DE1204501B

DE1204501B - Process for connecting graphite objects to one another or to objects made of other materials by soldering

Info

Publication number: DE1204501B
Application number: DEN22014A
Authority: DE
Inventors: Wilhelmus Francisc Knippenberg; Albert Huizing
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1961-08-29
Filing date: 1962-08-27
Publication date: 1965-11-04

Description

Verfahren zum Verbinden von Graphit gegenständen miteinander oder mit Gegenständen aus anderen Werkstoffen durch Löten Die Erfindung betrifft das Verbinden von Graphitgegenständen miteinander oder mit Gegenständen aus anderen Werkstoffen durch Löten.Method for connecting graphite objects to one another or with objects made of other materials by soldering. The invention relates to this Joining graphite objects with each other or with objects from others Materials by soldering.

Unter »Graphit« wird im nachfolgenden nicht nur in der Graphitform kristallisierter Kohlenstoff, sondern auch Material verstanden, das teilweise aus nicht kristallisiertem Kohlenstoff besteht, wie es z. B. bei Handelsprodukten der Fall sein kann, die mit »Elektrographit« bezeichnet werden.In the following, “graphite” is not only used in graphite form crystallized carbon, but also understood material that partially consists of consists of non-crystallized carbon, as z. B. for commercial products Case that are referred to as "electrographite".

Für manche Anwendungen kommen die mit Hilfe eines Leims auf der Basis organischer Stoffe erzielten Verbindungen von Graphitgegenständen nicht in Frage, da solche Verbindungen nur gegen niedrigere Temperaturen beständig sind. Da zur Zeit gas- und flüssigkeitsdichte Graphitarten verfügbar sind, ist die Erzielung dichter Verbindungen erwünscht. Mechanische Verbindungen, z. B. Schrauben- oder Klemmverbindungen, sind in diesem Falle nicht brauchbar.For some applications they come with the help of a glue on the base compounds of graphite objects obtained from organic substances are out of the question, since such connections are only resistant to lower temperatures. There for Time gas- and liquid-tight graphite types are available, is the achievement closer connections are desirable. Mechanical connections, e.g. B. screw or Clamp connections cannot be used in this case.

Weiterhin ist es bekannt, daß Verbindungen zwischen Graphit und bestimmten Metallen mit Hilfe eines geschmolzenen Metalls hergestellt werden können. Solche Verbindungen weisen im allgemeinen die obenerwähnten Nachteile nicht oder m geringerem Maße auf.It is also known that compounds between graphite and certain Metals can be made with the help of a molten metal. Such Compounds generally do not have the abovementioned disadvantages, or have them to a lesser extent Dimensions on.

So ist es bekannt, daß solche Verbindungen mit Hilfe von Indium oder einer Indiumlegierung erzielt werden können. Weiterhin ist es z. B. bekannt, daß Graphitkörper sich mit Aluminium mit Hilfe von Zinn verbinden lassen. Diese Verbindungen haben aber den Nachteil, daß Indium, Indiumlegierungen und Zinn einen niedrigen Schmelzpunkt aufweisen.It is known that such compounds with the help of indium or an indium alloy can be achieved. Furthermore, it is z. B. known that Graphite bodies can be connected to aluminum with the help of tin. These connections but have the disadvantage that indium, indium alloys and tin have a low Have melting point.

Bekannt ist auch die Verwendung höher schmelzender Metalle oder Legierungen, z. B. von Lot auf der Basis eines oder mehrerer der Metalle Kupfer, Silber und Gold zum Verbinden von Gegenständen aus Graphit mit Gegenständen, die völlig oder wenigstens an einer Oberfläche aus Titan, Zirkonium oder deren Legierungen bestehen. Zwar ergibt sich auf diese Weise eine verhältnismäßig hochschmelzende Verbindung, aber die Anwendung beschränkt sich auf Verbindungen von Graphit mit den Metallen Titan und Zirkonium.The use of higher melting metals or alloys is also known, z. B. of solder based on one or more of the metals copper, silver and gold for connecting objects made of graphite with objects that are completely or at least consist of titanium, zirconium or their alloys on one surface. Although it results In this way a relatively high melting point connection, but the application limited to compounds of graphite with the metals titanium and zirconium.

Schließlich ist es noch bekannt, Verbindungen von Graphit mit Metallen mit Hilfe von Oxyden herzustellen. So kann z. B. eine Verbindung zwischen Eisen und Graphit durch Erhitzung in einer oxydierenden Atmosphäre erzielt werden, wobei entstandenes Eisenoxyd die Verbindung herstellt. Die mechanische Festigkeit einer solchen Verbindung ist verhältnismäßig gering.Finally, it is also known, compounds of graphite with metals with the help of oxides. So z. B. a connection between iron and graphite can be obtained by heating in an oxidizing atmosphere, wherein formed iron oxide establishes the connection. The mechanical strength of a such connection is relatively small.

Die Erfindung bezweckt, die erwähnten Nachteile zu vermeiden. Nach der Erfindung werden Graphitgegenstände miteinander oder mit Gegenständen aus anderen Werkstoffen durch Löten mit einer an sich bekannten Goldlegierung mit einem Gehalt an Tantal und/oder Niob von wenigstens 1% und einem Höchstgehalt von 25,% Tantal bzw. 10 % Niob, Rest Gold im Vakuum oder in einer Edelgasatmosphäre verbunden.The invention aims to avoid the disadvantages mentioned. To of the invention are graphite objects with each other or with objects from others Materials by soldering with a gold alloy known per se with a content of tantalum and / or niobium of at least 1% and a maximum content of 25.% tantalum or 10% niobium, the remainder gold in a vacuum or in a noble gas atmosphere.

Legierungen mit einem niedrigeren Gehalt an Tantal und/oder Niob als 1% ergeben eine unzulängliche Benetzung der zu verbindenden Oberflächen.Alloys with a lower content of tantalum and / or niobium than 1% results in insufficient wetting of the surfaces to be connected.

Die Anwendung eines Tantalgehaltes über etwa 250/0 oder eines Niobgehaltes über etwa 100/0 bringt den Nachteil mit sich, daß die Legierungen einen zu hohen Schmelzpunkt für eine leichte Verarbeitung haben oder spröde sind: Die Legierungen mit einem Tantalgehalt bis 25% und solche mit einem Niobgehalt bis 10 °/o haben einen Schmelzpunkt unter 1300° C und sind duktil. Die Legierungen können dadurch leicht in die Form von Draht oder Folie gebracht werden, was beim Löten vorteilhaft sein kann.The use of a tantalum content above about 250/0 or a niobium content over about 100/0 has the disadvantage that the alloys have too high a Have a melting point for easy processing or are brittle: The alloys with a tantalum content of up to 25% and those with a niobium content of up to 10% have a melting point below 1300 ° C and are ductile. The alloys can thereby can easily be made into the shape of wire or foil, which is advantageous when soldering can be.

Sehr günstige Ergebnisse werden mit Legierungen aus 5 bis 10 % Tautal, Rest Gold und mit Legierungen aus 1 bis 5 0!o Niob;- Rest Gold erzielt.Very favorable results are achieved with alloys made from 5 to 10% Tautal, Remainder gold and with alloys from 1 to 50! O niobium; - remainder gold obtained.

Die Legierungen des Goldes mit Tantal und/oder Niob benetzen beim Löten Oberflächen von Graphitgegenständen besonders gut. Außerdem werden die verschiedenartigsten anderen Materialien, wie Quarz, Keramik und Metalle, insbesondere Molybdän und Wolfram, gut benetzt.The alloys of gold with tantalum and / or niobium wet the Solder surfaces of graphite objects particularly well. In addition, the most diverse other materials such as quartz, ceramics and metals, especially molybdenum and tungsten, well wetted.

In allen diesen Fällen ergibt sich eine besonders gut haftende Verbindung, die für Temperaturschwan-Lungen vienig oder nicht empfindlich ist. Dies hänöf möglicherweise mit der besonderen Duktilität der betreffenden Legierungen zusammen, wodurch Spannungen infolge abweichender Ausdehnungskoeffizienten der zu verbindenden Materialien und der Legierung leicht ausgeglichen werden können.In all of these cases, the result is a particularly well-adhering connection, which is little or not sensitive to temperature fluctuations lungs. This could possibly be together with the particular ductility of the alloys in question, creating stresses due to different expansion coefficients of the materials to be connected and the alloy can be easily compensated for.

In der vorveröffentlichten deutschen Auslegeschrift 1105 067 des Erfinders werden zwar bereits Goldlegierungen mit hochschmelzendenübergangselementen, insbesondere Legierungen aus Gold und Tantal und/oder Niob zum Verbinden von Teilen aus Siliziumkarbid untereinander oder mit anderen Stoffen empfohlen, es ist jedoch für die Verwendung dieser Legierungen eine ganz andere Aufgabenstellung maßgebend. Nach dieser Auslegeschrift-wesden vielmehr die in Frage stehenden Legierungen wegen des Donatorcharakters der Übergangselemente für die Herstellung von gleichrichtenden Kontakten auf p-leitenden Halbleiterkörpern aus Siliziumkarbid verwendet. Dabei kann der Donatorcharakter der Legierungen nötigenfalls durch Zusatz von Akzeptoren, wie Aluminium, geschwächt oder kompensiert werden.In the previously published German explanatory document 1105 067 of the inventor Gold alloys with high-melting transition elements, in particular, are already being used Alloys made of gold and tantalum and / or niobium for joining parts made of silicon carbide with each other or with other substances, however, it is recommended for use these alloys have a completely different task. According to this Auslegeschrift-wesden rather, the alloys in question because of the donor character of the transition elements for the production of rectifying contacts on p-conducting semiconductor bodies made of silicon carbide. The donor character of the alloys can be used if necessary can be weakened or compensated by adding acceptors such as aluminum.

Es ist sogar eine Überkompensation möglich, so daß auch ohmsche Kontakte auf p-leitendem Siliziumkarbid bzw. gleichrichtende Kontakte auf n-leitendem Siliziumkarbid erhalten werden können.Overcompensation is even possible, so that ohmic contacts are also possible on p-conducting silicon carbide or rectifying contacts on n-conducting silicon carbide can be obtained.

In dieser vorveröffentlichten Auslegeschrift sind es also in erster Linie die elektrischen Eigenschaften, die für die Verwendung der Goldlegierung ausschlaggebend sind.In this pre-published interpretative document, it is the first Line the electrical properties that are decisive for the use of the gold alloy are.

Eine völlig andere Aufgabe liegt jedoch der vorliegenden Erfindung zugrunde, bei der eine mechanisch besonders gut haftende und gegenüber Temperaturschwankungen wenig oder nicht empfindliche Verbindung von Graphitgegenständen untereinander oder mit anderen Materialien hergestellt werden soll. Der vorgenannten Auslegeschrift ist zwar auch zu entnehmen, daß die darin beschriebenen Legierungen eine gut haftende mechanische Verbindung auf Siliziumkarbid ergeben, es kann jedoch aus dieser Offenbarung nicht gefolgert werden, daß die gleichen Legierungen auch Gegenstände aus dem, völlig andere physikalische und chemische Eigenschaften, aufweisenden Graphit in der in der Erfindung geschilderten vorteilhaften Weise verbinden.However, the present invention has a completely different object based on which a mechanically particularly good adhesive and against temperature fluctuations little or no sensitive connection between graphite objects or to be made with other materials. The aforementioned interpretative document it can also be seen that the alloys described therein have good adhesion mechanical connection on silicon carbide, however, it can be derived from this disclosure it cannot be inferred that the same alloys are also objects of the, entirely graphite exhibiting other physical and chemical properties in the in the invention described advantageous way connect.

Es bestand weiterhin aber auch kein Anlaß,. zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe versuchshalber auf die bekannten Legierungen zurückzugreifen,. da einmal bei dieser vorgenannten Auslegeschrift die elektrischen Eigenschaften im Vordergrund standen. und nur am Rande von .den Hafteigenschaften bei Siliziumkarbid die Rede ist, zum anderen aber auch die allgemein bekannten grundsätzlichen Unterschiede der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Graphit (reinem Kohlenstoff) und Verbindungen mit chemisch gebundenem Kohlenstoff keine Analogieschlüsse. nahelegten.But there was still no reason to. to solve the invention Task to fall back on the known alloys for the sake of experimentation. there once in this aforementioned interpretation, the focus is on the electrical properties stood. and only on the edge of the adhesive properties of silicon carbide is, on the other hand, the generally known fundamental differences the physical and chemical properties of graphite (pure carbon) and compounds with chemically bound carbon do not draw any conclusions by analogy. suggested.

_ geispel 1 Zwei Graphitröhren mit einem inneren Durchmesser von 8 mm: und einem äußeren Durchmesser von 10Inm werden mit Hilfe einer Legierung aus 95 "/o Gold und 5 % Tantal verlötet. Dazu wird zwischen den Enden der Rohre ein ringförmiges Drahtstückchen der Legierung in der Stärke von 200 Mikron angebracht. Anschließend wird das Lot im Vakuum durch Hochfrequenzerhitzung auf etwa 1300° C zum Schmelzen gebracht. Beispiel-2 Ein Graphitstab mit einem Durchmesser von 6 mm wird an einem Ende mit Hilfe einer Legierung aus 97,% Gold und 3 % Niob auf eine- Wolframplatte gelötet.' Das Lot wird in Form einer kreisförmigen Folie mit einem Durchmesser von 10 nnm und einer Stärke von 150 Mikronzwischen dem Stab und der Platte angebracht. . Anschließend erfolgt eine Erhitzung auf etwa-1300° C in einer Argonatmosphäre. Beispiel 3 Ein Graphitrohr und ein aus Aluminiumoxyd bestehendes Keramikrohr mit den Abmessungen wie im Beispiel 1 angegeben, werden mit Hilfe einer Legierung aus 97 % Gold und 3 "/o Tantal miteinander verbunden. Die Rohre werden dazu an einem Ende derart konisch abgeschliffen, daß sie über eine Länge von einigen -Millimetern ineinander , passen. Ein Folienstreifen in der Stärke -von 150Mikron der erwähnten Legierung wird, zwischen den Enden der Röhre angebracht, - worauf im Vakuum auf etwa 1300° C erhitzt wird.._ geispel 1 Two graphite tubes with an inner diameter of 8 mm: and an outer diameter of 10 inches are soldered with the aid of an alloy of 95% gold and 5% tantalum Thickness of 200 microns is applied. Then the solder is brought to melt in a vacuum by high frequency heating to about 1300 ° C. Example-2 A graphite rod with a diameter of 6 mm is attached to one end with the help of an alloy of 97% gold and 3% Niobium soldered to a tungsten plate. ' The solder is applied in the form of a circular foil with a diameter of 10 nm and a thickness of 150 microns between the rod and the plate. This is followed by heating to about -1300 ° C. in an argon atmosphere Existing ceramic tube with the dimensions as given in Example 1 are connected to one another with the aid of an alloy of 97% gold and 3 "/ o tantalum. The tubes are ground conically at one end so that they fit into one another over a length of a few millimeters. A film strip in the thickness - of 150Mikron of said alloy is placed between the ends of the tube, - followed by heating in vacuum to about 1300 ° C ..

Claims

Claims: 1. Method for connecting graphite objects with each other or with objects made of other materials by soldering, d u r c h g e k e n n z e: c h n e t, _ that with a known gold alloy with a content of tantalum and / or niobium of at least 1II% and a maximum content of 25% tantalum or 10% niobium, the remainder gold in a vacuum or in a noble gas atmosphere is soldered.

2. The method according to claim 1, characterized in that with a Alloy from 5 to 100/9 tantalum, the remainder gold is soldered.

3, method according to claim 1, characterized in that with an alloy of 1 to 5% niobium, remainder gold is soldered. Documents considered: German Auslegeschrift No. 1105 067.