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DE3233022A1 - Method for the direct bonding of a body to a ceramic substrate - Google Patents

Method for the direct bonding of a body to a ceramic substrate

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Publication number
DE3233022A1
DE3233022A1 DE19823233022 DE3233022A DE3233022A1 DE 3233022 A1 DE3233022 A1 DE 3233022A1 DE 19823233022 DE19823233022 DE 19823233022 DE 3233022 A DE3233022 A DE 3233022A DE 3233022 A1 DE3233022 A1 DE 3233022A1
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DE
Germany
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substrate
layer
eutectic
silicon layer
silicon
Prior art date
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Withdrawn
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DE19823233022
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German (de)
Inventor
Jens Dr. 5412 Gebenstorf Argau Gobrecht
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BBC Brown Boveri AG Switzerland
Original Assignee
BBC Brown Boveri AG Switzerland
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Publication date
Application filed by BBC Brown Boveri AG Switzerland filed Critical BBC Brown Boveri AG Switzerland
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

A substrate (1) consisting of an oxide ceramic and a body (2) of aluminium or of an oxide ceramic are directly bonded by a eutectic Al-Si alloy. The silicon of the alloy is applied first of all as a thin layer of silicon (5) onto the substrate (1) and then alloyed, by heating, to an adjoining layer of aluminium which is made available either directly by the aluminium body (2) or by an interposed aluminium foil (7). The bonding can be effected uniformly, selectively and without changing nonparticipating metallic surfaces, in contradistinction to known methods employing a reactive gas atmosphere.

Description

Verfahren zum direkten Verbinden eines Method of directly connecting a

Körpers mit einem keramischen Substrat Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum direkten Verbinden eines Substrats aus einer Oxidkeramik und eines Körpers, bei dem zwischen Verbindungsflächen des Substrats und des Körpers durch Erwärmen eine flüssige Zwischenschicht aus einer eutektischen Al-Si-Legierung erzeugt und durch anschliessendes Abkühlen verfestigt wird. Body with a ceramic substrate The invention relates to a Method for directly connecting a substrate made of an oxide ceramic and a Body in which between connecting surfaces of the substrate and the body through Heating creates a liquid intermediate layer made of a eutectic Al-Si alloy and is solidified by subsequent cooling.

Ein solches Verfahren ist bekannt aus der Patentschrift US-PS 3 766 634. Es bezieht sich auf die direkte Verbindung zwischen einem nichtmetallischen, keramischen Substrat und einem Körper aus Metall, beispielsweise aus Aluminium.Such a process is known from US Pat. No. 3,766 634. It refers to the direct connection between a non-metallic, ceramic substrate and a body made of metal, for example aluminum.

Beide Verbindungspartner werden mit den Verbindungsflächen in Kontakt gebracht und bei erhöhten Temperaturen einer reaktiven Gasatmosphäre ausgesetzt, die, im Falle des Al-Si-Eutektikums, eine Si-Verbindung, wie z.B. Sir4, enthält, die in der Nähe der zu verbindenden Flächen durch geeignete Massnahmen zersetzt wird. Temperatur und Gaszusammensetzung sind so gewählt, dass das Si mit dem Al der Körperoberfläche eine Verbindung eingeht und diese Verbindung zusammen mit dem angrenzenden, reinen Metall des Körpers ein niedrig schmelzendes Eutektikum bildet, das bei der eingestellten Temperatur flüssig ist und das keramische Substrat besetzt. Beim Abkühlen ergibt sich dann unter geeigneten oraussetzungen eine feste, direkte te Verbindung zwischen Keramiksubstrat und Aluminiumkörper Die Qualität der direkten Verbindung hängt bei diesem Verfahren von der Gleichmässigkeit ab, mit der die Oberflächenschicht des metallischen Körpers und das Gas der reaktiven Atmosphäre miteinander reagieren. Da jedoch gerade die kritischen Verbindungsflächen von Substrat und Körper in Kontakt miteinander sind, d.h., sich gegenseitig abdecken, wird die Reaktion zwischen Gas und metallischer Verbindungsfläche durch die anliegende Verbindungsfläche des Keramiksubstrats zumindest partiell behindert.Both connection partners come into contact with the connection surfaces brought and exposed to a reactive gas atmosphere at elevated temperatures, which, in the case of the Al-Si eutectic, contains a Si compound such as Sir4, which decomposes by means of suitable measures in the vicinity of the surfaces to be connected will. The temperature and gas composition are chosen so that the Si with the Al the body surface enters into a connection and this connection together with the adjacent, pure metal of the body forms a low-melting eutectic, which is liquid at the set temperature and occupies the ceramic substrate. On cooling, under suitable conditions, a solid, direct result then results te connection between ceramic substrate and aluminum body The quality the direct connection in this process depends on the evenness, with which the surface layer of the metallic body and the gas the reactive Atmosphere react with each other. However, there are precisely the critical connecting surfaces the substrate and the body are in contact with each other, i.e. cover each other, the reaction between gas and metallic connecting surface is caused by the contact Connection surface of the ceramic substrate at least partially hindered.

Weiterhin findet die Reaktion zwischen Gas und Metall nicht nur in gewünschter Weise auf der Verbindungsfläche des Metallkörpers, sondern auch auf allen anderen, ungeschützten metallischen Oberflächen statt. Ist daher für das Endproe dukt des Verbindungsverfahrens eine gut leitende, metallische Oberfläche des aufgebrachten Metallkörpers wichtig, müssen entweder aufwendige Schutzmassnahmen ergriffen werden, um die Reaktion der betreffenden Flächen mit dem Gas zu verhindern, oder die reagierten Schichten durch bekannte chemische oder physikalische Verfahren nachträglich abgetragen werden.Furthermore, the reaction between gas and metal does not only take place in desired way on the connection surface of the metal body, but also on all other, unprotected metallic surfaces. Is therefore for the end test duct of the connection process a highly conductive, metallic surface of the applied Metal body is important, extensive protective measures must either be taken, to prevent the surfaces in question from reacting with the gas, or which reacted Layers subsequently removed using known chemical or physical processes will.

Darüber hinaus ist es bei dem bekannten Verfahren nicht möglich, die direkte Verbindung zwischen Keramiksubstrat und Metallkörper selektiv auszuführen, d.h., nur in ausgewählten Bereichen der gesamten Verbindungsfläche, weil der Reaktionsprozess in der Gasatmosphäre durch die üblichen Maskierungsverfahren nicht begrenzt werden kann.In addition, it is not possible with the known method that selectively execute direct connection between ceramic substrate and metal body, i.e., only in selected areas of the entire connection surface because of the reaction process are not limited in the gas atmosphere by the usual masking methods can.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verbindungsverfahren zu schaffen, das eine gleichmässige und selektive Verbindung ermöglicht und nur auf die Verbindungsfläche selbst einwirkt.The present invention is therefore based on the object of a connection method to create that enables an even and selective connection and only acts on the connection surface itself.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass vor dem Erwärmen auf die Verbindungsfläche des Substrats eine Siliziumschicht aufgebracht und während des Erwärmens die Siliumschicht mit einer angrenzenden Aluminiumschicht zu einer eutektischen Al-Si-Legierung verschmolzen wird.The object is achieved in that prior to heating on the connection surface of the substrate a silicon layer applied and during heating the silicon layer with an adjacent aluminum layer to a eutectic one Al-Si alloy is fused.

Bei einemobevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens wird, ausgehend von einem Körper-aus Aluminium, die Verbindungsfläche des Körpers selbst als angrenzende Aluminiumschicht benutzt und mit der Siliziumschicht zu einer eutektischen Al-Si-Legierung verschmolzen.In a preferred embodiment of the method according to the invention The connecting surface of the body is based on a body made of aluminum used as an adjacent aluminum layer and to one with the silicon layer fused eutectic Al-Si alloy.

Bei einem weiteren, bevorzugten Ausführungsbeispiel wird, ausgehend von einem Körper aus Keramik, vor dem Erwärmen auf die Verbindungsfläche des Körpers ebenfalls eine Siliziumschicht aufgebracht und zwischen die Siliziumschichten eine Aluminiumfolie gelegt und mit beiden Siliziumschichten zu einer eutektischen Al-Si-Legierung verschmolzen Die Einzelheiten des erfindungsgemässen. Verfahrens werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben und erläutert.In a further, preferred exemplary embodiment, starting from a body made of ceramic, before heating on the joint surface of the body also applied a silicon layer and between the silicon layers a Aluminum foil is laid and both silicon layers form a eutectic Al-Si alloy fused The details of the inventive. Procedure are below described and explained with reference to the drawing.

Es zeigen: Fig. la-d die Verfahrensschritte bei einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens; Fig. 2a-d entsprechende Verfahrensschritte bei einem zweiten Ausführungsbeispiel.The figures show: FIGS. 1a-d the method steps in a first exemplary embodiment of the method according to the invention; 2a-d, corresponding process steps a second embodiment.

In Fig. la-d sind die wesentlichen Verfahrensschritte bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens dargestellt. Das Beispiel geht aus von einem Keramiksubstrat 1 mit einer im wesentlichen ebenen Verbindungsfläche 3 und einem metallischen Körper 2 aus Alu minium mit einer gleichfalls ebenen Verbindungsfläche 4 (Fig. la).In Fig. La-d, the essential process steps are in a preferred one Exemplary embodiment of the method according to the invention shown. The example is based on a ceramic substrate 1 with an essentially flat connecting surface 3 and a metallic body 2 made of aluminum with an equally flat connecting surface 4 (Fig. La).

Die beiden Verbindungsflächen 3, 4 werden zunächst vorteilhafterweise vor der Weiterbehandlung nach einem oder mehren ren aus der Aufdampftechnik bekannten Verfahren gereinigt.The two connecting surfaces 3, 4 are initially advantageous before further treatment after one or more ren known from vapor deposition technology Process cleaned.

Wie in Fig. lb gezeigt, wird anschliessend auf die Verbindungsfläche 3 des Keramiksubstrats 1 eine Siliziumschicht 5 aufgebracht. Die Siliziumschicht 5 kann entweder die Verbindungsfläche 3 in ihrer Gesamtheit bedecken, oder aber mit Hilfe allgemein bekannter Maskierungstechniken selektiv auf ausgewählte Bereiche der Verbindungsfläche 3 aufgebracht werden. Dazu eignen sich beispielsweise thermische Aufdampf- oder Kathodenzerstäubungsverfahren in Kombinativ mit photochemischen Maskenprozessen.As shown in Fig. Lb, is then on the connection surface 3 of the ceramic substrate 1, a silicon layer 5 is applied. The silicon layer 5 can either cover the connecting surface 3 in its entirety, or else selectively on selected areas using well-known masking techniques the connection surface 3 are applied. Thermal ones, for example, are suitable for this purpose Evaporation or cathode sputtering processes combined with photochemical mask processes.

Nachdem die Siliziumschicht 5 in den gewünschten Abmessungen auf dem Keramiksubstrat abgeschieden worden ist, wird der Aluminium-Körper 2 mit seiner Verbindungsfläche 4 auf die Silizumschicht 5 gelegt (Fig. lc). Der Körper 2 und das Substrat 1 werden mit erhöhtem Druck gegeneinandergepresst und unter diesem Anpressdruck in der in Fig. lc dargestellten Konfiguration erwärmt. Sobald bei der Erwärmung die für das Al#Si-Legierungssystem.charakteristische Temperatur von etwa 5770 # erreicht und überschritten wird, legiert die Siliziumschicht 5 mit dem Al aus der Randschicht des Körpers 2 unter Bildung einer eutektischen flüssigen Phase, die sich gegenüber den reinen Ausgangsmaterialien Al und Si durch einen sehr niedrigen Schmelzpunkt auszeichnet. Die Oxydhaut, die üblicherweise die Oberfläche des Aluminiumkörpers 2 bedeckt, wird bei diesem Vorgang der Legierungsbildung sehr leicht durchbrochen.After the silicon layer 5 in the desired dimensions on the Ceramic substrate has been deposited, the aluminum body 2 with his Connection surface 4 placed on the silicon layer 5 (Fig. Lc). The body 2 and the substrate 1 are pressed against one another with increased pressure and under this Contact pressure heated in the configuration shown in Fig. Lc. As soon as the Heating is the characteristic temperature of the Al # Si alloy system 5770 # is reached and exceeded, the silicon layer 5 is alloyed with the Al from the edge layer of the body 2 with the formation of a eutectic liquid phase, which is very low compared to the pure starting materials Al and Si Melting point. The oxide skin, which is usually the surface of the aluminum body 2 is covered very easily during this process of alloy formation.

Die flüssige Zwischenschicht 8 benetzt dann, wie in Fig. ld dargestellt, die Verbindungsfläche 3 des Keramiksubstrats und bildet schliesslich beim Abkühlen die Bindung mit dem Substrat aus.The liquid intermediate layer 8 then wets, as shown in FIG. the connecting surface 3 of the ceramic substrate and finally forms on cooling the bond with the substrate.

Für eine Verbindung zwischen einem Al-Körper und einem Substrat aus Al203-Keramik ergeben sich gute Festigkeiten, wenn die Siliziumschicht 5 mit etwa 1 pm Dicke in Vakuum auf das Substrat aufgedampft wird. Als Anpressdruck ist ein Druck von etwa 3 bar ausreichend, um gute Verbindungen.For a connection between an Al body and a substrate Al203 ceramic results in good strengths, when the silicon layer 5 with a thickness of about 1 μm is vapor-deposited onto the substrate in a vacuum. As contact pressure a pressure of around 3 bar is sufficient to create good connections.

zu erhalten. Damit für den thermisch aktivierten Legierungsvorgang genügend Zeit zur Verfügung steht, ist es bei dem erfindungsgemässen Verfahren vorteilhaft, Substrat 1 und Körper 2 unter Anpressdruck für mehr als 3 min. auf einer Erwärmungstemperatur oberhalb 577 0C zu halten.to obtain. So for the thermally activated alloying process there is enough time available, it is advantageous in the method according to the invention, Substrate 1 and body 2 under contact pressure for more than 3 minutes at a heating temperature above 577 0C.

Da, im Unterschied zum bekannten Verfahren mit reaktiver Atmosphäre, bei dem erfindungsgemässen Verfahren der nichtmetallische Legierungspartner als gleichmässig aufgebrachte Fläche der metallischen Verbindungsfläche des Körpers gegenüberliegt, ergibt sich eine lückenlose und sehr gleichmässige Zwischenschicht mit entsprechender Haftfestigkeit.Since, in contrast to the known process with a reactive atmosphere, in the process according to the invention, the non-metallic alloy partner as evenly applied area of the metallic connecting surface of the body opposite, the result is a gapless and very even intermediate layer with corresponding adhesive strength.

Wie schon erwähnt, lässt sich das Aufbringen der Siliziumschicht zudem selektiv durchführen und die übrigen Oberflächen des metallischen Körpers bleiben bei dem Verbindungsvorgang unverändert.As already mentioned, the silicon layer can also be applied perform selectively and the remaining surfaces of the metallic body remain unchanged during the connection process.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindÜngsgemäs# sen Verfahrens, bei dem nicht nur das Substrat 1, sondern auch der Körper 2 aus einer Keramik, insbesondere aus Al203~ Keramik, bestehen Fig. 2a, werden gemäss Fig. 2b sowohl auf die Verbindungsfläche 3 des Substrats 1, als auch auf die Verbindungsfläche 4 des Keramik-Körpers 2 dünne Siliziumschichten 5 und 6 mit vorzugsweise gleicher Dicke aufgebracht, nachdem beide Flächen zuvor, wie beim ersten Ausführungsbeispiel erwähnt, ausreichend gereinigt worden sind.In a further embodiment of the inventive method, in which not only the substrate 1, but also the body 2 made of a ceramic, in particular made of Al 2 O 3 ceramic, Fig. 2a, are according to Fig. 2b both on the connecting surface 3 of the substrate 1, as well as on the connecting surface 4 of the ceramic body 2 thin Silicon layers 5 and 6 with preferably the same thickness applied after both Sufficiently cleaned beforehand, as mentioned in the first exemplary embodiment have been.

Zwischen die mit Silizium beschichteten Verbindungsflächen wird dann eine dünne Al-Folie 7 gelegt, so dass sich eine Anordnung entsprechend Fig. 2c ergibt Bei einem vergleichbaren Anpressdruck und den bereits genannten Erwärmungstem peraturen und Haltezeiten bildet sich wie in Fig. 2d dargestellt, eine eutektiscbe, flüssige Zwischenschicht 8, die nach dem Erstarren die Haftung zwischen Substrat l und Körper 2 vermittelt. Bei Schichtdicken von etwa 1 pm für die Siliziumschichten 5 und 6 werden die grössten Festigkeiten erreicht, wenn die Dicke der dazwischenliegenden Al-Folie 7 im Bereich zwischen 5 und 100 pm liegt.Then, between the silicon-coated connecting surfaces a thin Al foil 7 is placed so that an arrangement according to FIG. 2c results With a comparable contact pressure and the temperatures mentioned above and hold times, as shown in FIG. 2d, form a eutectic, liquid Intermediate layer 8, the after solidification, the adhesion between the substrate l and body 2 conveyed. With layer thicknesses of around 1 pm for the silicon layers 5 and 6, the greatest strengths are achieved when the thickness of the Al foil 7 is in the range between 5 and 100 μm.

Mit dem erfindungsgemässen Verfahren ist es möglich, eine Verbindung zwischen einem Substrat aus Keramik einerseits und einem Körper aus Aluminium oder Keramik andererseits herzustellen, die sich durch hohe Gleichmässigkeit und Festigkeit, geringe Verfahrensdrücke und -temperaturen und durch den Umstand auszeichnet, dass die Veränderungen an den zu verbindenden Teilen während des Verbindungsvorgangs auf den unmittelbaren Bereich der Verbindungsflächen beschränkt bleiben.With the method according to the invention it is possible to establish a connection between a substrate made of ceramic on the one hand and a body made of aluminum or On the other hand, to produce ceramics, which are characterized by high uniformity and strength, low process pressures and temperatures and the fact that the changes to the parts to be connected during the connection process remain limited to the immediate area of the connecting surfaces.

Claims (10)

Patentansprüche 1. Verfahren zum direkten Verbinden eines Substrats (1) aus einer Oxidkeramik und eines Körpers (2), bei dem zwischen Verbindungsflächen (3, 4) des Substrats (1) und des Körpers (2) durch Erwärmen eine flüssige Zwischenschicht (8) aus einer eutektischen Al-Si-Legierung erzeugt und durch anschliessendes Abkühlen verfestigt wird dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Erwärmen auf die Verbindungsfläche (3) des Substrats (1) eine Siliziumschicht (5) aufgebracht und während des Erwärmens die Siliziumschicht mit einer angrenzenden Aluminiumschicht zu der eutektischen Al-Si-Legierung verschmolzen wird. Claims 1. A method for directly connecting a substrate (1) made of an oxide ceramic and a body (2) in which between connecting surfaces (3, 4) of the substrate (1) and the body (2) by heating a liquid intermediate layer (8) produced from a eutectic Al-Si alloy and then cooled solidified is characterized in that prior to heating on the connecting surface (3) of the substrate (1) a silicon layer (5) is applied and during heating the silicon layer with an aluminum layer adjacent to the eutectic one Al-Si alloy is fused. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Material des Körpers (2) Aluminium verwendet und die Zwischenschicht (8) aus der Siliziumschicht und einer Oberflächenschicht des Körpers (2) gebildet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the material of the body (2) aluminum and the intermediate layer (8) made of the silicon layer and a surface layer of the body (2) is formed. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Material des Körpers (2) eine Oxidkeramik verwendet, vor dem Erwärmen auch auf die Verbindungsfläche (4) des Körpers (2) eine Siliziumschicht (6) aufgebracht, zwischen die Siliziumschichten (5, 6) eine Aluminiumfolie (7) gelegt und die Zwischenschicht (8) aus den Siliziumschichten (5, 6) und der Aluminiumfolie (7) gebildet wird.3. The method according to claim 1, characterized in that the material of the body (2) an oxide ceramic is used, also on the connection surface before heating (4) of the body (2) a silicon layer (6) is applied between the silicon layers (5, 6) an aluminum foil (7) and the intermediate layer (8) made of the silicon layers (5, 6) and the aluminum foil (7) is formed. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Oxidkermaik eine Aluminiumoxidkeramik verwendet wird.4. The method according to claim 1, characterized in that as oxide ceramic an alumina ceramic is used. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumschicht (5) selektiv aufgebracht wird.5. The method according to claim 1, characterized in that the silicon layer (5) is selectively applied. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumschicht (5) mit einer Dicke von etwa 1 im Vakuum aufgedampft wird. 6. The method according to claim 1, characterized in that the silicon layer (5) is vacuum evaporated to a thickness of about 1. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Erwärmens Substrat (1) und Körper (2) mit einem Druck von etwa 3 bar gegeneinandergepresst werden. 7. The method according to claim 1, characterized in that during during heating, the substrate (1) and the body (2) are pressed against one another at a pressure of about 3 bar will. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Substrat (1) und Körper (2) auf eine Temperatur im Bereich der Schmelztemperatur des Al-Si-Eutektikums erwärmt werden. 8. The method according to claim 1, characterized in that the substrate (1) and body (2) to a temperature in the range of the melting temperature of the Al-Si eutectic be heated. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Substrat (1) und Körper (2) mehr als 3 min. lang auf der Temperatur im Bereich der Schmelztemperatur des Al-Si-Eutektikums gehalten werden. 9. The method according to claim 8, characterized in that the substrate (1) and body (2) at the temperature in the region of the melting temperature for more than 3 minutes of the Al-Si eutectic. 10. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminiumfolie (7) mit einer Dicke von 5 bis 100 verwendet wird.10. The method according to claim 3, characterized in that an aluminum foil (7) with a thickness of 5 to 100 is used.
DE19823233022 1982-09-06 1982-09-06 Method for the direct bonding of a body to a ceramic substrate Withdrawn DE3233022A1 (en)

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