DE2508224A1 - Verbessertes verfahren zum verbinden von metall mit keramik - Google Patents

Verbessertes verfahren zum verbinden von metall mit keramik

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Description

Verbessertes Verfahren zum Verbinden von Metall mit Keramik
Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Verbinden eines Metalles mit einer Keramik unter Benutzung einer eutektischen Schmelze des Metalles.
In der US-PS 3 766 634 ist ein solches Verfahren beschrieben, bei dem ein Metall und eine Keramik in einer reaktionsfähigen Atmosphäre erhitzt werden, damit man eine eutektische Schmelze des Metalles erhält, die nach dem Abkühlen eine haltbare Bindung zwischen dem Metall und der Keramik bildet.
Obwohl man mit dem beschriebenen Verfahren eine feste Bindung zwischen dem Metall und der Keramik erhält, ist dieses Verfahren
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schwierig selektiv auszuführen, d. h. daß nur Teile des Metalles verbunden werden. Eine solche selektive Verbindung würde die Vielseitigkeit des Verfahrens zum Verbinden vergrößern. Und obwohl das obige Verfahren eine gute Ausbeute ergibt, ist die weitere Verbesserung der Ausbeute erwünscht. Gleichzeitig- soll die Einfachheit, mit der die Verbindung hergestellt wird, beibehalten werden.
Es ist daher in Anbetracht des Vorstehenden eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Verbinden von Metall mit Keramik zu schaffen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das zu verbindende Metall in einer reaktionsfähigen Atmosphäre zur Bildung einer Beschichtung auf dem Metall erhitzt, wooei beim nachfolgenden Erhitzen mit der Keramik die Beschichtung und das Metall das Eutektikum bilden. Die Beschichtung wird dann je nach Wunsch selektiv entfernt oder mit einem Muster versehen. Das Metall wird dann leicht gebogen und mit der Keramik in Berührung gebracht, wobei die Beschichtung zwischen Keramik und Metall liegt und so in einer zwar reaktionsfähigen, aber weniger reaktionsfähigen als der erstgenannten Atmosphäre erhitzt. Das zweite Erhitzen erfolgt bis zur Schmelztemperatur des Eutektikums aus Metall und Beschichtung, d. h. bis leicht unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls. Das Eutektikum benetzt die Keramik und bildet nach dem Abkühlen eine haltbare Bindung zwischen der Keramik und dem Metall.
In der ooengenannten US-PS sind verschiedene Beispiele geeigneter Metalle, reaktionsfähiger Atmosphären und Substrate gegeben, die auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung brauchbar sind. Die vorliegende Erfindung wird besonders für Kupfer? eine sauerstoffhaltige Atmosphäre und Aluminiumoxyd beschrieben, doch soll dies die vorliegende Erfindung nicht auf die genannten Stoffe beschränken.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
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Figur 1 ein Fließdiagramm der Stufen des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Figuren 2a bis 2f die in jeder Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen Strukturen.
Das verbesserte Verfahren nach der vorliegenden Erfindung zur Herstellung von Bindungen zwischen einem Metallstück und einem Keramiksubstrat kann am besten durch gemeinsame Betrachtung der Figuren 1 und 2a bis 2f verstanden werden, bei dem zuerst einer Kupferplatte 21 je nach der beabsichtigten Anwendung eine gewünschte Gestalt gegeben wird. Es mag für einige Anwendungen erwünscht sein, die Gestaltung des Kupfers nach dem Verbinden mit der Keramik vorzunehmen. So kann z. B. das gewünschte Muster für Halulexteranwendungen zu einem metalliscnen Teil führen, das für eine einfache Handhabung zu zerbrechlich ist. Führt die Formgebung bei dem Metall nicht zu einem zu zerbrechlichen Teil, dann kann sie als erste Stufe ausgeführt werden.
Die Kupferfolie 21 wird oberflächenbehandelt, um eine Schicht zu erzeugen, mit der Kupfer ein Eutektikum bildet. Beispielsweise wird die Folie 21 in einer geeigneten Heizkammer oder einem Schmelzofen angeordnet, der eine säuerstoffnaltige Atmosphäre bei einer erhöhten Temperatur enthält, die zur Bildung einer Oxydschicht auf der Oberfläche des Kupfers führt. Es ist zu bemerken, daß die Oxydation der Kupferfolie 21 nicht bei einer so hohen Temperatur ausgeführt wird, daß eine eutektische Schmelze aus Kupfer und Kupferoxyd entsteht. Wie aus Figur 2b erslcntlich, kann sich das Oxyd auf einer oder beiden Seiten der Kupferfolie 21 bilden, je nachdem, wie die Folie 21 in dem Schmelzofen gehalten ist, d. h. ob die reaktionsfähige Atmosphäre Zutritt zu beiden Seiten der Kupferfolie hat oder nicht.
Ein Teil der Oxydschieht 22 kann von ausgewählten Bereichen entfernt werden, um eine gemusterte Oxydschieht 22' zu bilden. Durch
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Benutzen einer gemusterten Oxydschicht kann man selektiv die Bereiche kontrollieren, an denen die Bindung zwischen dem Kupfer und dem Keramiksubstrat stattfinden wird.
Die Kupferfolie 21 wird dann auf einem Dorn oder einem anderen geeigneten Gerät gebogen, so daß sich die gemusterte Oxydschicht 22' auf der konvexen Oberfläche befindet. Der Grad der Biegung ist nicht kritisch und hängt zum Teil von der Stabilität des erhaltenen Artikels ab, d. h. davon, ob der Artikel auf einem Substrat an Ort und Stelle verbleibt oder nicht, und er hängt zum Teil auch von der Größe der Schmelzofenöffnung ab, durch die die Teile hindurchgehen müssen. Es kann sowohl die gesamte Folie 21 gebogen werden oder nur die oxydierten Teile der Folie, wie in den Figuren 2b und 2e dargestellt.
Die Kupferfolie 21 wird dann in die gewünschte Lage auf dem Keramiksubstrat 24 aufgebracht und das Ganze in einem geeigneten Schmelzofen angeordnet und auf eine Temperatur oberhalb der eutektischen Temperatur aus Kupfer und Kupferoxyd erhitzt, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes des Kupfers, d. h. zwischen 1065 und 1O83°C. Wie in Figur 2 ersichtlich, befindet sich die gebogene Kupferfolie 21 am Anfang des Erhitzens auf einer Temperatur oberhalb der eutektischen Temperatur nur auf einer relativ kleinen Fläche in Berührung mit dem Substrat 24. Mit zunehmender Temperatur der Folie 21 wird diese duktiler und erweicht, so daß sich die Kupferfolie 21 während des Erhitzens entrollt und dem keramischen Substrat 24 in einer solchen Weise anpaßt, daß die Bildung irgendwelcher möglicher Hohlräume und Blasen in dem Eutektikum im wesentlichen verringert wird. Das so gebildete Eutektikum stellt einen innigen Kontakt zwischen der Kupferfolie 21 und dem Substrat 24 her, was nach dem Abkühlen zur Bildung der Bindung 25 nur in den gewünschten Bereichen und dies im wesentlichen frei von irgendwelchen Fehlern führt. Die Atmosphäre für das zweite Erhitzen umfaßt die gleichen wesentlichen Bestandteile wie für das erste Erhitzen, doch müssen sie nicht in den gleichen Anteilen vorhanden sein, d. h. die Atmosphäre beim zweiten Er-
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hitzen ist zwar reaktionsfähig, aber nicht so reaktionsfähig wie beim ersten Erhitzen. Die Atmoshäre beim zweiten Erhitzen soll nicht das Kupfer oxydieren, sondern sicherstellen, daß das oxydierte Kupfer nicht reduziert wird. Eine Konzentration des reaktionsfähigen Gases im Bereich von 0,01 bis 0,5 Vol.-? ist geeignet beim Erhitzen.
Als besonderes Beispiel der vorliegenden Erfindung wird eine etwa 2,5 x 2,5 cm (entsprechend 1x1 Zoll) große und etwa 0,125 mm (entsprechend 5/1000 Zoll) dicke Kupferfolie bei einer Temperatur von IO5O C durch einen Förder-Schmelzofen geführt, der eine reaktionsfähige Atmosphäre enthält, die etwa 0,4 Vol.-? Sauerstoff in Stickstoff umfaßt, damit eine Oxydschicht gebildet wird. Die Folie wird dann auf einem Zylinder mit etwa 5 cm (entsprechend 2 Zoll) Durchmesser gebogen, wobei die Oxydseite nach außen zeigt, so daß die oxydierte Oberfläche konvex ist. Die Folie, mit dem Oxyd nach außen, wird auf einem Aluminiumoxyd-Substrat angeordnet und nochmals durch den Förder-Schmelzofen bei etwa 10780C geführt, um eine eutektische Schmelze aus dem Kupfer und dem Kupferoxyd zu bilden und das Verbinden abzuschließen. Die Sauerstoffkonzentration beim eutektischen Erhitzen wurde auf 0,3 Vol.-? vermindert. Die Gesamtzeit in dem Förder-Schmelzofen einschließlich Erwärmen und Abkühlen betrug etwa 10 Minuten.
Das Verfahren zum Verbinden nach der vorliegenden Erfindung erhöht somit die Ausbeute an verbundenen Elementen, indem es die Zahl der Hohlräume und Blasen, die in den zu verbindenden Bereichen gebildet werden, verringert. Weiter führt das Umsetzen des Metalles vor der Stufe des eutektischen Schmelzens zu einer Schicht, die dann in geeigneter Weise geformt werden kann, um die Bereiche zu kontrollieren, in denen das Verbinden stattfindet. Außerdem stellt die Umsetzung des Metalles in der reaktionsfähigen Atmosphäre vor dem Bilden des Eutektikums sicher, daß sich für das Eutektikum eine angemessene Oxydschicht bildet. Würde z.B. die Kupferfolie 21 einfach über dem Substrat 2k liegen, dann müßte die reaktionsfähige Atmosphäre zwischen beide Teile ein-
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dringen, um die eutektische Bindung zu bilden. Indem man zuerst die Kupferoberfläche behandelt, wird dieses Erfordernis beseitigt. Weiter kann die Kupferfolie 21 dünner sein als früher benutzt, da der größte Teil der Bildung des Eutektikums an der Grenzfläche zwischen Folie 21 und Substrat 24 stattfindet und nicht an der oberen Oberfläche der Folie 21.
Wie in den Figuren 2e und 2f gezeigt, ragt die Kupferfolie 21 über das Substrat 2k hinaus, und dieser Teil kann z. B. eine Elektrode bilden. Bei der Bearbeitung kann diese Elektrode in einer Einspannvorrichtung abgestützt werden, die eine Bornitridoder Kohlenstoff-Beschichtung trägt, mit der sich das Eutektikum, wenn ein solches vorhanden ist, nicht verbindet. Die Elektroden werden so während der Fabrikation gerade—gehalten. Jene Teile der Folie 21, die nicht oxydiert sind, aber auf dem Substrat 2k liegen, werden durch das Substrat abgestützt, jedoch nicht damit verbunden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können selbstverständlich verschiedene Abänderungen vorgenommen werden. So können außer dem beschriebenen Kupfer/Kupferoxyd-Eutektikum verschiedene Kombinationen von Metallteilen und reaktionsfähigen Atmosphären eingesetzt werden, wie sie z. B. in der obengenannten US-PS 3 766 634 beschrieben sind. Auch kann nicht nur ein Förder-Schmelzofen, sondern irgendein geeigneter Schmelzofen verwendet werden. Schließlich können auch andere Verfahren zum Bilden einer Schicht auf dem Metall angewendet werden, z. B. anodische oder chemische Umsetzung.
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Claims (8)

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verbinden eines Metallstückes mit einem Keramiksubstrat, gekennzeichnet durch folgende Stufen:
Erhitzen des Metallstückes (21) bis zu einer Temperatur unterhalb der eutektischen Temperatur des Metalles in einer reaktionsfähigen Atmosphäre zur Bildung einer Schicht (22) aus umgesetztem Metall auf dem Stück,
.siegen des Stückes (21), so daß sich die genannte Schicht (22) auf der konvexen Oberfläche des Stückes (21) befindet, In-iierührung-bringen des Stückes (21) mit der Keramik (24), Erhitzen des Stückes (21) und der Keramik (24) bis zu einer Temperatur oberhalb der eutektischen Temperatur des Metalles und der genannten Schicht, jedoch unterhalb der Schmelztemperatur des Metalles, wobei sich das Metall durch Erweichen der Oberfläche des Substrates anpaßt und das Eutektikum die ßerünrungsflache zwischen dem Stück (21) und dem Substrat (24) benetzt, und Abkühlen von Stück (21) und Substrat (24), um sie miteinander zu verbinden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Metallstück (21) Kupfer ist und die reaktionsfähige Atmosphäre Sauerstoff enthält.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die reaktionsfähige Atmosphäre aus etwa 0,01 bis 0,5 Vol.-55 Sauerstoff und als Rest Stickstoff besteht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche l-3s dadurch gekennzeichnet, daß die gebildete Schicht (22) von ausgewählten Bereichen des Metallstückes (21) entfernt wird, bevor man dieses biegt.
5 0 S ö ά ο /
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet , daß man das Metallstück in eine bestimmte Gestalt bringt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennze'ichnet , daß das Metallstück und das Substrat in einer reaktionsfähigen Atmosphäre erhitzt werden, die weniger reaktionsfähig ist, als die für das Metallstück allein benutzte.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet , daß das Metallstück in einer Atmosphäre erhitzt wird, die 0,4 Vol.-SS Sauerstoff enthält, und daß das Stück und das Substrat in einer Atmosphäre erhitzt werden, die 0,3 Vol.-# Sauerstoff enthält.
8. Verfahren zum Verbinden eines Metallstückes mit einem Keramiksubstrat, gekennzeichnet durch folgende Stufen:
Behandeln mindestens einer Oberfläche des Metallstückes (21) mit einem Oxyd des Metalles,
Biegen des Metallstückes (21),
Zusammenlegen des Metallstückes (21) und des Keramiksubstrates (24), so daß die behandelte Oberfläche sich in Berührung mit dem Substrat befindet,
Erhitzen der Einheit bis zu einer Temperatur oberhalb der eutektischen Temperatur von Metall und Metalloxyd und unterhalb des Schmelzpunktes des Metalles, um das Keramiksubstrat mit dem Eutektikum zu benetzen, und
Abkühlen der Einheit, um das Metallstück (21) mit dem Substrat (24) zu verbinden.
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