Dicke reduziert werden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren genügt dagegen eine Dickenreduzierung der Scheiben la, Ib um nur 45%. Dies bedeutet, daß orfindungsgemäß die Scheiben mit einem niedrigen Verformungsgrad zufriedenstellend kaltverpreßt werden können, so daß eine Beeinträchtigung der mechanischen Festigkeit des Kaltpreß-Erzeugnisses vermieden wird.

Im folgenden ist anhand von Fig. 7 ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kaltpreßverfahrens erläutert. Wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 werden dabei in der Nähe der Umkreise der umlaufenden Preßabschnitte und einwärts von diesen umlaufende Ringsicken 7a, 7b in den Scheiben la, Ib ausgebildet. Außerhalb dieser Preßabschnitte werden in den Scheiben la, Ib weitere umlaufende Ringsicken Ha, 11b ausgebildet, um eine weitere Entlastung der bei der Verformung aurgrund des plastischen Fließens auftretenden Spannungen im umlaufenden Verbindungs-

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bereich 2 der Scheiben la. Ib zu gewährleisten. Mit dieser Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens j- wird nicht nur dieselbe Wirkung wie beim ersten Ausführungsbeispiel erzielt, vielmehr wird auch das plastische Fließen (des Werkstoffs) außerhalb des Verbindungsbereichs 2 begünstigt und damit die Haftfestigkeit (adhesivity) der zusammengepreßten Schei-

^q ben la, Ib verbessert. Dieses abgewandelte Verfahren ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Scheiben la, Ib eine große Dicke oder große Abmessungen besitzen oder wenn der Außenumfangsrand 12 der Scheiben la, Ib einen großen Abstand zum umlaufenden Verbindungs-

\ 5 bereich 2 besitzt.

Nachstehend ist anhand von Fig. 8 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Dabei sind anstelle der Ringsicken Ha₁ lit» nach Fig. 7 zahlreiche spannungsentlastende Einschnitte oder Kerben 13 in praktisch gleichen gegenseitigen Abständen im Außenumfangsrand 12 der Scheiben ausgebildet. Hierbei ist eine Spannung, die durch die Verformung der Scheiben la, Ib aufgrund des plastischen Werkstoff-Fließens im Verbindungsbereich entsteht, bestrebt, den Scheibenteil außerhalb des umlaufenden Verbindungsbereichs aufzuweiten oder auszudehnen. Diese Spannung wird jedoch durch Verformung der Kerben 13 ausgeglichen, so daß eine Behinderung des plastischen Fließens im Verbindungsbereich der Scheiben la, Ib wirksamer verhindert und die Druck-Haftfestigkeit der Scheiben la, Ib weiter verbessert wird. Wenn hierbei zusätzlich zu den Kerben 13 auch die beschriebenen umlaufenden Ringsicken 7a, 7b vorgesehen werden, kann diese Haftfestigkeit noch weiter verbessert werden.

Bei einem weiteren, nicht dai gestellten Ausführungsbeispiel können innerhalb und/oder außerhalb des umlaufenden Preßabschnitts an <;en Scheiben la, Ib dünnwandige, spannungsentlastende Abschnitte angeformt werden. Wahlweise kann ein solcher dünnwandiger Abschnitt innerhalb des Preßabt;chnitts vorgesehen werden, wahren^ an den Außeniimfangskanten der Schei-

IQ ben la, Ib Einschnitte bzw. Kerben vorgesehen werden. Alle genannten Maßnahmen tragen zur Minderung der das plastische Fließen im umlaufenden Verbindungsbereich der Scheiben la, Ib behindernden Spannung bei und verbessern somit die Dnack-Haftfestigkeit (pressure adhesivity).

Aufgrund der beschriebenen Maßnahmen beim erfindungsgemäßen Verfahren können dio (Metallblech-)Scheiben durch Kaltverpressen in einem vorteilhaft geringen Ausmaß und ohne Beeinträchtigung ihrer mechanischen Festigkeit zuverlässig kaltgepreßt bzw. durch Kaltpressen miteinander verschweißt werden.

Während bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen eine einzige spannungsentlastende Ringsicke einwärts und/oder auswärts des umlaufenden Preßabschnitts der aufeinanderliegenden Scheiben vorgesehen ist, können ersichtlicherweise jeweils mehrere derartige Ringsicken vorgesehen werden. Während bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen diese spannungsentlastenden Ringsicken jeweils eine dem umlaufenden Preßabschnitt der Scheiben ähnelnde Ringform besitzen, können sie auch eine elliptische oder andere Form besitzen. Zudem können die Spannungsentlastungsbereiche auch unterbrochen statt durchgehend ausgebildet sein.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Kaltpressen aufeinanderliegender (Metallblech-)Scheiben, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe eines umlaufenden Kaltpreßabschnitts der aufeinander zu legenden cheiben jeweils ein Bereich zur Entlastung einer bei der Verformung der Scheiben aufgrund des plastischen Fließen s (des Scheibenwerkstoffs) in ihrem Verbindungsbereich hervorgerufenen Spannung ausgebildet wird, daß die Scheiben sodann flächig aufeinander gelegt werden und daß die aufeinanderliegenden Scheiben längs ihrer umlaufenden Kaltpreßbereiche einem Kaltpressen unterworfen bzw. durch Kaltpressen miteinander verschweißt werden.

2. Verfahren nach Anspruch I₄ dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsentlastungsbereich einwärts vom umlaufenden Kaltpreßabschnitt der aufeinanderliegenden Scheiben ausgebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsentlastungsbereich auswärts vom umlaufenden Kaltpreßabschnitt der aufeinanderliegenden Scheiben ausgebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsentlastungsbereich sowohl einwärts als auch auswärts vom umlaufenden Kaltpreßabschnitt der aufeinanderliegenden Scheiben ausgebildet wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeicnnet, daß die aufeinander zu

legenden Scheiben jeweils mit einer (umlaufenden) Ringsicke zur Entlastung der (mechanischen) Spannung, die durch die Verformung der Scheiben aufgrund des plastischen (Werkstoff-)Fließens in ihrem umlaufenden Verbindungsbereich hervorgerufen wird, versehen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der aufeinander zu legenden Scheiben verdünnt wird, so daß er als Spannungsentlastungsbereich wirkt.

7. /erfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß auswärts des umlaufenden Verbindungsbereichs der aufeinander zu legenden Scheiben zahlreiche auf gleiche Abstände verteilte Einschnitte bzw. Kerben ausgebildet werden.