DE2352025A1 - Vakuumdichte metall-keramik-loetverbindung - Google Patents

Vakuumdichte metall-keramik-loetverbindung

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ceramic
powder
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vacuum
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BBC Brown Boveri France SA
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Description

Hw/Ca
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BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie. Baden (Schweiz)
Vakuumdichte .Metall-Ker.amik-Löt verbindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine vakuumdichte Metall-Keramik-Lötverbindung, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Bei der Herstellung vakuumdichter Metall-Keramik-Lötverbindungen wird üblicherweise die zu verlötende Oberfläche des Keramikteiles mit einer geeigneten, vorzugsweise eingebrannten Metallisierung, versehen, auf welche das Metallteil mittels Weich- oder Hartlot aufgelötet werden kann. Hartlote werden beispielsweise überall dort zur Anwendung kommen müssen, wo von der Verbindung eine hohe mechanische Festigkeit und thermische Belastbarkeit gefordert wird.
Bedingt durch die Tatsache, dass beispielsweise die verwendeten Metalle einen zur Keramik stark verschiedenen
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Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, ergeben sich bei dieser Verbindung Probleme, insbesondere hohe Wärmespannungen, die aus der Temperaturdifferenz zwischen Löttemperatur und einer bei Zimmertemperatur liegenden Anwendungstemperatur resultieren und zum Bruch der Lötstelle führen können.
Diese Probleme wurden bislang dadurch gelöst, dass Materialien mit möglichst gleichen Ausdehnungskoeffizienten für die zu verlötenden Metallpartner und der damit in Verbindung stehenden Keramikstelle gewählt wurden, sowie durch geeignete konstruktive Auslegungen der einzelnen Verbindungsstellen.
Weiterhin wurden Metall-Legierungen mit angepasstem Ausdehnungskoeffizient verwendet, sowie eine konstruktive Auslegung der Lotspalte, welche naturgemäss nur einen möglichst kleinen Durchmesser aufweisen durften. Neben einer zufriedenstellenden Benetzung der gesamten Lotstelle mit dem Lot durch Kapillarwirkung bewirken diese Massnahmen eine geringe mechanische Beanspruchung beim Auftreten von thermischen Ausdehnungen aufgrund der höheren Ausdehnungskoeffizienten des Hartlotes.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine vakuumdichte Metall-Keramik-Lötverbindung zu schaffen, bei welcher eine metallische
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Durchführung mit möglichst rechteckigem Querschnitt mit einer Keramikplatte verlötet werden soll und wobei das Material der Durchführung, vorzugsweise ein Federmaterial, durch höhere Temperaturen nicht verändert werden darf, da dann seine Eigenschaften irreversibel verändert würden. Gleichzeitig darf aber aus Festigkeitsgründen kein tiefschmelzendes Weichlot verwendet werden. Da die Durchführung in einer, zentrisch in einer Keramikplatte angeordneten Oeffnung mit dieser Platte verlötet werden soll, wobei die Lötung vakuumdicht sein muss, ist es erforderlich, eine vom'Bekannten abweichende Anordnung zu schaffen und ein neues Verfahren zur Herstellung derselben zu entwickeln.
Die vorgenannte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in einer keramischen DurchführungsÖffnung mit metallisierten Innenwänden zur Fixierung einer elektrischen und mechanischen Durchführung ein aus einem Metallpulver gebildeter, lötbarer und eine Oeffnung aufweisender Stopfen angeordnet ist.
Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass der lötbare Stopfen aus einem Material besteht, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient so gewählt wird, dass der Gesamtausdehnungskoeffizient des Stopfens mit dem Lot dem der Keramik in etwa gleich ist. Gleichzeitig kann für
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den Stopfen ein Material gewählt werden, welches vom zu verwendeten Lot benetzbar ist, oder durch eine entsprechende Behandlung, beispielsweise Metallisierung, benetzbar gemacht wird. Dazu wird als Keramikmasse ein Material verwendet, welches beispielsweise aus reinem Aluminiumoxyd, Magnesiumoxyd, Berylliumoxyd oder Zirkonoxyd, oder auch aus Legierungen der genannten Reinoxydkeramiken, bzw. aus einer Silikatkeramik besteht. Für den Stopfen verwendet man ein oberflächlich besser benetzbares, veredeltes Metallpulver, oder ein metallisiertes Keramikpulver, bei welchem als Metalle verwendet werden können Wolfram, Molybdän, Tantal, Chrom, sowie Legierungen aus Nickel-Eisen, Nickel-Chrom-Eisen, Nickel-Kobalt-Eisen und Molybdän-Kobalt-Eisen. Die Korngrössen dieser für den Stopfen verwendeten Pulver können zwischen 10 /u und 100 Ai liegen. Eine Oberflächenveredelung kann mittels galvanischer Auftragung von Gold, Silber, Nickel oder Kupfer in sehr kleiner Schichtdicke erfolgen.
Gemäss einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann der lötbare Stopfen aus einem veredelten Keramikpulver bestehen.
Dabei können.ebenfalls die vorgenannten Materialien verwendet werden, wodurch sich der Vorteil ergibt, dass
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entsprechend dem Material der keramischen Durchführungsöffnung das entsprechende Pulver, bzw. die PulVermischung für den die Oeffnung ausfüllenden Stopfen gewählt werden kann.
Gemäss einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist über dem lötbaren Stopfen ein als Lot dienendes Lotplättchen angeordnet j oder der Stopfen besteht aus einer Mischung aus Lotpulver und Keramikpulvers bzw. veredeltem Metallpulver»
Die zur Anwendung kommenden Lotplättchen bestehen aus einer niedrig schmelzenden Silberlegierung, oder aus Legierungen aus Cadmium-Zinkj wobei die Schmelzpunkte entsprechend der Lotwahl zwischen 300 und 700° C liegen..
Die Verwendung von Mischungen aus Lotpulver und Keramikpulver j bzw. aus Lotpulver und veredeltem Metallpulver für den Stopfen werden überall dort vorteilhafterweise angewendet werden, wo die Löttemperatur auf keinen Fall so hoch sein darf, dass die beispielsweise federnden Eigenschaften des Durchführungsmaterials verloren gehen dürfen. .
Das Verfahren zur Herstellung einer vakuumdichten
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Metall-Keramik-Lötverbindung ist weiterhin durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
a) Die Innenwände der keramischen Durchführungsöffnung werden durch Sintern metallisiert,
b) in die Durchführungsöffnung wird der für die Durchführung mit einer Oeffnung versehene, aus einem Metallpulver oder veredelten Keramikpulver bestehende, lötbare Stopfen eingesetzt,
c) die Durchführung wird in die im Stopfen vorgesehene Oeffnung eingeführt»
d) der Stopfen wird mit einem Lotplättchen abgedeckt,
und
e) die vorbehandelte Durchführungsöffnung wird auf Fliesstemperatur des Lotes erwärmt.
Gemäss einer weiteren Ausbildung kann anstelle der Abdeckung des Stopfens mit einem Lotplättchen als Lot ein Lotpulver verwendet werden, welches dem Material des
Stopfens beigemischt wird.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiels des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt.
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Es zeigt;
Figo 1 einen Querschnitt durch eine Keramikplatte mit Durchführungsoffnung und Durchführung9 sowie eine Draufsicht dieser Anordnung,
Fig. 2 einen Querschnitt durch dieselbe Keramikplatte mit eingebrachtem Stopfen und aufgelegtem Lotplättchen, und eine Draufsicht derselben,
Fig. 3 eine fertig verlötete vakuumdichte Lötverbindung,
Gemäss Fig. 1 ist mit 1 eine Keramikplatte bezeichnet, in welcher eine Durchführungsoffnung 2 angeordnet ist, deren Innenwände 3 mit einer Metallisierungsschicht ^ versehen sind. In der Durchführungsöffnung 2 ist eine Durchführung 5 mit beispielsweise rechteckigem Querschnitt angebracht.
In der Fig. 2 ist wiederum die Keramikplatte 1 mit der Durchführungsöffnung 2 dargestellt, wobei in die Durchführungsoffnung 2 ein Stopfen 6, welcher aus einem veredeltem Keramikpulver oder einem Metallpulver besteht, eingesetzt ist und welcher die Durchführung 5 eng umschliesst. Die Oberfläche des Stopfens 6 ist durch ein Lotplättchen 7 abgedeckt.
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Die Fig. 3 zeigt die fertig verlötete, vakuumdichte Lötverbindung , wobei der Stopfen 6 aus einer Mischung eines Keramikpulvers mit Lotpulver, oder einer Mischung aus veredeltem Metallpulver und Lotpulver besteht, so dass das Auflegen eines Lotplättchens 7 vor der Wärmebehandlung nicht erforderlich wird. Sowohl an der Metallisierungsschicht 4s als auch an der Durchführung 5 haben sich durch die Wärmebehandlung Lotkehlen 8 gebildet.
Das Verfahren zur Herstellung einer vakuumdichten Metall-Keramik-Lötverbindung sei anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert:
Die Innenwände 3 der in der Keramikplatte 1 angeordneten Durchführungsöffnung 2 werden in bekannter Weise, beispielsweise durch Sintern, metallisiert, so dass sich eine die Innenoberfläche der Durchführungsöffnung vollständig überdeckende Metallisierungsschicht 4 bildet, welche sich mit dem Lot verbinden kann. In die Durchführungsöffnung 2 wird der für die Aufnahme der elektrischen und mechanischen Durchführung 5 mit einer Oeffnung versehene Stopfen 6 eingesetzt, welcher aus einem Metallpulver, einem veredelten Keramikpulver, einer Mischung aus Lotpulver mit veredeltem Metallpulver, oder einer Mischung aus Lotpulver mit einem
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Keramikpulver besteht. Die Durchführung 5 wird in die vorgesehene Oeffnung des Stopfens 6 eingesetzt und, falls der Stopfen 6 nicht aus einer Mischung aus Lotpulver mit Metalloder Keramikpulver besteht, wird dieser mit einem Lotplättchen 7 abgedeckt. Nunmehr wird die so vorbehandelte Durchführungsöffnung auf Fliesstemperatur des Lotes erwärmt9 wobei sich das Material des Stopfens 6 mit dem Material des Lotplättchens 7 verbindet und gleichzeitig die Durchführung 5 sowie die Innenwände der Metallisierungsschicht k fest mit dem Stopfen 6 verlötet werden, so dass eine vakuumdichte Verbindung entsteht8 welche auch mechanischen Beanspruchungen standhält.
Bei der Verwendung von Mischungen aus Lotpulver und veredeltem Metallpulver, bzw» Lotpulver und Keramikpulver für den Stopfen 6 braucht kein besonderes Lotplättchen 7 vor der Wärmebehandlung auf den Stopfen 6 aufgelegt werden, da diese Materialien unter Wärmeeinwirkung eine innige Verbindung sowohl mit der Durchführung 5, als auch mit der Metallisierungsschicht H eingehen, und somit eine einwandfreie Lötstelle gewährleistet ist.
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Claims (7)

. P. .a .t .e n .t .a .n .s.'.p. r. .ii .c. h. e
1. Vakuumdichte Metall-Keramik-Lötverbindung, dadurch gekennzeichnet j dass in einer keramischen Durchfuhrungsöffnung (2) mit metallisierten Innenwänden (U) zur Fixierung einer elektrischen und mechanischen Durchführung (5) ein aus einem Metallpulver gebildeter, lötbarer und eine Oeffnung aufweisender Stopfen (6) angeordnet ist.
2. Vakuumdichte Lötverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der lötbare Stopfen (6) aus einem veredelten Keramikpulver besteht.
3. Vakuumdichte Lötverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über dem Stopfen (6) ein als Lot dienendes Lotplättchen (7) angeordnet ist.
. Vakuumdichte Lötverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen (6) aus einer Mischung aus Lotpulver und Keramikpulver besteht.
5. Vakuumdichte Lötverbindung nach Anspruch 1, dadurch ge-
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kennzeichnetj dass der Stopfen (6) aus einer Mischung aus Lotpulver und veredeltem Metallpulver besteht.
6. Verfahren zur Herstellung einer vakuumdiehten Metall-Keramik- Lötverbindung nach Anspruch ls gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
a) Die Innenwände (3) der keramischen Durchführungsöffnung (2) werden durch Sintern metallisiert9
b) in die DurchführungsÖffnung (2) wird der für die Durchführung (5) mit einer Oeffnung versehene, aus einem Metallpulver oder veredelten Keramikpulver bestehende, lötbare Stopfen (6) eingesetzt,
• c) die Durchführung (5) wird in die im Stopfen (6) vorgesehene Oeffnung eingeführt,
d) der Stopfen (6) wird mit einem Lotplättchen (7) abgedeckt, und
e) die vorbehandelte Durchführungsöffnung (2) wird auf Fliesstemperatur des Lotes erwärmt.
7. Verfahren nach Anspruch 69 dadurch gekennzeichnet, dass
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als Lot ein Lotpulver verwendet wird, welches dem Material des Stopfens (6) beigemischt wird.
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.
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