DE3930859A1 - Verfahren zum verloeten zweier elemente - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verlöten zweier Elemente gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.

Bekannt ist u.a. das Verlöten von Kupfer, was in der Praxis mit Loten erfolgt, die einen niedrigeren Schmelzpunkt als Kupfer haben und in gewissem Umfang mit Kupfer legieren.

Für die Verbindung von kupferhaltigen Materialien mit keramischen Materialien ist insbes. auch bekannt, daß eine Oberflächenoxidation des kupferhaltigen Materiales und eine anschließende Erhitzung der beiden zu verbindenden Materia­ lien auf eine Temperatur oberhalb der eutektischen Temperatur zu einer festen Verbindung führt (DE-PS 23 19 854). Dieses Verfahren wird auch als "DCB-Verfahren" (Direct-Copper- Bonding-Verfahren) bezeichnet.

Beide vorgenannten bekannten Verfahren besitzen eine Reihe von Nachteilen. Durch das Löten mit niedrig schmelzenden Loten wird zwischen die zu verbindenden Elemente bzw. Materialien in drittes Material mit anderen mechanischen und elektrischen Eigenschaften eingebracht.

Bei dem ebenfalls bekannten DCB-Verfahren treten in der Praxis Probleme dadurch auf, daß durch die sehr schnelle Sauerstoffdiffusion im Kupfer die Dicke der eutektischen Aufschmelzschicht schlecht zu steuern ist. Darüberhinaus ist bei diesem Verfahren nur eine vollflächige Verbindung möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, welches die vorgenannten Nachteile vermeidet und ein Ver­ binden bzw. Verlöten zweier Elemente bzw. Materialien ohne die Verwendung eines Lotes mit niedrigem Schmelzpunkt ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ausgebildet.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich bevorzugt zum Verbinden von Schichten, die aus Kupfer oder Kupferle­ gierungen und/oder aus Keramik bestehen, um auf diese Weise mehrschichtige Substrate, vorzugsweise für den Einsatz in der Elektrotechnik bzw. Elektronik herzustellen.

Mit der Erfindung können in einem Arbeitsgang zwei oder aber auch mehrere Elemente bzw. Materialien, d.h. bevorzugt Schichten miteinander verbunden werden, wobei dann selbst­ verständlich an jedem Verbindungsbereich zwischen zwei benachbarten Elementen wenigstens eine an ihrer Oberfläche mit einer Oxidschicht versehene Folie zum Einsatz kommt.

Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Folie ist bereits vor ihrer Anwendung bei diesem Verfahren an ihrer Oberfläche, d.h. an ihren Oberflächenseiten mit der er­ forderlichen Oxidschicht versehen.

Die wenigstens zwei miteinander zu verbindenden Elemente bzw. Materialien können entweder beide Kupfer bzw. Kupferle­ gierungen oder Keramik sein. Bevorzugt besteht aber von den wenigstens zwei miteinander zu verbindenden Elementen ein Element zumindest am Verbindungsbereich aus Kupfer bzw. aus einer Kupferlegierung und das andere Element aus Keramik.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren schmilzt bei Erreichen der eutektischen Temperatur zunächst die Folie, wobei dann, wenn wenigstens ein Element aus Kupfer oder einer Kupfer­ legierung besteht, eine vorherige Diffusion von Sauerstoff in dieses Element überraschenderweise nicht auftritt. Die geschmolzene Folie benetzt die zu verbindenden Elemente bzw. Materialien, so daß eine einwandfreie Verbindung dieser Elemente mit hoher Qualität erzielt wird.

Bevorzugt ist das erfindungsgemäße Verfahren so ausgebildet, daß nach Erreichen der eutektischen Temperatur die gesamte Folie schmilzt. Durch Verändern der Dicke der Folie und der Oxidschichtdicke lassen sich dann gezielt bestimmte, unter­ schiedliche Aufschmelzdicken beim Löten erreichen, womit auch eine Anpassung an unterschiedliche Oberflächenrauhigkeiten der zu verbindenden Elemente bzw. Materialien möglich ist.

Durch entsprechende geometrische Gestaltung bzw. durch entsprechenden Zuschnitt der Folie lassen sich auch Ver­ bindungen zwischen zwei Elementen bzw. Materialien in der Form herstellen, daß diese Elemente bzw. Materialien an ihren benachbarten Oberflächen (Verbindungsbereich) nur partiell, d.h. an vorgegebenen Bereichen miteinander verbunden sind.

Die Figur zeigt als Beispiel im Schnitt zwei miteinander zu verbindende Elemente in Form der beiden Schichten 1 und 2, von denen die Schicht 1 aus Kupfer oder aus einer Kupfer­ legierung besteht und die Schicht 2 eine Keramikschicht ist. Zwischen den beiden Schichten 1 und 2 ist die an ihrer Oberfläche, d.h. an ihrer Ober- und Unterseite mit einer kompakten Oxidschicht versehene Folie 3 angeordnet. Die Dicke der Schicht 1 ist deutlich bzw. um ein Vielfaches größer als die Dicke der Folie 3, d.h. die Dicke der Schicht 1 beträgt beispielsweise 300 µm und die Dicke der Folie 3 etwa 50 µm.

In der der Figur dargestellten Orientierung, d.h. mit der eine höhere Masse aufweisenden Schicht 1 oben liegend, wird das von den beiden Schichten 1 und 2 und der Folie 3 ge­ bildete Paket in einer Schutzgasatmosphäre (Stickstoffat­ mosphäre) mit einem Sauerstoffgehalt der Größenordnung von 10-200 ppm auf die eutektische Temperatur von ca. 1063 bis 1085°C erhitzt, wobei die Folie 3 völlig aufschmilzt und mit ihrer ursprünglichen Dicke die eutektische Aufschmelzschicht in der Schicht 1 bestimmt. Nach dem Abkühlen ist die Schicht 1 durch Löten mit der Schicht 2 verbunden, und zwar in gleicher Weise wie bei dem bekannten, allerdings nachteiligen DCB-Verfahren und ohne die Verwendung eines Lotes mit niedrigem Schmelzpunkt. Das Gewicht der Schicht 1 reicht aus, um während des Verlötens beide Schichten 1 und 2 in aus­ reichender Weise gegen die Folie 3 zur Anlage zu bringen.

Claims (11)

1. Verfahren zum Verlöten wenigstens zweier Elemente an einander benachbarten Oberflächen, an denen diese Elemente aus Kupfer und/oder Keramik bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus Kupfer oder einer Kupfer­ legierung bestehende und an ihren Oberflächen mit einer Oxidschicht versehene Folie (3) zwischen die zu ver­ bindenden Elemente (1, 2) eingebracht und diese mit ihren Oberflächen gegen die Folie (3) anliegenden Elemente (1, 2) sowie die Folie (3) bis zu deren Aufschmelzen erhitzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verlötenden Elemente Schichten (1, 2) aus Kupfer bzw. Kupferlegierungen oder aus Keramik sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Folie (3) 1-30 µm und die Dicke der Oxidschicht der Folie 0,1-50 µm beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Sauerstoffmenge der Oxid- und der Kupferphase bezogen auf die Gesamtkupfer­ menge der Folie (3) so gewählt ist, daß sich eine übereutektische Konzentration beim Aufschmelzen der Folie (3) ergibt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschmelzen der Folie (3) in einer Schutzgasatmosphäre, vorzugsweise in einer Stick­ stoffatmosphäre bei einem Sauerstoffgehalt von etwa 10-200 ppm erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (1, 2) sowie die Folie (3) zum Verlöten auf eine Temperatur im Bereich zwischen ca. 1063 und 1085°C erhitzt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Folie (3) um ein Vielfaches kleiner ist als die Dicke der miteinander zu verlötenden Elemente bzw. Schichten (1, 2).

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Dicke der miteinander verlötenden Elemente bzw. Schichten (1, 2) in der Größenordnung von etwa 300 µm eine Folie (3) mit einer Dicke von etwa 50 µm verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander zu verlötenden Elemente (1) solche aus Kupfer oder einer Kupferlegierung sind.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander zu verbindenden Elemente (2) solche aus Keramik sind.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß von den miteinander zu verbindenden Elementen ein Element (1) aus Kupfer oder einer Kupfer­ legierung und das andere Element (2) aus Keramik besteht.