DE69103807T2

DE69103807T2 - Verfahren zum Anlöten metallisierter Komponenten an keramische Substrate.

Info

Publication number: DE69103807T2
Application number: DE69103807T
Authority: DE
Inventors: Roupen Leon Keusseyan; William John Nebe; James Jerry Osborne
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1990-04-12
Filing date: 1991-04-09
Publication date: 1995-03-23
Anticipated expiration: 2011-04-10
Also published as: JPH04238875A; EP0453858B1; US5033666A; EP0453858A1; CA2039205A1; KR910019109A; JP2602372B2; KR940006434B1; DE69103807D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Hartlöten. Insbesondere betrifft diese Erfindung ein Verfahren zum Hartlöten metallisierter Komponenten zu keramischen Substraten.

HINTERGRUND

Der aktuelle Trend in der mikroelektronischen Kapselung geht zu hochleistungsfähigen Anwendungen, die sowohl eine höhere Dichte an elektronischer Funktionalität als auch bei höheren Geschwindigkeiten ablaufende Funktionalitäten erfordern. Die Herstellung elektronischer Kapselungen, die verläßlich arbeiten und diese Anforderungen an hochleistungsfähige Anwendungen erfüllen, ist eine Herausforderung an die mikroelektronische Industrie. Ein besonders schwieriger Aspekt bei der Herstellung solcher Kapselungen besteht in der Herstellung von Verbindungen oder Bindungen zwischen metallisierten Komponenten wie Stiften, Drähten, Rahmen von Fenstern oder Kühlkörpern und keramischen Substraten in Vielschicht-Kapselungen. Diese Verbindungen oder Bindungen müssen die mechanische Haltbarkeit, elektrische Leitfähigkeit und Wärmeabstrahlung aufweisen, die notwendig ist, um unter den sich ändernden und extremen, in hochleistungsfähigen Anwendungen auftretenden Bedingungen eine verläßliche Leistung sicherzustellen. Darüber hinaus muß das Verfahren oder die Methode des Verbindens der metallisierten Komponenten mit dem keramischen Substrat so kosteneffektiv und so einfach wie möglich sein.
Gegenwärtig gibt es bei der vielschichtigen elektronischen Kapselung mehrere Methoden zur Anbringung metallisierter Komponenten an keramische Substrate. Die verwendete Anbringungsmethode hängt vom Typ der hergestellten Vielschicht-Kapselung ab. Für Systeme, die bei hoher Temperatur zusammengebrannt werden und die dielektrische Schichten auf Aluminium-Basis und Wolfram- oder Molybdän-Metallisatoren verwenden, wird zur Anbringung eine Hartlöt-Methode verwendet. Das Hartlöten wird bei einer Temperatur von ungefähr 840 ºC in einer Wasserstoff- Stickstoff-Atmosphäre durchgeführt. Diese Methode führt zu guten Bindungsstärken und ermöglicht für die nachfolgende Verarbeitung einen Temperatur-Spielraum.
Systeme aus dicken Niedrigtemperatur-Filmen oder zusammengebrannten dielektrischen Folien verwenden Dielektrika auf Glas- und Aluminiumoxid-Basis und Metallisatoren auf der Basis von Gold, Silber oder Kupfer. Bei Niedrig-Temperatur-Systemen war das Hartlöten nicht erfolgreich, da die Temperaturen des Brennens und des Hartlötens im wesentlichen die gleichen sind. Dadurch wird ein Zustand hervorgerufen, durch den im Verlauf des Hartlöt-Verfahrens das Hartlot die zuvor gebildete Bindung zwischen dem Metallisator und der Keramik angreift und die Trennung des Metallisators vom Substrat verursacht. Die erfolgende Zerstörung der elektrischen Leitfähigkeit macht die Kapselung wertlos. Allgemeine, anstelle des Hartlötens für diese Niedrigtemperatur-Systeme verwendete Befestigungs-Methoden beinhalten das Weichlöten, das Verbinden durch Drähte und das Schweißen, so wie die thermische Kompression und das Parallelspaltschweißen. 0
Beide der vorhergehenden, die jeweiligen Befestigungsmethoden beinhaltenden Systeme sind gegenwärtig in Gebrauch. Diese Systeme leiden jedoch an einigen Nachteilen bei Hochleistungs- Anwendungen. In Kapselungen, die bei hohen Temperaturen zusammengebrannt werden, ist die elektrische Leitfähigkeit der mit Wolfram und Molybdän gebildeten Metallisierungen nicht so hoch, wie sie für Hochleistungs-Anwendungen gefordert wird. In Niedrig-Temperatur-Kapselungen ist die Leitfähigkeit der Metallisierung aus Gold, Silber oder Kupfer zwar gut, die Bindungsstärken sind aber normalerweise geringer als diejenigen, die durch Hartlöten erzielt werden und nicht so groß, wie sie für Hochleistungs-Anwendungen erwünscht wären. Darüber hinaus kann die Unversehrtheit der Lötverbindung bei einigen nachfolgenden Verarbeitungsverfahren verloren gehen.
Die Wirkung der nachfolgenden Verfahren auf vorhergehende Verfahrensschritte ist bei der Herstellung elektronischer Kapselungen eine wichtige Überlegung. So sollte zum Beispiel das Verfahren zum Anbringen von Stiften unter Verwendung von Hartlöt- Verfahren die Unversehrtheit der gesinterten Schaltkreise in der Kapselung nicht beeinflussen. Auf vergleichbare Weise sollte der nachfolgende Prozeß des Anbringens eines Halbleiter-Chips die Unversehrtheit der hartgelöteten Stifte oder der gesinterten Stromkreis-Leitungen nicht beeinflussen. Falls die Temperatur eines nachfolgenden Schrittes genauso hoch oder höher als die Temperatur bei einem vorherigen Schritt ist, wird die Unversehrtheit des Produkts aus dem vorherigen Schritt sehr wahrscheinlich durch den nachfolgenden Schritt beeinflußt. Um solche Komplikationen zu verhindern, sind die Hersteller elektronischer Bauteile bemüht, Verfahren mit einer Temperatur-Hierarchie zu entwickeln. Auf diese Weise ist die Unversehrtheit jedes Verfahrensschrittes durch den gesamten Herstellungsprozeß hindurch gewährleistet. Je höher tatsächlich die Temperatur ist, bei der der letzte Verfahrensschritt bei der Herstellung einer vollständigen Kapselung durchgeführt wird, desto größer ist der Temperatur-Zwischenraum zum nachfolgenden Verfahren und um so wahrscheinlicher bleibt die Kapselung durch thermische Einflüsse unbeeinflußt. Ein weiterer Vorteil eines Verfahrens mit einer Temperatur-Hierarchie ist derjenige, daß das Verfahren modular werden kann. Daher kann man Untereinheiten vor dem endgültigen Zusammenbau prüfen und auf diese Weise die Prüfarbeit vereinfachen und einen hohen endgültigen Qualitätsstand für das System-Produkt gewährleisten.
Daher besteht ein Ziel dieser Erfindung darin, ein Verfahren zum Hartlöten von metallisierten Komponenten auf keramische Substrate auf eine Weise verfügbar zu machen, bei der eine starke Verbindung gebildet wird und ein Verlust von Adhäsion an der Grenzfläche zwischen Metallisierung und keramischem Substrat nicht verursacht wird. Ein Ziel dieser Erfindung besteht auch darin, durch Verwendung einer metallischer Paste mit hoher elektrischer Leitfähigkeit ein Verfahren zum Hartlöten metallisierter Komponenten auf keramische, glaskeramische und metallische Substrate verfügbar zu machen. Ein weiteres Ziel dieser Erfindung besteht darin, eine verläßliche Methode zur Befestigung metallisierter Komponenten an ein Substrat auf Keramikbasis bei hoher Temperatur zur Verfügung zu stellen, während die Temperatur-Hierarchie des bei tiefer Temperatur gebrannten oder zusammengebrannten Systems beibehalten wird und die gleichen nachfolgenden Verarbeitungsverfahren ermöglicht werden, die allgemein für Systeme verwendet werden, die bei hohen Temperaturen zusammengebrannt werden.

KURZBESCHREIBUNG

Das Verfahren dieser Erfindung macht die Befestigung metallisierter Komponenten an Metallisierungen auf ein keramisches Substrat oder auf eine dielektrischen Schicht mit Hilfe einer Hartlot-Verbindung bei hohen Temperaturen im Bereich von 500 ºC bis 840 ºC verfügbar. Grundsätzlich umfaßt das Verfahren aufeinanderfolgend das Verwenden und das Brennen von wenigstens zwei Metallisierungs-Schichten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen auf die Oberfläche eines Substrates auf Keramikbasis und das anschließende Erhitzen des metallisierten Substrates mit metallischen Komponenten und einer Hartlot-Komponente auf eine zur Bildung einer Verbindung ausreichenden Temperatur an Stellen, an denen die Komponente oder die Komponenten an der Oberfläche befestigt werden sollen.
Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf ein Verfahren zum Hartlöten einer metallisierten Komponente auf ein Substrat auf Keramikbasis, umfassend die Schritte
a) des Aufbringens einer ersten Leiter-Zusammensetzung auf das Substrat auf Keramikbasis, wobei die erste Leiter- Zusammensetzung ein Metall-Pulver, ein anorganisches Bindemittel und ein organisches Medium umfaßt;
b) des Trocknens der ersten Leiter-Zusammensetzung;
c) des Brennens der ersten Leiter-Zusammensetzung bei einer Temperatur, die ausreicht, um die Keramik mit dem anorganischen Bindemittel zu benetzen, das Metall-Pulver zu sintern und das organische Medium abzutreiben, um dadurch eine erste Metallisierungs-Schicht zu bilden;
d) des Aufbringens einer zweiten Leiter-Zusammensetzung auf die erste Metallisierungs-Schicht in solcher Weise, daß die erste Metallisierungs-Schicht durch die zweite Metallisierungs-Schicht bedeckt wird, wobei die zweite Leiter-Zusammensetzung im wesentlichen aus einem Metall- Pulver und einem organischen Medium besteht;
e) des Trocknens der zweiten Leiter-Zusammensetzung;
f) des Brennens der zweiten Leiter-Zusammensetzung bei einer Temperatur, die ausreicht, um das Metall-Pulver der zweiten Leiter-Zusammensetzung zu sintern und das organische Medium abzutreiben, um dadurch die zweite Metallisierungs-Schicht zu bilden;
g) des Bildens einer Baugruppe durch Anordnen wenigstens einer metallisierten Komponente auf der zweiten Metallisierungs-Schicht und einer Hartlot-Zusammensetzung an der Grenzfläche zwischen der Komponente und der zweiten Metallisierungs-Schicht; und
h) des Erhitzens der Baugruppe auf eine Temperatur, die ausreicht, damit die Hartlot-Zusammensetzung eine Verbindung zwischen der Komponente und der zweiten Metallisierungs-Schicht bildet.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Einem Fachmann ist bekannt, daß die Befestigung von Komponenten auf einer elektronischen Struktur auf Keramikbasis normalerweise nach einer Anzahl von Schritten erfolgt, in denen die inneren Schaltkreise im Kapselung-Körper gebildet werden. Diese vor der Anbringung der Bauteile erfolgenden Schritte, wie z.B. durch Bildung oder innere Metallisierungs-Bildung etc., wären immer noch dieselben wie beim zur Herstellung der Kapselung verwendeten Typ von Keramik-Technologie. Folglich werden die Metall--4 Komponenten an einem Substrat befestigt, das normalerweise die äußere Oberflächenschicht der Struktur darstellt.
Substrate zur Verwendung mit dieser Erfindung können beliebige der beim Stand der Technik wohlbekannten, herkömmlichen Substrate auf Keramikbasis sein. Beispiele für Substrate auf Keramikbasis beinhalten keramische Substrate wie die Aluminiumoxide, die Berylliumoxide, die Hafniumoxide, Nitride, Carbide etc. Ebenfalls zur Verwendung als Substrate auf Keramikbasis für diese Erfindung geeignet sind Glas-Keramika und moderne Keramika wie Aluminiumnitrid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid und Bornitrid. Ein bevorzugtes Substrat zur Verwendung für diese Erfindung ist ein Substrat aus Aluminiumoxid, das 96 % Al&sub2;O&sub3; umfaßt, am meisten bevorzugt ist ein glaskeramisches Produkt wie Green- Tape (TM), verkauft von der E. I. du Pont de Nemours & Co., Wilmington, DE ("DuPont").
Eine erste dicke Film-Leiter-Zusammensetzung wird dann durch herkömmliche Techniken auf ein keramisches Substrat aufgetragen. Ein bevorzugtes Verfahren ist das Siebdrucken auf eine Naßdicke von ungefähr 20 bis 80 um, vorzugsweise 25 bis 70 um, und am bevorzugtesten auf 30 bis 40 um. Die gedruckten Muster werden dann bei ungefähr 50 ºC bis 200 ºC ungefähr 5 bis 15 Minuten lang getrocknet. Das Brennen zur Bildung einer ersten Metallisierungs-Schicht wird vorzugsweise in einem Förderband-Ofen bei einem Temperatur-Profil von ungefähr 300 ºC bis 660 ºC, einer 5 bis 25 Minuten lang dauernden Höchsttemperatur-Dauer von 600 ºC bis 1050 ºC, gefolgt von einer gesteuerten Abkühlung, durchgeführt, wodurch das Ausbrennen der organischen Substanz ermöglicht wird. Eine bevorzugte gebrannte Dicke der ersten Metallisierungs-Schicht beträgt ungefähr 5 bis 20 um. Das gesamte Brennverfahren erstreckt sich vorzugsweise über einen Zeitraum von ungefähr 1 Stunde, wobei die Brenntemperatur in 20 bis 25 Minuten erreicht wird, die Brenntemperatur ungefähr 10 Minuten beibehalten wird und ungefähr 20 bis 25 Minuten abgekühlt wird.
Leiter-Zusammensetzungen sind in der Technik wohlbekannt. Leiter-Zusammensetzungen, die auf keramische dielektrische Substrate aufgetragen und auf ihnen gebrannt werden, um ein erstes Metallisierungsmuster zu bilden, umfassen normalerweise fein zerteilte Metallteilchen und Teilchen aus anorganischem Bindemittel. Die metallische Komponente der Zusammensetzung gewährleistet den funktionellen (leitfähigen) Nutzen, während das anorganische Bindemittel die Metallteilchen aneinander und an das Substrat bindet. Am häufigsten werden die anorganischen Pulver in einem inerten flüssigen Medium oder Hilfsmittel dispergiert, so daß diese Dispersion leicht auf das Substrat aufgebracht werden kann. Für Leiter-Zusammensetzungen gebräuchliche Metallteilchen schließen Gold, Silber, Kupfer, Platin, Palladium oder Mischungen davon ein. Anorganische Bindemittel schließen Glas-Bindemittel (Fritten) und Metalloxide ein. In der Leiter-Zusammensetzung gebräuchliche Glas-Bindemittel sind nach dem Stand der Technik gebräuchlich und können, ohne darauf beschränkt zu sein, B&sub2;O&sub3;, SiO&sub2;, Al&sub2;O&sub3;, CdO, CaO, BaO, ZnO, SiO&sub2;, Na&sub2;O, PbO und ZrO etc. sein. Vergleichbar sind in der Leiter- Zusammensetzung gebräuchliche Metalloxide nach dem Stand der Technik gebräuchlich und können, ohne darauf beschränkt zu sein, ZnO, MgO, CoO, NiO, FeO, MnO und Mischungen davon sein.
Die anorganischen Pulver werden normalerweise durch mechanisches Mischen mit einem organischen flüssigen Medium (Hilfsmittel) vermischt und bilden eine pastenartige Zusammensetzung mit einer für den Siebdruck geeigneten Konsistenz und Rheologie. Als organisches Medium kann eine breite Vielzahl inerter Flüssigkeiten verwendet werden. Eine große Vielzahl von inerten Flüssigkeiten kann als organisches Medium verwendet werden. Das organische Medium ist nach dem Stand der Technik gebräuchlich und normalerweise eine Lösung eines Harzes (von Harzen) in (einem) Lösungsmittel(n) und häufig die Lösung eines Lösungsmittels, daß sowohl ein Harz als auch ein thixotropes Mittel enthält. Das am häufigsten für diesen Zweck verwendete Harz ist Ethylcellulose. Jedoch können auch Harze wie Ethylhydroxyethylcellulose, Colophonium, Mischungen von Ethylcellulose und Phenolharzen, Polymethacrylate niederer Alkohole und Monobutylether von Ethylenglycolmonoacetat verwendet werden. Die am weitesten verwendeten Lösungsmittel für Dickfilm-Anwendungen sind Terpene wie Alpha- oder Beta-Terpineol oder Mischungen davon mit anderen Lösungsmitteln wie Kerosin, Dibutylphthalat, Butylcarbitol, Butylcarbitolacetat, Hexylenglycol und hochsiedende Alkohole und Alkoholester. Verschiedene Kombinationen dieser und anderer Lösungsmittel werden zubereitet, um den gewünschten Anforderungen an Viskosität und Flüchtigkeit zu genügen. Darüber hinaus kann die Leiter-Zusammensetzung auch andere Metallteilchen und anorganische Bindemittel- Teilchen enthalten, um verschiedene Eigenschaften der Zusammensetzung wie Adhäsion, Zusammensintern, Verarbeitbarkeit, Hartlötbarkeit, Weichlötbarkeit, Verläßlichkeit etc. zu verbessern.
Herkömmliche Leiter-Zusammensetzungen aus Silber, Kupfer oder Gold für äußere Schaltungen sind zum Gebrauch mit dieser Erfindung geeignet. Eine bevorzugte Goldleiter-Zusammensetzung umfaßt, auf das Gewicht und auf die Gesamtmenge der anorganischen Feststoffe bezogen, fein zerteilte Teilchen von
(a) 75 bis 95 % Teilchen aus metallischem Gold, wobei wenigstens 90 Gew.-% der Teilchen ein Aspekt-Verhältnis nicht größer als 2 haben;
(b) 0,5 bis 10 % Cadmiumborosilicat-Glas;
(c) 0,1 bis 5 % eines spinellbildenden Oxids eines zweiwertigen Metalls, das aus der aus CuO, ZnO, MgO, CoO, NiO, FeO, MnO und deren Gemischen bestehenden Gruppe ausgewählt ist; und
(d) 0,1 bis 1,0 % eines Metalls, das aus der aus Palladium, Platin und Rhodium bestehenden Gruppe ausgewählt sind;
wobei sämtliche der Teilchen (a) bis (d) in
(e) einem organischen Medium dispergiert sind.
Die Erfindung umfaßt den Befund, daß die Anwendung einer zweiten Metallisierungs-Schicht auf die erste Metallisierungs-Schicht eine starke Verbindung zwischen dem Substrat und der angebrachten Komponente ergibt. Die zweite Metallisierungs-Schicht wirkt als eine elektrisch leitfähige Sperrschicht zwischen der hartgelöteten metallisierten Komponente und der keramischen metallisierten Grenzfläche.
Die zweite Metallisierungs-Schicht wird aus einer zweiten Leiter-Zusammensetzung gebildet, die mit Hilfe konventioneller Dickfilm-Techniken, vorzugsweise durch Siebdruck, auf die erste Metallisierungs-Schicht aufgetragen wird. Es ist wichtig, in diesem Schritt die zweite Leiter-Zusammensetzung so aufzutragen, daß die freiliegenden Teile der ersten Metallisierungs-Schicht, an denen die metallischen Komponenten befestigt werden sollen, vollständig beschichtet oder abgedeckt werden. Dies wird mit einer exakten Paßgenauigkeit des Schirmes der zweiten Leiter- Zusammensetzung auf der ersten Metallisierungs-Schicht oder durch Verwendung eines zweiten Schirmes mit einem etwas, um ungefähr 5 % im Vergleich mit der für die ersten Leiter- Zusammensetzung verwendeten Kontaktstellen-Größe größeren Muster (z.B. Kontaktstellen-Größe) für die zweite Metallisierungs- Schicht durchgeführt. Dies kann bedeuten, daß zur Abdeckung der ersten Metallisierungs-Schicht und zum Schutz der keramischen ersten Metallisierungs-Grenzfläche mehrere Druck-, Trocknungs- und Brennschritte notwendig wären. Das Trocknen der zweiten Leiter-Zusammensetzung erfolgt genauso wie oben für das Trocknen der ersten Leiter-Zusammensetzung beschrieben. Das Verfahren zum Brennen der zweiten Leiter-Zusammensetzung ist mit dem für die erste Leiter-Zusammensetzung beschriebenen vergleichbar, außer daß die Bedingungen zur Anpassung an die gewünschte gebrannte Dicke der zweiten Metallisierungsschicht geändert werden können. Die gebrannte Dicke der zweiten Metallisierungs-Schicht sollte ungefähr 5 bis 100 um betragen. Die Dicke hängt vom Typ und von der Schmelztemperatur der zu verwendenden Hartlot-Legierung genauso wie von der Hartlöt-Spitzentemperatur und der Verweilzeit bei der Spitzentemperatur ab. Normalerweise ist bei einer vorgegebenen Verweilzeit die Dicke der zweiten Schicht um so größer, je höher die Hartlöt-Spitzentemperatur ist. Zum Beispiel sollte die Dicke einer zweiten Metallisierungs-Schicht bei einer Verweilzeit von einer Minute bei Hartlöt-Spitzentemperaturen von weniger als 600 ºC im allgemeinen 10 bis 30 um, bei Hartlöt- Spitzentemperaturen von ungefähr 600 bis 700 ºC 30 bis 50 um und bei Hartlöt-Spitzentemperaturen von ungefähr 700 bis 810 ºC 40 bis 70 um betragen.
Die zweite Metallisierungs-Schicht bildende zweite Leiter- Zusammensetzung umfaßt ein fein zerteiltes, in einem organischen Medium dispergiertes Metallpulver. Die Metallteilchen in der zweiten Leiter-Zusammensetzung sintern im Verlauf der Brennstufe mit sich selbst und mit den an der Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Metallisierungs-Schicht befindlichen Metallteilchen der ersten Metallisierungsschicht zusammen. Zur Verwendung für die zweite Leiter-Zusammensetzung geeignete Metalle schließen Gold, Silber, Kupfer, Platin, Palladium oder Mischungen davon ein. Andere Metalle können verwendet werden, sollten aber mit den metallurgischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften der Kapselung verträglich sein. Die Funktion des organischen Mediums in der zweiten Leiter-Zusammensetzung ist die gleiche wie die des organischen Mediums in der ersten Leiter-Zusammensetzung. Auch hierbei ist das organische Medium ein nach dem Stand der Technik gebräuchliches und kann dieselbe oder eine andere Zusammensetzung als das für die erste Leiter-Zusammensetzung beschriebene organische Medium haben. Anorganische Bindemittel werden in dieser zweiten Metallisierungs-Schicht vorzugsweise nicht verwendet. Jedoch können kleine Mengen anorganischer Bindemittel bis zu 10 Gew.-% der Feststoffe erfolgreich verwendet werden.
In einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung kann das getrennte Brennen der ersten und der zweiten Metallisierungs- Schichten in einer Stufe zusammengefaßt werden. Vor der zusammengefaßten Brennstufe wird die erste Leiter-Zusammensetzung aufgetragen und getrocknet, anschließend wird die zweite Leiter- Zusammensetzung paßgenau aufgetragen und getrocknet. Das Brennen beider Schichten erfolgt ähnlich zum oben für die getrennten Schichten beschriebenen Brennen.
Zur Anbringung an keramische Substrate nützliche Metall-Komponenten sind zum Beispiel Stifte, Drähte, Rahmen von Fenstern und Kühlkörper. Diese Komponenten sind metallisiert, da sie als Zwischenverbindung zwischen anderen elektronischen Kapselungen oder, wie im Fall der Kühlkörper, zur Absorption oder Abstrahlung von unerwünschter Wärme dienen. Zur Verwendung für diese Erfindung geeignete metallisierte Komponenten können aus Kupfer, Nickel, Molybdän, Wolfram, Silber, Gold, Eisen, Graphit oder Legierungen oder Ummantelungen oder Mischungen daraus hergestellt sein. Bevorzugt zur Verwendung mit glaskeramischen Substraten sind Legierungen aus Eisen und Nickel wie Kovar, Legierung 42, Legierung 46 für Stift- und Leitungsmaterialien, während Kupfer/Wolfram, Kupfer/Molybdän, Kupfer/Molybdän/Kupfer und Kupfer/Invar/Kupfer als Kühlkörper und Verbreiterungen verwendet werden. Diese Materialien werden verwendet, da ihre thermischen Ausdehnungs-Koeffizienten mit denen der Metallisierungen und der keramischen Substrate, die in Kontakt mit diesen Materialien kommen, vergleichbar sind. Die vergleichbaren thermischen Ausdehnungskoeffizienten tragen dazu bei, die restlichen, durch das Hartlöt-Verfahren hervorgerufenen thermischen Beanspruchungen zu minimieren. Darüber hinaus können die Metall-Komponenten nach dem Hartlöten im Ofen ihre mechanische Unversehrtheit erhalten (kein nennenswertes Ausglühen). Die Metall-Komponenten können mit ausschließlich Nickel oder, falls erwünscht, anschließend mit Gold, Kupfer oder Silber überzogen werden.
Herkömmliche, mit der zweiten Metallisierungs-Schicht und der metallisierten Komponente verträgliche Metall-Zusammensetzungen von Hartlot-Füllstoffen sind zur Verwendung in dieser Erfindung geeignet. Geeignet sind Silber, Kupfer, Gold, Indium, Zink, Zinn, Nickel, Phosphor und Germanium oder Mischungen davon enthaltende Hartlot-Zusammensetzungen. Beispiele für Hartlot- Zusammensetzungen sind (1) 61.5 Ag / 24 Cu / 14.5 In, (2) 56 Ag / 22 Cu / 17 Zn / 5 Sn, (3) 78 Cu / 6 Ni / 9 Sn / 7 P und (4) 82 Au / 18 In, wobei die Zahlen Gew.-% bezeichnen. Der verwendete Typ des Füllstoff-Metalls zum Hartlöten hängt vom Metall oder den Metallen sowohl in der Sperrschicht der Metallisierung als auch in der metallisierten Komponente ab. Die Hartlot-Legierungen (1) und (2) sind am besten für Metallisierungen von Silber geeignet. Die Hartlot-Legierungen (1), (2) und (3) sind am besten für Metallisierungen auf Kupferbasis und Hartlot- Legierung (4) ist am besten für Metallisierungen auf Goldbasis geeignet. Die Hartlot-Zusammensetzung kann in einem pastenförmigen oder in einem vorgeformten Zustand vorliegen. Die Hartlot-Paste wird mit Hilfe des Siebdrucks, des Schablonendrucks oder anderer Ausgabe-Techniken aufgetragen. Das Hartlot kann auch auf die Kontaktstelle oder das Bauteil aufgetragen werden und vor dem hartlotverbindenden Prozeß vorverflüssigt werden.
Komponenten, die durch Hartlöten verbunden werden sollen, werden normalerweise in einer festen Position zusammengebaut, die während des gesamten Hartlöt-Zyklusses, typischerweise durch den Gebrauch von Hilfs-Befestigungen, beibehalten wird. Für Hilfs- Befestigungen werden oft Materialien wie weiche Stähle, Kovar, flächenbearbeitete Keramik, Lava und Graphit verwendet. Ein besonders bevorzugtes Befestigungs-Material ist Graphit. Die Auswahl eines Befestigungs-Materials wird durch die Materialeigenschaften wie z.B. die Wärmebeständigkeit in Verbindung mit dem angewandten Hartlöt-Verfahren, der Hartlöt-Temperatur und der verwendeten Atmosphäre, den Materialien in der Baugruppe und den abmessungsbedingten Notwendigkeiten der fertigen Kapselung bestimmt. Anzufügende Oberflächen werden durch die Befestigung in der richtigen räumlichen Anordnung in der Weise angeordnet, daß ein Spiel zwischen der Verbindung bei Raum- und Hartlöt- Temperatur verhindert wird und daß das Metall des Hartlot-Füllstoffs die Verbindung füllen und die maximalen Eigenschaften erreichen kann. Die Hartlot-Verbindung, entweder in einem pastenartigen oder in einem vorgeformten Zustand, wird zwischen der metallisierten Komponente und der zweiten Metallisierungs- Schicht angeordnet oder kann sich auf der metallisierten Komponente auf einer Weise so befinden, daß die Hartlot-Verbindung die Verbindung füllen wird. Zum Beispiel kann eine vorgeformte Hartlot-Verbindung an der Verwendungsstelle gesichert werden, wenn durch den Schaft einer Stift-Komponente hartgelötet werden soll.
Das Hartlöten der metallisierten Komponenten auf die Metallisierungs-Schichten des keramischen Substrats wird in einem Hartlöt-Ofen, in den die befestigte Baugruppe eingebracht wird, durchgeführt. Die Baugruppe wird bei einer Temperatur und für die Zeitdauer, die ausreichend sind, um das Metall des Hartlot- Füllstoffs zu benetzen und eine Verbindung ausbilden zu lassen, allmählich im Hartlöt-Ofen erhitzt. Die Spitzen-Temperatur ist normalerweise um 20 ºC bis 80 ºC höher als der Schmelzpunkt des Metalls des Hartlot-Füllmetalls. Die befestigte Baugruppe wird für eine sehr kurze Zeitdauer, normalerweise in der Größenordnung von 1 Minute, bei der Spitzen-Temperatur erhitzt, gefolgt von einem allmählichen Abkühlen. Geeignete Öfen zum Hartlöten sind chargenweise beschickte oder Förderband- (Infrarot- oder Muffel-) Öfen. Zu bevorzugen ist die Verwendung eines Förderband-Ofens.
Die Auswahl von miteinander verträglichen metallisierten Komponenten, Metallisierungs-Schichten, Hartlot-Verbindungen und Substraten auf Keramikbasis für die elektronische Kapselung fällt sicherlich in den Zuständigkeitsbereich eines Fachmanns. Die Unverträglichkeit von Materialien würde bestenfalls zu einer schwachen Verbindung an der Grenzfläche zwischen den unverträglichen Materialien führen und die Kapselung würde beim Gebrauch an dieser Stelle versagen. Die Verträglichkeit von Materialien mit dem Ziel, eine metallisierte Komponente an das Substrat anzubringen (und tatsächlich für die gesamte Kapselung), betrifft die vollständigen metallurgischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften.

BEISPIELE

Beispiel 1

Dieses Beispiel veranschaulicht das Verfahren dieser Erfindung zum Hartlöten metallisierter Stifte auf ein glaskeramisches Substrat unter Verwendung von ersten und zweiten Metallisierungs- Zusammensetzungen auf Gold-Basis und einer Hartlot-Verbindung aus 82 Au / 18 In.
(a) Die Dickfilm-Paste war eine Goldleiter-Zusammensetzung, Typ 5062, verkauft von Du Pont.
(b) Das in diesem Beispiel verwendete Substrat war ein glaskeramisches Band, von Du Pont als GreenTape (TM) (Typ 851AT) verkauft. Das bandförmige Substrat wurde nach dem Zusammenbrennen auf 4.47 mal 4.47 cm (1.760 x 1.760 in) geschnitten. Ein Körper einer vielschichtigen elektronischen Kapselung wurde aus 10 Schichten des GreenTape (TM) 851AT unter Anwendung von in der Technik bekannten Verfahren hergestellt.
(c) Die Paste aus Schritt (a) wurde auf die äußere Schicht der Oberfläche der gebrannten, in Schritt (b) hergestellten Kapselung in einem Arbeitsgang mit einem AMI-Drucker 885 (Hergestellt von AMI Inc., North Branch, NJ) mit einer Naßdicke von 45 um aufgedruckt, um eine gebrannte Dicke von 10 bis 15 um zu erhalten. Die gedruckte Paste war an der Stelle aufgetragen, an der die metallisierten Komponenten zu befestigen waren. Die Paste auf dem GreenTape wurde in einem von der Blue M Co. (Malvern, PA) hergestellten Ofen unter einer Stickstoff-Atmosphäre bei einer Temperatur von 150 ºC 15 bis 30 Minuten lang getrocknet. Die Paste wurde in einem Lindberg-Ofen (Lindberg, Chicago, IL) bei einer angenäherten Umlaufzeit von 1 Stunde gebrannt, wobei ungefähr 20 bis 25 Minuten zum Erreichen der Brenn-Temperatur erhitzt wurde, das Brennen 10 Minuten lang bei 850 ºC durchgeführt wurde und die restliche Umlaufzeit für das gesteuerte Abkühlen des Ofens anfiel.
(d) Die zweite Leiter-Zusammensetzung umfaßte 88 % eines schuppigen Goldpulvers und 12 % eines organischen Mediums.
(e) Die zweite Leiter-Zusammensetzung aus Schritt (d) wurde mit dem im obigen Schritt (c) beschriebenen Drucker 885 AMI mit einer Naßdichte von 40 bis 50 um über die erste Schicht der Leiter-Metallisation gedruckt. Sie wurde unter Verwendung eines zweiten Schirms für die zweite Schicht-Metallisierung mit einer geringfügig größeren Kontaktstellen-Abmessung (ungefähr 5 % größer) so gedruckt, daß sie die ursprüngliche Metallisations-Schicht einschließlich der Seiten der Bindungs-Kontaktstellen vollständig bedeckte. Die zweite Leiter-Zusammensetzung wurde in zwei Druck- und Trockenschritten gedruckt, um die erwünschte gebrannte Dicke von ungefähr 25 um zu erreichen. Ähnlich wie im obigen Schritt (c) wurde die zweite Leiter-Zusammensetzung in einem Blue M-Ofen getrocknet.
(f) Die Paste wurde in einem Lindberg-Ofen bei einer angenäherten Umlaufzeit von 1 Stunde gebrannt, wobei ungefähr 20 bis 25 Minuten zum Erreichen der Brenn-Temperatur erhitzt wurde, das Brennen 10 Minuten lang bei 850 0º durchgeführt wurde und die restliche Umlaufzeit für das gesteuerte Abkühlen des Ofens anfiel.
(g) Stifte aus Kovar, verkauft von Astro Precision Inc. (Bayville, CT), wurden mit 1.25 um (50 Mikrozoll) Nickel und mit 1.25 um (50 Mikrozoll) Gold von der Surtronicx Company (Raleigh, NC) überzogen.
(h) Die Komponenten der Kapselung wurden in einer Graphit-Befestigung zusammengesetzt, die das keramischen Substrat mit den aufeinanderfolgenden Metallisierungs-Schichten, den Hartlöt-Vorformling und die überzogenen Stifte auf der Metallisierungs-Schicht an den für das Brennen richtigen Stellen hielt. Die Hartlot-Vorformlinge waren aus 82 Au / 18 In hergestellt und werden von der Advanced Material Technology Corp. (Oriskany, NY) verkauft. Der Hartlot- Vorformling hatte die Form einer Scheibe und wurde über dem überstehenden Schaft des Stiftes auf dem Kopf des Stiftes angeordnet. Der Kopf des Stiftes wurde auf der zweiten Metallisierungs-Schicht angeordnet und durch die Graphit-Befestigung an seiner Position festgehalten.
(i) Das Hartlöten wurde in einem Ofen von Watkins-Johnson (Watkins-Johnson Co., Scotts Valley, CA) mit einem Einstunden-Profil bei einer 2 Minuten lang beibehaltenen Spitzentemperatur von 580 ºC unter Verwendung einer Atmosphäre von 3.7 % Wasserstoff und 96.3 % Stickstoff durchgeführt. Nachdem das Teil genügend abgekühlt war, wurde die Graphit-Befestigung zerlegt und das zusammengesetzte Bauteil herausgenommen.
Die Befestigungsstärke zwischen dem Stift oder der Verbindung zum keramischen Substrat wurde auf einer Instron-Maschine (Instron Corp., Canton, MA) bei einer Querhaupt-Geschwindigkeit von 12 mm/Min. geprüft. Die durchschnittliche Stärke zum Abziehen des Stiftes vom Substrat und/oder der Metallisations- Schicht betrug bei einer Prüfung von 600 Stiften 80 ± 13.4 N (18 ± 3 Pounds). Dies ist für Systeme auf Keramikbasis eine sehr gute Stärke für die Befestigungsleistung.

Beispiel 2

Dieses Beispiel erläutert das Verfahren dieser Erfindung zum Hartlöten metallisierter Komponenten zu einem glaskeramischen Substrat unter Verwendung von ersten und zweiten Metallisierungs-Zusammensetzungen auf Silber-Basis und einer Hartlot-Verbindung zur Verwendung als Anschlußstift-Matrix in mikroelektronischen Kapselungen.
(a) Die Dickfilm-Paste war eine von DuPont verkaufte Silber- Leiter-Zusammensetzung vom Typ 5081. Das Substrat wurde wie in Beispiel 1, Schritt (b), hergestellt. Die Silber- Leiterpaste wurde mit einem Drucker 885 AMI mit einer Naßdichte von 45 um auf die äußere Oberfläche des gebrannten Bauteile-Körpers gedruckt, um eine gebrannte Dicke von 10 bis 15 um zu erreichen. Die gedruckte Paste wurde dort angebracht, wo die metallisierten Komponenten angebracht werden sollten.
(b) Die Paste auf dem Substrat wurde in einem von der Blue M Co. (Malvern, PA) hergestellten Blue M-Ofen in einer Luft- Atmosphäre bei einer Temperatur von 150 ºC 15 bis 30 Minuten lang getrocknet.
(c) Die Paste wurde in einem Lindberg-Ofen (Lindberg, Chicago, IL) bei einer angenäherten Umlaufzeit von 1 Stunde gebrannt, wobei ungefähr 20 bis 25 Minuten zum Erreichen der Brenn-Temperatur erhitzt wurde, das Brennen 10 Minuten lang bei 850 ºC durchgeführt wurde und die restliche Umlaufzeit für das gesteuerte Abkühlen des Ofens anfiel.
Die zweite Leiter-Zusammensetzung umfaßte metallisches Silber- Pulver und ein organisches Medium (Silber-Leiter, Typ 5082, verkauft von DuPont).
(d) Die zweite Leiter-Zusammensetzung wurde, wie in Schritt (e) des obigen Beispiels 1 beschrieben, in mehreren Druck- und Trocknungsschritten über die erste Leiter-Metallisierungs-Schicht gedruckt, um eine gebrannte Dicke von 60 um zu erhalten.
(e) Vergleichbar zu obigem Schritt (b) wurde die zweite Leiter-Zusammensetzung in einem Blue M-Ofen getrocknet.
(f) Die Paste wurde in einem Lindberg-Ofen bei einer angenäherten Umlaufzeit von 1 Stunde gebrannt, wobei ungefähr 20 bis 25 Minuten zum Erreichen der Brenn-Temperatur erhitzt wurde, das Brennen 10 Minuten lang bei 850 ºC durchgeführt wurde und die restliche Umlaufzeit für das gesteuerte Abkühlen des Ofens anfiel.
(g) Stifte aus Kovar, verkauft von Astro Precision Inc. (Bayville, CT), wurden mit 1.25 um (50 Mikrozoll) Nickel von der Surtronicx Company (Raleigh, NC) überzogen.
(h) Die Komponenten der Kapselung wurden in einer Graphit- Befestigung zusammengesetzt, die das keramische Substrat mit den aufeinanderfolgenden Metallisierungs-Schichten, den Hartlöt-Vorformling und die überzogenen Stifte auf der Metallisierungs-Schicht an den richtigen Stellen für das Brennen hielt. Die Hartlot-Vorformlinge waren aus 61.5 Silber / 24 Kupfer / 14.5 Indium hergestellt und werden von GTE Wesgo (Belmont, Ca) verkauft. Der Hartlot- Vorformling hatte die Form einer Scheibe und wurde über dem überstehenden Schaft des Stiftes auf dem Kopf des Stiftes angeordnet. Der Kopf des Stiftes wurde auf der zweiten Metallisierungs-Schicht angeordnet und durch die Graphit-Befestigung an seiner Position festgehalten.
(i) Das Hartlöten wurde in einem Ofen von RTC (Radiant Technology Corporation, Cerritos, CA) mit einem Einstunden-Profil bei einer 1 Minute lang beibehaltenen Spitzentemperatur von 780 ºC unter Verwendung einer Stickstoff-Atmosphäre durchgeführt. Nachdem das Teil genügend abgekühlt war, wurde die Graphit-Befestigung zerlegt und das zusammengesetzte Bauteil herausgenommen.
Die Befestigungsstärke zwischen dem Stift oder der Verbindung zum keramischen Substrat wurde auf einer Instron-Maschine (Instron Corp., Canton, MA) bei einer Querhaupt-Geschwindigkeit von 12 mm/Min. geprüft. Die durchschnittliche Stärke zum Abziehen des Stiftes vom Substrat und/oder der Metallisations- Schicht betrug bei einer Prüfung von 600 Stiften 98 ± 8.9 N (22 ± 2 Pounds).

Beispiel 3

Dieses Beispiel erläutert das Verfahren dieser Erfindung zum Hartlöten einer metallisierten Komponente an ein Substrat aus Aluminiumoxid unter Verwendung von ersten und zweiten Metallisierungs-Zusammensetzungen auf Palladium/Silber-Basis und einer Hartlot-Zusammensetzung zur Verwendung als Anschlußstift-Matrix in mikroelektronischen Kapselungen.
(a) Die Dickfilm-Paste war eine von DuPont verkaufte Palladium/Silber-Leiter-Zusammensetzung vom Typ 5083. Das Substrat war 96 % Aluminiumoxid, verkauft von Coors Inc. (Colorado). Die silberne Leiterpaste wurde mit einem Drucker 885 AMI mit einer Naßdichte von 45 um auf das Aluminiumoxid-Substrat gedruckt, um eine gebrannte Dicke von 10 bis 15 um zu erreichen. Die gedruckte Paste wurde dort angebracht, wo die metallisierten Komponenten angebracht werden sollten.
(b) Die Paste auf dem Substrat wurde in einem von der Blue M Co. (Malvern, PA) hergestellten Blue M-Ofen in einer Luft- Atmosphäre bei einer Temperatur von 150 ºC 15 bis 30 Minuten lang getrocknet.
(c) Die Paste wurde in einem Lindberg-Ofen (Lindberg, Chicago, IL) bei einer angenäherten Umlaufzeit von 1 Stunde gebrannt, wobei ungefähr 20 bis 25 Minuten zum Erreichen der Brenn-Temperatur erhitzt wurde, das Brennen 10 Minuten lang bei 850 ºC durchgeführt wurde und die restliche Umlaufzeit für das gesteuerte Abkühlen des Ofens anfiel.
Die zweite Leiter-Zusammensetzung umfaßte metallisches Palladium-Pulver, metallisches Silber-Pulver und ein organisches Medium (Leiter auf Palladium/Silber-Basis, Typ 5084, verkauft von DuPont).
(d) Die zweite Leiter-Zusammensetzung wurde, wie in Schritt (e) des obigen Beispiels 1 beschrieben, in mehreren Druck- und Trocknungsschritten über die erste Leiter-Metallisierungs-Schicht gedruckt, um eine gebrannte Dicke von 60 um zu erhalten.
(e) Vergleichbar zu obigem Schritt (b) wurde die zweite Leiter-Zusammensetzung in einem Blue M-Ofen getrocknet.
(f) Die Paste wurde in einem Lindberg-Ofen bei einer angenäherten Umlaufzeit von 1 Stunde gebrannt, wobei ungefähr 20 bis 25 Minuten zum Erreichen der Brenn-Temperatur erhitzt wurde, das Brennen 10 Minuten lang bei 850 ºC durchgeführt wurde und die restliche Umlaufzeit für das gesteuerte Abkühlen des Ofens anfiel.
(g) Stifte aus Kovar, verkauft von Astro Precision Inc. (Bayville, CT), wurden mit 1.25 um (50 Mikrozoll) Nickel von der Surtronicx Company (Raleigh, NC) überzogen.
(h) Die Komponenten der Kapselung wurden in einer Graphit- Befestigung zusammengesetzt, die das keramische Substrat mit den aufeinanderfolgenden Metallisierungs-Schichten, den Hartlöt-Vorformling und die überzogenen Stifte auf der Metallisierungs-Schicht an den richtigen Stellen für das Brennen hielt. Die Hartlot-Vorformlinge waren aus 61.5 Silber / 24 Kupfer / 14.5 Indium hergestellt und werden von GTE Wesgo (Belmont, Ca) verkauft. Der Hartlot- Vorformling hatte die Form einer Scheibe und wurde über dem überstehenden Schaft des Stiftes auf dem Kopf des Stiftes angeordnet. Der Kopf des Stiftes wurde auf der zweiten Metallisierungs-Schicht angeordnet und durch die Graphit-Befestigung an seiner Position festgehalten.
(i) Das Hartlöten wurde in einem Ofen von RTC (Radiant Technology Corporation, Cerritos, CA) mit einem Einstunden-Profil bei einer 1 Minute lang beibehaltenen Spitzentemperatur von 780 0º unter Verwendung einer Stickstoff-Atmosphäre durchgeführt. Nachdem das Teil genügend abgekühlt war, wurde die Graphit-Befestigung zerlegt und das zusammengesetzte Bauteil herausgenommen.
Die Befestigungsstärke zwischen dem Stift oder der Verbindung zum keramischen Substrat wurde auf einer Instron-Maschine (Instron Corp., Canton, MA) bei einer Querhaupt-Geschwindigkeit von 12 mm/Min. geprüft. Die durchschnittliche Stärke zum Abziehen des Stiftes vom Substrat und/oder der Metallisations- Schicht betrug bei einer Prüfung von 600 Stiften 89 ± 8.9 N (20 ± 2 Pounds).

Beispiel 4

Dieses Beispiel erläutert das Verfahren dieser Erfindung zum Hartlöten von metallisierten Komponenten an ein Substrat aus Aluminiumoxid unter Verwendung von ersten und zweiten Metallisierungs-Zusammensetzungen auf Palladium/Silber-Basis und einer Hartlot-Zusammensetzung zur Verwendung als eine Anschlußstift- Matrix in mikroelektronischen Kapselungen.
(a) Die Dickfilm-Paste war eine von DuPont verkaufte Kupfer- Leiter-Zusammensetzung vom Typ 5085. Das Substrat war 96 % Aluminiumoxid, verkauft von Coors Inc. (Colorado). Die Leiterpaste aus Kupfer wurde mit einem Drucker 885 AMI mit einer Naßdichte von 45 um auf das Aluminiumoxid-Substrat gedruckt, um eine gebrannte Dicke von 10 bis 15 um zu erreichen. Die gedruckte Paste wurde dort angebracht, wo die metallisierten Komponenten angebracht werden sollten.
(b) Die Paste auf dem Substrat wurde in einem von der Blue M Co. (Malvern, PA) hergestellten Blue M-Ofen in einer Stickstoff-Atmosphäre bei einer Temperatur von 80 ºC 15 bis 40 Minuten lang getrocknet.
(c) Die Paste wurde in einem RTC-Ofen (Radiant Technology Corp., Cerritos, CA) bei einer angenäherten Umlaufzeit von 1 Stunde gebrannt, wobei ungefähr 20 bis 25 Minuten zum Erreichen der Brenn-Temperatur erhitzt wurde, das Brennen 10 Minuten lang bei 950 ºC durchgeführt wurde und die restliche Umlaufzeit für das gesteuerte Abkühlen des Ofens anfiel.
Die zweite Leiter-Zusammensetzung umfaßte metallisches Kupfer- Pulver und ein organisches Medium (Leiter auf Kupfer-Basis, Typ 5086, verkauft von DuPont).
(d) Die zweite Leiter-Zusammensetzung wurde, wie in Schritt (e) des obigen Beispiels 1 beschrieben, in mehreren Druck- und Trocknungsschritten über die erste Leiter-Metallisierungs-Schicht gedruckt, um eine gebrannte Dicke von 60 um zu erhalten.
(e) Vergleichbar zu obigem Schritt (b) wurde die zweite Leiter-Zusammensetzung in einem Blue M-Ofen getrocknet.
(f) Die Paste wurde vergleichbar zum obigen Schritt (c) in einem RTC-Ofen gebrannt.
(g) Stifte aus Kovar, verkauft von Astro Precision Inc. (Bayville, CT), wurden mit 1.25 um (50 Mikrozoll) Nickel von der Surtronicx Company (Raleigh, NC) überzogen.
(h) Die Komponenten der Kapselung wurden in einer Graphit- Befestigung zusammengesetzt, die das keramische Substrat mit den aufeinanderfolgenden Metallisierungs-Schichten, den Hartlöt-Vorformling und die überzogenen Stifte auf der Metallisierungs-Schicht an den richtigen Stellen für das Brennen hielt. Die Hartlot-Vorformlinge waren aus 61.5 Silber / 24 Kupfer / 14.5 Indium hergestellt und werden von GTE Wesgo (Belmont, Ca) verkauft. Der Hartlot- Vorformling hatte die Form einer Scheibe und wurde über dem überstehenden Schaft des Stiftes auf dem Kopf des Stiftes angeordnet. Der Kopf des Stiftes wurde auf der zweiten Metallisierungs-Schicht angeordnet und durch die Graphit-Befestigung an seiner Position festgehalten.
(i) Das Hartlöten wurde in einem Ofen von RTC (Radiant Technology Corporation, Cerritos, CA) mit einem Einstunden-Profil bei einer 1 Minute lang beibehaltenen Spitzentemperatur von 780 ºC unter Verwendung einer Stickstoff-Atmosphäre durchgeführt. Nachdem das Teil genügend abgekühlt war, wurde die Graphit-Befestigung zerlegt und das zusammengesetzte Bauteil herausgenommen.
Die Befestigungsstärke zwischen dem Stift oder der Verbindung zum keramischen Substrat wurde auf einer Instron-Maschine (Instron Corp., Canton, MA) bei einer Querhaupt-Geschwindigkeit von 12 mm/Min. geprüft. Die durchschnittliche Stärke zum Abziehen des Stiftes vom Substrat und/oder der Metallisations- Schicht betrug bei einer Prüfung von 600 Stiften 89 ± 8.9 N (20 ± 2 Pounds).

Claims

1. Verfahren zum Hartlöten einer metallisierten Komponente auf ein Substrat auf Keramik-Basis, umfassend die Schritte

a) des Aufbringens einer ersten Leiter-Zusammensetzung auf das Substrat auf Keramik-Basis, wobei die erste Leiter-Zusammensetzung ein Metall-Pulver, ein anorganisches Bindemittel und ein organisches Medium umfaßt;

b) des Trocknens der ersten Leiter-Zusammensetzung;

c) des Brennens der ersten Leiter-Zusammensetzung bei einer Temperatur, die ausreicht, um die Keramik mit dem anorganischen Bindemittel zu benetzen, das Metall-Pulver zu sintern und das organische Medium abzutreiben, um dadurch eine erste Metallisierungs- Schicht zu bilden;

d) des Aufbringens einer zweiten Leiter-Zusammensetzung auf die erste Metallisierungs-Schicht in solcher Weise, daß die erste Metallisierungs-Schicht durch die zweite Metallisierungs-Schicht bedeckt wird, wobei die zweite Leiter-Zusammensetzung im wesentlichen aus einem Metall-Pulver und einem organischen Medium besteht;

e) des Trocknens der zweiten Leiter-Zusammensetzung;

f) des Brennens der zweiten Leiter-Zusammensetzung bei einer Temperatur, die ausreicht, um das Metall-Pulver der zweiten Leiter-Zusammensetzung zu sintern und das organische Medium abzutreiben, um dadurch die zweite Metallisierungs-Schicht zu bilden;

g) des Bildens einer Baugruppe durch Anordnen wenigstens einer metallisierten Komponente auf der zweiten Metallisierungs-Schicht und einer Hartlot-Zusammensetzung an der Grenzfläche zwischen der Komponente und der zweiten Metallisierungs-Schicht; und

h) des Erhitzens der Baugruppe auf eine Temperatur, die ausreicht, damit die Hartlot-Zusammensetzung eine Verbindung zwischen der Komponente und der zweiten Metallisierungs-Schicht bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Substrat auf Keramik- Basis Aluminiumoxid oder Glaskeramik umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, worin die Baugruppe auf eine Temperatur im Bereich von 500 ºC bis 840 ºC erhitzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, worin die erste Leiter-Zusammensetzung, gewichtsbezogen auf die Gesamtmenge der anorganischen Feststoffe, die nachstehenden, fein zerteilten Teilchen umfaßt:

(a) 75 bis 95 % Teilchen aus metallischem Gold, wobei wenigstens 90 Gew.-% der Teilchen ein Aspekt-Verhältnis nicht größer als 2 haben;

(b) 0,5 bis 10 % Cadmiumborosilicat-Glas;

(c) 0,1 bis 5 % eines spinellbildenden Oxids eines zweiwertigen Metalls, das aus der aus CuO, ZnO, MgO, CoO, NiO, FeO, MnO und deren Gemischen bestehenden Gruppe ausgewählt ist; und

(d) 0,1 bis 1,0 % eines Metalls, das aus der aus Palladium, Platin und Rhodium bestehenden Gruppe ausgewählt sind;

wobei sämtliche der Teilchen (a) bis (d) in

(e) einem organischen Medium dispergiert sind.

5. Verfahren zum Hartlöten einer metallisierten Komponente auf ein Substrat auf Keramik-Basis, umfassend die Schritte

b) des Trocknens der ersten Leiter-Zusammensetzung;

c) des Aufbringens einer zweiten Leiter-Zusammensetzung auf die erste Leiter-Zusammensetzung in solcher Weise, daß die erste Leiter-Zusammensetzung durch die zweite Leiter-Zusammensetzung bedeckt wird, die im wesentlichen aus einem Metall-Pulver und einem organischen Medium besteht;

d) des Trocknens der zweiten Leiter-Zusammensetzung;

e) des Brennens der ersten und der zweiten Leiter-Zusammensetzung bei einer Temperatur, die ausreicht, um die Keramik mit dem anorganischen Bindemittel zu benetzen, das Metall-Pulver zu sintern und das organische Medium abzutreiben, um dadurch die Leiter-Zusammensetzungen in metallisierte Schichten umzuwandeln;

f) des Bildens einer Baugruppe durch Anordnen wenigstens einer metallisierten Komponente auf der zweiten Metallisierungs-Schicht und einer Hartlot-Zusammensetzung an der Grenzfläche zwischen der Komponente und der zweiten Metallisierungs-Schicht; und

g) des Erhitzens der Baugruppe auf eine Temperatur, die ausreicht, damit die Hartlot-Zusammensetzung eine Verbindung zwischen der Komponente und der zweiten Metallisierungs-Schicht bildet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, worin das Substrat auf Keramik- Basis Aluminiumoxid oder Glaskeramik umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, worin die Baugruppe auf eine Temperatur im Bereich von 500 ºC bis 840 ºC erhitzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, worin die erste Leiter-Zusammensetzung, gewichtsbezogen auf die Gesamtmenge der anorganischen Feststoffe, die nachstehenden, fein zerteilten Teilchen umfaßt:

(b) 0,5 bis 10 % Cadmiumborosilicat-Glas;

wobei sämtliche der Teilchen (a) bis (d) in

(e) einem organischen Medium dispergiert sind.

9. Verfahren zum Hartlöten einer metallisierten Komponente auf ein metallisiertes Substrat auf Keramik-Basis, umfassend die Schritte

a) des Aufbringens einer zweiten Leiter-Zusammensetzung auf die Metallisierungen auf dem Substrat in solcher Weise, daß die Metallisierungen durch die zweite Leiter-Zusammensetzung bedeckt werden, die im wesentlichen aus einem Metall-Pulver und einem organischen Medium besteht;

b) des Trocknens der zweiten Leiter-Zusammensetzung;

c) des Brennens der zweiten Leiter-Zusammensetzung bei einer Temperatur, die ausreicht, um das Metall-Pulver der zweiten Leiter-Zusammensetzung zu sintern und das organische Medium abzutreiben, um dadurch eine zweite Metallisierungs-Schicht zu bilden;

d) des Bildens einer Baugruppe durch Anordnen wenigstens einer metallisierten Komponente auf der zweiten Metallisierungs-Schicht und einer Hartlot-Zusammensetzung an der Grenzfläche zwischen der Komponente und der zweiten Metallisierungs-Schicht; und

e) des Erhitzens der Baugruppe auf eine Temperatur, die ausreicht, damit die Hartlot-Zusammensetzung eine Verbindung zwischen der Komponente und der zweiten Metallisierungs-Schicht bildet.

10. Verfahren nach Anspruch 9, worin das Substrat auf Keramik- Basis Aluminiumoxid oder Glaskeramik umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, worin die Baugruppe auf eine Temperatur im Bereich von 500 ºC bis 840 ºC erhitzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, worin die erste Leiter-Zusammensetzung, gewichtsbezogen auf die Gesamtmenge der anorganischen Feststoffe, die nachstehenden, fein zerteilten Teilchen umfaßt:

(b) 0,5 bis 10 % Cadmiumborosilicat-Glas;

wobei sämtliche der Teilchen (a) bis (d) in

(e) einem organischen Medium dispergiert sind.