CN105612019B - 用于实现金属-陶瓷焊接连接的方法 - Google Patents
用于实现金属-陶瓷焊接连接的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105612019B CN105612019B CN201480055526.8A CN201480055526A CN105612019B CN 105612019 B CN105612019 B CN 105612019B CN 201480055526 A CN201480055526 A CN 201480055526A CN 105612019 B CN105612019 B CN 105612019B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- solder
- metalwork
- gap
- ceramic
- ceramic body
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
- B23K1/19—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering taking account of the properties of the materials to be soldered
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
- B23K1/0008—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering specially adapted for particular articles or work
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
- B23K1/008—Soldering within a furnace
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
- B23K35/001—Interlayers, transition pieces for metallurgical bonding of workpieces
- B23K35/005—Interlayers, transition pieces for metallurgical bonding of workpieces at least one of the workpieces being of a refractory metal
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
- B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
- B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
- B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
- B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
- B23K35/30—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550 degrees C
- B23K35/3006—Ag as the principal constituent
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
- B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
- B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
- B23K35/30—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550 degrees C
- B23K35/3013—Au as the principal constituent
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
- B23K2103/16—Composite materials, e.g. fibre reinforced
- B23K2103/166—Multilayered materials
- B23K2103/172—Multilayered materials wherein at least one of the layers is non-metallic
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
- B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
- B23K2103/52—Ceramics
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
本发明涉及一种利用金属焊料(4)使未涂层陶瓷体(1)与金属件(2,3)建立材料配合的金属‑陶瓷焊接连接的方法,其特征在于,该方法具有以下步骤:选择具有50%份额的亲氧元素的金属件(2,3);选择至少80%由氧化铝、氧化锆、氧化硅或其混合物组成的陶瓷体(1);选择不活跃的、低共熔的或接近低共熔的焊料(4);构成具有陶瓷体(1)和金属件(2,3)的结构体,它们的表面相互形成间隙,焊料被带入间隙中或间隙附近;将该结构体置于炉子中,并围绕该结构体形成真空;将炉子加热至焊接温度T大于焊料(4)的液相线温度(TL);在焊接持续时间(Δt)内保持焊接温度。本发明还涉及一种这样类型的连接件和一种陶瓷管以及一种具有这种连接件的高温传感器。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用金属焊料使热膨胀系数彼此协调的未涂层陶瓷体与金属件实现材料配合的金属-陶瓷焊接连接的方法;本发明还涉及一种金属-陶瓷焊接连接件,这种金属-陶瓷焊接连接件在未涂层陶瓷体的表面与金属件的表面之间具有空隙,该空隙至少部分地填充有焊料;本发明还涉及一种用于在高温条件下将电导线绝缘和绝热地敷设到室内的连接装置。
背景技术
在一些技术领域中,需要通过焊接工艺使陶瓷体与金属件连接起来。特别是在小型化构件的领域中(例如用于各种应用的传感器插接管),这种金属-陶瓷焊接连接是非常重要的。
在图1a中示出了根据现有技术的例如在陶瓷体1与金属件(在此为钢件)之间实现金属-陶瓷焊接连接的必要工作步骤,在此所制造的是高温传感器的陶瓷管6。
在第一步骤I中,必须利用钼/锰膏例如通过喷涂或涂抹对所设定的连接点涂覆一层涂层,然后在还原气体(reduzierenden )下在大约1400℃下烘烤该膏,由此产生金属化的陶瓷。
在另一步骤II中,还需要对这种金属化进行电镀镍,以使液态的银铜焊料(AgCu-Lot)能够均匀、良好地湿润陶瓷体1的被镀镍的陶瓷表面,就像待连接的金属件一样。接下来在针对陶瓷体1的准备步骤中,金属件(在此为凸缘和/或触点座)可以在安装步骤III中被定位在陶瓷体1旁边或之并被施加焊料。在这些部件彼此定位之后,这些部件通过焊接过程IV在高温条件下在接合点上彼此连接。根据现有技术,必须对陶瓷表面实行涂层,在此这通过步骤I和步骤II来实现。
图1b示出了在执行完步骤I至步骤IV之后根据现有技术的工艺进行焊接连接的剖视图。在此,利用焊料4使金属件2'、3'与陶瓷体1材料配合地连接。可以清楚地看到:陶瓷体1的陶瓷表面的涂层11为被镀镍的金属涂层。所使用的简单的商用焊料4使金属件2'、3'与被涂层的陶瓷表面材料配合地彼此连接。
陶瓷体的涂层是必不可少的并且非常复杂。在此在步骤II中还要附加地进行镀镍,以便提高金属化陶瓷的湿润性。
由于涂覆有足够厚的附加金属和/或附加保护层,因此对于较小尺寸的陶瓷体和金属件进行再处理是很困难的,并且只能在具有较大公差的情况下来执行。
为了能够简单地在陶瓷表面与金属件之间建立焊接连接,专利文献DE19734211C2提出:以活性成分机械地对陶瓷表面进行涂层,并随后与金属件进行焊接。例如,可以通过在陶瓷表面上摩擦含钛的片或棒进行这种涂层。不清楚在此所述的这种简单的涂层工艺是否足够良好地起作用。但是,在没有施加保护层的情况下会迅速地开始氧化,因此必须尽可能地直接在建立涂层之后进行焊接。
从专利文献EP356678中已知一种借助于焊接过程的连接方法,该连接方法能够提供良好的连接结果,在此是在涂层、镀镍和随后的安装之后进行焊接过程。
在专利文献US4591535中提出,在使用具有亲氧元素的活性焊料4'时,无涂层的或未被金属化的陶瓷体可以与由钢制成的金属件连接。在此,可以摒弃前述的对陶瓷体的金属化和镀镍,使得因此所获得的方法在如图2所示的情况下通过使用活性焊料4'而仅包括安装步骤III和焊接过程IV。在此,焊接过程IV是在已知的用于活性焊料4'的温度范围内进行的。借助活性焊料实现材料配合的连接:亲氧元素(例如钛)已经被混合(legiert)在焊料中。与使用非活性焊料相比,采用活性焊料的连接需要更高的熔解温度,并且在设计待接合的构件时需要特别注意,因为活性焊料不会像传统的焊料那样流动并且不可以利用毛细管效应。借助活性焊料4'实现的陶瓷/金属连接展示出一种结构体,其中,陶瓷体、活性焊料和金属件构成可明显相互区别开的层。
在根据专利文献DE202010016357U1的传感器中,在陶瓷体中设置有传感器元件,该传感器元件可以通过利用焊接设立的金属触点来联系。所使用的焊料是活性焊料。
在根据专利文献DE102010003145A1的压力传感器中,借助活性硬焊料、锆/镍/钛合金对测量膜进行气密的连接。第二活性硬焊料使测量膜变换器的原始信号线路与测量电子器件相连接。
活性焊料是不容易在市场上买到的,大多数情况下必须从特定的供应商那里以较高的成本采购。由于活性焊料与非活性焊料相比具有更高的熔点或者说更高的加工温度,因此会使陶瓷体中的热应力增加,从而造成更大的断裂趋势。这是由于金属和陶瓷的热膨胀系数不同。如果这两个组件在高温下彼此连接,则在它们再次达到室温后会不可避免地形成应力。并且为了达到活性焊料的高焊接温度,不可避免地会产生较高的能量消耗。
因为在使用活性焊料时没有对陶瓷体进行涂层,因此陶瓷表面与钢制金属件表面之间的毛细管缝隙没有完全被活性焊料充满,故而这种焊接连接具有角焊的形式,这对于例如在此所述的处理是不利的。活性焊料不适用于毛细管焊接,因为活性成分在焊料完全渗透之前可能已经耗尽于毛细管中,并由此使得陶瓷体与金属件之间的缝隙不能完全地实现材料配合的连接。为了实现根据现有技术的金属-陶瓷焊接连接(其中执行前述的金属化和镀镍),通常需要使毛细管焊缝宽度达到0.05mm,因为层厚可能会变化。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于使热膨胀系数彼此协调的未涂层陶瓷体与金属件实现材料配合的金属-陶瓷焊接连接的方法,在此将摒弃使用难以买到且成本昂贵的活性焊料以及专门对陶瓷体进行如前所述的涂层。本发明的目的还包括在低成本的情况下以尽可能少的费用实现金属-陶瓷焊接连接。此外,这种连接能够满足较高的要求并且尤其是不易碎的或不脆弱的。
利用根据本发明的方法,能够如同前述的金属化那样良好地控制毛细管式焊料流,这可以使所要实现的金属-陶瓷焊接连接具有高机械负荷能力,在此,该金属-陶瓷焊接连接尤其是还可以经受住更高的剪切负荷。
本发明的目的还在于提出一种用于至少一个高温传感器的陶瓷管,其适用于伴随这种金属-陶瓷连接的高于200℃的工作温度。
本发明还涉及一种根据本发明的方法在陶瓷体与金属件之间的建立的金属-陶瓷焊接连接。
本发明的目的通过一种具有本发明所述特征的方法来实现。根据本发明将实施以下步骤:选择具有至少50%份额的亲氧元素的金属件和至少80%是由氧化铝、氧化锆、氧化硅或它们的混合物组成的陶瓷体。使用无活性的、低共熔的或近似于低共熔的焊料。最后形成包括陶瓷体和金属件的结构体,在此,陶瓷体和金属件在它们的表面之间相互形成间隙。陶瓷体和金属件还可以彼此贴靠在一起,由此产生的间隙完全满足要求。在此,焊料被带入到间隙中或间隙附近。随后将该结构体置于炉子中,并利用焊料围绕该结构体形成真空或无氧的保护气层然后,使炉子处于高于焊料的液相线温度TL的焊接温度T,并优选最高至焊料的液相线温度以上60℃(TL<T≦TL+60℃)。现在,在焊接持续时间Δt中在炉中将保持焊接温度T,直至焊料与一部分熔化的金属件一起构成混合相区域M,该混合相区域将完全填满并湿润所述间隙。然后将该结构体再次冷却至环境温度。
根据本发明的方法的优点在于,可以设立较低的焊接温度,因为无活性的焊料不包含钛。较低的焊接温度将导致所制成的部件在其被冷却至环境温度之后具有很小的应力。
此外,已经证实:含钛的焊料通常含有过多的钛,由此使得连接容易裂开。在本发明的情况下,连接所采用的钛或其他金属性的亲氧元素正好与连接所需要的一样多,并且不再需要更多。由此使得这种连接具有非常高的品质。
此外,利用所述的方法可以实现毛细管焊接,而这在使用含钛焊料时(例如在US7771838中)是不可能的。
特别是这种连接是在无氧保护气体或真空条件下进行的,因此不会发生氧化。在传统的方法中(例如在含铜金属的情况下)会形成氧化层,该氧化层在直接焊接中被作为焊料使用,如专利文献EP2263820所述。
附图说明
下面参照附图对本发明的优选实施例进行说明。
图1a示意性示出了用于建立金属-陶瓷焊接连接的方法,通过该方法使得至少部分被金属化的陶瓷体能够借助于市场上常见的焊料根据现有技术地固定在金属件上,而
图1b示出了利用根据图1a的方法所建立的金属-陶瓷焊接连接的剖视图的显微照片。
图2示意性示出了根据现有技术使用活性焊料时的焊接过程,在此放弃进行金属化。
图3a示出了根据本发明的用于建立金属-陶瓷焊接连接的方法的示意图,而
图3b示出了利用根据本发明的方法建立的金属-陶瓷焊接连接的剖视图的显微图片。
图4a示出了在焊料熔融之前陶瓷体相对于金属件的布置的剖视图,而
图4b示出了在焊接过程之后陶瓷体和金属件的剖视图,在此形成高温传感器的陶瓷管。
图5a和图5b示出了根据图4a和图4b的陶瓷管在焊接过程之前和之后的剖视图,在此,该陶瓷管具有附加地焊接盘。
图6示出安装有陶瓷管的高温传感器。
具体实施方式
下面将参照如图4a-图6所示的陶瓷管6对根据本发明的用于建立材料配合的金属-陶瓷焊接连接的方法进行说明,该陶瓷管由未涂层的陶瓷体1与金属件2、3通过材料配合的连接来构成。陶瓷体1和金属件2、3的热膨胀系数彼此协调,也就是彼此相似。陶瓷体1的至少80%应该由氧化铝(蓝宝石)、氧化硅、氧化锆或它们的混合物组成。根据本发明,陶瓷体没有被涂层,并相应地不具有金属化和镀镍的陶瓷体表面。这使得根据本发明的方法相对于根据现有技术的类似方法节省了工作步骤。
用作焊料4的是传统的、低成本的金属非活性焊料。重要的是,所使用的焊料4是低共熔的或接近低共熔的。特别是焊料优选为银基或金基焊料,例如AgCu、AgCuPd或AuNi等。固相线温度和液相线温度TL应该:或者相等,因此焊料4是低共熔的;或者这两个温度的区别应小于5K,这被称为接近低共熔的。此外,为了使构件的热负荷在焊接过程IV期间保持在很低的水平,优选所使用的焊料4应该是液相线温度TL<1000℃的低熔点焊料4。这种焊料特别是能够以箔片或金属丝的形式呈现。在较低的生产温度下,金属件2、3与陶瓷体1之间的应力的危险将降低,因为它们具有尽管相似但仍旧不同的热膨胀系数。
待连接的金属件2、3必须具有至少50%份额的亲氧元素,由此可以利用在此所述的方法使这些金属件与陶瓷体材料配合地连接。优选将金属件2、3选择为钛、铪或锆或这些元素的合金。
在安装步骤III中,待连接的金属件2、3被定位在未涂层陶瓷体1的陶瓷体表面的旁边或之上并保持彼此对准,在此,在陶瓷体1的表面与金属件2、3的面向陶瓷体1的表面之间形成间隙或毛细管缝隙。为此,可以使用保持装置。随后或在彼此定位的同时,焊料4被带入该间隙的区域中或间隙中,这些间隙可以被设计为毛细管缝隙,并由此使焊料与陶瓷体2和金属件2、3相接触。
焊料4在此可以例如是金属丝焊料4或焊料箔片4的形式。优选将焊料箔片4插入间隙中并能够填满这些间隙。
在输送包括有陶瓷体1、金属件2、3以及4的结构体之后,在炉子中在真空或保护气体层的条件下以焊接温度T实施焊接过程IV。重要的是为了不发生氧化,要使该结构体处于无氧环境中。由于该方法对于所调整的焊接温度T(所述结构体在炉子中处于该焊接温度下)是敏感的,因此该焊接温度必须是可准确调整的并且能够在焊接持续时间Δt内保持恒定。
试验已经证实:在使用银基焊料4的条件下,当焊接持续时间Δt为五至十分钟时,焊接温度T在刚好稍稍超过780℃(例如高3-5℃)时将获得良好的结果。但重要的是,在焊接持续时间Δt内将焊接温度T选择为:大于所选焊料4的液相线温度TL并小于等于所选焊料4的液相线温度加60℃。因此,焊接温度T必须选择为TL<T≦TL+60℃。
紧随焊接过程的是使彼此连接的构件、即陶瓷体1和金属件2、3冷却,由此在这些构件之间的间隙中形成材料配合的连接。
从迄今已知的现有技术中,在未涂层陶瓷体与金属件2、3之间建立金属-陶瓷焊接连接只能通过使用特殊的活性焊料来进行。在根据本发明的方法中不使用活性焊料,而是使用传统的非活性焊料4。重要的是:一方面要使用具有至少50%份额的亲氧元素的金属件2、3,另一方面要将焊接温度T调整至所定义的较小的温度范围内TL<T≦TL+60℃。
在焊接过程IV中,焊料4熔解并湿润金属件2、3的金属表面。此外,金属件2、3的一部分熔化,并且金属件2、3的亲氧元素组分转移到焊料4中并在融于其中。产生混合相区域M,非活性焊料4和来自金属件2、3的亲氧元素在该混合相区域中混合。通过采用具有至少50%份额亲氧元素的金属件2、3,可以在焊接过程IV期间持续不断地并且以所要求的准确的量向非活性焊料4提供活性成分,因为亲氧元素可以被不限量地提供。由此,在焊接过程IV期间,通过从金属件2、3输出亲氧元素,可以使非活性焊料4变得有活性。陶瓷体1和金属件2、3相应地通过焊料4和混合相区域M被彼此材料配合地连接。特别是在焊接过程中,金属件2、3的大于或等于3μm的、垂直于金属件2、3的面向间隙或毛细管焊接缝隙K的表面的厚度被完全熔化,并与焊料4一起填满间隙或毛细管焊接缝隙K。
正如在如图3b所示的剖视图中可以看到:在焊接过程IV中,金属件2、3的一部分被转移到焊料4中,从而形成由焊料4和金属件物质(Metallteilmasse)构成的混合相区域M。在焊接过程期间,已熔解的焊料4与金属件2、3的亲氧材料聚集在一起,在此,在金属件2、3和未涂层陶瓷体1之间形成由金属和焊料4构成的混合相区域M,该混合相区域填满所述间隙,并使这两部分彼此材料配合地连接。
金属件2、3的位于表面区域中的一部分物质(Masse)在焊接过程IV中被消耗掉,并且金属件2、3相应地被侵蚀。这在图3b中可以看到,因为在此以虚线示出的边界线不是直线地延伸。与此相反,在如图1b所示的根据现有技术的金属-陶瓷焊接连接的显微图片中示出的金属件2'、3'和陶瓷体的边界面具有明显不同的并且线条分明和以直线划定界限的边界面。由于图3b不是彩色图,因此在黑白图中不可能看到金属件2、3与焊料4之间的边界。因此该边界以虚线来表示。图3b中的边界线不是直线的,因为表面的一部分已与焊料混合。
由于焊接温度T明显低于陶瓷体1的熔解温度,因此陶瓷体1的表面没有变化。焊料4、混合相区域M和已熔融的金属填满了位于金属件表面与陶瓷体表面之间的全部间隙或毛细管焊接缝隙K。在混合相区域M中设定浓度梯度,在此,在金属件2、3附近存在高浓度的亲氧元素,该浓度随着与金属件2、3距离的增大而降低。在此,混合相区域M的厚度与所述间隙或毛细管焊接缝隙宽度k相对应。
试验已经证实:在垂直于金属件2、3的面向毛细管焊接缝隙K的表面的大于等于30μm的厚度范围内,金属件2、3的表面部分完全被熔化。金属件2、3的已熔化的材料量与焊料4一起在焊接过程IV中填充间隙或毛细管焊接缝隙K。
在图4a和图4b和图5a和图5b中以剖视图示出了具有未涂层陶瓷体1和至少一个金属件2、3的不同的管6、6',在图4a和图5a中示出了在安装步骤III之后的管,在图4b和图5b中示出了在焊接过程IV之后的管。
在图4a中示出了用于未示出的高温传感器的管6,该高温传感器包括陶瓷体1、金属凸缘2和金属触点座3(在此由5级的钛材料构成)。陶瓷体1和金属件2、3被相互对准地安装,在此,金属件2、3彼此电绝缘地固定在陶瓷体1上。在陶瓷体1的待焊接表面部分和相对置的金属件2之间形成毛细管焊接缝隙K,其具有固定的毛细管焊接缝隙宽度k。触点座3关于陶瓷体1被如下地对准:在触点座3的表面与陶瓷体1的端面表面之间形成间隙。
用作焊料的是AgCu焊料4,其为焊丝、焊箔或焊膏的形式并被带到凸缘2与陶瓷体1之间的毛细管焊接缝隙K的附近。其他的焊料4被以箔片的形式设置在陶瓷体1的端面与触点座3的表面之间的间隙中。AgCu焊料4包含72%的银和28%的铜。由于使用未涂层的陶瓷体1,因此能够简单和可重复地实现所限定的小于0.03mm的毛细管焊接缝隙宽度k。金属件2、3还可以被设置为与陶瓷体1相接触,从而能够仅通过这两个表面的凹凸不平而产生间隙。这足以使焊料4由于毛细作用而在金属件2、3的表面与陶瓷体1之间流动并建立期望的连接。相应地,金属件2、3和陶瓷体1可以例如平面地彼此重叠。
在安装步骤III、包括焊料4布放完成之后,所述结构体在真空炉中被真空化,并在稍高于780℃(例如3℃-5℃)的焊接温度下执行焊接过程IV五分钟。其结果在图4b中示出。焊料4在焊接过程IV中已完全填满毛细管焊接缝隙K。金属件2、3的钛组分转移到焊料4中并形成膨胀大于零的混合相区域M。试验证实:这种焊接连接是密封的,并且陶瓷体1保持无裂纹。触点座3与陶瓷体1之间的间隙也完全被填满,在此还实现了材料配合的连接。
如图5a和图5b所示,还可以在同一焊接过程IV中将其他的附件(在此为两个由钢品级为1.4301的钢制成的圆盘5)与金属件2、3焊接起来。在此也使用AgCu焊料4,并将该AgCu焊料带到毛细管焊接缝隙K附近或位于陶瓷体1与触点座3之间和触点座3与圆盘5之间的间隙中。该焊接过程以相同的焊接温度T在相同的焊接持续时间Δt内进行。试验证实:在焊接过程IV之后形成密封且无裂纹的连接。
图6示出了高温传感器10,其包括安装在壳体7中的测量元件9。通过也被称为陶瓷管的管6,使导体8与壳体7电绝缘。引线可以穿过未涂层的陶瓷体1(其没有金属化涂层并在此例如被设计为Al2O3陶瓷)和壳体7直至测量元件9。至少50%的份额为亲氧元素的凸缘2(在此为5级钛)通过金属-陶瓷焊接连接和焊料4与陶瓷体1材料配合地连接。在此所述的高温传感器10的壳体7被固定在凸缘2上。触点座3通过金属-陶瓷焊接连接而连接在陶瓷体1的端面上。这种高温传感器10例如可以被设置在内燃机的燃烧室中,在此将对测量元件9的引线与燃烧室和高温传感器10的壳体7进行电去耦。由此可以实现对在测量元件9上所检测到的负载的无损输送。这种高温传感器10特别是被使用在超过100℃直至350℃的温度范围内。
由于不需要进行前述的金属化,因此被选择用于陶瓷体1的陶瓷能够不含任何玻璃相。由此能够使用更纯的陶瓷,其特点在于具有更高的电绝缘。陶瓷体可以被选择为,其具有0至6%重量比的玻璃相。
此外,包括管6的未涂层陶瓷体1能够以比利用根据现有技术的方法更小的尺寸公差和形状公差被制造。
金属-陶瓷连接和利用金基焊料4制造的具有这种连接的管即使在350℃之上的应用温度中也是氦密封的,这在各种应用领域中是所期望的。
与使用活性焊料相比,在使用非活性焊料4时可以设定更低的焊接温度T。这是有利的,因为在焊接过程IV中出现的应力负载相应地减小。
附图标记列表
1 未涂层的陶瓷体
2 金属件/凸缘(至少50%的亲氧元素)
2' 金属件
3 金属件/触点座(至少50%的亲氧元素)
3' 金属件
4 低共熔的/接近低共熔的非活性焊料(银基或金基)
4' 活性焊料
5 圆盘(由钢或镍基合金制成)
6 管/陶瓷管
6' 管/陶瓷管
7 壳体
8 导体
9 测量元件
10 高温传感器
11 金属化
I 涂层步骤+烘烤
II 镀镍
III 安装步骤
IV 焊接过程
Δt 焊接持续时间
LT 焊料的液相线温度
M 混合相区域
K 毛细管焊接缝隙
k 毛细管焊接缝隙宽度。
Claims (17)
1.一种利用金属焊料(4)使未涂层的陶瓷体(1)和金属件(2,3)实现材料配合的金属-陶瓷焊接连接的方法,所述陶瓷体和金属件具有彼此协调的热膨胀系数,其特征在于,所述方法具有以下步骤:
选择所述金属件(2,3),其具有至少50%份额的亲氧元素,其中,所述金属件(2,3)包括亲氧元素钛、铪或锆或者这些元素的合金;
选择所述陶瓷体(1),该陶瓷体的至少80%是由氧化铝、氧化锆、氧化硅或它们的混合物组成的;
提供不活跃的、低共熔的或接近低共熔的焊料(4);
构成包括所述陶瓷体(1)和所述金属件(2,3)的结构体,其中,所述陶瓷体和所述金属件的表面相互形成间隙,其中,所述焊料被带入所述间隙中或所述间隙的附近,并且其中,所述间隙形成毛细管焊接缝隙;
将所述结构体置于炉子中;
利用所述焊料(4)围绕所述结构体形成真空或无氧保护气层;
对所述炉子进行加热至焊接温度大于所述焊料(4)的液相线温度;
在所述炉子中使所述焊接温度保持焊接持续时间,直至所述焊料(4)与一部分熔化的金属件(2,3)一起形成混合相区域,使得完全填满并湿润所述间隙,
其中,所述不活跃的、低共熔的或接近低共熔的焊料(4)不包含钛或锆或者这些元素的合金,
其中,在形成所述混合相区域期间,所述连接从所述金属件(2,3)所采用的钛或锆或者这些元素的合金正好与所述连接所需要的一样多。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述炉子最高被加热至焊接温度T超过所述焊料(4)的液相线温度60℃。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其中,所述焊接持续时间Δt为五至十分钟。
4.根据权利要求1或2所述的方法,其中,使用液相线温度小于等于1000℃的低熔解的非活性焊料(4)。
5.根据权利要求4所述的方法,其中,使用银基或金基焊料(4)。
6.根据权利要求5所述的方法,其中,所述银基或金基焊料(4)是AgCu焊料、AgCuPd焊料或AuNi焊料。
7.根据权利要求1或2所述的方法,其中,所述焊料(4)以焊丝、焊箔或焊膏的形式呈现。
8.根据权利要求1或2所述的方法,其中,所述金属件(2,3)和所述陶瓷体(1)被如下地定位:所述间隙的尺寸小于或等于0.03mm。
9.根据权利要求1或2所述的方法,其中,所述陶瓷体(1)具有0至6%重量比的玻璃相。
10.一种材料配合的金属-陶瓷焊接连接件,其在未涂层的陶瓷体(1)的表面和金属件(2,3)的表面之间具有间隙,该间隙由焊料(4)至少部分地填满,其中,所述间隙被设计为毛细管焊接缝隙,其中,所述陶瓷体的至少80%是由氧化铝、氧化锆、氧化硅或它们的混合物组成的,其特征在于,所述金属件(2,3)包括至少50%份额的亲氧元素,其中,所述金属件(2,3)包括钛、铪、锆或这些元素的合金,并且所述焊料(4)是低共熔的或接近低共熔的非活性焊料(4),并且其中,所述间隙完全由混合物填满,所述混合物构成混合相区域并且是由一部分熔化的金属件(2,3)和所述焊料(4)制成的合金,其中,从所述混合相区域到所述金属件(2,3)的过渡被设计为渐进的,
其中,所述低共熔的或接近低共熔的非活性焊料(4)不包含钛或锆或者这些元素的合金,
其中,在形成所述混合相区域期间,所述连接件从所述金属件(2,3)所采用的钛或锆或者这些元素的合金正好与所述连接件所需要的一样多。
11.根据权利要求10所述的连接件,其中,所述混合相区域具有与所述毛细管焊接缝隙的毛细管焊接缝隙宽度相应的厚度。
12.根据权利要求10或11所述的连接件,其中,所述混合相区域由银基或金基焊料(4)和所述一部分熔化的金属件(2,3)构成。
13.根据权利要求12所述的连接件,其中,所述银基或金基焊料(4)是AgCu焊料、AgCuPd焊料或AuNi焊料。
14.根据权利要求10或11所述的连接件,其中,在焊接过程中,所述金属件(2,3)有大于或等于3μm的、垂直于所述金属件(2,3)的面向所述间隙的表面的厚度被完全熔化,并与所述焊料(4)一起填满所述间隙。
15.根据权利要求10或11所述的连接件,其被设计为陶瓷管(6),该陶瓷管允许导体(8)电绝缘和/或热绝缘地贯穿壳体(7)。
16.一种根据权利要求15所述的陶瓷管,所述陶瓷管位于壳体(7)中,其中,所述陶瓷管(6)套住与测量元件(9)相连接的导体(8)。
17.一种高温传感器,包括根据权利要求16所述的陶瓷管(6)。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CH01717/13A CH708666A1 (de) | 2013-10-08 | 2013-10-08 | Verfahren zur Herstellung einer Metall-Keramiklötverbindung. |
CH1717/13 | 2013-10-08 | ||
PCT/CH2014/000144 WO2015051473A1 (de) | 2013-10-08 | 2014-10-06 | Verfahren zur herstellung einer metall-keramiklötverbindung |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN105612019A CN105612019A (zh) | 2016-05-25 |
CN105612019B true CN105612019B (zh) | 2019-11-15 |
Family
ID=49377989
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201480055526.8A Expired - Fee Related CN105612019B (zh) | 2013-10-08 | 2014-10-06 | 用于实现金属-陶瓷焊接连接的方法 |
Country Status (7)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20160228966A1 (zh) |
EP (1) | EP3055095B1 (zh) |
JP (1) | JP6475703B2 (zh) |
KR (1) | KR102202323B1 (zh) |
CN (1) | CN105612019B (zh) |
CH (1) | CH708666A1 (zh) |
WO (1) | WO2015051473A1 (zh) |
Families Citing this family (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106041238B (zh) * | 2016-06-13 | 2018-09-25 | 西安理工大学 | 一种石油井测持水率探头外壳结构及其封焊材料 |
CN106238850A (zh) * | 2016-08-31 | 2016-12-21 | 浙江长兴电子厂有限公司 | 一种陶瓷绝缘子金属外壳的焊接工艺 |
KR102531899B1 (ko) * | 2016-12-20 | 2023-05-11 | 쇼오트 아게 | 도체의 피드스루를 위한 베이스 바디 및 특히 이러한 베이스 바디를 포함하는 하우징, 특히 배터리 하우징의 하우징 컴포넌트 |
EP3366406A1 (en) * | 2017-02-24 | 2018-08-29 | Outokumpu Oyj | Resistance welding of unweldable metals with thermal sprayed interlayers |
CN106944695B (zh) * | 2017-04-19 | 2020-01-31 | 哈尔滨工业大学(威海) | 一种多孔陶瓷与金属的钎焊方法 |
DE102018108744A1 (de) * | 2018-04-12 | 2019-10-17 | Endress+Hauser SE+Co. KG | Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors |
DE102019134595A1 (de) * | 2019-12-16 | 2021-06-17 | Endress+Hauser SE+Co. KG | Fügen von zwei Bauteilen eines Feldgeräts der Prozess- und Automatisierungstechnik |
EP4199018B1 (de) * | 2021-01-08 | 2024-02-21 | Kistler Holding AG | Verbindung, elektrische durchführung, und sensor |
DE102021107078A1 (de) | 2021-03-22 | 2022-09-22 | Endress+Hauser SE+Co. KG | Vorrichtung aus einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil |
CN113857606B (zh) * | 2021-11-01 | 2022-09-30 | 哈尔滨工业大学 | 一种蓝宝石光窗低温封接方法及封接接头 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5392982A (en) * | 1988-11-29 | 1995-02-28 | Li; Chou H. | Ceramic bonding method |
CN101333116A (zh) * | 2008-07-30 | 2008-12-31 | 哈尔滨工业大学 | 陶瓷及陶瓷基复合材料与钛合金的钎焊焊接方法 |
US7771838B1 (en) * | 2004-10-12 | 2010-08-10 | Boston Scientific Neuromodulation Corporation | Hermetically bonding ceramic and titanium with a Ti-Pd braze interface |
DE102010003145A1 (de) * | 2010-03-23 | 2011-09-29 | Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg | Drucksensor |
CN102513636A (zh) * | 2011-12-23 | 2012-06-27 | 哈尔滨工业大学 | 降低陶瓷与金属接头残余应力的钎焊方法 |
CN203053599U (zh) * | 2012-11-15 | 2013-07-10 | 浙江科强智能控制系统有限公司 | 高温高压下具有快速响应特性的熔体温度传感器 |
Family Cites Families (23)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2724892A (en) * | 1950-11-14 | 1955-11-29 | Westinghouse Electric Corp | Method for forming metal to ceramic seal |
US3793705A (en) * | 1972-12-11 | 1974-02-26 | Ibm | Process for brazing a magnetic ceramic member to a metal member |
US3994430A (en) * | 1975-07-30 | 1976-11-30 | General Electric Company | Direct bonding of metals to ceramics and metals |
JPS60131875A (ja) * | 1983-12-20 | 1985-07-13 | 三菱重工業株式会社 | セラミツクと金属の接合法 |
US4591535A (en) | 1984-06-20 | 1986-05-27 | Gte Products Corporation | Method of brazing ceramics using active brazing alloys |
EP0269007A1 (de) * | 1986-11-28 | 1988-06-01 | Siemens Aktiengesellschaft | Keramik-Metall-Durchführung, insbesondere für Nerven- oder Herzschrittmacher, und Verfahren zu deren Herstellung |
JPH01249262A (ja) * | 1988-03-30 | 1989-10-04 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | ろう付けペースト |
JPH0215874A (ja) * | 1988-07-05 | 1990-01-19 | Japan Steel Works Ltd:The | 金属とセラミックの接合方法及び接合材 |
DE3824900A1 (de) | 1988-07-22 | 1990-01-25 | Hoechst Ceram Tec Ag | Verfahren zur herstellung einer lotbeschichtung auf metallisierte keramik |
US5055361A (en) * | 1989-03-17 | 1991-10-08 | Gte Laboratories Incorporated | Bonded ceramic-metal article |
US4883218A (en) * | 1989-03-17 | 1989-11-28 | Gte Laboratories Incorporated | Method of brazing a ceramic article to a metal article |
JPH04362147A (ja) * | 1991-03-07 | 1992-12-15 | Rockwell Internatl Corp | 遷移液相強化によって金属マトリックス複合物を形成する方法 |
DE19734211C2 (de) * | 1997-08-07 | 2001-08-30 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Verfahren zum Verlöten zweier Keramiken oder einer Keramik mit einem Metall |
US6027010A (en) * | 1998-06-17 | 2000-02-22 | Carbite, Inc. | Method of brazing ceramic and cermet components for golf clubs and the article produced thereby |
JP2001348281A (ja) * | 2000-06-02 | 2001-12-18 | Nhk Spring Co Ltd | 酸化物系セラミックスどうしまたは酸化物系セラミックスと金属の接合方法および接合体 |
US7055733B2 (en) * | 2002-01-11 | 2006-06-06 | Battelle Memorial Institute | Oxidation ceramic to metal braze seals for applications in high temperature electrochemical devices and method of making |
DE102005048213A1 (de) * | 2005-09-29 | 2007-04-05 | Elringklinger Ag | Dichtungsanordnung für einen Brennstoffzellenstapel und Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels |
WO2007070989A1 (en) * | 2005-12-23 | 2007-06-28 | Cochlear Limited | An improved braze join |
EP2390037A1 (fr) * | 2009-06-15 | 2011-11-30 | Schneider Electric Industries SAS | Procédé d'assemblage par brasage réactif et ampoule à vide assemblée selon ce procédé |
DE202010016357U1 (de) * | 2010-12-02 | 2011-03-24 | Micro-Epsilon Messtechnik Gmbh & Co. Kg | Sensor mit einem vorzugsweise mehrschichtigen Keramiksubstrat |
US20120160084A1 (en) * | 2010-12-13 | 2012-06-28 | Benjamin Mosser | Ceramic armor and method of manufacturing by brazing ceramic to a metal frame |
TWI461386B (zh) * | 2011-06-10 | 2014-11-21 | High strength alumina and stainless steel metal bonding method | |
US9339991B2 (en) * | 2011-09-30 | 2016-05-17 | Kyocera Corporation | Metal-ceramic joined body |
-
2013
- 2013-10-08 CH CH01717/13A patent/CH708666A1/de unknown
-
2014
- 2014-10-06 US US15/025,339 patent/US20160228966A1/en not_active Abandoned
- 2014-10-06 CN CN201480055526.8A patent/CN105612019B/zh not_active Expired - Fee Related
- 2014-10-06 EP EP14789769.8A patent/EP3055095B1/de active Active
- 2014-10-06 KR KR1020167009426A patent/KR102202323B1/ko active IP Right Grant
- 2014-10-06 JP JP2016521263A patent/JP6475703B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 2014-10-06 WO PCT/CH2014/000144 patent/WO2015051473A1/de active Application Filing
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5392982A (en) * | 1988-11-29 | 1995-02-28 | Li; Chou H. | Ceramic bonding method |
US7771838B1 (en) * | 2004-10-12 | 2010-08-10 | Boston Scientific Neuromodulation Corporation | Hermetically bonding ceramic and titanium with a Ti-Pd braze interface |
CN101333116A (zh) * | 2008-07-30 | 2008-12-31 | 哈尔滨工业大学 | 陶瓷及陶瓷基复合材料与钛合金的钎焊焊接方法 |
DE102010003145A1 (de) * | 2010-03-23 | 2011-09-29 | Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg | Drucksensor |
CN102513636A (zh) * | 2011-12-23 | 2012-06-27 | 哈尔滨工业大学 | 降低陶瓷与金属接头残余应力的钎焊方法 |
CN203053599U (zh) * | 2012-11-15 | 2013-07-10 | 浙江科强智能控制系统有限公司 | 高温高压下具有快速响应特性的熔体温度传感器 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2015051473A1 (de) | 2015-04-16 |
CN105612019A (zh) | 2016-05-25 |
EP3055095A1 (de) | 2016-08-17 |
KR20160065864A (ko) | 2016-06-09 |
US20160228966A1 (en) | 2016-08-11 |
JP6475703B2 (ja) | 2019-02-27 |
EP3055095B1 (de) | 2020-12-09 |
JP2016536143A (ja) | 2016-11-24 |
KR102202323B1 (ko) | 2021-01-13 |
CH708666A1 (de) | 2015-04-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN105612019B (zh) | 用于实现金属-陶瓷焊接连接的方法 | |
JP3989254B2 (ja) | 異種材料接合体及びその製造方法 | |
CN103249520B (zh) | 大气接合用钎料、接合体以及集电材料 | |
JP5427462B2 (ja) | 熱電変換モジュール | |
CN105788779B (zh) | 一种玻璃陶瓷复合型绝缘子封装外壳及其制备方法 | |
WO2011136193A1 (ja) | 感温素子を備えた温度センサ | |
JP2014012295A (ja) | 蝋付け組成物及び関連装置 | |
WO2009135387A1 (zh) | 陶瓷颗粒增强复合钎料 | |
US6770856B2 (en) | Refsicoat heat resistant material and high-temperature electric heaters using said material | |
CN104023902B (zh) | Sn-Cu系无铅焊料合金 | |
CN107096988A (zh) | 一种快速制备电子封装材料Cu3Sn金属间化合物的方法 | |
US20130224561A1 (en) | Braze compositions, and related articles and methods | |
JP2015534083A (ja) | 温度センサシステムおよび温度センサシステムの製造方法 | |
KR20100003707A (ko) | 접합 구조체 및 그 제조 방법 | |
JP2006327888A (ja) | セラミックスと金属のろう付け構造体 | |
JP2000091649A (ja) | 熱電素子、熱電変換モジュールコア、熱電変換モジュールおよびその製造方法 | |
JPH09186368A (ja) | 厚膜熱電素子 | |
JP2017135373A (ja) | 接合体、パワーモジュール用基板、接合体の製造方法及びパワーモジュール用基板の製造方法 | |
CN203732184U (zh) | 一种压力敏感器件管壳 | |
JP2000269559A (ja) | 熱電素子およびその製造方法 | |
CN103187544A (zh) | 一种电池的负极密封组件及其制作方法、以及一种锂离子电池 | |
CN108732708A (zh) | 光电子器件透明光学窗口的气密封接方法 | |
CN109192672A (zh) | 一种硅芯片的烧结方法 | |
WO2014156093A1 (ja) | セラミックス-金属の接合体およびその製造方法 | |
CN105489515B (zh) | 半导体芯片的共晶焊接方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20191115 Termination date: 20211006 |