DE3211499C2 - Verfahren zum Verbinden von Metallscheiben durch Kaltpressen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kaltpreßverfahren, bei dem Kupfer-Scheiben (2a, 2b) jeweils mit Nickelschichten (8a, 8b) mit niedriger Streckbarkeit als die Kupfer-Scheiben (2a, 2b) (durch Galvanisieren) beschichtet werden, die Kupfer-Scheiben (2a, 2b) mit dazwischenliegenden Nickelschichten (8a, 8b) flächig aufeinander gelegt werden und die Elemente der Schichtanordnung durch Kaltpressen mit hoher Haftfestigkeit miteinander verbunden werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Metallscheiben durch Kaltpressen, bei welchem eine an den zu verbindenden Flächen vorhandene Oxidschicht entfernt wird und danach diese Flächen übereinander angeordnet und kaltgepreßt werden.

Gegenwärtig werden Erzeugnisse, die durch Wärme ungünstig beeinflußt werden können, beispielsweise Halbleiterelemente, in einem Behälter eingekapselt, der durch zwei Metallscheiben gebildet ist, die durch Kaltpressen miteinander verbunden sind.

Beim Kaltpressen besteht ein bedeutsamer, die Kaltpreßeigenschaften der aufeinanderiiegenden Scheiben beeinflussender Faktor in dem Zustand derjenigen Flächen der beiden Scheiben, an denen diese durch Kaltpressen miteinander verbunden bzw. verschweißt werden sollen. Wenn sich beispielsweise auf diesen Fläche eine Oxidschicht abgesetzt hat, wird hierdurch die KaItpreßbarkeit der Scheiben beeinträchtigt. Eine solche Oxidschicht wurde daher bisher vor dem Kaltpressen z. B. mittels einer Drahtbürste 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 aufeinanderiiegenden Scheiben, in welchem diese durch Kaltpressen miteinander verbunden werden sollen, in einem erheblichen Ausmaß, d. h. um mehr als 60% der ursprünglichen Scheibendikke reduziert. Diese Dickenreduzierbarkeit wird im foleenden als »Formbarkeit« der Scheiben bezeichnet. Eine derart starke Kaltverformung 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 aufeinanderiiegenden Scheiben zu schaffen, mit dem ohne Beeinträchtigung der mechanischen Festigkeit des Kaltpreßerzeugnisses eine hohe Druck-Haftfestigkeit gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der einleitend genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß vor dem Kaltpressen im Kaltpreßbereich der zu verbindenden Metallscheiben eine Beschichtung aus einem Metall aufgebracht wird, welche geringere Streckbarkeit als das Metall der Scheiben hat

Es ist gefunden worden, daß bei Anwendung eines Verfahrens gemäß der Erfindung beim Kaltpreßvorgang evtl. noch vorhandene Oxide aus dem Kaltpreßbereich verlagert werden. Dadurch wird eine einwandfreie Haftung der Metallscheiben aneinander erhalten, wobei weiterhin nur ein vergleichsweise niedriger Kaltpreßdruck angelegt zu werden braucht, der zu einer Dickenreduzierung der Scheiben von nur etwa 40% führt. Somit wird bei Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung die mechanische Festigkeit der Metallscheiben nicht beeinträchtigt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß der Erfindung sind in den Unteransprüchen unter Schutz gestellt.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

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

F i g. 1B einen Schnitt längs der Linie X-X in F i g. 1A, F i g. 2 bis 4 in vergrößertem Maßstab gehaltene Teilschnittdarstellungen zur Veranschaulichung der Verformung des ringförmigen Kaltpreßbereichs der beiden Metallscheiben sowie der auf diesen Bereich aufgetragenen Metall(isierungs)schichten,

F i g. 5 ein Schliffbild des erfindungsgemäß in den bei-

. den Metallscheiben ausgebildeten ringförmigen Kaltpreßbereichs,

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

F i g. 7 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Formbarkeit und der Breite des ringförmigen bzw. umlaufenden Kaltpreßbereichs der beiden Metallscheiben beim erfindungsgemäßen Verfahren bzw. beim bisherigen Verfahren.

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines Verfahrens zum Kaltpressen von aufeinanderiiegenden 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 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 mit einander zugewandten Vertiefungen 3a, 3b aufeinander gelegt werden, bilden sie einen Hohlraum 4 zur Aufnahme z. B. eines Halbleiterelements. Durch Kaltpressen der Ringflansche 5 der aufeinanderiiegenden Kupfer-Scheiben 2a, 2b kann ein Halbleiterelement 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 Nickeischichten 8a, 80 einer Dicke von 5— 15μπι in einer Vernickelungsvorrichtung unter Verwendung eines Watts-Bades beschichtet. Diese Nickelschichten 83,86 besitzen eine geringere Streckbarkeit als der Kupfer-Grundwerkstoff der Scheiben 2a, 2b. Gemäß F i g. 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 Querschnitt eines stumpfen Keils besitzen, in Richtung der Pfeüe A und B gegeneinander bewegt, wobei die Kuppfer-Scheiben 2a, 2b plastisch verformt werden (F i g. 3 und F i g. 4). Hierbei werden die Nickelschichten 8a, Sb im ringförmigen Kaltpreßbereich 5 in zwei Teile aufgetrennt. Aufgrund des plastischen Fließens des Werkstoffs der kaltverpreßten Kupfer-Scheiben 2a, 2b verlagern sich die beiden getrennten Teile der Nickelschichten längs der Kaltpreß-Grenzfläche 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 Nickel der aufgalvanisierten Schichten 8a, Sb (mit anderen Worten: Nickel besitzt eine geringere Bruchfestigkeit als Kupfer); die Nickelschichten 8a, Sb 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, Sb in Richtung der Pfeile C und D kommen neue, saubere, von Oxidschichten freie Flächen der Scheiben 2a, 2b in Beruhrung miteinander, um beim Kaltpreßvorgang vollständig miteinander verbunden bzw. verschweißt zu werden. Falls dennoch eine Oxidschicht zwischen der Nikkeischicht 8a und der Scheibe 2a bzw. zwischen der Nickelschicht 86 und der Scheibe 2b vorhanden ist, wird diese Oxidschicht bei der Trennung der Nickelschichten 8a, Sb 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 lOOfacher Vergrößerung gehaltenes Schliffbild des ringförmigen oder umlaufenden Kaltpreßbereichs der aufeinanderliegenden Scheiben 2a, 2b beim erfindungsgemäßen Verfahren. Die Scheiben besitzen dabei jeweils eine Dicke 0,4 mm, und sie sind mit einer etwa ΙΟμίτι 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 (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, aufgalvanisierte Nickelschicht in zwei Teile aufgetrennt worden, die sich längs der umlaufenden Kaltpreß-Grenzfläche 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 Kaltpreßvorgangs in Erscheinung. Infolgedessen kann eine unerwünschte Oxidschichtbildung unter dem Einfluß der ymgebungsluft auf diesen freigelegten, sauberen Flächen verhindert werden, so daß ein zufriedenstellendes Kaltpressen der aufeinanderliegenden Scheiben 2a, 2b ohne übermäßige Dickenreduzierung gewährleistet werden kann.

Fig. 6 ist ein Fig. 5 ähnelndes Schliffbild des nach einem bisherigen Verfahren geformten Kaltpreßbereichs. In dem in F i g. 6 gezeigten Fall wurden die mittels Drahtbürsten behandelten Kupfer-Scheiben 2a, 2b mit denselben Stempeln 6a, 6b wie in F i g. 5 und mit einer Dickenreduzierung von 60% durch Kaltpressen miteinander verbunden. Gemäß F i g. 6 erstreckt sich über einen beträchtlichen Teil der Kaltpreß-Grenzfläche 7 eine Oxidschicht in 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 weiterhin 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 Kaltpreßbereichs hinweg nur 0,1 mm beträgt.

Den Versuchen wurde die Beziehung zwischen der Formbarkeit der aufeinanderliegenden Scheiben und ihrer gesamten Kaltpreßlänge ermittelt; die Ergebnisse 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 Dickenreduzierung als beim bisherigen Verfahren durch Kaltpressen miteinander verbunden werden, ohne daß dabei die mechanische Festigkeit des Kaltpreßerzeugnisses beeinträchtigt wird.

Die Erfindung ist keineswegs auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, bei dem die durch Kaltpressen zu verbindenden Flächen von zwei aus z. B. Kupfer bestehenden Scheiben mit einer Schicht aus einem anderen Metall mit geringerer Streckbarkeit als derjeingen des Kupfer-Grundwerkstoffs der Scheiben beschichtet werden. Erfindungsgemäß ist es nämlich auch möglich, hur 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 μτη dicke Chromschicht aufgebracht werden, worauf die gesamte Anordnung mit Hilfe von zwei jeweils einen kegelstumpfförmigen Querschnitt mit einem Kegelwinkel von 90° und einer 0,4 mm breiten stumpfen Endfläche besitzenden Gesenken bzw. Stempeln durch Kaltpressen verschweißt werden kann. Die Metallschichten (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 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 A.usführungsbeispielen 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 Normaitemperatur als auch bei Temperaturen unterhalb des Rekristallisationspunkts des Grundmetalls der zu verpressenden Scheiben, beispielsweise bei einer Temperatur von unterhalb etwa 400° C, durchführbar.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

50

55

60

65

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verbinden von Metallscheiben durch Kaltpressen, bei welchem eine an den zu verbindenden Flächen vorhandene Oxidschicht entfernt wird und danach diese Flächen übereinander angeordnet und kaltgepreßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Kaltpressen im Kaltpreßbereich der zu verbindenden Metallscheiben eine Beschichtung aus einem Metall aufgebracht wird, welches geringere Streckbarkeit als das Metall der Scheiben hat

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Scheiben aus Kupfer verwendet werden und daß auf die Kupfer-Scheiben eine Nickeloder Chromschicht aufgetragen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die jeweiligen Scheiben aufgebrachte Metallschicht beim Kaltpressen der Scheiben unter Freilegung einer neuen, sauberen Fläche der Scheiben in zwei Teile aufgetrennt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine der aufeinanderzulegenden Scheiben mit einer Metallschicht versehen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltpreßbereiche zweier Metallscheiben jeweils mit einer Metallschicht versehen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht mit einer Dicke von 1 bis 15 μΐη aufgebracht wird.