DE1089613B

DE1089613B - Verfahren zum Loetbarmachen von Werkstoffen durch fest haftende Schichten von Metall aus der Eisen-Nickel-Kobalt-Gruppe

Info

Publication number: DE1089613B
Application number: DES48433A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Guenter Lochmann; Dipl-Phys Paul Miltenberger
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1956-04-23
Filing date: 1956-04-23
Publication date: 1960-09-22

Description

Verfahren zum Lötbarmachen von Werkstoffen durch fest haftende Schichten von Metall aus der Eisen-Nickel-Kobalt-Gruppe Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung insbesondere gut lötbarer, fest haftender Schichten von Metall aus der Eisen-Nickel-Kobalt-Gruppe, vorzugsweise auf isolierenden Unterlagen, wie Porzellan, Glas usw.
Auf zahlreichen Gebieten der Elektrotechnik, in der Röhrentechnologie und der Vakuumtechnik tritt das Problem der Metall-Keramik- bzw. Metall-Glas-Lötverbindung auf. Das Problem wird dadurch gelöst, daß man das Keramikmaterial oder das Glas metallisiert. Dies kann nach bekannten Verfahren, wie Kathodenzerstäubung, Bedampfung im Vakuum, Reduktionen von Lösungen metallischer Verbindungen, Sintermetallisierung oder Zersetzung von gasförmigen Metallverbindungen, erfolgen.
Als spezielle Aufgabe tritt dieses Problem bei der lötbaren Kontaktierung von Kohleschichtwiderständen auf, wobei es gilt, eine gut haftende, lötbare Metallschicht auf der Kohleschicht anzubringen.
Eine gute Haftfestigkeit kann aber bei Stoffen, die bei den anwendbaren Temperaturen praktisch keine chemische Neigung zueinander haben und ineinander nicht löslich sind, nur durch eine innige mechanische Verzahnung erreicht werden, die sich besonders gut bei der Zersetzung von gasförmigen Metallverbindungen, beispielsweise der Carbonyle oder Chloride, ausbildet. Das Gas nämlich kann auch in die feinsten Poren und Risse der mit der Metallschicht zu versehenden Unterlage eindringen und dort nach der Zersetzung das Metall abscheiden.
Die linearen Ausdehnungskoeffizienten vieler Metalle liegen bei 10 bis 20 - 10-s Grad-'; sie sind also deutlich größer als bei gebräuchlichen keramischen oder oxydischen Werkstoffen (Größenordnung 4 bis 10 - 10-0 Grad-1) oder Kohle (2 bis 5 - 10-s Grad-1). Bei einer derartigen Differenz treten aber bei thermischen Beanspruchungen, insbesondere beim Lötprozeß oder anderen schroffen Temperaturwechseln, Kräfte zwischen der Metallschicht und der Unterlage auf, die den Metallbelag z. B. abheben können. Diese Gefahr ist bei dickeren Metallschichten besonders groß.
Dieser unerwünschten Erscheinung kann dadurch abgeholfen werden, daß man erfindungsgemäß für die Zwischenschicht eine aus wenigstens zwei Elementen der Eisen-Nickel-Kobalt-Gruppe bestehende Legierung wählt, die durch Gasplattieren aus einem z. B. Carbonylgasgemi,sch solcher Zusammensetzung aufgebracht wird, daß sie wenigstens annähernd den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie die Unterlage besitzt. Für eine solche Anpassung an den Ausdehnungskoeffizienten der Unterlage bestehen gute Möglichkeiten besonders bei den Nickel-Eisen-Legierungen: Sie besitzen bei einem Nickelgehalt von 35 bis 37% einen besonders kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (etwa 0 bis 2 . 10-s Grad-1), können aber bei anderem Legierungsverhältnis auch höhere Ausdehnungskoeffizienten, z. B. die der reinen Metalle, erhalten.
Insofern bietet auch das sehr bekannte Verfahren, Platin in dünner Schicht auf nichtmetallische Werkstoffe durch Einbrennen aufzubringen, keine Lösung, weil die sich verankernden Teilchen hierbei relativ groß sind, so daß eine solche Schicht keine optimale Haftfestigkeit aufweisen kann. Außerdem kann auch, selbst unter Berücksichtigung der Tatsache, daß Platin an sich im Gegensatz zu anderen Metallen einen relativ niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, keine weitgehende Anpassung an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten einer beliebigen Unterlage erfolgen.
Zur Durchführung der Erfindung kann man Nickelcarbonyl und Eisenpentacarbonyl mischen und in solchen Konzentrationen thermisch zersetzen, daß auf der Unterlage fest haftende Schichten mit 10 bis 70% Nickel (vorzugsweise 30 bis 50% Nickel) entstehen, welche annähernd den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie die Unterlage besitzen.
Die Anlagen zur Herstellung der auf bestimmten Unterlagen fest haftenden Eisen-Nickel-Legierungen können grundsätzlich gleich denon sein, die in bekannter Weise für das Niederschlagen einer reinen Nickelschicht aus Nickelcarbonyl verwendet werden. Die mit der Metallschicht zu versehende Unterlage, beispielsweise das bekohlte Trägerrohr eines Schichtwiderstandes, wird in ein Reaktionsgefäß gebracht, wie es für die Metallisierung mit Nickel üblich ist. Die mit der Metallschicht zu versehenden Stücke oder einzelne Teile davon werden auf eine Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur von Nickelcarbonyl Ni(C0)4 bzw. Eisenpentacarbonyl Fe (CO)", das sind etwa 150 bis 300° C, erhitzt. Das Reaktionsgefäß wird mit dampfförmigem Nickelcarbonyl und Eisenpentacarbonyl in solchen Konzentrationen beschickt, wie es die Zusammensetzung der auf dem Werkstoff niederzuschlagenden Eisen-Nickel-Schicht erfordert. Die beiden gasförmigen Stoffe zersetzen sich, und die gewünschte Legierungsschicht schlägt sich dann fest haftend auf der erwärmten Oberfläche des Werkstoffes nieder. Wichtig für die Anwendung des beschriebenen Verfahrens ist der Umstand, daß die Zersetzungstemperaturen der Partner Nickelcarbonyl und Eisenpentacarbonyl einander ähnlich sind. Zur Ausbildung von gleichmäßigen Schichten leitet man vorteilhaft in das Reaktionsgefäß neben den Carbonylen noch ein oder mehrere Schutz- bzw. Trägergase, beispielsweise Hz, N2, CO, ein, wie man es in an sich bekannter Weise auch beim Niederschlagen von Nickelmetall aus Nickelcarbonyl verwendet. Die niedergeschlagenen Schichten aus Eisen und Nickel können dann noch thermisch nachbehandelt werden, um die Legierung zu homogenisieren.
Das beschriebene Verfahren kann vorteilhaft zum Lötbarmachen aller an sich nicht lötbaren Werkstoffe verwendet werden, sofern sie die zur Zersetzung der Metallcarbonyle notwendigen Temperaturen aushalten. Bei Erhitzung wird die gegenseitige mechanische Beanspruchung der Schicht und ihrer Unterlage sehr gering. Die Legierungsschicht haftet dadurch selbst innerhalb eines großen Temperaturbereiches sehr fest auf ihrer Unterlage. Damit können die Metallschichten auch genügend dick gemacht werden, ohne daß Gefahr besteht, daß sie sich von der Unterlage leicht lösen. Auch mehrfache Wärmebeanspruchung der Metallschichten, beispielsweise durch Löten, beeinträchtigt die Haftfestigkeit auf der Unterlage nicht. Bei wiederholtem Löten muß durch entsprechende Wahl des Lötmittels und/oder der Löttemperaturen darauf geachtet werden, daß sich die Zusammensetzung der Legierung durch Aufnahme von Lotbestandteilen nicht oder nur unwesentlich ändert.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Lötbarmachen von nichtmetallischen Werkstoffen, wie Porzellan, Glas und Kohle, wobei der zu lötende Werkstoff mit einer hafterhöhenden Zwischenschicht aus Metall der VIII. Gruppe des Periodischen Systems versehen wird, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zwischenschicht eine aus wenigstens zwei Elementen der Eisen-Nickel-Kobalt-Gruppe bestehende Legierung mit z. B. 10 bis 70°/a Nickel verwendet wird, die durch Gasplattieren aus z. B. einem Nickelcarbonyl- und Eisenpentacarbonyl-Gas-Gemisch solcher Zusammensetzung aufgebracht wird, daß sie wenigstens annähernd den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie die Unterlage besitzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Zusatz eines Verdünnungsgases, z. B. Wasserstoff, Stickstoff oder Kohlenmonoxyd, zu der Mischung der zu zersetzenden Metallverbindungen.
3: Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach Niederschlagen der Legierungsschicht von Nickel und Eisen auf isolierenden Unterlagen eine thermische Nachbehandlung der Metallschicht vorgenommen wird.
4. Kohlewiderstand, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Kohleschicht, insbesondere an den Enden des stabförmigen Widerstandskörpers eine vorzugsweise aus Nickel und Eisen bestehende Legierungsschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3 aufgebracht ist, deren Ausdehnungskoeffizient dem der Kohleschicht bzw. der Unterlage für die Kohleschicht etwa gleich ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Espe - K n o 11, Werkstoffkunde der Hochvakuumtechnik, 1936, S.353.