DE60217601T2 - Metall-keramik Verbundgegenstand und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

Metall-keramik Verbundgegenstand und Verfahren zur Herstellung desselben Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Metall-/Keramik-Verbundgegenstand mit einem Keramiksubstrat und einer Metallplatte aus einer Legierung vom Typ einer Gesamtrate ("overall-rate") festen Lösung, welche direkt mit dem Keramiksubstrat verbunden ist, sowie auf ein Verfahren zum Herstellen desselben. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein elektronisches Bauteil für einen Widerstand, worin eine Metallplatte aus einer Kupfer enthaltenden Legierung, wie beispielsweise eine Kupfer-/Nickel- oder eine Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung, direkt mit einem Keramiksubstrat als Widerstand verbunden ist, sowie ein Verfahren zum Herstellen derselben.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Als ein Beispiel für ein Verfahrens zum direkten Verbinden einer Metallplatte mit einem Keramiksubstrat offenbaren die US 3,766,634 und die US 3,993,411 ein Verfahren zum direkten Verbinden einer Kupferplatte mit einem Keramikoxidsubstrat (beispielsweise mit einem Aluminiumoxidsubstrat) durch Verwenden einer eutektischen Schmelze von Kupfer mit Sauerstoff. Durch ein solches Verfahren hergestellte Metall-/Keramik-Verbundgegenstände werden in dem U.S. Patent Nr. 3,994,430 als elektronische Leiterplatten oder dergleichen verwendet. Bei dieser Technik wird dem Metall aus einer Bindungsatmosphäre ein, mit einem bestimmten Metall ein Eutektikum bildendes Element zugegeben oder in das Metall inkorporiert, um eine eutektische Schmelze des Metalls mit dem Element als Verbindungsbindemittel bei einer Temperatur des Schmelzpunktes des Metalles oder einer niedrigeren Temperatur und bei einer Temperatur des eutektischen Punktes oder einer höheren Temperatur zu verwerten. Allerdings besteht bei diesem Verfahren das Problem, dass das Metall oder die Legierung, welches) sich als ein Feststoff direkt mit der Keramik verbinden kann, auf ein Metall beschränkt ist, welches eine eutektische Schmelze bilden kann.
  • Ein Verfahren zum Verbinden eines Metalls mit einem nichtmetallischen Substrat wird in der US 5,586,714 beschrieben. Dieses Verfahren umfasst das Platzieren des Metalls in Kontakt mit einem nichtmetallischen Substrat und Bedecken des Kontaktbereichs mit einer gasförmigen Atmosphäre. Das Metall wird bis zu einem Punkt erhitzt, bei dem das reaktive Gas und das Metall ein Eutektikum bilden, welches den Kontaktbereich zwischen dem Metall und dem nichtmetallischen Substrat benetzt. Nach dem Abkühlen werden das Metall und das nichtmetallische Substrat miteinander über einen beträchtlichen Teil des Kontaktbereichs verbunden.
  • Es sind ebenfalls Verfahren zum Verbinden einer Metallplatte mit einem Keramiksubstrat mittels eines Hartlötmetalls als Zwischenmaterial bekannt. Beispielsweise ist ein Verfahren zum Verbinden einer Kupferplatte mit einem Keramiksubstrat durch Zugabe eines aktiven Metalls, wie beispielsweise Titan oder Zirkonium, zu einem Silber-Kupfer-Hartlöt bekannt und durch ein solches Verfahren hergestellte Kupfer/Keramik-Verbundgegenstände werden ebenfalls als elektronische Leiterplatten oder als andere Strukturgegenstände verwendet (siehe japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 10/251075). In diesen Verbundgegenständen reagiert das Element, wie beispielsweise Titan oder Zirkonium, welches ein aktives Metall in dem Hartlötmetall ist, mit den Komponenten der Keramik, um auf der Grenzfläche zwischen der Kupferplatte und dem Keramiksubstrat ein Reaktionsprodukte herzustellen, um die Kupferplatte mit dem Keramiksubstrat zu verbinden. Daher wird die Kupferplatte nicht mit dem Keramiksubstrat verbunden, wenn nicht ein aktives Metall eingesetzt wird. Bei diesem Verfahren bestehen dahingehende Probleme, dass es erforderlich ist, ein Edelmetall, wie beispielsweise Silber, in dem Hartlötmetall einzusetzen und den Verbundgegenstand in einem Zustand von Hochvakuum herzustellen, so dass die Herstellungskosten relativ hoch sind. Es besteht ebenfalls ein dahingehendes Problem, dass dieses Verfahren nicht zum Verbinden eines elektronischen Bauteils für einen Widerstand eingesetzt werden kann, weil der Widerstandswert des elektronischen Bauteiles durch das Legieren mit dem Hartlötmetall variiert.
  • Ferner ist ein so genanntes geschmolzenes Metall-Verbindungsverfahren bekannt, welches die Schritte des Schmelzens eines Metalls in einer nicht oxidierenden Atmosphäre, um zu verursachen, dass das Metall direkt ein Keramiksubstrat kontaktiert, sowie des Bewegens des Metalls umfasst, um auf der Oberfläche hiervon einen Oxidfilm und so weiter zu entfernen, um das Metall direkt mit dem Keramiksubstrat zu verbinden (japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 7-276035). In der Theorie wird das geschmolzene Metall auf der frischen Oberfläche des Metalls in einer nicht oxidierenden Atmosphäre bewegt, um zu verursachen, dass die aktive Oberfläche des Metalls das Keramiksubstrat kontaktiert, um das Metall direkt mit dem Keramiksubstrat zu verbinden. Bei dieser Technik wird all das zu verbindende Metall zunächst geschmolzen, so dass es erforderlich ist, vorher eine Form oder eine Düse mit einer vorbestimmten Form, welches die Zielform nach dem Verbinden ist, herzustellen. Durch dieses Verfahren hergestellte Metall-/Keramik-Verbundgegenstände werden ebenfalls als elektronische Leiterplatten oder dergleichen eingesetzt. Allerdings bestehen bei diesem Verfahren, weil das zu gießende Metall ge schmolzen wird, dahingehende Probleme, dass es schwer ist, mit diesem elektronische Materialien, wie beispielsweise sehr dünne Widerstände, herzustellen und die Herstellungskosten erhöhen sich.
  • Allerdings ist eine Kupfer-Nickel-Legierung als Material für einen Widerstand bekannt und Konstantan und Manganin werden als Materialien für feine Widerstände für Elektrometer, Kompensationsbleidrähte, Piezowiderstandsbelastungsmessgeräte usw. eingesetzt. Diese Legierungen werden als Drahtmaterialien eingesetzt oder als Messgeräte auf organische Filme aufgebracht.
  • Wenn ein Widerstand durch irgendeines der zuvor beschriebenen herkömmlichen Verfahren hergestellt worden ist, besteht allerdings das Problem, dass es schwer ist, aufgrund der Erzeugung von Wärme den Widerstandswert des Widerstands exakt zu messen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Probleme zu überwinden und ein Metall-/Keramik-Verbundgegenstand bereitzustellen, welche eine gute Formbarkeit aufweist, und welcher durch Verbinden einer festen Legierung mit einem Keramiksubstrat ohne ein Schmelzen der Legierung und ohne der Notwendigkeit irgend eines Hartlötmetalls hergestellt werden kann, sowie ein Verfahren zum kostengünstigen Herstellen desselben bereitzustellen.
  • Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektronisches Bauteil für einen Widerstand bereitzustellen, welches stabile Eigenschaften aufweist, und welches durch Verbinden einer Kupferlegierungsplatte, welche als ein Widerstand dient, direkt mit einer Keramik, welche als ein abstrahlendes Bauteil dient, hergestellt wird.
  • Um die vorgenannten und andere Aufgaben zu lösen, haben die Erfinder unablässig studiert und herausgefunden, dass es möglich ist, den zuvor beschriebenen Verbundgegenstand durch Steuern der Temperatur und der Atmosphäre zu dem Zeitpunkt des Verbindens und gegebenenfalls durch Bearbeiten der Oberfläche einer Legierung zu erhalten. Die Lösung resultiert aus den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Metall-/Keramik-Verbundgegenstandes offenbart, wobei das Verfahren die nachfolgenden Schritte umfasst:
    Anordnen eines Metallbauteils nach Anspruch 1 auf einem Keramikbauteil und Erhitzen des Metallbauteils sowie des Keramikbauteils in einer nicht oxidierenden Atmosphäre bei einer niedrigeren Temperatur als dem Schmelzpunkt der Legierung, um das Metallbauteil direkt mit dem Keramikbauteil zu verbinden.
  • Dieses Verfahren zur Herstellung eines Metall-/Keramik-Verbundgegenstandes kann ferner vor dem Anordnungsschritt einen Schritt des Oxidierens einer Oberfläche des Metallbauteils umfassen.
  • Bei dem zuvor beschriebenen Verfahren zum Herstellen eines Metall-/Keramik-Verbundgegenstandes kann der Oxidationsschritt durch Erhitzen des Metallbauteils in der Atmosphäre durchgeführt werden. Die Legierung ist vorzugsweise eine Kupfer, Nickel und Mangan enthaltende Legierung, wie beispielsweise Manganin. Das Keramikbauteil ist vorzugsweise ein Keramikoxidsubstrat.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Metall-/Keramik-Verbundgegenstand bereitgestellt, umfassend: ein Keramikbauteil sowie ein direkt mit dem Keramikbauteil verbundenes Metallbauteil, wobei das Metallbauteil aus einer Kupfer, Nickel und Mangan enthaltenden Legierung, wie beispielsweise Manganin, hergestellt ist. Das Metallbauteil weist vorzugsweise eine Haftfestigkeit bzw. Schälfestigkeit von 5 kg/cm oder mehr auf.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektronisches Bauteil für einen Widerstand bereitgestellt, welches umfasst: ein Keramiksubstrat sowie einen direkt mit dem Keramiksubstrat verbundenen Widerstand, wobei der Widerstand aus einer Kupfer, Nickel und Mangan enthaltenden Legierung hergestellt ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorliegende Erfindung wird aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und aus den begleitenden Zeichnungen der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besser verstanden werden. Allerdings sind die Zeichnungen nicht dazu beabsichtigt, die vorliegende Erfindung auf eine bestimmte Ausführungsform zu beschränken, sondern lediglich für die Zwecke der Erläuterung und des Verstehens gedacht.
  • In den Zeichnungen:
  • 1 eine Schnittansicht, welche einen Herstellungsschritt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines Metall-/Keramik-Verbundgegenstandes gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, und
  • 2 eine Schnittansicht, welche einen Herstellungsschritt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines Metall-/Keramik-Verbundgegenstandes gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen werden nunmehr die bevorzugten Ausführungsformen eines Metall-/Keramik-Verbundgegenstandes und eines Verfahrens zum Herstellen desselben gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Wie in der 1 gezeigt, wird zunächst eine Metallplatte 12 aus einer Legierung, welche in einem Phasendiagramm eine Gesamtraten ("overall-rate") feste Lösung aufweist, wie beispielsweise eine Kupfer enthaltende Legierung, nämlich eine Kupfer-Nickel-Mangan Legierung (beispielsweise Manganin), auf ein Keramiksubstrat 10, wie beispielsweise auf ein Aluminiumoxidsubstrat, aufgebracht.
  • Dann wird, wie in der 2 dargestellt, die mit dem Keramiksubstrat 10 zu verbindende Metallplatte 12 in einer nicht oxidierenden Atmosphäre bei einer niedrigeren Temperatur als dem Schmelzpunkt der Legierung in einen direkten Kontakt mit dem Keramiksubstrat 10 gebracht, um einen Metall-/Keramik-Verbundgegenstand zu erhalten.
  • Die Oberfläche der Legierungsplatte wird vorzugsweise vor dem Verbinden oxidiert, weil sich ein zulässiger Temperaturbereich, welcher als eine der Bindungsbedingungen dient, erhöht. Diese Oxidation kann einfach durch Erhitzen der Legierung in der Atmosphäre oder dergleichen durchgeführt werden. Der Grund, warum die Legierungsplatte in der nicht oxidierenden Atmosphäre erhitzt wird, ist der, dass es dadurch möglich ist, eine Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften usw. durch die Oxidation auf der Oberfläche der Legierungsplatte nach dem Verbinden zu verhindern. Obwohl solch ein Bindungsmechanismus nicht klar verstanden wird, besteht eine gewisse Möglichkeit, dass Sauerstoff der Legierung beim Verbinden teilnehmen kann, weil die Legierungsplatte leicht mit dem Keramiksubstrat durch Oxidieren der Oberfläche der Legierung verbunden wird.
  • Die Kupfer-Nickel-Mangan-Legierungsplatte für einen Widerstand kann direkt mit dem Keramiksubstrat verbunden werden, um ein elektronisches Bauteil für einen Widerstand zu bilden. Die Kupfer-Nickel-Mangan-Legierungsplatte wird vorzugsweise mit einem Keramiksubstrat mit guten abstrahlenden Eigenschaften verbunden, weil das Keramiksubstrat als ein abstrahlendes Bauteil eingesetzt wird.
  • In einem Metall-/Keramik-Verbundgegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung liegen auf der Verbindungsgrenzfläche keine Materialien mit hoher inhibierender Wärmeleitung vor. Daher ist es möglich, ausreichende Abstrahlungscharakteristika zu erhalten, und es ist möglich, den Verbundgegenstand durch ein einfaches Verfahren herzustellen, so dass die Kosten verringert werden können.
  • Beispiele für die Metall-/Keramik-Verbundgegenstände und für die Verfahren zum Herstellen derselben gemäß der vorliegenden Erfindung werden nunmehr nachfolgend im Detail beschrieben:
  • Beispiel 1
  • Eine Manganinplatte aus einer Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung mit einer Dicke von 0,1 mm wurde direkt auf einem Aluminiumoxidsubstrat aus 96 % Aluminiumoxid, welche als eine Keramik für ein elektronisches Material dient und eine Dicke von 0,635 mm aufweist, aufgebracht, um in einer Stickstoffatmosphäre (Konzentration an Sauerstoff: 10 ppm oder weniger) bei einer Maximaltemperatur von 1.000°C für zehn Minuten erhitzt zu werden und dann langsam abgekühlt zu werden. Anschließend wurde beobachtet, dass die Manganinplatte durch das zuvor beschriebene Verfahren mit dem Aluminiumoxidsubstrat verbunden wurde. Es wurde nicht beobachtet, dass die Manganinplatte zersetzt war.
  • Beispiel 2
  • Dieselbe Manganinplatte wie die in Beispiel 1 wurde mit demselben Aluminiumoxidsubstrat wie dem in Beispiel 1 durch dasselbe Verfahren wie dem in Beispiel 1 verbunden, ausgenommen, dass die Manganinplatte zuvor in der Atmosphäre erhitzt wurde, um oxidiert zu werden. Es wurde dann beobachtet, dass die Manganinplatte durch das zuvor beschriebene Verfahren mit dem Aluminiumoxidsubstrat verbunden wurde. Es wurde ebenfalls gemessen, dass die Haftfestigkeit der Manganinplatte 5 kg/cm oder mehr betrug, so dass herausgefunden wurde, dass die Manganinplatte fest mit dem Aluminiumoxidsubstrat verbunden war. Es wurde nicht beobachtet, dass die Manganinplatte zersetzt war.
  • Beispiel 3
  • Dieselbe Manganinplatte wie die in Beispiel 1 wurde mit demselben Aluminiumoxidsubstrat wie dem in Beispiel 1 durch dasselbe Verfahren wie dem in Beispiel 2 verbunden, ausgenommen, dass die Maximaltemperatur 990°C betrug. Es wurde dann beobachtet, dass die Manganinplatte durch das zuvor beschriebene Verfahren mit dem Aluminiumoxidsubstrat verbunden wurde. Es wurde ebenfalls gemessen, dass die Haftfestigkeit der Manganinplatte 5 kg/cm oder mehr betrug, so dass herausgefunden wurde, dass die Manganinplatte fest mit dem Aluminiumoxidsubstrat verbunden war. Es wurde nicht beobachtet, dass die Manganinplatte zersetzt war.
  • Beispiel 4
  • Dieselbe Manganinplatte wie die in Beispiel 1 wurde mit demselben Aluminiumoxidsubstrat wie dem in Beispiel 1 durch dasselbe Verfahren wie dem in Beispiel 2 verbunden, ausgenommen, dass die Maximaltemperatur 985°C betrug. Es wurde dann beobachtet, dass die Manganinplatte durch das zuvor beschriebene Verfahren mit dem Aluminiumoxidsubstrat verbunden wurde. Es wurde ebenfalls gemessen, dass die Haftfestigkeit der Manganinplatte 5 kg/cm oder mehr betrug, so dass herausgefunden wurde, dass die Manganinplatte fest mit dem Aluminiumoxidsubstrat verbunden war. Es wurde nicht beobachtet, dass die Manganinplatte zersetzt war.
  • Vergleichsbeispiel
  • Die gleiche Manganinplatte wie die in Beispiel 1 wurde mittels eines Silber-Hartlöts enthaltend Titan als ein aktives Material auf demselben Alu miniumoxidsubstrat wie dem in Beispiel 1 aufgebracht, um auf eine Maximaltemperatur von 850°C erhitzt zu werden. Dadurch wurde die Manganinplatte durch das Hartlöt- und Weichlöt-Verfahren und nicht durch das direkte Verbindungsverfahren mit dem Aluminiumoxidsubstrat verbunden. Als ein Ergebnis hiervon wurde beobachtet, dass, obwohl beide fest miteinander verbunden waren, die Manganinplatte durch Diffusion des Hartlötmetalls in die Manganinplatte zersetzt war.
  • Wie zuvor beschrieben, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, eine Legierungsplatte einfach direkt mit einem Keramiksubstrat zu verbinden, und es ist möglich, kostengünstig ein elektronisches Bauteil für einen Widerstand bereitzustellen, ohne zu verursachen, dass sich die Legierungsplatte zersetzt.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Metall-/Keramik-Verbundgegenstandes, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Anordnen eines Metallbauteiles aus einer Legierung enthaltend Kupfer, Nickel und Mangan auf einem Keramikbauteil, Erhitzen des Metallbauteils und des Keramikbauteils in einer nicht oxidierenden Atmosphäre bei einer geringeren Temperatur als dem Schmelzpunkt der Legierung, um das Metallbauteil direkt mit dem Keramikbauteil zu verbinden.
  2. Verfahren zum Herstellen eines Metall-/Keramik-Verbundgegenstandes nach Anspruch 1, welches vor dem Anordnungsschritt des weiteren einen Schritt des Oxidierens einer Oberfläche des Metallbauteils umfasst.
  3. Verfahren zum Herstellen eines Metall-/Keramik-Verbundgegenstandes nach Anspruch 2, wobei der Oxidationsschritt durch Erhitzen des Metallbauteils in der Atmosphäre durchgeführt wird.
  4. Metall-/Keramik-Verbundgegenstand umfassend: ein Keramikbauteil und ein Metallbauteil, welches direkt mit dem Keramikbauteil verbunden ist, wobei das Metallbauteil aus einer Legierung enthaltend Kupfer, Nickel und Mangan gefertigt ist.
  5. Metall-/Keramik-Verbundgegenstand nach Anspruch 4, wobei das Metallbauteil eine Haftfestigkeit von 5 kg/cm oder mehr aufweist.
  6. Elektronisches Bauteil für einen Widerstand, welches umfasst: ein Keramiksubstrat und einen Widerstand, welcher direkt mit dem Keramiksubstrat verbunden ist, wobei der Widerstand aus einer Legierung enthaltend Kupfer, Nickel und Mangan gefertigt ist.
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