DE3925346A1 - Verfahren zum hartloeten von gegenstaenden, die aluminium enthalten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Hartlöten von Gegenständen, die Aluminium enthalten. Diese Gegenstände können Aluminium enthalten oder es kann eine Legierung sein, die Aluminium als Hauptbestandteil enthält. Das Lötmaterial enthält eine Legierung, die Aluminium enthält und es hat eine Schmelztemperatur, die niedriger ist als die Schmelztemperatur des oder der Materialien der hartzulötenden Gegenstände.

Das Hartlöten von Gegenständen, die Aluminium enthalten, ist schwierig, weil die Gegenstände und die Lötlegierung unvermeidlich eine Aluminiumoxyd- Oberflächenschicht haben, die beseitigt werden muß, ehe eine zufrieden­ stellende Hartlötung erfolgen kann. Eine solche Oxydschicht bildet sich schnell auf der Oberfläche eines Aluminium enthaltenden Gegenstandes in z. B. Luft bei Umgebungstemperatur. Die Aluminiumoxydschichten sind außerdem chemisch sehr stabil und nicht leicht zu entfernen. Es ist daher wesentlich, daß die Oxydschichten vor dem Löten beseitigt werden, damit das Lötmaterial, wenn es schmilzt die Oberflächen der zu verlötenden Artikel benetzen kann.

Es ist möglich die Oberflächenoxydschichten auf Körpern, die Aluminium ent­ halten, zu entfernen, wobei die Körper, welche die zu lötenden Gegenstände darstellen und auch das Lötmaterial einer chemischen Behandlung der Oberflächen ausgesetzt werden. Gewöhnlich bilden sich jedoch die Oberflächenoxydschichten sehr schnell neu vor oder während des Lötvorganges selbst wenn das Löten in Hochvakuum oder in einer inerten Atmosphäre vorgenommen wird. Dies deshalb, weil unvermeidlich die Oberflächen der Gegenstände und die Oberflächen des Lötmaterials in Kontakt mit Sauerstoff gelangen. Möglicherweise wird dieser Sauerstoff in unkontrollierter Weise in der Kammer freigesetzt, in der das Hochvakuum oder die inerte Atmosphäre vorgesehen ist. Es ist daher nicht üblich, Aluminium enthaltende Gegenstände in einem Hochvakuum oder in einer inerten Atmosphäre hartzulöten.

Ein üblicher Weg zur Beseitigung der Oberflächenoxydschichten auf Körpern, die Aluminium enthalten und die gelötet werden sollen sowie von Lötlegierungen be­ steht darin, diese Teile in einem geschmolzenen Salzbad zu erhitzen, welches einen Bestandteil enthält, der die Oberflächenoxydschichten entfernt, ohne je­ doch die Materialien dieser Körper oder Teile anzugreifen. Damit können in dem schmelzflüssigen Salzbad saubere nicht oxydierte Oberflächen erhalten werden und eine saubere nicht oxydierte Lötlegierung ist in der Lage, diese Oberflächen der Gegenstände zu benetzen, so daß diese zufriedenstellend darin gelötet werden können. Wenn jedoch die gelöteten Gegenstände aus dem schmelzflüssigen Salzbad herausgenommen werden, ist es notwendig, das an den Gegenständen an­ haftende Salz zu entfernen, da sonst eine unerwünschte Korrosion auftritt. Bei bestimmten Formen, beispielsweise, wenn die Gegenstände eine Hohlform haben, ist es schwierig, wenn nicht unmöglich, sämtliches Salz zu entfernen.

Aus der Britischen Patentschrift Nr. 8 25 317 ist es bekannt, Gegenstände, die Aluminium enthalten, weichzulöten durch Reinigen der Oberflächen in einer wäßrigen Zinklösung, die auf dem schmelzflüssigen Lötbad schwimmt, wobei die Lösung eine Zinkschicht auf der oxydfreien Oberfläche des Gegenstandes bildet, ehe dieser durch die Zwischenschicht in das Lötmittel eingetaucht wird, wodurch ein Kontakt mit der Atmosphäre vermieden wird. Obwohl nicht direkt auf Hartlöten bezogen, zeigt diese Patentschrift auch die Probleme und die umfangreichen Maßnahmen auf, die bisher angewendet wurden, um eine geeignete Benetzung von Aluminiumoberflächen zu erzielen, die mittels einer flüssigen Metall-Legierung miteinander verbunden werden sollen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, daß es ermöglicht, Gegenstände, die Aluminium enthalten, zufriedenstellend hartzu­ löten, ohne den Lötvorgang in einer flüssigen Umgebung ausführen zu müssen, um eine Verschmutzung mit Sauerstoff auszuschließen.

Nach der Erfindung ist hierzu vorgesehen, die Oberflächen des hartzulötenden Gegenstandes und die Oberflächen des Lötmittels jeweils zunächst mit einem Film aus Zink oder Zinn zu überziehen, wodurch die sich unvermeidlich bildende Aluminiumoxydschicht hierdurch entfernt wird, worauf eine Schicht aus Silber und/oder Gold aufgebracht wird oder eine andere geeignete Legierung, die Silber oder Gold enthält, worauf schließlich die beschichteten Gegenstände gelötet werden, entweder im Hochvakuum oder in einer inerten Atmosphäre.

Die Materialien der Schichten und die der ersten Filme auf den Körpern, welche die zu lötenden Gegenstände und das Lötmaterial bilden, diffundieren mit dem Aluminium der Körper und während des Lötvorganges schreitet diese Inter- Diffusion schnell fort, wenn die Lötlegierung, d.h. das Lötmaterial schmilzt. Danach wird starke metallurgische Bindung zwischen den das Aluminium enthaltenden Gegenständen geschaffen. Die Materialien der Beschichtungen und der Filme werden leicht in geschmolzenem Aluminium absorbiert und verhindern nicht, daß das Aluminium des Lötmaterials in Kontakt mit dem Aluminium der Gegenstände ge­ langt.

Zink oder Zinn wird auf den Gegenständen niedergeschlagen und gleichzeitig werden die Aluminiumoxydschichten von den Gegenständen entfernt durch Ein­ tauchen der letzteren in eine geeignete Lösung.

Die vorgesehenen dünnen Filme oder Schichten aus Zink oder Zinn und den anderen Materialien werden so dünn gehalten wie dies praktisch möglich ist, so daß sie gewährleisten, daß die Aluminiumoberflächen praktisch unter normal zu erwarten­ den Lagerbedingungen vor dem Lötvorgang nicht freiliegen.

Der Fluß des geschmolzenen Lötmaterials über die Teile der Oberflächen, die zu löten sind, gewährleistet ferner, daß keine Oxydschicht in den Lötbereichen vorhanden ist.

Es ist möglich, Gegenstände, die Aluminium enthalten, sowie eine Vorform eines Aluminium enthaltenden Lötmaterials, die zunächst mit einem Film aus Zink oder Zinn überzogen werden, mit einer Schicht aus einer geeigneten Legierung zu beschichten, die Silber und/oder Gold enthält, ehe sich eine Oberflächenoxyd­ schicht auf diesen Gegenständen bildet. Diese Schichten schützen die Oberflächen vor einer Reoxydation. Normalerweise oxydiert keine dieser Schichten oder falls irgendein Oxyd aus dem Schichtmaterial gebildet werden sollte, zerfällt dieses bei einer Temperatur unterhalb der Löttemperatur der Gegenstände und jeglicher derart gebildete Sauerstoff kann entfernt werden, ehe er in Kontakt mit dem Aluminium gelangt. Um etwaigen Sauerstoff, der sich gebildet haben könnte, zu entfernen oder der anderweitig während des Lötvorganges vorhanden ist, wird das Hartlöten in einer Kammer ausgeführt, in der ein Hochvakuum oder eine inerte Atmosphäre vorhanden ist. Etwaiger Sauerstoff, der zufällig in einer solchen Kammer vorhanden ist, kann wenigstens im wesentlichen entfernt werden, ehe irgendeine Aluminiumfläche freiliegt. Ein Freiliegen von Aluminium tritt nur unmittelbar vor dem Erreichen der erforderlichen Löttemperatur auf und nicht während die Gegenstände und das Lötmaterial auf den Schmelzpunkt der Lötlegierung gebracht werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen beschrieben:

Beispiel 1

Hartzulötende Gegenstände, die Aluminium enthalten, werden zunächst entfettet. Ebenso wird eine Vorform aus einer Lötlegierung, die ebenfalls Aluminium ent­ hält entfettet. Die unvermeidlichen Oberflächenfilme aus Aluminiumoxyd werden entfernt und gleichzeitig damit werden Filme aus Zink mit einer Dicke von 1 Mikron auf den Gegenständen und auf der Lötlegierung niedergeschlagen durch Eintauchen der Gegenstände und der Vorform der Lötlegierung in eine Lösung aus Natrium-Zinkat. Ehe sich Oberflächenoxydschichten auf derart beschichteten Körpern bilden können, werden die Gegenstände und die Lötmittel-Vorform mit Silber beschichtet mit einer Dicke etwa 2,5 Mikron, z. B. durch Anwendung einer konventionellen Elektroplattierung.

Nach der Beschichtung mit Silber sind die Oberflächen der zu lötenden Gegenstände und die Oberflächen des Lötmaterials gegen eine Oxydation unter üblichen Lager­ bedingungen geschützt. Selbst wenn die Silberschichten mit Sauerstoff in Kontakt gelangen sollten, oxydieren sie normalerweise nicht, unter bestimmten Bedingungen kann sich jedoch etwas Silberoxyd bilden.

Die beschichteten Gegenstände mit der beschichteten Lötmaterial-Vorform zwischen sich werden in eine Stahlvorrichtung eingespannt, in der Anordnung, in der die Gegenstände gelötet werden sollen und das Ganze wird in die Kammer eines üblichen Vakuum-Ofens eingebracht. Die Kammer des Ofens wird evakuiert auf einen Druck von 1×10^-2 Newton je m² und das Ganze wird erhitzt. Bei einer Temperatur von höchstens 250°C zerfällt etwaiges Silberoxyd und Sauerstoff wird freigegeben.

Das Hartlötmaterial, das mit Silber und Zink beschichtet ist, schmilzt bei einer Temperatur von 577°C und benetzt die Teile der Oberflächen, die verlötet werden sollen und sie gewährleistet weiterhin, daß keine Oxyd­ schicht in den Lötbereichen vorhanden ist. In diesem Zustand schreitet die Inter-Diffusion von Zink, Silber und Aluminium schnell fort. Sowohl Zink als auch Silber werden leicht in schmelzflüssigem Aluminium absorbiert und bilden kein Hindernis dafür, daß das Aluminium des Lötmaterials in Kontakt mit dem Aluminium der zu lötenden Gegenstände gelangt. Das Ganze wird einer maximalen Temperatur während des Lötvorganges ausgesetzt, die niedriger ist als der Schmelzpunkt von irgendeinem der zu verlötenden Gegenstände. Der Lötvorgang wird beendet, indem man die gesamte Vorrichtung abkühlen läßt. Es wird eine gute metallurgische Bindung zwischen den Gegenständen erreicht.

Etwaiger Sauerstoff, der in der Kammer des Vakuumofens freigegeben wird, wenn die Vorrichtung auf die erforderliche Löttemperatur gebracht wird, als Folge etwa eines Zerfalls irgendeines vorhandenen Silberoxydes, oder anderweitig, kann nicht in Kontakt mit dem Aluminium gelangen bis das Löt­ material schmilzt, zu welchem Zeitpunkt mindestens im wesentlichen sämtlicher Sauerstoff aus der kontinuierlich evakuierten Kammer des Vakuumofens entfernt worden ist.

Alternativ kann der Lötvorgang in einer Kammer ausgeführt werden, durch die ein inertes Gas hindurchgeführt wird, wodurch jedweder Sauerstoff, der während des Lötvorganges freikommt, entfernt wird.

Beispiel 2

Beispiel 1 wird wiederholt mit der Änderung, daß die Gegenstände und das Löt­ material zunächst mit einer Schicht aus Zinn anstelle von Zink überzogen werden. Die unvermeidlichen Oberflächenfilme aus Aluminiumoxyd werden be­ seitigt und gleichzeitig damit werden Filme aus Zinn mit einer Dicke von 1 Mikron auf den Gegenständen und dem Lötmaterial niedergeschlagen durch Eintauchen der Gegenstände und der Vorform aus Lötmaterial in eine Lösung aus Natrium-Stannat. Zinn wird gewöhnlich mit einem Oxydfilm überzogen und dies kann vermieden werden, indem eine Silberschicht auf das frisch nieder­ geschlagene Zinn aufgebracht wird. Die Silberschicht kann in jeder geeigneten üblichen Weise aufgebracht werden.

Das Beschichtungsmaterial für die Gegenstände und das Lötmaterial kann anstelle von Silber Gold enthalten oder eine Legierung aus Silber und Gold oder geeignete Legierung mit Silber oder Gold als Hauptbestandteil. Auf freiliegendem Gold bil­ den sich keine Oxydfilme.

Es ist nicht wesentlich, daß die gesamten Oberflächen der Gegenstände ohne Oxydschichten während des Lötvorganges sind. Oxydierte Oberflächenteile eines Gegenstandes werden nicht durch die schmelzflüssige Lötlegierung benetzt und die oxydierten Oberflächenteile dienen vorteilhafterweise auch dazu, die schmelzflüssige Lötlegierung auf die nicht-oxydierten Oberflächenbereiche der Gegenstände zu beschränken. Zweckmäßigerweise werden zunächst die Ober­ flächenoxydschichten von dem gesamten Gegenstand bzw. den gesamten Gegenständen entfernt und die gesamten Oberflächen der Gegenstände werden mit Filmen aus Zink oder Zinn und dann mit Schichten aus einer geeigneten Legierung, die Silber und/oder Gold enthält, beschichtet. Eine Schicht aus einem Photodeck- Material wird dann auf die gesamten Beschichtungen jedes Gegenstandes auf­ gebracht und die Schichten und die Filme aus Zink oder Zinn auf den Gegen­ ständen werden selektiv geätzt unter Anwendung konventioneller photolitho­ graphischer Methoden, so daß die Schichten und der Film aus Zink oder Zinn nur auf den Teilen der Oberflächen verbleibt, die verlötet werden sollen. Danach wird das Photodeckmittel von den verbleibenden Schichten auf den Gegenständen entfernt und die freiliegenden Oberflächenabschnitte der Gegenstände, die nicht gelötet werden sollen, könen oxydieren.

Die hartgelöteten Gegenstände, die Aluminium enthalten, können einer üblichen Wärmebehandlung zur Steigerung ihrer Festigkeit unterzogen werden. Die Gegen­ stände können Aluminium oder eine Legierung enthalten, die Aluminium als Haupt­ bestandteil enthält.

Claims (5)

1. Verfahren zum Hartlöten von Gegenständen, die Aluminium enthalten unter Verwendung einer Vorform aus einer Aluminium enthaltenden Lötlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst oxydfreie Oberflächen auf der Löt­ legierung und auf wenigstens den durch diese zu verbindenden Teilen der Gegenstände geschaffen werden, daß die oxydfreien Oberflächen der Gegen­ stände und des Lötmaterials mit einem Film aus Zink oder Zinn überzogen werden, worauf auf diese Teile eine Schicht aus einer Legierung aufge­ bracht wird, die Silber oder Gold enthält, worauf die so beschichteten Gegenstände mit der Vorform aus Lötmaterial hartgelötet werden, entweder im Hochvakuum oder in einer inerten Gas-Atmosphäre.

2. Verfahren zum Hartlöten von Gegenständen, die Aluminium enthalten mit einer Vorform aus einer Aluminium enthaltenden Lötlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Gegenstände und die Oberflächen des Lötmateriales zunächst mit einem Film aus Zink oder Zinn beschichtet werden und dabei die unvermeidliche Aluminiumoxydoberflächenschicht entfernt wird, daß dann eine Schicht aus Silber und/oder Gold oder einer Legierung, die Silber oder Gold enthält, aufgebracht wird und daß dann die so beschichteten Gegenstände hartgelötet werden, entweder im Hochvakuum oder in einer inerten Atmosphäre.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten auf den Film aus Zink oder Zinn durch Elektroplattieren aufgebracht werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Film auf die gesamte Oberfläche jedes Gegenstandes aufgebracht wird und selektiv der Film und/oder die weitere Beschichtung von Teilen der Oberflächen der Gegenstände, die nicht durch die Lötlegierung verbunden werden sollen, entfernt werden, wodurch diese Teile der Oberfläche oxydieren können und an der nachfolgenden Hartlötung nicht beteiligt sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Film und/oder die weiteren Schichten selektiv entfernt werden, indem eine Schicht aus einem Photodeck-Material auf der Oberfläche jedes Gegenstandes aufgebracht wird, daß das Photodeck-Material photolithographisch belichtet wird, um die Teile der Oberflächen auszuwählen, die nicht durch Löten verbunden werden sollen und daß die belichteten bzw. freiliegenden Teile der Oberflächen geätzt werden, um den Film und/oder die weiteren Schichten zu entfernen, damit sich eine das Löten verhindernde Oxydation auf den betreffenden Oberflächen der Gegenstände bilden kann.