DE10055910A1 - Verbindungsverfahren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Keramik-Metallverbindung, wobei eine aktive Lotkomponente auf die Keramik und das zu verbindende Metall auf die Oberfläche aufgebracht wird. Hierbei ist vorgesehen, dass ein elektrischer Stromfluss durch die Übergangsstelle bewirkt wird, bis eine gewünschte Verbindung erzielt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft den Oberbegriff des unab­ hängigen Anspruches. Damit befaßt sich die vorliegende Erfin­ dung mit dem Verschweißen von Keramik.

Das Verlöten bzw. Verbinden von Keramik und Metall ist pro­ blematisch, wenn auf einfache Weise eine sehr haltbare Ver­ bindung erzielt werden soll. Zunächst ist es schwierig, über­ haupt eine Verbindung zu erhalten; diese muß aber zusätzlich noch sehr stabil sein, was angesichts der oftmals stark un­ terschiedlichen Materialeigenschaften von Metall und Keramik nicht, jedenfalls nicht ohne weiteres gewährleiste ist. Be­ sondere Probleme treten bei zyklischer und/oder hoher Erwär­ mung des Werkstückes im Verbindungsbereich auf. Dabei kann es aufgrund der stark unterschiedlichen thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten der Verbindungspartner bereits bei einmaliger hoher und/oder schneller Erwärmung bzw. zu schneller Abküh­ lung zu einer Zerstörung durch Muschelbruch kommen.

Ein Verfahren zum Verschweißen von Keramiken ist aus der DE 197 34 211 A1 bekannt. Dieses Dokument schlägt ein Verfah­ ren zum Verbinden zweier Keramiken oder einer Keramik mit ei­ nem Metall vor, bei welchem eine Oberfläche einer Keramik mit einer reaktiven Komponente beschichtet wird. Die beschichtete Oberfläche wird mit der Oberfläche einer weiteren, in glei­ cher Weise beschichteten Keramik oder mit der Oberfläche ei­ nes Metalls verlötet. Die Benetzung mit der reaktiven Kompo­ nente erfolgt gemäß DE 197 34 211 mit Aktivloten getrennt vom Lötvorgang und dabei soll insbesondere eine vollständige Be­ netzung bei einer Kapillarlötung sichergestellt werden. Nach­ teilig ist jedoch, dass die DE 197 34 211 vorsieht, Verlötun­ gen in einem Hochvakuumofen bei Drücken von 10^-9-10^-5 mbar durchzuführen.

Die hier vorliegende Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereit zu stellen.

Dieses Ziel wird erreicht mit einem Verfahren gemäß dem unab­ hängigen Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Damit schlägt die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt der Er­ findung vor, dass zur Herstellung einer Keramik-Metall- Verbindung eine aktive Lotkomponente auf die Keramik aufge­ bracht wird, das zu verbindende Metall auf die mit aktiver Lotkomponente versehene Oberfläche gebracht wird und dann ein elektrischer Stromfluss durch die Grenzfläche bewirkt wird, bis eine gewünschte Verbindung erzielt ist.

Wesentlich hierbei ist, dass vorliegend eine elektrische, insbesondere resistive Erwärmung vorgesehen wird, um eine dauerhafte und feste Keramik-Metall-Verbindung zu schaffen. Es wurde erkannt, dass sich an der Grenzfläche zwischen Kera­ mik und Metall ein solcher Übergangswiderstand ergibt, der sich für eine gezielte Erwärmung im Übergangsbereich nutzen lässt. Ein für die Erfindung wesentlicher Gedanke ist dabei, praktisch nur lokal die Erwärmung so groß zu wählen, dass im Kontaktbereich Oxide und/oder Oxidschichten reduziert werden können, ohne an anderen Stellen die chemische Integrität der Einzelmaterialien und/oder deren Übergang zu gefährden, wo­ durch insgesamt ein Hochvakuumofen entbehrlich wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird demgemäß zumindest im Übergangsbereich eine Erwärmung vorgenommen, die aus­ reicht, um eine lokale Schmelze zu erzeugen. Besonders bevor­ zugt ist es, wenn die gesamte Schmelze auf eine Temperatur erwärmt wird, bei welcher sich in Umgebungsatmosphäre etwa bildende Oxide und/oder vorhandene Oxidschichten durch Reak­ tionen zwischen Keramikkörper und Metallschmelze reduziert, insbesondere bevorzugt vollständig reduziert werden.

Das Verfahren kann ohne weiteres auch zur Verbindung von Ke­ ramik und Metall verwendet werden, welche unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten besitzen, indem Lot hinreichender Menge verwendet wird, um mechanische Spannungen zwischen Ke­ ramik und Metall zu reduzieren und/oder aufzunehmen. Als Hin­ weis, wann dies der Fall ist, ist die Abwesenheit von Mu­ schelbrüchen, Spannungsrissen und dergleichen insbesondere auch nach wiederholtem Zyclieren zwischen hohen und niedrigen Temperaturen. Die hohen und niedrigen Temperaturen sind dabei einerseits durch die maximalen beziehungsweise minimalen Be­ triebstemperaturen, gegebenenfalls unter Berücksichtigung ei­ ner Sicherheitsreserve, definiert, beziehungsweise, sofern im Betrieb lediglich ein schmales Temperaturband überstrichen wird, durch die Abkühlung von der Löttemperatur auf die Umge­ bungstemperatur. Sollte letztere Temperaturdifferenz begren­ zend sein, kann ein allmähliches Abkühlen der Übergangsstelle durch allmähliches Absenken des Stromflusses, insbesondere in Stufen oder gerampt förderlich sein.

Es ist möglich und bevorzugt, das Verfahren mit Carbidkerami­ ken auszuführen, wobei in einer besonderes bevorzugten Vari­ ante Siliciumcarbid verwendet wird. Ein typisches und für die Erfindung besonders bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Her­ stellung einer Keramik-Metall-Verbindung zwischen Silicium­ carbid-Glühzündern und dergleichen und den metallischen An­ schlüssen einer dieser Leistung zuführenden Anschlussleitung. Es versteht sich, dass gerade bei Glühzündern eine besonderes intensive thermische Zyklierung auftreten wird. Eine weitere bevorzugte Variante des Verfahrens betrifft Titan-Borid, das ebenfalls erfindungsgemäß verwendbar ist.

Als Metall, mit welchem die Keramik, insbesondere das Carbid, vor allem Siliciumcarbid verbunden werden kann, wird in einer bevorzugten Variante Aluminium verwendet. Aluminium hat auf Grund seiner hohen Duktilität eine besonders effiziente Ver­ ringerung mechanischer Spannungen zur Folge, so dass Muschel­ brüche und dergleichen besonders wirksam vermieden werden. Auch ist eine Verbindung zwischen Keramik und Metall mit Alu­ minium als Metall auf Grund der guten Aufnahme mechanischer Spannungen mit schnellen Aufheiz- beziehungsweise Abkühlzei­ ten herzustellen, was wiederum die Herstellung der Verbindung beschleunigt. Hinzu kommt die hohe Sauerstoff-Affinität von Aluminium, die beiträgt, vorhandene Oxidschichten im Kontakt­ bereich zu reduzieren und so eine besonders gute Verbindung ergibt.

Als weiteres Metall, welches bevorzugt verwendet werden kann, ist Silber bzw. eine silberhaltige, insbesondere mit einem Silbergehalt von wenigstens 30% Silber stark silberhaltige Legierung, zu nennen, nachfolgend Silber, welches gleichfalls eine hohe Duktilität besitzt, und zu dem eine höhere Tempera­ turbeständigkeit als Aluminium aufweist. Bevorzugt ist es, Silber in Verbindung mit einer Komponente wie Aluminium oder auch Titan zu verwenden, welches eine hohe Affinität zu Sau­ erstoff besitzt und/oder aus anderen Gründen als Aktivkompo­ nente geeignet ist. Die aktive Komponente wird dabei bevor­ zugt auf die Keramik aufgebracht, etwa aufgerieben, bevor die Keramik-Silber-Verbindung erzeugt wird. Andere aktive, sauer­ stoffaffine Metalle und/oder -legierungen, z. B. Hafnium, sind verwendbar, aber typisch zu teuer.

In einer besonders bevorzugten Variante wird der Strom und/oder die Leistung beim Schweißvorgang verändert. Beson­ ders bevorzugt ist es dabei, wenn der Strom beim Erwärmen be­ ziehungsweise im erwärmten Zustand spannungsbegrenzt wird. So wird eine Überhitzung sicher vermieden, die dazu führen wür­ de, dass Material verzundert, nicht von Schmelze bedecktes Material oxidiert usw.

Es kann eine Klemmung der miteinander zu verbindenden Teile, insbesondere Klemmung mit konstanter Kraft vorgesehen werden. Dies stellt eine ordnungsgemäße Verbindung sicher. Bevorzugt erfolgt die Klemmung vermittels der Elektroden.

Die Erfindung wird im folgenden nur beispielhaft und ohne Be­ zugnahme auf eine Figur beschrieben.

Ein Siliciumcarbidkörper für einen SiC-Glühzünder wird an ei­ nem von der Glühspitze entfernten, zu kontaktierenden Kontak­ tende mehrfach über ein Aluminiumblech als aktive Komponente gerieben. Das Reiben kann manuell erfolgen, wird aber vorlie­ gend maschinell unterstützt, indem das Blech auf einer ro­ tierenden Scheibe angeordnet wird, gegen welche das zu berei­ bende Kontaktende eine ausreichende Zeit gedrückt wird.

Dann wird ein Silberstreifen auf das Kontaktende aufgelegt und Silberstreifen und Siliciumcarbid zwischen zwei Elektro­ den mit definierter, konstanter Kraft gegeneinander geklemmt.

Es wird nun eine Spannung von ca. 50 Volt über die Elektroden angelegt. Es fließt ein Strom, wobei der weit überwiegende Teil der Spannung an der Grenzfläche zwischen Metall und Car­ bid sowie im Keramikkörper abfällt. Abhängig von der Leitfä­ higkeit der Keramik kann die Spannung in anderen Fällen zwi­ schen 10 und 50 Volt liegen. Es sei darauf hingewiesen, dass die Initialspannung von der elektrischen Kalt-Leitfähigkeit der Keramiken abhängig ist. Es werden solche spezifizierten Leitfähigkeiten bevorzugt, die bei gegebener Geometrie Initi­ alspannungen von 10 bis 150 V benötigen.

Die SiC-Platte und der Silberstreifen erwärmen sich dabei stark, wobei der Widerstand sinkt und der Strom ansteigt. Be­ obachtet wurde ein Anstieg von etwa 3 Ampere auf ca. 15 Am­ pere, wo begrenzt wurde. Die Spannung wird hierbei gleichzei­ tig auf etwa 15 Volt reduziert. Damit wird das Überschreiten einer kritischen Temperatur verhindert und die Übergangsstel­ le auf eine Temperatur von wenigstens 960° entsprechend der Schmelztemperatur von Silber erhitzt. Nach Erreichen dieser Temperatur nähern sich die gegeneinandergeklemmten Elektroden einander an, und nach Erreichen einer vorgegebenen Annähe­ rungsstellung wird der Strom abgeschaltet. Es sei darauf hin­ gewiesen, dass das Überschreiten der kritischen Temperatur auch verhindert werden kann, wenn die effektive Leistung als solche begrenzt wird. Weiter ist darauf hinzuweisen, dass die fließenden Ströme insbesondere von der Geometrie der Anord­ nung abhängen werden.

Im Ergebnis wird eine Verschweißung zwischen dem SiC-Element und Silberstreifen erhalten.

In einem weiteren Beispiel wird eine Nickel-Litze mit einem Aluminiumschuh verkrimpt. Nun werden Keramik und Aluminium­ schuh zwischen Elektroden angeordnet und eine Spannung von etwa 50 Volt angelegt. Binnen weniger Sekunden erwärmt sich die Sic-Platte an der Übergangsstelle, wobei der spezifische Widerstand des SiC, der bei Raumtemperatur etwa 0,3 bis 2 Ohm × cm beträgt, unter Erwärmung der Keramik auf 1/5 bis 1/10 des Anfangswertes absinkt. Der Maximalstrom wird wiederum auf 15 Ampere begrenzt.

Die so erhaltene Verbindung erweist sich auch bei wiederhol­ tem schnellen Zyklieren als hoch beständig, ohne dass Beschä­ digungen in Form von Muschelbrüchen und/oder Spannungsrissen beobachtet werden.

Während des Verschweißvorganges treten auf Grund des hohen Übergangswiderstandes lokal sehr hohe Temperaturen auf. Diese Temperaturen sind lokal signifikant höher als in umliegenden Bereichen der Übergangsstelle; es wird vermutet, dass sich eventuell bildende Oxide, die einerseits mit Sauerstoff aus der Umgebungsatmosphäre und andererseits durch oberflächliche SiO₂-Schichten auf dem Siliciumcarbid bzw. Al₂O₃-Schichten auf dem Aluminium beruhen können, bei diesen hohen Temperaturen reduziert werden, insbesondere durch Reaktionen zwischen der metallischen Aktivkomponente und dem Sauerstoff. Die sich bildenden Oxide der metallischen Aktivkomponente werden auf­ grund der hohen Temperatur an der Übergangsstelle vollständig gelöst. Durch die lokale Überhitzung ergibt sich damit eine allenfalls gering durch Oxide beeinträchtigte Übergangsstel­ le.

In einem dritten Ausführungsbeispiel wird ein Silberkabel­ schuh unmittelbar mit titanberiebenem SiC verschweißt, wobei wiederum die Schweißspannung zunächst hoch gewählt ist und im Verlauf der Schweißung reduziert bzw. begrenzt wird, um Schweißstellenüberhitzung zu vermeiden. Die erhaltene Verbin­ dung ist noch beständiger als jene zu Aluminium und zwar ins­ besondere auf Grund der höheren Schmelztemperatur von Silber. Dies macht die Verbindung besonders geeignet für die Verwen­ dung bei der Glühzünderkontaktierung.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung einer Keramik-Metallverbindung, wobei eine aktive Lotkomponente auf die Keramik und das zu verbindende Metall auf die Oberfläche aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Stromfluß durch die Übergangsstelle bewirkt wird, bis ei­ ne gewünschte Verbindung erzielt ist.

2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge­ kennzeichnet, dass eine Erwärmung bis zum lokalen Schmel­ zen des Metalls vorgenommen wird.

3. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Schmelze auf eine Temperatur er­ wärmt wird, die ausreicht, um im Kontaktbereich Oxide und/oder Oxidschichten zu reduzieren.

4. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge­ kennzeichnet, dass zumindest bereichsweise auf eine Tem­ peratur am Verbindungsort von wenigstens 800°C, bevorzugt um 900°C, insbesondere, für Silber bevorzugt jenseits 960°C, erhitzt wird.

5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge­ kennzeichnet, dass es an Umgebungsluft, das heißt in Um­ gebungsatmosphäre ausgeführt wird.

6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge­ kennzeichnet, dass Lot in einer ausreichenden Menge ver­ wendet wird, um mechanische Spannungen insbesondere auf­ grund unterschiedlicher Ausdehnungkoeffizienten zwischen Keramik und Metall zu reduzieren und/oder aufzunehmen.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass als Keramik ein Carbid gewählt wird.

8. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge­ kennzeichnet, dass als Carbid Siliciumcarbid gewählt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass als Keramik ein Sinterkörper verwendet wird.

10. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge­ kennzeichnet, dass als aktive Lotkomponente Al oder Ti verwendet wird.

11. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Strom und/oder die Leistung beim Schweißvorgang gesteuert und/oder geregelt und/oder be­ grenzt wird.

12. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge­ kennzeichnet, dass als Metall Al oder Ag gewählt wird.