DE4412792A1

DE4412792A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Verbinden von flächigen Werkstücken

Info

Publication number: DE4412792A1
Application number: DE19944412792
Authority: DE
Inventors: Martin Dr Schlott; Josef Heindel
Original assignee: Leybold Materials GmbH
Current assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Priority date: 1994-04-14
Filing date: 1994-04-14
Publication date: 1995-10-19

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfah ren zum Verbinden flächiger Werkstücke durch Löten oder Diffusionsverbinden unter Vakuum.

In der Technik werden vielfach hochwertige Verbindungen flächiger Teile benötigt, die möglichst fehlerfrei sein sollen, ausreichende mechanische Festigkeiten aufweisen und je nach Anwendung außerhalb auch noch thermisch be lastbar sein müssen. Ein Beispiel für eine solche An wendung ist das Bonden von Sputtertargets auf soge nannte Rückplatten, um das Target in der Sputteranlage mechanisch zu halten und um zugleich die im Target freigesetzte Wärme abzuführen. Es gibt jedoch auch zahllose andere Anwendungen.

Bei den herkömmlichen Verfahren zur Verbindung flächiger Teile ist entweder sehr viel manuelles Ge schick beim Fügen erforderlich oder man benötigt teure und komplizierte Preßeinrichtungen, die evtl. auch noch unter Vakuum arbeiten können müssen und evtl. heizbare Stempel besitzen.

Bei dem manuellen Verfahren werden die zu verbindenden flächigen Teile zunächst mit Lot benetzt. Anschließend wird ein Lotüberzug aufgebracht und das eine Teil lang sam auf das andere Teil aufgelegt, so daß das flüssige Lot in Form einer Welle herausgedrückt wird.

In der US 5,230,462 wird eine Variante beschrieben, bei der das Fügen der Teile unterhalb des Lotspiegels in einer Lotwanne erfolgt, um so fehlerhafte Bereiche ohne Lot zu vermeiden. Anschließend läßt man die Teile an Luft abkühlen. Das Ausrichten und fehlerfreie Verbinden der Teile erfordert viel praktische Erfahrung und wird grundsätzlich manuell ausgeführt. Die so hergestellten Verbindungen können nur aus niedrig schmelzenden Loten bestehen, die keiner großen thermischen Belastung aus gesetzt werden können und die außerdem problemlos an Luft verarbeitbar sein müssen (z. B. In, In-Sn etc.).

In der JP-OS 3-73385 wird dagegen ein Verfahren be schrieben, bei dem die zu verbindenden Teile unter Va kuum oder Schutzgas zwischen beheizten Stempeln gepreßt werden, wobei das Lot vom Zentrum der zu verbindenden Teile aus aufgeschmolzen wird. Durch den möglichen hohen Druck, das Vakuum und die spezielle Erhitzung er geben sich nahezu fehlerfrei Verbindungen. Prinzipiell können auch höher schmelzende Lote eingesetzt werden, die auch reaktive Komponenten enthalten dürfen. Der Nachteil des Verfahrens besteht in der erforderlichen teuren Vakuumpreßeinrichtung, die wegen der langen Pro zeßzeiten zum Erwärmen und Abkühlen zudem nur eine ge ringe Produktivität besitzt.

In der EPA 0 575 166 wird ein Verfahren zum Verbinden eines Sputtertargets mit einer Rückplatte beschrieben, das die Verbindung über Schmiedeplattieren in Verbin dung mit einer Diffusionsglühung erreicht. Das Verfah ren hat folgende Nachteile: Für das Schmiedeplattieren ist ein teure Schmiedepresse erforderlich. Außerdem er fordert das Verfahren ein mechanisches Verschweißen durch Deformation einer der Metallkomponenten unter hohem Druck. Dies erschwert die Maßhaltigkeit. Die an schließende Diffusionsglühung ist sehr zeitaufwendig, da die Diffusion im festen Zustand allgemein sehr lang sam erfolgt.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine mög lichst kostengünstige und einfache Vorrichtung zum Ver binden von flächigen Teilen zu entwickeln, die sich zu dem möglichst universell für niedrig- und höher schmelzende Lote sowie für Diffusionsverbindungen eignet und eine fehlerfreie Verbindung garantiert. Ins besondere sollen auch Verbindungen herstellbar sein, die thermisch höher belastbar sind als die bekannten Verbindungen auf der Basis von In-Sn-Loten.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Werkstücke in einer allseits geschlossenen, evakuierbaren Kammer gehalten sind, wobei zumindest ein dem einen Werkstück gegenüberliegender Kammerwandaus schnitt über eine rahmenförmige, den Ausschnitt um schließende Manschette aus elastischem Werkstoff oder über ein anderes elastisch verformbares Glied mit der diesem Wandausschnitt benachbarten Kammerwand verbunden oder gegenüber dieser dichtend bewegbar ist und wobei der Abstand zwischen der Oberseite des mit dem unteren Werkstück zu verbindenden Werkstück, beispielsweise einem Sputtertarget und der Innenfläche des Wandaus schnitts so bemessen ist, daß bei evakuierter Kammer der Wandausschnitt oder das Deckelteil fest auf dem oberen Werkstück aufliegt. Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus den anhängenden Patentan sprüchen.

Bei durchgeführten Versuchen hat sich schnell gezeigt, daß nur Vakuumprozesse hinreichend gute Ergebnisse be züglich der Fehlerfreiheit der Lotverbindung liefern. Überraschenderweise ergab sich, daß in der Regel schon Preßdrücke von rund 1 bar genügen, um eine fehlerfreie flächige Verbindung herzustellen. Voraussetzung war da bei lediglich eine plan gedrehte oder gefräste Ober fläche der zu verbindenden Teile sowie die Existenz einer zumindest vorübergehend flüssigen Phase an der Verbindungszone zwischen den zu verbindenden Teilen. Der Druck von ca. 1 bar wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dabei durch den Unterschied zwischen Atmo sphärendruck außerhalb der Vorrichtung und Vakuum/Unterdruck innerhalb der Kammer erreicht.

Je nach verwendetem Lot- bzw. Bondverfahren reichen Vakua zwischen 500 mbar und 1 × 10^-5 mbar aus. Bei re aktiven Loten oder Teilen, die leicht oxidieren, zeigte es sich, daß es wichtig ist, die Vorrichtung gut zu evakuieren, bevor sie erwärmt wird. Die beim ther mischen Verbinden aufschmelzende Zwischenschicht kann aus in der Technik bekannten Loten bestehen, die in Form von Folien, Pulvern oder Granulaten eingebracht werden. Außerdem können auch Zwischenlagen oder Be schichtungen von mindestens einem der zu verbindenden Teile mit einem Metall oder einer Legierung eingesetzt werden, die im Verlauf des thermischen Verbindungspro zesses zumindest vorübergehend eine flüssige Phase bilden.

Wegen des Verbindens unter Vakuum sind Lote mit reaktiven Elementen einsetzbar. Außerdem können so auch leicht oxidierende Komponenten verbunden werden. Durch den Einsatz höher schmelzender Lote bzw. das Diffu sionsverbinden erhält man außerdem Werkstoffverbin dungen, die Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius widerstehen.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmög lichkeiten zu, drei davon sind in den anhängenden Zeichnungen (Fig. 1 bis Fig. 3) schematisch darge stellt.

Gemäß Fig. 1 besteht die Kammer im wesentlichen aus einem steifen Bodenteil 3 und aus ebenso steifen Seitenteilen 4, 5 und einem plattenförmigen Deckelteil 6, das mit Hilfe eines rahmenförmigen Balges 7 aus ge welltem Blech die Kammer nach oben zu verschließt. Die Kammer ist über eine in das eine Seitenteil 4 ein mündende Rohrleitung 8 an eine nicht näher dargestellte Vakuumpumpe angeschlossen. Die beiden miteinander zu verbindenden plattenförmigen Werkstücke 9, 10 sind über den Deckel 6, der zusammen mit dem rahmenförmigen Balgen von den Seitenteilen 5, 6 abnehmbar ist, in die Kammer einsetzbar. Die Werkstücke 9, 10 liegen auf dem Bodenteil 3 auf, wobei ihre Höhe zusammen etwa der Innenhöhe der Kammer entspricht. Wird nun die Kammer evakuiert, dann legt sich der Deckel 6 fest auf die Werkstücke 9, 10 infolge der auf den Deckel 6 ein wirkenden Luftsäule auf und preßt die Werkstücke 9, 10 aufeinander. Das Bodenteil 3 kann nun über eine nicht näher dargestellte Heizeinrichtung auf Löttemperatur erhitzt werden, so daß die zwischen den Werkstücken 9, 10 eingebrachte Lot-Schicht beide Teile fest mitein ander verbinden kann.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 besteht aus zwei schalen förmigen Gehäusehälften 12, 13, die beide mit ihren flanschförmigen umlaufenden Rändern 14 bzw. 15 aufein anderliegen, wobei zwischen den Rändern 14, 15 ein rahmenförmiges elastisches Dichtelement 16 eingelegt ist. Die untere Gehäusehälfte 13 ist an eine Vakuum pumpe über eine Rohr- oder Schlauchleitung 17 ange schlossen. Die beiden Gehäuseschalen 12, 13 sind so di mensioniert, daß sie die Werkstücke 9, 10 eng um schließen, wobei die Wandungen der Gehäusedeckel 12, 13 so bemessen sind, daß sie sich unter dem Einfluß des atmosphärischen Drucks verformen und sich fest auf die Werkstücke 9, 10 auflegen und diese aufeinanderpressen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist eine schalenförmige Gehäusehälfte 18 über ein steifes Boden teil 19 gestülpt und zwar derart, daß sich die Gehäuse schale 18 unter dem Einfluß des Luftdruckes nach unten zu bewegen kann, wobei die Seitenwand 20 sich gegenüber der korrespondierenden Seitenwand 21 des sehr massiven Bodenteils 19 verschieben kann. Zwischen die beiden Seitenwände 20, 21 ist eine Rolldichtung, z. B. ein Rundschnurring 22, eingelegt.

Die folgenden Beispiele sollen den Einsatz der Vorrich tung für unterschiedliche Materialverbindungen erläutern.

1. Beispiel

Eine verkupferte Al-Platte ⌀ 150 × 6 mm und eine Cu- Platte ⌀ 150 × 4 mm wurden zunächst mit eutektischem In- Sn-Lot benetzt. Zum Verlöten wurde eine Vorrichtung ge mäß Fig. 3 mit Innendurchmesser 200 mm verwendet. Zwischen Cu-Platte und die Al-Platte wurde eine 0,5 mm dicke In-Sn-Lotfolie gelegt. Die Teile wurden ausge richtet, dann wurde die Vorrichtung geschlossen und mit einer Vakuumpumpe auf p < 10^-1 mbar evakuiert. Die eva kuierte Vorrichtung wurde in einem Umluftofen auf 220°C für 30 min. erwärmt, anschließend dem Ofen entnommen und an Luft abkühlen gelassen. Die Vorrichtung wurde aufgeschraubt, das Al-Cu-Verbundwerkstück entnommen und untersucht. Die Ultraschallprüfung der Lotnaht zeigte keine Fehler.

2. Beispiel

Auf eine Stahlplatte wurde eine Al-Platte ⌀ 150 mm × 6 mm, dann eine Al-Si(12)-Folie von 0,2 mm Dicke und zuletzt eine Ti-Platte ⌀ 150 mm × 6 mm ge legt. Ein aus dünnwandigem Stahlblech gedrückter Deckel ⌀ 200 mm wurde darüber gestülpt und auf die Stahlplatte geschweißt, so daß eine Vorrichtung gemäß Fig. 1 ent stand. Die Vorrichtung wurde mit einer Turbomolekular pumpe auf p < 10^-3 mbar evakuiert und anschließend in einem Ofen auf 610°C erhitzt. 30 Minuten nach Er reichen der Arbeitstemperatur wurde der Ofen ausge schaltet, so daß die Vorrichtung abkühlte. Die Vorrich tung wurde aufgeschnitten, das Ti-Al-Verbundwerkstück wurde entnommen und untersucht. Die Ultraschallprüfung der Diffusionslotnaht zeigte keine Fehler. An der Lot naht war eine dünne eutektikumsnahe Al-Si-Schicht zu erkennen.

3. Beispiel

Auf eine Stahlplatte wurde eine Al-Platte ⌀ 150 mm × 6 mm gelegt, die mit einer dünnen Schicht aus Si-Pulver bestreut wurde. Hierauf wurde eine Ti-Platte ⌀ 150 mm × 6 mm gelegt. Ein aus dünnwandigem Stahlblech gedrückter Deckel ⌀ 200 mm wurde darüber gestülpt und auf die Stahlplatte geschweißt, so daß eine Vorrichtung gemäß Fig. 1 entstand. Die Vorrichtung wurde mit einer Turbomolekularpumpe auf p < 10^-3 mbar evakuiert und an schließend in einem Ofen auf 610°C erhitzt. 30 Minuten nach Erreichen der Arbeitstemperatur wurde der Ofen ausgeschaltet, so daß die Vorrichtung abkühlte. Die Vorrichtung wurde aufgeschnitten, das Ti-Al-Verbund werkstück wurde entnommen und untersucht. Die Ultra schallprüfung der Diffusionsnaht zeigte keine Fehler. An der Lotnaht war eine dünne eutektikumsnahe Al-Si- Schicht zu erkennen.

4. Beispiel

Auf einen aus dünnwandigem Stahlblech gedrückten Boden ⌀ 200 mm wurde eine Al-Platte ⌀ 150 mm × 8 mm gelegt, die mit einer 10 µm dicken Cu-Schicht überzogen war. Anschließend wurde eine Al-Platte ⌀ 150 mm × 6 mm dar aufgelegt. Ein aus dünnwandigem Stahlblech gedrückter Deckel ⌀ 200 mm wurde darüber gestülpt und mit dem Bodenblech verschweißt, so daß eine Vorrichtung gemäß Fig. 2 entstand. Die Vorrichtung wurde mit einer Tur bomolekularpumpe auf p < 10^-3 mbar evakuiert und an schließend in einem Ofen auf 570°C erhitzt. 60 Minuten nach Erreichen der Arbeitstemperatur wurde der Ofen ausgeschaltet, so daß die Vorrichtung abkühlte. Die Vorrichtung wurde aufgeschnitten, das Al-Al-Verbund werkstück wurde entnommen und untersucht. Die Ultra schallprüfung der Diffusionslotnaht zeigte keine Fehler. An der Lotnaht war eine dünne eutektikumsnahe Al-Cu-Schicht zu erkennen.

5. Beispiel

Auf eine Stahlplatte wurde eine Stahl-Ronde ⌀ 50 mm × 10 mm, dann eine Aktivfolie Ag(70,5) Cu(26,5) Ti(3) von 0,2 mm Dicke und darüber eine ZrO₂-Scheibe ⌀ 50 mm × 3 mm gelegt. Ein aus dünnwandigem Stahlblech gedrückter Deckel ⌀ 80 mm wurde darüber gestülpt und auf die Stahlplatte geschweißt, so daß eine Vorrichtung gemäß Fig. 1 entstand. Die Vorrichtung wurde mit einer Turbomolekularpumpe auf p < 10^-3 mbar evakuiert und an schließend in einem Ofen auf 950°C erhitzt. 30 Minuten nach Erreichen der Arbeitstemperatur wurde der Ofen ausgeschaltet, so daß die Vorrichtung abkühlte. Die Vorrichtung wurde aufgeschnitten, das Stahl-ZrO₂-Ver bundwerkstück wurde entnommen und untersucht. Die Ultraschallprüfung der Lotnaht zeigte keine Fehler.

Bezugszeichenliste

3 Bodenteil
4 Seitenteil
5 Seitenteil
6 Deckel
7 Balgen
8 Rohrleitung
9 Werkstück, Grundplatte
10 Werkstück, Target
11 Lot
12 Gehäuseschale
13 Gehäuseschale
14 umlaufender Rand
15 umlaufender Rand
16 Dichtring, elastischer Rahmen
17 Schlauchleitung
18 Gehäuseschale
19 Bodenteil
20 Seitenwand
21 Seitenwand
22 Rundschnurring

Claims

1. Vorrichtung zum Verbinden flächiger Werkstücke durch Löten oder Diffusionsverbinden unter Vakuum, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke in einer allseits geschlossenen, evakuierbaren Kammer gehalten sind, wobei zumindest ein dem einen Werk stück gegenüberliegender Kammerwand-Teil über eine rahmenförmige, diesen Teil umschließende Man schette aus elastischem Werkstoff oder über ein elastisch verformbares Zwischenglied mit der diesem Wandteil benachbarten Kammerwand verbunden oder gegenüber dieser abgedichtet bewegbar ist und wobei der Abstand zwischen der Oberseite des mit dem unteren Werkstück zu verbindenden Werkstücks, beispielsweise einem Sputtertarget und der Innenfläche des verschiebbaren Wandteils oder Wandabschnitts so bemessen ist, daß bei eva kuierter Kammer der Wandteil fest auf dem oberen Werkstück aufliegt.

2. Verfahren zum Verbinden flächiger Werkstücke über Löten oder Diffusionsverbinden, dadurch gekenn zeichnet, daß die zu verbindenden Teile überein ander in eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelegt werden, sich zwischen den zu verbindenden Teilen je nach gewähltem Lötverfahren eine Zwischenlage aus einem Material befindet, dessen Schmelz temperatur unter dem Erweichungspunkt der zu ver bindenden Teile liegt oder das mit mindestens einer der zu verbindenden flächigen Teile eine zu mindest vorübergehend flüssige Phase bildet, der Innendruck in der Vorrichtung unter den Umgebungs druck abgesenkt wird, die Vorrichtung mit den zu verbindenden Platten auf die gewählte Arbeits temperatur erwärmt wird und nach einer geeigneten Haltezeit anschließend wieder abgekühlt wird.

3. Verfahren zum Verbinden flächiger Werkstücke über Löten oder Diffusionsverbinden gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage ent weder in Form einer Schicht auf mindestens eines der Teile aufgebracht ist oder in Form einer Folie, eines Granulats oder Pulvers zwischen den zu verbindenden Teile eingebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß zum Verbinden von Ti- mit Al-Platten als Zwischenlage entweder eine eutektikumsnahe Al- Si-Verbindung oder reines Si verwendet wird, die Vorrichtung vor dem Erwärmen auf p < 10^-² mbar evakuiert wird und die Arbeitstemperatur im Be reich von 580-650°C liegt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verbinden von Ti- mit Al- Platten oder Al- mit Al-Platten als Zwischenlage Kupfer verwendet wird, die Vorrichtung vor dem Er wärmen auf p < 10^-2 mbar evakuiert wird und die Arbeitstemperatur im Bereich 550-650°C liegt.

6. Verfahren zum Verbinden von flächigen Teilen nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischenlage ein Lot auf In- oder Sn-Basis verwendet wird, der Druck im Innern der Vorrich tung vor oder während des Erwärmens auf p < 500 mbar abgesenkt wird, die Vorrichtung auf eine Tem peratur von oberhalb des Schmelzpunktes des ver wendeten Lotes erwärmt wird und nach kurzer Halte zeit wieder abgekühlt wird.

7. Lötverbindung zwischen flächigen Teilen, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach einem Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3 herstellbar ist.