DE3211499A1 - Kaltpressverfahren - Google Patents

Description

Kaltpreßverfahren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kaltpressen und -verschweißen von übereinander liegenden Scheiben, insbesondere Metallblechscheiben.

Derzeit wird ein Erzeugnis, etwa ein Halbleiterelement, das durch Wärme ungünstig beeinflußt werden kann, in einen durch Kaltpressen von aufeinanderliegenden Scheiben gebildeten Behälter eingekapselt.

Beim Kaltpressen besteht ein bedeutsamer, die Kaltpreßeigenschaften der aufeinanderliegenden Scheiben beeinflussender Faktor in dem Zustand derjenigen Fl.ächen der beiden Scheiben, an denen diese durch Kaltpressen miteinander verbunden bzw. verschweißt werden sollen. Wenn sich beispielsweise auf diesen Flächen eine Oxidschicht abgesetzt hat, wird hierdurch die Kaltpreßbarkeit der Scheiben beeinträchtigt. Eine solche Oxidschicht wurde daher bisher vor dem Kaltpressen z.B. mittels einer Draht-

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bürste entfernt. Dabei kommt es jedoch häufig vor, daß sich nach dem Abbürsten erneut eine Oxidschicht an den zu verpressenden Scheiben bildet; die vollständige Entfernung einer solchen Oxidschicht wirft also erhebliche Schwierigkeiten auf. «

Beim bisherigen Kaltpreßverfahren wird die Dicke des Ringbereiches der aufeinanderliegenden Scheiben, in

2Q welchem diese durch Kaltpressen miteinander verbunden werden sollen, in einem erheblichen Ausmaß, d.h. um mehr als 60% der ursprünglichen Scheibendicke reduziert (diese Dickenreduzierbarkeit wird im folgenden als "Formbarkeit" der Scheiben bezeichnet). Eine derart starke (Kalt-)Verformung führt jedoch zu einer Minderung der mechanischen Festigkeit der kaltgepreßten Scheiben.

Im Hinblick hierauf liegt der Erfindung insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Kaltpressen von aufeinanderliegenden Scheiben zu schaffen, mit dem ohne Beeinträchtigung der mechanischen Festigkeit des Kaltpreßerzeugnisses eine hohe Druck-Haftfestigkeit (pressure adhesivity) gewährleistet werden soll.

Diese Aufgabe wird bei einem Kaltpreßverfahren der angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kaltpreßbereich von zu verbindenden Metall-Scheiben (durch Galvanisieren) mit einem Metall mit geringerer Streckbarkeit als der des Scheiben-Grundmetalls beschichtet wird, daß die Scheiben mit zwischen ihnen befindlichen Metallfrsierungs)schichten flächig aufeinandergelegt werden und daß die Elemente der Schichtanordnung letztlich durch Kaltpressen miteinander verbunden bzw. verschweißt werden.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A eine Aufsicht auf zwei aufeinanderliegende Metall (blech)scheiben, auf die das erfindungsgemäße Kaltpreßverfahren anwendbar ist,

Fig. 1B einen Schnitt längs der Linie X-X in

Fig. 1A,

Fig. 2 bis 4 in vergrößertem Maßstab gehaltene Teil-Schnittdarstellungen zur Veranschauli

chung der Verformung des ringförmigen Kaltpreßbereichs der beiden Metallscheiben sowie der auf diesen Bereich aufgetragenen Metall$.sierungs)schichten,

Fig. 5 ein Schliffbild des erfindungsgemäß in

den beiden Metallscheiben ausgebildeten ringförmigen Kaltpreßbereichs,

Fig. 6 ein Schliffbild des nach einem bisherigen Verfahren in den beiden Metallscheiben ausgebildeten ringförmigen Kaltpreßbereichs und

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Formbarkeit (machining extent) und der Breite des ringförmigen bzw. umlaufenden Kaltpreßbereichs der beiden Metallscheiben beim erfindungsgemäßen Verfahren bzw. beim bisherigen

Verfahren.

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Im folgenden ist die Erfindung anhand eines Verfahrens zum Kaltpressen von aufeinanderliegenden Metallblech-Scheiben zur Herstellung eines Behälters oder einer Kapsel zum Einkapseln eines Halbleiterelements beschrieben. *

Gemäß Fig. 1 wird ein Behälter 1 zum Einkapseln eines Halbleiterelements aus zwei aufeinandergelegten, durch

IQ Kaltpressen miteinander zu verbindenden Kupfer-Scheiben 2a, 2b geformt, die ihrem Mittelbereich unter Bildung kreisrunder Vertiefungen 3a, 3b eingedrückt worden sind. Wenn die Kupfer-Scheiben 2a, 2b miteinander zugewandten Vertiefungen 3a, 3b aufeinander gelegt werden, bilden sie einen Hohlraum 4 zur Aufnahme z;B. eines Halbleiterelements. Durch Kaltpressen der Ringflansche 5 der aufeinanderliegenden Kupfer-Scheiben 2a, 2b kann ein HaIbleiterlement in den so hergestellten Behälter 1 eingekapselt werden, ohne daß es dabei schädlichen Wärmeschocks ausgesetzt ist.

Beim erfindungsgemäßen Kaltpreßverfahren werden die durch Kaltpressen miteinander zu verbindenden bzw. zu verschweißenden Flächen der Kupfer-Scheiben 2a, 2b durch Galvanisieren mit Nickelschichten 8a, 8b einer Dicke von 5-15 ja m in einer Vernickelungsvorrichtung unter Verwendung eines Watts-Bads beschichtet. Diese Nickelschichten 8a, 8b besitzen eine geringere Streckbarkeit (extensibility) als der Kupfer-Grundwerkstoff der Scheiben 2a, 2b. Gemäß Fig. 2 sind die Scheiben 2a, 2b so aufeinandergelegt, daß die Nickelschichten 8a, 8b in gegenseitiger Berührung stehen. Diese Anordnung wird sodann in einer nicht dargestellten Kaltpreßvorrichtung verpreßt. Beim Kaltpreßvorgang werden Gesenke oder Stempel 6a, 6b, die jeweils einen kegelstumpfförmigen Querschnitt bzw. den

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Querschnitt eines stumpfen Keils besitzen, in Richtung der Pfeile A und B gegeneinander bewegt, wobei die Kupfer-Scheiben 2a, 2b plastisch verformt werden (Fig. 3 und Fig. 4). Hierbei werden die Nickelschichten 8a, 8b im ringförmigen Kaltpreßbfereich 5 in zwei Teile aufgetrennt. Aufgrund des plastischen Fließens (des Werkstoffs) der kaltverpreßten Kupfer-Scheiben 2a, 2b verlagern sich die beiden getrennten Teile der Nick elschichten längs der Kaltpreß-Grenzflache 7 in Richtung der Pfeile C und D. Diese Erscheinung beruht auf dem Umstand, daß der Kupfer-Grundwerkstoff der Scheiben 2a, 2b eine größere Streckbarkeit besitzt als das Nick el der aufgalvanisierten Schichten 8a, 8b (mit anderen Worten: Nikkel besitzt eine geringere Bruchfestigkeit als Kupfer); die Nickelschichten 8a, 8b können bei diesem Vorgang dem plastischen Fließen der kaltverpreßten Kupfer-Scheiben 2a, 2b nicht folgen, so daß sie vor Beendigung des Kaltpreßvorgangs den Bruchpunkt bzw. die Streckgrenze erreichen. Bei der Verlagerung der voneinander getrennten Teile der Nickelschichten 8a, 8b in Richtung der Pfeile C und D kommen neue, saubere, von Oxidschichten freie Flächen der Scheiben 2a, 2b in Berührung miteinander, um beim Kaltpreßvorgang vollständig miteinander verbunden bzw. verschweißt zu werden. Falls dennoch eine Oxidschicht zwischen der Nickelschicht 8a und der Scheibe 2a bzw. zwischen der Nickelschicht 8b und der Scheibe 2b vorhanden ist, wird diese Oxidschicht bei der Trennung der Nickelschichten 8a, 8b ebenfalls aus dem Kaltpreßbereich verlagert. Infolgedessen ist dabei ebenfalls eine neue, saubere Fläche in diesem Bereich vorhanden, wodurch ein einwandfreies Zusammenhaften der Scheiben 2a, 2b gewährleistet wird.

Fig. 5 ist ein in 100-facher Vergrößerung gehaltenes

Schliff-

bild des ringförmigen oder umlaufenden Kaltpreßbereichs der aufeinanderliegenden Scheiben 2a, 2b beim erfindungsgemäßen Verfahren. Die Scheiben besitzen dabei jeweils c eine Dicke 0,4 mm, und sie sind mit einer etwa 10 \im dicken -Nickelschicht beschichtet. Beim Kaltpreßvorgang erfahren die Scheiben 2a, 2b eine Dickenreduzierung von 50%. Das Kaltpressen erfolgte mittels der den Querschnitt eines stumpfen Keils besitzenden Stempel 6a, 6b IQ (Fig. 4), deren Keilwinkel 90° beträgt und deren stumpfer Endabschnitt 0,4 mm breit ist. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, ist die als weiße Linie erscheinende, aufgalvanisiserte Nickelschicht in zwei Teile aufgetrennt worden, die sich längs der umlaufenden Kaltpreß-Grenzfläehe 7 mit einem Abstand von 0,4 mm in entgegengesetzte Richtungen auseinander bewegt haben. Fig. 5 zeigt weiterhin, daß die neuen, sauberen Flächen der aufeinanderliegenden Kupfer-Scheiben 2a, 2b nach der Trennung der unterbrochenen Teile der Nickelschichten über die gesamte Strecke von 0,4 mm vollständig und durchgehend miteinander verbunden bzw. verschweißt sind. Diese sauberen Flächen der Kupfer-Scheiben treten erst während des KaltpreBvorgangs in Erscheinung. Infolgedessen kann eine unerwünschte Oxidschichtbildung unter dem Einfluß der Umgebungsluft auf diesen freigelegten, sauberen Flächen verhindert werden, so daß ein zufriedenstellendes Kaltpressen der aufeinanderliegenden Scheiben 2a, 2b ohne übermäßige Dickenreduzierung gewährleistet werden

kann.
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Fig. 6 ist ein Fig. 5 ähnelndes Schliffbild des nach einem bisherigen Verfahren geformten Kaltpreßbereichs. In dem in Fig. 6 gezeigten Fall wurden die mittels Drahtbürsten behandelten Kupfer-Scheiben 2a, 2b mit denselben Stempeln 6a, 6b wie in Fig. 5 und mit einer Dickenredu-

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zierung von 60% durch Kaltpressen miteinander verbunden. Gemäß Fig. 6 erstreckt sich über einen beträchtlichen Teil der Kaltpreß-Grenzflache 7 eine Oxidschicht in ρ- Form schwarzer Streifen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß durch die Drahtbürstenbehandlung allein die Oxidschicht nicht vollständig von den Oberflächen der Scheiben 2a, 2b entfernt werden kann und diese Scheiben 2a, 2b normalerweise nach der Drahtbürstenbehandlung weiter-

jQ hin der Umgebungsluft ausgesetzt sind, so daß sich auf ihren Oberflächen erneut eine Oxidschicht bilden kann. Bei den um 60% in der Dicke reduzierten Scheiben 2a, 2b wurde die Breite des umlaufenden Kaltpreßbereichs bestimmt, in welchem die Scheiben 2a, 2b ohne dazwischen befindliche Oxidschicht vollständig miteinander verpreßt sind. Hierbei zeigte es sich, daß trotz der genannten großen Dickenreduzierung von 60% die Gesamtlänge oder -breite der vollständig durch Kaltpressen miteinander verbundenen Stellen über die Breite des umlaufenden KaItpreßbereichs hinweg nur 0,1 mm beträgt.

Den Versuchen wurde die Beziehung zwischen der Formbarkeit der aufeinanderliegenden Scheiben und ihrer gesamten Kaltpreßlänge ermittelt; die Egebnisse finden sich in Fig. 7. Wie aus Fig. 7 hervorgeht, muß beim bisherigen Verfahren jede Scheibe um etwa 70% (in ihrer Dicke) reduziert werden, wenn die aufeinanderliegenden Kupfer-Scheiben über eine Länge (bzw. Breite) von 0,3 mm durch Kaltpressen miteinander verbunden werden sollen; beim erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem die betreffenden Flächen der Kupfer-Scheiben vernickelt werden, reicht dagegen eine Dickenreduzierung von etwa 40% aus. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können somit die aufeinanderliegenden Scheiben unter Gewährleistung einer hohen Haftfestigkeit mittels wesentlich weniger starker Dicken-

reduzierung als bein bisherigen Verfahren durch Kaltpressen miteinander verbunden werden, ohne daß dabei die mechnische Festigkeit des Kaltpreßerzeugnisses beeinp. trächtigt wird.

Die Erfindung ist keineswegs auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, bei dem/cfurch Kaltpressen zu verbindenden Flächen von zwei aus z.B.

-,Q Kupfer bestehenden Scheiben mit einer Schicht aus einem anderen Metall mit geringerer Streckbarkeit als derjenigen des Kupfer-Grundwerkstoffs der Scheiben beschichtet werden. Erfindungsgemäß ist es nämlich auch möglich, nur eine der beiden Kupfer-Scheiben mit einer solchen Schicht eines Metalls geringerer Streckbarkeit zu versehen. Wenn eine dieser Scheiben, die nicht mit einer solchen Metallschicht versehen ist, beispielsweise aus Gold besteht, auf dem sich keine Oxidschicht bildet, wird dieselbe Wirkung erreicht wie dann, wenn die beispielsweise aus Kupfer bestehenden Scheiben jeweils mit einer Metallschicht mit geringerer Streckbarkeit als im Fall von Kupfer beschichtet werden. Auch wenn die nicht mit der aufgalvanisierten Metallschicht versehene Scheibe aus einem oxidierbaren Werkstoff besteht, kann ein in der Praxis brauchbares Kaltpreßerzeugnis erhalten werden, auch wenn seine mechanische Festigkeit etwas geringer ist als bei einem Kaltpreßerzeugnis, bei dem die beiden aufeinanderliegenden Scheiben jeweils mit einer aufgalvanisierten Metallschicht versehen worden sind.

Anstelle der beschriebenen Nickelschicht kann jedoch auf die zusammenzufügenden Kupfer-Scheiben mit jeweils einer Dicke von 0,4 mm auch eine 1 - 5 ρ dicke Chromschicht aufgebracht werden, worauf die gesamte Anordnung mit HiI-fe von zwei jeweils einen kegelstumpfförmigen Querschnitt

-limit einem Kegelwinkel von 90° und einer 0,4 mm breiten stumpfen Endfläche besitzenden Gesenken bzw. Stempeln durch Kaltpressen verschweißt werden kann. Die Metallg schichten (z.B. aus Nickel) können auch im Vakuum aufgedampft oder aber aufgespritzt werden. Die Erfindung ist außerdem nicht nur auf Kupfer-Scheiben, sondern auch auf Scheiben aus anderen Nicht-Eisenmetallen, wie Aluminium oder Aluminiumlegierung, sowie auf Scheiben IQ aus Eisenmetall oder Scheiben aus verschiedenen Metallen anwendbar.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen besitzt der Kaltpreßbereich eine ringförmige bzw. umlaufende Gestalt. Falls jedoch keine Abdichtung hergestellt zu werden braucht, können die aufeinanderliegenden Scheiben erfindungsgemäß auch längs einer unterbrochenen Linie oder an punktweise verteilten Stellen durch Kaltpressen miteinander verbunden werden. Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen werden die aufeinanderliegenden Scheiben zwischen zwei Gesenken bzw. Stempeln kaltverpreßt, doch ist die Erfindung keineswegs hierauf beschränkt. Beispielsweise können die beiden Scheiben auch mittels eines einzigen, an der einen Seite der Schichtanordnung angreifenden Stempel wirksam durch Kaltpressen miteinander verbunden werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist weiterhin sowohl bei Normaltemperatur als auch bei Temperaturen unterhalb des Rekristallisationspunkts des Grundmetalls der zu verpressenden Scheiben, beispielsweise bei einer Temperatur von unterhalb etwa 400° C, durchführbar.

Leerseite

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE

   dadurch gekennzeichnet , daß der Kaltpreßbereich von zu verbindenden Metall-Scheiben (durch Galvanisieren) mit einem Metall mit geringerer Streckbarkeit als der des Scheiben-Grundmetalls beschichtet wird, daß die Scheiben mit zwischen ihnen befindlichen Metall (is)ierungsschichten flächig aufeinandergelegt werden und daß die Elemente der Schichtanordnung letztlich durch Kaltpressen miteinander verbunden bzw. verschweißt werden.

   22K499
2. 2. Kaltpreßverfahren nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet , daß die auf die jeweiligen Scheiben auf galvanisierte Metall$.sierungs)schicht beim Kaltpressen der Scheiben unter Freilegung einer neuen, sauberen Fläche der Scheiben in zwei Teile aufgetrennt wird.
3. 3. Kaltpreßverfahren nach Anspruch 1 und 2,

   j Q dadurch gekennzeichnet , daß

   Scheiben aus Kupfer verwendet werden und daß auf die Kupfer-Scheiben eine Nickel- oder Chromschicht aufgetragen wird.
4. 4. Kaltpreßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3_y dadurch gekennzeichnet , daß nur eine der aufeinanderzulegenden Scheiben mit einer Metall-(isierungs)schicht versehen wird.
5. 5. Kaltpreßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Kaltpreßbereiche zweier Metall-Scheiben jeweils mit einer Metall(isierungs)schicht versehen werden.
6. 6. Kaltpreßverfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Metall (isierungs) schicht mit einer Dicke von 1-15 μΐη aufgebracht wird.