DE69821369T2

DE69821369T2 - Verbinden von metallen

Info

Publication number: DE69821369T2
Application number: DE69821369T
Authority: DE
Inventors: Abbas Amir SHIRZADI-GHOSHOUNI; Robert Eric WALLACH
Original assignee: Cambridge University Technical Services Ltd CUTS
Current assignee: Cambridge University Technical Services Ltd CUTS
Priority date: 1997-05-06
Filing date: 1998-05-06
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2018-05-07
Also published as: US6257481B1; GB9709167D0; AU7343298A; ATE258480T1; EP1009579B1; DE69821369D1; WO1998050194A1; EP1009579A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweier Teile aus Metall gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (siehe beispielsweise US-A-3 678 570) und insbesondere die Ausbildung von Bindungen unter Verwendung einer neuen Variante des Flüssigphasenübergangs-(TLP)-Diffusionsbindens.
Das TLP-Diffusionsbinden wird durchgeführt, indem im allgemeinen unter Druck befindliche Oberflächen eines zu verbindenden Metalles zusammengebracht werden, wobei eine Zwischenschicht eines Materials zwischen den Oberflächen angeordnet ist und der Kontaktbereich erwärmt wird. Typischerweise bildet das zwischenliegende Material zwischen den Metallsubstraten eine flüssige Schicht an der Verbindungslinie während der Verbindung und verfestigt sich darauffolgend isothermisch als Folge der mit den Metallsubstraten erfolgenden Diffusion untereinander, wobei dies prinzipiell bei der Bindungstemperatur stattfindet.
Es ist wünschenswert, daß die mechanischen Eigenschaften, beispielsweise die Scherfestigkeit einer Bindung vergleichbar sind zu denjenigen des Ausgangsmaterials, jedoch ist dies für viele Materialien schwer zu erzielen. Beispielsweise hat die Anwesenheit einer zugfesten und chemisch stabilen Schicht aus Aluminiumoxid an der Oberfläche auf Aluminium basierender Legierungen und Zusammensetzungen die Erzeugung zuverlässiger Bindungen in diesen Materialien durch herkömmliche TLP Diffusionsbindung verhindert. Obgleich die Ausbildung der Flüssigphase beim herkömmlichen TLP Diffusionsverbinden zur Zerstörung der Oxidschicht führt, können sich einige der Oxidpartikel in der Verbindungslinie anhäufen und dadurch eine Schwächung der Verbindung bewirken.
Das Problem wird erhöht durch die Zufallsverteilung der Oxidpartikel in einer Verbindung mit einer planaren Schnittstelle, die eine Inkonsistenz der mechanischen Festigkeiten der Bindungen bewirkt.
Die US-A-4 225 322 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schützen einer wärmeempfindlichen Spitze während eines Verbindungsprozesses.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Verbinden zweier Teile aus Metall vorgesehen, die eine Folie oder eine Schicht aus einem anderen Metall haben, die entweder geringeren Schmelzpunkt aufweist oder derart beschaffen ist, daß sie eine flüssige Schicht bei oder nahe der Bindungstemperatur ausbildet und dazwischen angeordnet ist, wobei jedes der Teile ein Materialblock ist, und das Verfahren die Schritte umfaßt:
Ein Verfahren zum Verbinden zweier Teile aus Metall, die eine Folie oder eine Schicht aus einem anderen Metall haben, die entweder geringeren Schmelzpunkt aufweist oder derart beschaffen ist, daß sie eine flüssige Schicht bei oder nahe der Bindungstemperatur ausbildet und dazwischen angeordnet ist, wobei jedes der Teile ein Materialblock ist und das Verfahren die Schritte umfaßt:
Auftragen einer Beschichtung auf eine oder mehrere der Kontaktoberflächen bevor die Teile in Kontakt gebracht werden; In-Kontakt-Bringen der Teile;
Ausüben von Druck auf den Kontaktbereich; und
Erwärmen des Kontaktbereichs;
Vorsehen eines vorbestimmten Temperaturgradienten über dem Kontaktbereich in einer Richtung senkrecht zu der Kontaktebene, um zu ermöglichen, daß eine Diffusion stattfindet durch Erwärmen eines der Teile mit einer Wärmequelle, während das andere Teil in Kontakt mit einer Wäremsenke angeordnet wird und Steuern der Temperatur der Wärmequelle und/oder der wärmesenke.
Vorzugsweise ist der Temperaturgradient derart, daß eine Bindung sinusförmigen Profils ausgebildet ist.
Das Verfahren kann vorteilhaft sein beim Verbinden vieler Metalle und ihrer Legierungen und Metallmatrizencompositen mittels TLP-Diffusionsverbinden, einschließlich Aluminium und dessen Legierungen, Nickel und dessen Legierungen.
Das Verfahren zum Verbinden nach der vorliegenden Erfindung kann auch einen Schritt umfassen, eine Beschichtung auf einer oder mehreren der Kontaktoberflächen aufzutragen. Diese Beschichtung kann durch Sputtern, Elektroabscheidung oder andere ähnliche Ansätze, aufgetragen werden.
Ist beispielsweise das Material Al-Mg-Si-Legierung 6082, so ist ein geeigneter Temperaturgradient 10°C/mm, eine geeignete Bindungstemperatur 545°C, ein geeigneter auf die Verbindung auszuübender Druck 1 MPA und eine geeignete Beschichtung Kupfer mit einer Dicke von 1,5 μm.
Ein Beispiel der Erfindung wird nun beschrieben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 ein schematisches Diagram einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ist;
2 ein schematisches Diagramm des Querschnitts einer Bindung ist, die ausgebildet wurde mit Hilfe herkömmlichen TLP-Verbindens ohne erzeugtem Temperaturgradienten; und
3 ein schematisches Diagramm der Querschnitte der Bindungen ist, die gemäß der Erfindung mit unterschiedlichen Temperaturgradienten ausgebildet wurden.
Bezugnehmend auf 1, sind zwei Blöcke 1 aus – in diesem Beispiel – Aluminiumlegierung, einer auf dem anderen, auf einem Isolierblock 5 angeordnet. Eine Schicht aus Metall, entweder mit einem geringeren Schmelzpunkt als demjenigen der Blöcke oder derart, daß sie eine flüssige Schicht bei oder nahe der Bindungstemperatur ausbildet, ist zwischen den Blökken vorgesehen. In diesem Falle ist eine Kupferschicht durch Sputtern auf der Kontaktoberfläche eines der Blöcke aufgetragen, wobei jedoch erkennbar ist, daß es viele andere geeignete Mittel gibt, um eine Zwischenschicht vorzusehen.
Ein nach unten gerichteter Druck wird durch die Last 2 auf die Blöcke 1 ausgeübt, welche sie zusammenhält und auch Druck ausübt auf den Kontakt 6 zwischen den Blöcken 1. Eine Induktionsspule 3 erwärmt die Blöcke 1 und eine wassergekühlte Wärmesenke 4 leitet Wärme von der Oberseite des oberen Blocks 1 ab, wodurch ein Temperaturgradient ΔT gebildet ist.
Der Temperaturgradient ΔT kann geändert werden entweder durch Ändern der Kapazität der Wärmesenke 4, oder, praktischer, durch Verwendung der Induktionsspule 3 zur Änderung der Temperatur des unteren Blocks 1, während die Temperatur des oberen Blocks 1 konstant bleibt.
Der Temperaturgradient ΔT hat einen wesentlichen Einfluß auf die resultierende Mikrostruktur der Bindung 10, die an dem Kontakt 6 erzeugt wird. Ohne einen Temperaturgradienten ist eine durch TLP-Diffusionsbinden ausgebildete Verbindung 10 planar, wie dies in 2 dargestellt ist. Je höher der verwendete Temperaturgradient ΔT ist, desto mehr weicht die Mikrostruktur der erzeugten Verbindung 10 von der planaren ab. Eine Verwendung eines kleinen Temperaturgradienten ΔTa erzeugt eine sinusförmige Mikrostruktur der Verbindung, wie dies in 3, Abschnitt a dargestellt ist. Ein größerer Temperaturgradient ΔTb erzeugt eine zellförmige Mikrostruk turverbindung, wie sie in 3, Abschnitt b dargestellt ist. Ein noch größerer Temperaturgradient ΔTc erzeugt eine vollständig verästelte bzw. gezahnte Verbindungsmikrostruktur, wie sie in 3, Abschnitt c dargestellt ist.
Es wurde herausgefunden, daß eine sinusförmige oder zellförmige Verbindungsmikrostruktur zu einer Bindung führt, die eine Scherfestigkeit hat, vergleichbar mit der Scherfestigkeit des Ausgangsmaterials, das dem gleichen thermischen Zyklus unterzogen wurde. Beispielsweise kann mit Blöcken aus Al-Mg-Si-Legierung 6082, einem Temperaturgradienten von 10°C/mm bei der Verbindung, dem heißeren Block auf einer Temperatur von 545°C, einer durch Sputtern aufgetragenen Beschichtung aus Kupfer einer Dicke von 1,5 μm und einem ausgeübten Druck von 1 MPA, eine Verbindung mit einer Scherfestigkeit gleich derjenigen des Ausgangsmaterials, ausgebildet werden.
Die Festigkeit dieses Typs Verbindung kann herrühren von dem vergrößerten Oberflächenbereich der Schnittstelle zwischen den beiden Materialblöcken. Bei Aluminiumlegierungen ist die Aluminiumoxidschicht brüchig und bricht dadurch, da sie nicht deformiert werden kann und führt zu einem größeren Metall-zu-Metall Kontaktbereich und folglich stärkeren Bindungen.
Eine verästelte bzw. verschlungene Mikrostruktur ist nicht wünschenswert, da damit eine Hohlraumausbildung zwischen den Verästelungen einhergehen kann und folglich ist es sehr wahrscheinlich, daß die Scherfestigkeiten der Bindungen in derartigen Fällen wahrscheinlich klein sind.
Es sei festgehalten, daß sowohl für die speziell oben angegebenen Materialien zur Erläuterung des Prinzips der TLP-Diffusionsverbindung bei einem Temperaturgradienten, nämlich Aluminium und deren Legierungen und Composite, wie beispielsweise Al-6082, UL40 und Al-359, dieses Verfahren vorteilhaft sein kann bei der Verbindung von Nickel und Nickellegierungen, wie auch jeglicher anderer Metalle und deren Legierungen und Metallmatrizencompositen und deren Legierungen mit Hilfe der TLP-Diffusionsverbindung.

Claims

Verfahren zum Verbinden zweier Teile aus Metall (1), die eine Folie oder eine Schicht aus einem anderen Metall haben, die entweder geringeren Schmelzpunkt aufweist oder derart beschaffen ist, daß sie eine flüssige Schicht bei oder nahe der Bindungstemperatur ausbildet und dazwischen angeordnet ist, wobei jedes der Teile ein Materialblock ist und das Verfahren die Schritte umfaßt: Auftragen einer Beschichtung auf eine oder mehrere der Kontaktoberflächen bevor die Teile (1) in Kontakt gebracht werden; In Kontakt bringen der Teile (1); Ausüben von Druck auf den Kontaktbereich (6); und Erwärmen des Kontaktbereichs (6); und gekennzeichnet ist durch den Schritt: Vorsehen eines vorbestimmten Temperaturgradienten über dem Kontaktbereich (6) in einer Richtung senkrecht zu der Kontaktebene, um zu ermöglichen, daß eine Diffusion stattfindet durch Erwärmen eines der Teile mit einer Wärmequelle, während das andere Teil in Kontakt mit einer Wärmesenke angeordnet wird und Steuern der Temperatur der Wärmequelle und/oder der Wärmesenke.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Temperaturgradient derart ist, daß eine Bindung sinusförmigen Profils ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Beschichtung durch Sputtern aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, bei welchem das Verfahren auf Aluminium oder eine seiner Legierungen angewendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem: das Material Al-Mg-Si Legierung 6082 ist; der Temperaturgradient etwa 10°C/mm ist; die Bindungstemperatur etwa 545°C ist; der auf die Verbindung ausgeübte Druck etwa 1 Mpa ist; und die Beschichtung Kupfer mit einer Dicke von etwa 1,5μm ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem das Verfahren auf Nickel oder eine seiner Legierungen angewendet wird.