DE3701108A1 - Verfahren zum verbinden zweier metallteile - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum haftfesten Verbinden zweier Metallteile aus Kupfer oder aus Alu­ minium mittels einer zwischen den beiden Metallteilen vorgesehenen Verbindungsschicht.

Zum Verbinden zweier Metallteile wird üblicherweise ein Weich- oder ein Hartlötverfahren angewandt. Zum Weichlöten wird ein Lot verwendet, das bei einer rela­ tiv niedrigen Temperatur schmilzt. Derartige Weichlote bestehen aus Legierungen, deren Komponenten in Abhängig­ keit vom Metall der miteinander zu verbindenden Metall­ teile ausgewählt werden. Häufig verwendete Weichlote bestehen aus einer Blei-Zinn-Legierung, aus einer Blei- Silber-Zinn-Legierung oder aus anderen Zwei- oder Mehrfachlegierungen. Durch derartige Weichlote miteinander verbundene Metallteile weisen jedoch den Mangel auf, dass die mechanische Festigkeit der Verbin­ dung bereits bei relativ niedrigen Temperaturen auf unzulässige Werte abnimmt. Um Metallteile so miteinander zu verbinden, dass die mechanische Festigkeit der Verbin­ dung auch bei höheren Temperaturen in der Grössenordnung von 200°C und mehr erhalten bleibt, wird das Hartlötver­ fahren angewandt. Zum Hartlöten werden beispielsweise Silberlote, Kupfer-Silber-Lote, o. dgl. angewandt, wobei die Hartlötung je nach dem verwendeten Lot bei Tempera­ turen in der Grössenordnung von 600°C erfolgt.

Ein Mangel der Weich- bzw. Hartlötverbindungen besteht darin, dass sich ein dreischichtiges Gebilde aus den beiden miteinander verbundenen Metallteilen, insbesondere Kupferteilen oder Aluminiumteilen, und der zwischen den beiden Metallteilen befindlichen Lotschicht ergibt. Dieser dreischichtige Aufbau ergibt einen bestimmten Übergangswiderstand. Ausserdem weist die Zwischenschicht einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf als die beiden Metallteile, so dass sich insbesondere bei Lastwechseln Materialermüdungen ergeben können. Wird das aus den beiden Metallteilen und der Zwischen­ schicht bestehende Gebilde in der Leistungselektronik angewandt, so sind durch den dreischichtigen Aufbau Thermospannungen an den Übergängen zwischen den Metall­ teilen und der Zwischenschicht nicht auszuschliessen, welche das Schaltungsverhalten einer Leistungselektronik- Schaltung beeinträchtigen können.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem zwei Metallteile aus Kupfer oder aus Aluminium miteinander grossflächig fest verbunden werden können, wobei der Übergangswiderstand und Thermo­ spannungen zwischen den Metallteilen vernachlässigbar gering sind und keine Dehnungsprobleme auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass auf mindestens einem der beiden zu verbindenden Metallteile eine Schicht aus einem Oxid des Metalls der beiden miteinander zu verbindenden Metallteile an­ geordnet wird, dass die Metallteile dann zusammengefügt werden, und dass anschliessend eine Temperaturbehand­ lung in einer inerten Atmosphäre bei einer Temperatur erfolgt, die einige Grad unter der Schmelztemperatur des Metalls der Metallteile liegt. Durch dieses Verfah­ ren ergibt sich zwischen den beiden Metallteilen eine grossflächige mechanisch feste Verbindung mit einem relativ kleinen elektrischen Übergangswiderstand,weil zwischen den miteinander verbundenen Metallteilen keine Fremdmetalle vorhanden sind. Ein erheblicher Vorteil einer mit dem erfindungsgemässen Verfahren durchgeführten Verbindung zweier Metallteile aus Kupfer oder Aluminium besteht darin, dass infolge der Temperaturbehandlung in einer inerten Atmosphäre die Metallteile nicht oxidiert werden, so dass es problemlos möglich ist, mit den Metall­ teilen wahlweise zusätzliche Elemente durch Lötung oder durch Klebung mit einem Leitkleber zu verbinden.

Es hat sich als zweckmässig erwiesen, dass die Schicht aus Kupferoxid bzw. aus Aluminiumoxid als Paste oder als Pulver auf mindestens ein Metallteil aufgebracht wird. Die Aufbringung einer Paste ist einfach möglich, sie weist jedoch den kleinen Mangel auf, dass das in der Paste vorhandene Bindemittel in einer speziell da­ für vorgesehenen Temperaturbehandlung ausgetrieben wer­ den muss. Die Aufbringung der Schicht aus Kupferoxid bzw. aus Aluminiumoxid in Form eines Pulvers ist zwar nicht ganz so einfach möglich, wie die Aufbringung einer Paste, sie weist jedoch den Vorteil auf, dass keine Temperaturvorbehandlung notwendig ist, so dass die Dauer zur Durchführung des Verfahrens reduziert ist.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, dass beim erfindungsgemässen Verfahren auf das/jedes Metall­ teil aus Kupfer eine Schicht aus Kupfer (II) hydroxid aufgebracht wird. Die Verwendung von Kupfer (II) hydroxid ist auch in der Patentanmeldung P 36 33 907.5 des Anmel­ ders zum haftfesten Verbinden eines Kupferkörpers mit einem Substrat beschrieben, wobei es sich bei diesem Substrat um einen elektrisch isolierenden Körper han­ delt.

Während der Temperaturbehandlung kann auf die beiden zu verbindenden Metallteile ein Druck ausgeübt werden. Auf diese Weise wird die Verbindung der Metallteile weiter verbessert, weil einem möglicherweise zwischen den miteinander zu verbindenden Metallteilen vorhandenen Gasdruck entgegengewirkt wird.

Die Temperaturbehandlung wird vorzugsweise in einer Edelgasatmosphäre durchgeführt. Bei dieser Edelgas­ atmosphäre kann es sich um eine Atmosphäre aus Argon, Krypton, Xenon oder Radon handeln. Es ist jedoch auch möglich, die Temperaturbehandlung in einer Stickstoff­ atmosphäre durchzuführen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des erfin­ dungsgemässen Verfahrens werden in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen miteinander ver­ bundener Metallteile beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch zwei miteinander verbun­ dene Metallteile aus Kupfer, und

Fig. 2 einen Schnitt durch zwei miteinander mechanisch fest verbundene Kupferteile, wobei das eine Kupferteil auf einem Substrat festhaftend an­ geordnet ist.

Fig. 1 zeigt ein Metallteil 10 aus Kupfer oder aus Aluminium, und ein zweites Metallteil 12, das winkelför­ mig ausgebildet und abschnittweise dargestellt ist. Mit der Bezugsziffer 14 ist eine Übergangsschicht zwi­ schen den Metallteilen 10 und 12 bezeichnet, die dadurch gebildet wird, dass auf mindestens einem der beiden miteinander zu verbindenden Metallteile 10 und/oder 12 eine Schicht aus einem Oxid des Metalls der beiden miteinander zu verbindenden Metallteile 10 und 12 ange­ ordnet wird, dass die Metallteile 10 und 12 dann zusammen­ gefügt werden, und dass anschliessend eine Temperaturbe­ handlung in einer inerten Atmosphäre bei einer Temperatur erfolgt, die einige Grad unter der Schmelztemperatur des Metalls der Metallteile 10 und 12 liegt. Durch dieses erfindungsgemässe Verfahren ergibt sich zwischen den Metallteilen 10 und 12 eine mechanisch feste Verbindung mit einem sehr kleinen Ohm′schen Übergangswiderstand. Da sich im Bereich der Verbindung der Metallteile 10 und 12 keine unterschiedlichen thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten ergeben, weist eine derartige Verbindung auch ein gutes Lastwechselverhalten auf, was insbesondere in der Leistungselektronik von Wichtigkeit ist. Ein weiterer Vorteil dieser Verbindung besteht darin, dass zwischen den miteinander verbundenen Metallteilen 10 und 12 keine Thermospannungen auftreten.

Fig. 2 zeigt eine elektrisch gut leitende und mechanisch feste Verbindung zwischen zwei Metallteilen 10 und 12, wobei das Metallteil 10 als Schicht ausgebildet ist, die auf einem Substrat 16 fest haftend angeordnet ist.

Die Verbindung zwischen dem Substrat 16 und dem Metall­ teil 10 kann beispielsweise mit dem aus der deutschen Patentanmeldung P 36 33 907.5 beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Mit der Bezugsziffer 14 ist auch in dieser Figur die Übergangsschicht zwischen den mit­ einander fest verbundenen Metallteilen 10 und 12 bezeich­ net, die sich während der Temperaturbehandlung aus dem Metalloxid bildet. Bei dem in dieser Figur dargestellten Substrat 16 kann es sich beispielsweise um eine Molybdän- oder Siliziumscheibe handeln.

Claims (5)

1. Verfahren zum haftfesten Verbinden zweier Metallteile aus Kupfer oder aus Aluminium mittels einer zwischen den beiden Metallteilen vorgesehenen Verbindungsschicht dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einem der beiden zu verbindenden Metallteile eine Schicht aus einem Oxid des Metalls der beiden miteinander zu verbindenden Metallteile angeordnet wird, dass die Metallteile dann zusammenge­ fügt werden und dass anschliessend eine Temperaturbe­ handlung in einer inerten Atmosphäre bei einer Tempe­ ratur erfolgt, die einige Grad unter der Schmelztempe­ ratur des Metalls der Metallteile liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus Kupferoxid bzw. aus Aluminium­ oxid als Paste oder als Pulver auf mindestens ein Metallteil aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, dass auf das/jedes Metallteil aus Kupfer eine Schicht aus Kupfer (II) hydroxid aufgebracht wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Temperatur­ behandlung auf die beiden zu verbindenden Metallteile ein Druck ausgeübt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturbehandlung in einer Edelgasatmosphäre erfolgt.