SE439894B - Sett vid diffusionsbindning genom termokompression - Google Patents

Description

7906343-4 inser, att förbättrade elektriska och termiska prestanda erhålles genom att eliminera porer i genom termokompres- sion erhållna diffusionsbindningar.

I korthet och i enlighet med en föredragen utförings- form av uppfinningen innefattar ett sätt för att med ut- nyttjande av termokompression diffusionsbinda ett första eftergivligt metallelement innefattande relativt plana motstående ytor till ett andra metallelement innefattande relativt plana motstående ytor, vilka kan uppvisa ytoregel- bundenheter, att man anordnar en av de motstående ytorna hos det första metallelementet väsentligen i kontakt med en yta hos det andra metallelementet. Ett skikt av icke-reaktivt formbart material anordnas över och i kontakt med den åter- stående ytan hos det första metallelementet. Det så anord- nade formbara materialskiktet och metallelementen omges av en inärt atmosfär. En belastningskraft pålägges på de så anordnade metallelementen och sammanpressar dessa under högt tryck, medan de upphettas till en temperatur inom om- rådet 300-400OC- Detta resulterar i att det formbara ma- terialet komprimeras och bringar det första eftergivliga metallelementet att anpassa sig till den oregelbundna yt- konturen hos det andra metallelemenænunder åstadkommande av en genom termokompression erhållen likformig, väsentligen porfri diffusionsbindning mellan de båda elementen.

Uppfinningen förklaras närmare nedan under hänvisning till bifogade ritningar.

Fig. l är en sidovy av en tvärsektion genom en press för diffusionsbindning under utnyttjande av termkompression, vilken utnyttjats vid diffusionsbindningsförfaranden enligt tidigare känd teknik.

Fig. 2 är en sidovy i tvärsektion genom en termokompres- sionsbindningspress med material i pressen, under genomföran- de av sättet enligt uppfinningen. _ Fig. 3 illustrerar en strukturerad koppardisk med en metallfolie som med utnyttjande av termokompression har dif- fusionsbundits till den ena sidan därav.

Fig. 4 är en sidovy av en tvärsektion genom en dif- fusionsbindningspress med tvâ skikt av formbart material y [ššoøa Qfißfiïïi 7906343-4 beläget i pressen under genomförande av sättet enligt uppfinningen.

Fig. 5 visar en strukturerad koppardisk med en separat metallfolie diffusionsbunden genom termokompres- sion till var och en av dennas topp- och bottenytor.

Uppfinningen innebär en förbättring av sättet för diffusionsbindning genom termokompression av metallytor. I figur l visas en diffusionsbindningspress l0, vilken har utnyttjats vid tidigare sätt för åstadkommande av diffu- sionsbindningar genom termokompression. Pressen 10 inne- fattar en övre metallplatta l2 anordnad parallellt med en nedre metallplatta l4,varvid ett utrymme förefinnes där- emellan. Ett metallpressblock 16 är anordnat vid centrum av den sida av den övre plattan 12 som är vänd mot den undre plattan l4. Metallbultar 18 och 20 passerar genom respektive hål i den övre plattan 12 och nedre plattan 14 ,och är güngade i den nedre plattan 14 för sammanbindning av de båda plattorna, såsom illustreras i figur l.

Metallbultarna 18 och 20 består av stål, dock ej rostfritt stål, medan den övre plattan l2, den undre plattan 14 och metallpressblocket 16 består av rostfritt stål. För uppnående av diffusionsbindning genom termokomp- ression mellan en strukturerad koppardisk 22 och ett efter- givligt metallelement, såsom ett tunt metallark eller folie _ 24 är det nödvändigt att anordna metallfolien 24 i kontakt med den övre ytan hos den strukturerade koppardisken 22, såsom visas i figur l, och att anordna kombinationen av disken 22 och folien 24 mellan metallpressblocket 16 och den nedre plattan 14 i pressen 10. Termen "eftergivlig“ (eng. compliant) utnyttjas i denna ansökan för att beteck- na varje relativt tunt metallelement som är deformerbart.

En konventionell press utnyttjas för att pressa samman den övre plattan 12 och den undre plattan l4. Under det att ett sådant presstryck föreligger åtdrages bultarna 18 och 20.

Diffusionsbindningen mellan den strukturerade koppar- disken 22 och metallfolien 24 under utnyttjande av termo- kompression erhålles i praktiken, då pressen 10 innehållan- de disk- folicanordningen placeras i en inärt atmosfär och upphettas Lill en temperatur inom området 300-40000, lämp- 7906543-4 ligen 350°C, under approximativt från 15 minuter till 5 timmar. Då pressen l0 upphettas på detta sätt expan- derar den övre plattan 12, den undre plattan 14 och me- tallpressblocket l6 i högre grad än metallbultarna l8 och 20. Således utövas en kraft mellan pressblocket 16 och den nedre plattan 14, vilken resulterar i sammanpressning av metallfolien 24 och den strukturerade koppardisken 22 och diffusionsbindning av dessa med varandra genom termo- kompression. Disken 22 och den därmed förbundna metall- Folien 24 uftaqes ur pressen 10. En hållarrinq 26, vilken omger den strukturerade koppardisken 22 för sammanhållning av denna innan bindningen till metallfolien, avlägsnas från disken 22 och alla lösa kopparparter avlägsnas lika- så. Detta ger en skyddsbuffert av strukturerad koppar, vil- ken utåt sett är lik bufferten 20 som visas i figur 3 och som kommer att beskrivas närmare nedan.

Vid utnyttjande av det ovan beskrivna sättet och den ovan beskrivna pressen för diffusionsbindning är det av vikt, att ytorna hos metallelementen som skall sammanbindas är plana och inbördes parallella och parallella med den nedre plattan 14 och pressblocket 16. Det är svårt att åstadkom- ma plana ytor hos diskar av strukturerad koppar, till följd av att strukturerad koppar enkelt deformeras. Typiskt har en disk eller annan geometrisk form av strukturerad koppar ytvariationer som i storlek varierar från approximativt 0,025-0,076 mm. Dessa ytoregelbundenheter kan resultera i partier utan bindning eller porer i diffusionsbindningen med storlekar upp till en diameter på 2 cm då man till- lämpar genom termokompression erhâllen diffusionsbindning mellan ett strukturerat kopparelement med en oregelbunden yta och ett eftergivligt metallelement, såsom en metall- folie, Dessa porer uppträder till följd av att den plana, stela ytan hos pressblocket 16, som bringas i kontakt med metallfolien 24 i sig är oförmögen att pressa in metall- folien 24 i oregelbundenheterna hos ytan hos den struktu- rerade koppardisken 22, där diffusionsbindningen är avsedd att ske. Metallfolien 24 pressas således ej fullständigt i överensstämmelse med konturen hos bindningsytan hos disken 22. Vidare kan diffusionsbindning av ett eftergivligt me- ...._...._...._.._____..._ 7906543-4 LT! tallelement till ett metallelement med ytoregelbunden- heter under utnyttjande av den ovan beskrivna pressen och det ovan beskrivna sättet resultera i den oönskade effek- ten, att det eftergivliga metallelementet, såsom metall- folien 24, fastnar vid pressblocket 16. Detta sker till följd av att det eftergivliga metallelementet tenderar att diífusionsbindas till pressblocket 16.

De två problem som beskrivits i föregående stycke erhaller sin lösning genom den förbättrade diffusionsbind- ningen genom termokompression som åstadkommes enligt upp- finningen.

I figur 2 visas en diffusionsbindningspress innefat- tande metallelement som skall sammanbindas, vilken press väsentligen har samma funktion och uppbyggnad som den som visats i figur l, med undantag av att i enlighet med upp- finningen ett skikt av ett icke-reaktivt formbart material 30 är anordnat mellan pressblocket 16 och metallfolien 24 innan päläggningen av belastningskraften, som pressar samman den eftergivliga metallfolien 24 och den oregelbund- na ytan hos metallelementet 22 av strukturerad koppar. Med termen “icke-reaktivt" avses i denna ansökan kemiskt inak- tiv i den bemärkelsen, att den beskrivna substansen ej direkt skall tendera att binda vid metall.

Skiktet 30 av formbart material kan bestå av glasull eller glasfiberfilterpapper eller andra liknande formbara material. Om det komprimerbara skiktet 30 består av glas- ull kommer, då diffusionsbindningspressen 10 enligt figur 2 upphettas i enlighet med det ovan beskrivna förfarandet, en differentiell expansionskraft att sammanpressa glasulls~ skiktet 30 och pulverisera detta under kompression. Denna kompression resulterar i ett glaspulver hos vilket partik- larna fördelas under det att metallfolien 24 bringas ansluta sig till oregelbundenheterna i konturen hos ytan hos disken 22. Således kommer väsentligen hela ytan hos metallíolien 24 att pressas i kontakt med den intilliggande ytan hos disken 22 och att genom termokompression diffusionsbindas därmed på ett i det närmaste porfritt sätt. Detta förbättra- de iörfarande för diffusionsbindning genom termokompression 'QOÜR QÜI "Mwwm" WMW'M""" TYJ 7906343-4 ger en struktur, exempelvis en skyddsbuffert 20 av struktu- rerad koppar enligt figur 3. Figur 3 visar bufferten 20 sedan hållarringen 26 och lösa kopparparter har avlägsnats.

Som nämnts ovan kan skiktet av formbart material 30 bestå av glasfiberfilterpapper, en typ av glasull bestående av tunna glaspartiklar som har pressats samman. Tjockleken hos sådant glasfiberfilterpapper är vanligen approximativt 0,25 mm. Utnyttjande av ett glasfiberfilterpapper med sådan tjocklek resulterar i en väsentligen porfri diffusionsbind- ning av metallfolien 24 till den strukturerade koppardisken 22, som kan uppvisa ytoregelbundenheter av en storlek upp till approximativt 0,025-0,076 mm. För ytoregelbundenheter överstigande 0,076 mm kan flera skikt av glasfiberfilter- papper utnyttjas för erhållande av porfria diffusionsbind- ningar. Tjockleken hos glasfiberfilterpapper ligger van- ligen inom området approximativt 0,13-0,51 mm beroende på storleken hos ytoregelbundenheterna hos den strukturerade koppardisken 22.

Skiktet av formbart material 30 är icke-reaktivt, så att då det utsätts för tryck i den beskrivna diffusions- bindningsprocessen utnyttjande termokompression kommer skiktet 30 ej att fastna vid pressblocket 16 eller metall- folien 24 och hindrar således metallfolien 24 från att fastna vid pressblocket l6. Glasull för skiktet 30 är billigt och enkelt åtkomligt.

I praktiken_anordnas ett skikt av glasull motsvarande skiktet 30 mellan den strukturerade koppardisken 22 och den nedre plattan l4 innan belastningskraften pålägges. Detta hindrar disken 22 frân_att bindas vid den undre plattan 14 och på ett icke önskat sätt fastna vid denna.

Figur 4 visar diffusionsbindningspressen 10 inrättad att forma en diffusionsbindning genom termokompression mellan en metallfolie 24 och den övre ytan hos en strukturerad koppardisk 22 och en annan diffusionsbindning mellan en metallfolie 34 och den undre ytan hos disken 22. Anordnandet av en separat metallfolie diffusionsbunden till både topp- och bottenytorna hos koppardisken 22 ökar ytterligare den strukturella styrkan hos den resulterande skyddsbufferten 30, såsom visas i figur 5. 7906343-4 Sättet för åstadkommande av de ovan beskrivna dif- fusionsbindningarna är identiskt meddet förbättrade sättet som diskuterats ovan, i vilket en diffusionsbindning åstad- koms mellan metallfolien 24 och koppardisken 22, bortsett från följande modifikationer. Innan påläggandet av belast- ningskraften anordnas ett skikt av ett eftergivligt material, såsom en metallfolie 34, i kontakt med den undre ytan hos koppardisken 22, såsom visas i figur 4. Ett skikt av form- bart material 40 motsvarande skiktet 30 är anordnat mellan och i kontakt med metallfolien 34 och den nedre plattan 14.

De följande stegen i förfarandet utföres såsom tidigare.

I det föregående har ett sätt beskrivits för åstad- kommande av en diffusionsbindning med utnyttjande av termo- kompression mellan ett eftergívligt metallelement och en strukturerad koppardisk med ytoregelhundenheter genom ut- nyttjande av ett skikt av formbart material, som bringar det eftergivliga metallelementet att under tryck anpassa sig till ytoregelbundenheterna, så att en likformig, väsent- ligen porfri diffusionsbindning åstadkommes. Det bör obser- veras, att tillämpningen av sättet enliqt uppfinningen ej är begränsat till någon speciell form hos de strukturerade kopparelementen, metallfoliedelarna eller de formbara ma- terialskikten, såsom till den diskgeometri som beskrivits i exemplet. Andra former för dessa strukturer kan alterna- tivt utnyttjas, såsom kvadrater, rektanglar och liknande.

FOOR QÜÅÜTY

Claims (8)

_7906343-4 8 Patentkrav

1. Sätt vid diffusionsbindning genom termokompression av ett första eftergivligt metallelement (24) innefattande första och andra relativt plana motstående ytor till ett andra metallelement (22) innefattande relativt'plana mot- stående ytor, vilka kan uppvisa ytoregelbundenheter, varvid ; man anordnar den andra ytan hos nämnda första metallelement (24) väsentligen i kontakt med en yta hos nämnda andra me- tallelement (22), omger de på detta sätt anordnade metall- elementen med en inärt atmosfär, pâlägger en belastnings- kraft för att under högt tryck sammanpressa nämnda metall- element, och upphettar metallelementen till en temperatur inom området 300-400oC under det att de pressas samman, k ä n n e t e c k n a t av att man anordnar ett första skikt (30) av ett icke-reaktivt, formbart material över och i kontakt med den första ytan hos nämnda första metall- element (24) före påläggandet av nämnda belastningskraft, så att vid sammanpressning till följd av belastningskraften nämnda första skikt (30) av formbart material sammanpressas och bringar det första eftergivliga metallelementet (24) att anpassa sig till den oregelbundna ytkonturen hos nämnda andra metallelement (22), vilket resulterar i en genom termokompression erhållen likformig, väsentligen porfri diffusionsbindning mellan nämnda första och andra metall- element.

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att ett andra skikt (40) av formbart material anordnas under och i kontakt med den återstående ytan hos nämnda andra metallelement (22) före påläggandet av belastningskraften.

3. Sätt enligt krav 1 eller 2, för diffusionsbindning genom termokompression av ett första metallark (24) inne- fattande första och andra motstående ytor till en av två motstående, relativt plana ytor hos ett metallelement (22), som kan uppvisa ytoregelbundenheter, och för att vidare åstadkomma en diffusionsbindning qenom Lermokompression av ett andra metallark (34) innefattande första och andra mot- . stående ytor till den återstående ytan hos nämnda metall- 79063 43-4 ”I element (22), k ä n n e t e c k n a t av att man anordnar den andra ytan hos nämnda första metallark (24) väsentligen i kontakt med en av nämnda ytor hos nämnda metallelement (22), anordnar den första ytan hos nämnda andra metallark (34) väsentligen i kontakt med den återstående ytan hos nämnda metallelement (22), omger de så anordnade arken och metall- elementet med en inärt atmosfär, påläqgor en kfllustnlnqskrafi för att under högt tryck sammanpressa nämnda metallelement och ark, upphettar nämnda metallelement och ark till en tem- peratur inom området 300-400oC under det att nämnda metall- element och ark pressas samman under högt tryck, anordnar ett första skikt (30) av icke-reaktivt, fornmart material över och väsentligen i kontakt med den första ytan hos nämnda första metallark (24), samt anordnar ett andra skikt (40) av icke-reaktivt, formbart material under och väsentligen i kontakt med den andra ytan hos nämnda andra metallark (34) före påläggandet av nämnda belastningskraft, så att vid sammanpressning till följd av belastningskraften nämnda första och andra skikt (30, 40) av formbart material samman- pressas och bringar nämnda första och andra metallark (24, 34) att anpassa sig till respektive intilliggande, oregel- bundna yta hos nämnda metallelement (22), vilket resulterar i en genom termokompression erhållen likformig, väsentligen porfri diffusionsbindning mellan nämnda mctallelement och vart och ett av nämnda första och andra metallark.

4. Sätt enligt något av krav 1-3, k ä n n e t e c k- n a t av att metallelementet (22) innefattar strukturerad koppar.

5. Sätt enligt något av krav 3 eller 4, k ä n n e- t e c k n a t av att nämnda första och andra metallark (24, 34) innefattar en metallfolie.

6. Sätt enligt något av krav 3-5, k ä n n e t e c k- n a t av att nämnda första och andra skikt (30, 40) av formbart material innefattar glasull.

7. Sätt enligt något av krav 3-5, k ä n n e t e cik- n a t av att nämnda första och andra skiktFQQ-WOO au ' ,. formbart material innefattar glasfiberfllterpapper. 7906343-4 /O

8. Sätt enligt något av krav 3-7, k ä n n e t e c k- n a t av att nämnda första och andra skikt (30, 40) av fornmart material har en tjocklek inom området från cirka 0,12 mm till cirka 0,51 mm.