DE69928705T2

DE69928705T2 - Keramik-Metall Verbundstruktur und Methode zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE69928705T2
Application number: DE69928705T
Authority: DE
Inventors: Masayuki Kariya-city Aichi-pref. Kobayashi; Makoto Kariya-city Aichi-pref. Shirai; Yoshitsugu Kariya-city Sakamoto
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-01-16
Filing date: 1999-01-14
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2019-01-15
Also published as: EP0930282B1; DE69928705D1; US6118110A; US6121590A; JP3541702B2; JPH11292649A; EP0930282A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Keramik-Metall-Verbindungsstruktur, welche bevorzugt für einen keramischen Heizer oder dergleichen anwendbar ist. Metallische Schichten, welche Wolfram (W) als Hauptkomponente enthalten, sind mit Aluminiumoxid vereinbar und weisen exzellente Wärmebeständigkeit oder spezifischen elektrischen Widerstand auf. Diese Art von metallischen Schichten kann daher bevorzugt zum Bilden von Signalausgangsanschlüssen oder Energiezufuhranschlüssen von elektrischen Elementen verwendet werden, die in einen keramischen Körper untergebracht sind. In diesem Fall wird ein leitfähiges Element wie ein elektrischer Draht mit dem Signalausgangsanschluss oder dem Energiezufuhranschluss durch Hartlöten oder dergleichen verbunden.
Das leitfähige Element kann mit der W enthaltenden metallischen Schicht verbunden sein, die auf einem keramischen Köper bereitgestellt ist. Gemäß eines herkömmlichen Verfahrens wird ein Ni (Nickel)-Plattierungsfilm auf der Oberfläche dieser metallischen Schicht gebildet und das leitfähige Element unter Verwendung eines Cu (Kupfer)-Au (Gold)-Wachsmaterials an den Ni-Plattierungsfilm hartgelötet.
Gemäß dieses herkömmlichen Verfahrens ist das Bereitstellen des Ni-Plattierungsfilms auf der metallischen Schicht im Vorhinein vom Standpunkt der Tatsache, dass das Cu enthaltene Wachsmaterial nicht direkt mit der W enthaltenden metallischen Schicht aufgrund schlechter Benetzbarkeit verbunden werden kann, unerlässlich.
Das zuvor beschriebene herkömmliche Verfahren ist durch die hohen Herstellungskosten bei der Verwendung des teueren Cu-Au-Wachses nachteilig.
Um die Kosten zu verringern, kann es möglich sein, den Au-Gehalt in dem Cu-Au-Wachs zu verringern. Das verringern des Au-Gehaltes jedoch führt zu einer Beeinträchtigung der Bindungsfestigkeit. Es wird angenommen, dass die Temperatur des Hartlötens in Übereinstimmung mit dem Anstieg der Cu-Komponente erhöht werden muss. Die intermetallische W-Ni-Verbindung, welche zwischen dem Ni-Plattierungsfilm und der W enthaltenen metallischen Schicht erzeugt wird, wenn die Temperatur des Hartlötens angehoben wird, verringert die Verbindungsfestigkeit zwischen dem Ni-Plattierungsfilm und dem leitfähigen Element.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Keramik-Metall-Verbindungsstruktur zur Verfügung zu stellen, welche dazu fähig ist, eine zufriedenstellende Festigkeit der Bindung zwischen der metallischen Schicht und dem leitfähigen Element bereitzustellen, und ebenso dazu fähig ist, die Herstellungskosten zu verringern. Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Keramik-Metall-Verbindungsstruktur zur Verfügung.
Um diese und andere verwandte Ziele zu erreichen, stellt ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Keramik-Metall-Verbindungsstruktur zur Verfügung, welche einen keramischen Körper, eine auf der Oberfläche des keramischen Körpers bereitgestellte metallische Schicht, die 70 bis 100 Gewichtsprozent Wolfram (W) enthält, eine auf der metallischen Schicht bereitgestellte Verbindungsschicht, die Kupfer (Cu) als Hauptkomponente enthält, und ein leitfähiges Element, das über die Verbindungsschicht mit der metallischen Schicht verbunden ist, umfasst, wobei die Verbindungsschicht 40 bis 98 Gewichtsprozent Cu und 2 bis 20 Gewichtsprozent Nickel (Ni) enthält.
Wenn der Cu-Gehalt in der Verbindungsschicht 0 bis 40 Gewichtsprozent beträgt, ist die Gesamtmenge von Cu relativ klein. Die Härte der Verbindungsschicht wird aufgrund des Einflusses einer dritten Komponente außer Cu und Ni groß. Dies wird einen Riss induzieren.
Wenn andererseits der Cu-Gehalt in der Verbindungsschicht 98 bis 100 Gewichtsprozent beträgt, ist die Gesamtmenge von Ni relativ klein. Demzufolge weist die Verbindungsschicht eine schlechte Benetzbarkeit für die metallische Schicht auf. Dies wird die Verbindungsfestigkeit verringern und die Verbindungsbedingungen zwischen der Verbindungsschicht und der metallischen Schicht schwächen.
Wenn der Ni-Gehalt in der Verbindungsschicht 0 bis 2 Gewichtsprozent beträgt, weist die Verbindungsschicht eine schlechte Benetzbarkeit für die metallische Schicht auf. Dies wird die Bindungsfestigkeit verringern und die Bindungsbedingungen zwischen der Verbindungsschicht und der metallischen Schicht schwächen. Wenn der Ni-Gehalt in der Verbindungsschicht 20 bis 100 Gewichtsprozent beträgt, wird die intermetallische W-Ni-Verbindung während des Herstellungsprozesses erzeugt. Dies wird die Verbindungsfestigkeit verringern.
Wenn die metallische Schicht 70 bis 100 Gewichtsprozent W einschließt, ist sie mit einem Aluminiumoxid enthaltenden keramischen Körper vereinbar und weist eine exzellente Wärmebeständigkeit oder spezifischen elektrischen Widerstand auf. Wenn der W-Gehalt in der metallischen Schicht 0 bis 70 Gewichtsprozent beträgt, wird die metallische Schicht eine schlechte Verbindungsfestigkeit für den keramischen Körper, wie auch eine schlechte Wärmebeständigkeit oder spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen.
Die metallische Schicht kann auch nur W enthalten. Der keramische Körper kann Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Calciumoxid oder Magnesiumoxid enthalten. Es ist bevorzugt, dass das leitfähige Element Ni umfasst. Wie später beschrieben wird, wenn das leitfähige Element an die Verbindungsschicht gebunden ist, diffundiert Nickel von dem leitfähigen Element in die Verbindungsschicht. Daher kann die Verbindungsschicht eine erhöhte Benetzbarkeit für die metallische Schicht besitzen. Die Bindungsbedingungen zwischen der Verbindungsschicht und der metallischen Schicht werden verbessert.
Die Keramik-Metall-Verbindungsstruktur der vorliegenden Erfindung kann für einen später beschriebenen keramischen Heizer angewendet werden. Darüber hinaus ist die Keramik-Metall-Verbindungsstruktur der vorliegenden Erfindung für einen Signalausgangsanschluss oder einen Energiezufuhranschluss einer Halbleitervorrichtung oder eines Sensors anwendbar.
Als nächstes wird die Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung erklärt.
Die Keramik-Metall-Verbindungsstruktur in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst den keramischen Körper, die auf der Oberfläche des keramischen Körpers bereitgestellte metallische Schicht, die auf der metallischen Schicht bereitgestellte Verbindungsschicht, die Cu und Ni in dem spezifischen Verhältnis enthält, und das leitfähige Element, das über die Verbindungsschicht an die metallische Schicht gebunden ist.
Wenn die Verbindungsschicht Ni einschließt, weist die Verbindungsschicht eine exzellente Benetzbarkeit für die W enthaltene metallische Schicht auf. Auf diese Weise stellt die Verbindungsschicht eine ausreichende Festigkeit in der Bindung zwischen dem leitfähigen Element und der metallischen Schicht zur Verfügung. Darüber hinaus gibt es keine Notwendigkeit zum Bereitstellen des Ni-Plattierungsfilms, welcher für die herkömmliche Keramik-Metall-Verbindungsstruktur benötigt wurde. Die Herstellungskosten können durch Weglassen des Ni-Plattierungsfilms verringert werden.
Wie vorstehend beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung die Keramik-Metall-Verbindungsstruktur zur Verfügung, die dazu fähig ist, eine ausreichende Festigkeit in der Bindung zwischen der metallischen Schicht und dem leitfähigen Element sicherzustellen, und ebenso fähig ist, die Herstellungskosten zu verringern.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Verbindungsschicht 0 bis 58 Gewichtsprozent Au enthält. Dies ist wirkungsvoll, um die intermetallische W-Ni-Verbindung zu eliminieren. Die Verbindungsfestigkeit wird angehoben. Die Herstellungskosten werden verringert.
Wenn der Au-Gehalt in der Verbindungsschicht 58 bis 85 Gewichtsprozent beträgt, wird die Härte der Verbindungsschicht so groß, dass Risse erzeugt werden. Wenn der Au-Gehalt in der Verbindungsschicht 85 bis 100 Gewichtsprozent beträgt, werden die Herstellungskosten sehr hoch. Die Kosten sinken in Übereinstimmung mit der Verringerung des Au-Gehalts. Daher ist es bevorzugt, die Menge von Au so stark wie möglich zu verringern.
Darüber hinaus stellt ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Keramik-Metall-Verbindungsstruktur zur Verfügung, welche einen keramischen Körper, eine auf der Oberfläche des keramischen Körpers bereitgestellte keramische Schicht, die 70 bis 100 Gewichtsprozent W enthält, einen auf der metallischen Schicht bereitgestellten Ni-Plattierungsfilm, eine auf dem Ni-Plattierungsfilm bereitgestellte Verbindungsschicht, die Cu als Hauptkomponente enthält, und ein leitfähiges Element umfasst, welches über den Ni-Plattierungsfilm und die Verbindungsschicht an die metallische Schicht gebunden ist, wobei die Verbindungsschicht 65 bis 98 Gewichtsprozent Cu und 2 bis 20 Gewichtsprozent Ni enthält.
Es ist bevorzugt, dass der Ni-Plattierungsschicht eine Dicke gleich oder kleiner 1 μm aufweist.
Wenn die Dicke des Ni-Plattierungsfilms 1 μm übersteigt, wird während des Herstellungsverfahrens die intermetallische W-Ni-Verbindung erzeugt. Dies wird die Verbindungsfestigkeit verringern.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, die Dicke des Ni-Plattierungsfilms so stark wie möglich zu verringern. Wenn der Cu-Gehalt in der Verbindungsschicht 0 bis 65 Gewichtsprozent beträgt, ist es gut bekannt, dass das Verbinden bevorzugt ungeachtet der Dicke des Ni-Plattierungsfilms realisiert wird. Daher wird die Verbindungsschicht, welche 0 bis 65 Gewichtsprozent Cu enthält, ausgeschlossen.
Wenn der Cu-Gehalt in der Verbindungsschicht 98 bis 100 Gewichtsprozent beträgt, ist das Verhältnis des in der Verbindungsschicht enthaltenen Ni klein. Demzufolge weist die Verbindungsschicht eine schlechte Benetzbarkeit für die metallische Schicht auf. Dies wird die Verbindungsfestigkeit verringern und die Verbindungsbedingung zwischen der Verbindungsschicht und der metallischen Schicht schwächen.
Wenn der Ni-Gehalt in der Verbindungsschicht 0 bis 2 Gewichtsprozent beträgt, weist die Verbindungsschicht eine schlechte Benetzbarkeit für die metallische Schicht auf. Dies wird die Bindungsfestigkeit verringern und die Bindungsbedingungen zwischen der Verbindungsschicht und der metallischen Schicht schwächen. Wenn der Ni-Gehalt in der Verbindungsschicht 20 bis 100 Gewichtsprozent beträgt, wird während des Herstellungsverfahrens die intermetallische W-Ni-Verbindung erzeugt. Dies wird die Bindungsfestigkeit verringern.
Die Keramik-Metall-Verbindungsstruktur in Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst den keramischen Körper, die auf der Oberfläche des metallischen Körpers bereitgestellte metallische Schicht, den Nickel-Plattierungsfilm mit einer spezifischen Dicke, die auf den Nickel-Plattierungsfilm bereitgestellte Verbindungsschicht, die Cu und Ni in dem spezifischen Verhältnis enthält, und das leitfähige Element, welches über die Verbindungsschicht an die metallische Schicht gebunden ist.
Wenn die Verbindungsschicht Ni zusätzlich zu der Bereitstellung des Ni-Plattierungsfilms enthält, weist die Verbindungsschicht eine exzellente Benetzbarkeit für die W enthaltende metallische Schicht auf. Daher stellt die Verbindungsschicht eine ausreichende Festigkeit in der Bindung zwischen dem leitfähigen Element und der metallischen Schicht zur Verfügung.
Wenn der Ni-Plattierungsfilm ausreichend dünn ist, wird es möglich, die Erzeugung der intermetallischen W-Ni-Verbindung zu unterdrücken und die Bindungsfestigkeit aufrecht zu erhalten.
Darüber hinaus liegt die Fähigkeit zum Unterdrücken der Erzeugung der intermetallischen W-Ni-Verbindung darin, dass die Menge des zu der Verbindungsschicht dazugegebenen Au verringert werden kann. Die Herstellungskosten können verringert werden.
Wie vorstehend beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung die Keramik-Metall-Verbindungsstruktur zur Verfügung, welche dazu fähig ist, eine ausreichende Festigkeit in der Bindung zwischen der metallischen Schicht und dem leitfähigen Element sicher zu stellen, und ebenso fähig ist, die Herstellungskosten zu verringern.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Verbindungsschicht 0 bis 33 Gewichtsprozent Au enthält. Dies ist wirkungsvoll, um die Erzeugung der intermetallischen W-Ni-Verbindung zu eliminieren. Die Bindungsfestigkeit wird erhöht. Die Herstellungskosten können verringert werden.
Wenn der Au-Gehalt in der Verbindungsschicht 33 bis 100 Gewichtsprozent beträgt, ist es gut bekannt, dass das Binden bevorzugt ungeachtet der Dicke des Ni-Plattierungsfilms realisiert wird. Daher wird die Verbindungsschicht, welche 33 bis 100 Gewichtsprozent Au enthält, ausgeschlossen. Die Kosten nehmen in Übereinstimmung mit der Verringerung des Au-Gehalts ab. Daher ist es bevorzugt, die Menge an Au so viel wie möglich zu verringern.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass eine beeinflusste Nickelschicht zwischen der metallischen Schicht und der Verbindungsschicht gebildet wird und der Nickelgehalt in der beeinflussten Nickelschicht größer ist als in der Verbindungsschicht. Bevorzugt enthält das leitfähige Element 90 bis 100 Gewichtsprozent Nickel.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Verbindungsschicht mindestens eine Substanz enthält, die aus der Gruppe ausgewählt wurde, die aus P, Cd, Pd, Zn und Fe besteht. Die Gesamtmenge der ausgewählten Substanz oder Substanzen ist gleich oder kleiner als 10 Gewichtsprozent. Dies ist wirkungsvoll, um die Funktionen und Effekte sicherzustellen, welche durch die zuvor beschriebenen Anordnungen der vorliegenden Erfindung erhalten werden.
Wenn die Gesamtmenge der ausgewählten Substanz oder Substanzen 10 Gewichtsprozent übersteigt, wird eine signifikante Menge der intermetallischen Verbindung zwischen der ausgewählten Substanz oder Substanzen und Ni, Cu oder Au erzeugt. Die erzeugte intermetallische Verbindung kann die Bindungsfestigkeit beeinträchtigen. Diese Substanzen können als Verunreinigungen wirken, wenn sie in der Verbindungsschicht enthalten sind. Daher ist es bevorzugt, die Menge dieser Substanzen so stark wie möglich zu verringern.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Keramik-Metall-Verbindungsstruktur in einem keramischen Heizer angewendet wird. Durch Anwenden der vorliegenden Erfindung auf einen keramischen Heizer, wird es möglich, einen zuverlässigen und exzellenten keramischen Heizer zu erhalten.
Darüber hinaus stellt ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Keramik-Metall-Verbindungsstruktur zur Verfügung, welches die Schritte des Bildens einer metallischen Schicht, die 70 bis 100 Gewichtsprozent W enthält, auf einer Oberfläche eines keramischen Körpers, und Binden eines Ni-enthaltenden leitfähigen Elements an die metallische Schicht unter Verwendung einer Verbindungsschicht, die 40 bis 100 Gewichtsprozent Cu und 2 bis 20 Gewichtsprozent Ni enthält, umfasst.
Wenn der Cu-Gehalt in der Verbindungsschicht 0 bis 40 Gewichtsprozent beträgt, wird die Härte der Verbindungsschicht groß und die Gesamtmenge an Cu ist relativ klein. Die Menge des Ni, das aus dem leitfähigen Element diffundiert, ist klein. Das Verhältnis des in der Verbindungsschicht enthaltenen Ni ist klein. Demzufolge weist das leitfähige Element eine schlechte Benetzbarkeit für die Verbindungsschicht auf. Dies wird die Bindungsfestigkeit verringern und die Bindungsbedingungen zwischen dem leitfähigen Element und der Verbindungsschicht schwächen. Dieses Phänomen wird bemerkenswert, wenn das leitfähige Element eine kleine Menge Ni enthält.
In diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält die Verbindungsschicht Cu als Hauptkomponente. Wenn das leitfähige Element durch die Verbindungsschicht gebunden wird, diffundiert Nickel von dem leitfähigen Element in die Verbindungsschicht. Die Verbindungsschicht, welche eine ausreichende Menge von Ni enthält, besitzt die exzellente Benetzbarkeit für die W enthaltene metallische Schicht. Daher stellt die Verbindungsschicht eine ausreichende Festigkeit bei der Bindung zwischen dem leitfähigen Element und der metallischen Schicht zur Verfügung.
Darüber hinaus gibt es keine Notwendigkeit für die Bereitstellung des Ni-Plattierungsfilms, welcher für die herkömmliche Keramik-Metall-Verbindungsstruktur notwendig war. Die Herstellungskosten können durch Weglassen des Ni-Plattierungsfilms verringert werden.
Wie vorstehend beschrieben, stellt ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung das Herstellungsverfahren für die Keramik-Metall-Verbindungsstruktur zur Verfügung, welche dazu fähig ist, eine ausreichende Festigkeit in der Bindung zwischen der metallischen Schicht und dem leitfähigen Element sicher zu stellen, und ebenso fähig ist, die Herstellungskosten zu verringern.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass das leitfähige Element 25 bis 100 Gewichtsprozent Ni enthält. Dies ist wirkungsvoll, um die Effekte der vorliegenden Erfindung sicher zu stellen.
Wenn der Ni-Gehalt in dem leitfähigen Element 0 bis 25 Gewichtsprozent beträgt, wird die Diffusion von Ni in die Verbindungsschicht unzureichend. Daher wird die Bindungsfestigkeit verringert und die Bindungsbedingung verschlechtert.
Das leitfähige Element kann 100 Gewichtsprozent Nickel enthalten oder eine Ni-enthaltene Legierung wie Coval oder 42-Legierung sein.
Darüber hinaus stellt ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Keramik-Metall-Verbindungsstruktur zur Verfügung, welches die Schritte des Bildens einer metallischen Schicht, die 70 bis 100 Gewichtsprozent W enthält, auf einer Oberfläche eines keramischen Körpers, und Binden eines leitfähigen Elements an die metallische Schicht unter Verwendung einer Verbindungsschicht, die 40 bis 98 Gewichtsprozent Cu und 2 bis 20 Gewichtsprozent Ni enthält, umfasst.
Wenn der Cu-Gehalt in der Verbindungsschicht 0 bis 40 Gewichtsprozent beträgt, ist die Gesamtmenge von Cu relativ klein. Die Härte der Verbindungsschicht wird aufgrund des Einflusses einer dritten Komponente außer Cu und Ni groß. Dies wird einen Riss induzieren.
Wenn andererseits der Cu-Gehalt in der Verbindungsschicht 98 bis 100 Gewichtsprozent beträgt, ist die Gesamtmenge von Ni relativ klein. Demzufolge weist die Verbindungsschicht eine schlechte Benetzbarkeit für die metallische Schicht auf. Dies wird die Bindungsfestigkeit verringern und die Bindungsbedingung zwischen der Verbindungsschicht und der metallischen Schicht schwächen.
Als nächstes wird die Funktion der vorliegenden Erfindung erklärt.
Gemäß des Herstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung enthält die Verbindungsschicht Ni, was eine exzellente Benetzbarkeit in der Bindung zwischen der Verbindungsschicht und der W enthaltenden metallischen Schicht bereitstellt. Daher stellt die Verbindungsschicht eine ausreichende Festigkeit in der Bindung zwischen dem leitfähigen Element und der metallischen Schicht zur Verfügung.
Darüber hinaus gibt es keine Notwendigkeit zum Bereitstellen des Ni-Plattierungsfilms, welcher für die herkömmliche Keramik-Metall-Verbindungsstruktur benötigt wurde. Die Herstellungskosten können durch Weglassen des Ni-Plattierungsfilms verringert werden.
Wie vorstehend beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung das Herstellungsverfahren für die Keramik-Metall-Verbindungsstruktur zur Verfügung, welche dazu fähig ist, eine ausreichende Festigkeit in der Bindung zwischen der metallischen Schicht und dem leitfähigen Element sicherzustellen, und ebenso fähig ist, die Herstellungskosten zu verringern.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass das leitfähige Element 2 bis 20 Gewichtsprozent Ni enthält. Dies ist wirkungsvoll, um die Effekte der vorliegenden Erfindung sicher zu stellen.
Wenn der Ni-Gehalt in der Verbindungsschicht 0 bis 2 Gewichtsprozent beträgt, wird die Verbindungsschicht eine schlechte Benetzbarkeit für die metallische Schicht aufweisen. Dies wird die Bindungsfestigkeit verringern, die Bindungsbedingung zwischen der Verbindungsschicht und der metallischen Schicht wird geschwächt. Wenn andererseits der Ni-Gehalt in der Verbindungsschicht 20 bis 100 Gewichtsprozent beträgt, wird während des Herstellungsverfahrens die intermetallische W-Ni-Verbindung erzeugt. Dies wird die Bindungsfestigkeit verringern.
Darüber hinaus stellt ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Keramik-Metall-Verbindungsstruktur zur Verfügung, welches die Schritte des Bildens einer metallischen Schicht, die 70 bis 100 Gewichtsprozent W enthält, auf einer Oberfläche eines keramischen Körpers, Bilden eines Ni-Plattierungsfilms mit einer Dicke gleich oder kleiner als 10 μm auf der metallischen Schicht, und Binden eines leitfähigen Elements auf einer Oberfläche des Ni-Plattierungsfilms unter Verwendung einer Verbindungsschicht, die Cu und 2 bis 20 Gewichtsprozent Ni enthält, umfasst.
Wenn die Dicke des Ni-Plattierungsfilms 10 μm übersteigt, wird während des Herstellungsverfahrens die intermetallische W-Ni-Verbindung erzeugt. Dies wird die Bindungsfestigkeit verringern. Es ist bevorzugt, die Dicke des Ni-Plattierungsfilms so stark wie möglich zu verringern.
Wenn die Verbindungsschicht Ni zusätzlich zu der Bereitstellung des Ni-Plattierungsfilms enthält, weist die Verbindungsschicht eine exzellente Benetzbarkeit für die W-enthaltende metallische Schicht auf. Auf diese Weise stellt die Verbindungsschicht eine ausreichende Festigkeit in der Bindung zwischen dem leitfähigen Element und der metallischen Schicht zur Verfügung.
Wenn der Ni-Plattierungsfilm ausreichend dünn ist, wird es möglich, die Erzeugung der intermetallischen W-Ni-Verbindung zu unterdrücken und die Bindungsfestigkeit aufrecht zu erhalten.
Darüber hinaus ist die Fähigkeit zur Unterdrückung der Erzeugung der intermetallischen W-Ni-Verbindung bevorzugt so, dass die Menge des zu der Verbindungsschicht zugegebenen Au verringert werden kann. Die Herstellungskosten können verringert werden.
Wie vorstehend beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung das Herstellungsverfahren für die Keramik-Metall-Verbindungsstruktur zur Verfügung, welche fähig ist, eine ausreichende Festigkeit in der Bindung zwischen der metallischen Schicht und der leitfähigen Schicht sicher zu stellen, und eben so fähig ist, die Herstellungskosten zu verringern.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Verbindungsschicht 65 bis 100 Gewichtsprozent Cu enthält. Dies ist wirkungsvoll, um den Effekt der vorliegenden Erfindung sicher zu stellen.
Wenn der Cu-Gehalt in der Verbindungsschicht 0 bis 65 Gewichtsprozent beträgt, ist es wohl bekannt, dass das Binden bevorzugt ungeachtet der Dicke des Ni-Plattierungsfilms realisiert wird. Daher ist die Verbindungsschicht, welche 0 bis 65 Gewichtsprozent Cu enthält, ausgeschlossen.
Es ist bevorzugt, dass das leitfähige Element Nickel enthält. Der Nickel-Gehalt in dem leitfähigen Element ist nicht kleiner als 90 Gewichtsprozent. Die Dicke des Ni-Plattierungsfilms ist nicht größer als 5 μm, bevor das leitfähige Element durch Hartlöten an den Nickel-Plattierungsfilm gebunden wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorstehenden und andere Objekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung noch deutlicher werden, welche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist, in welchen:
1 eine Querschnittsansicht ist, die eine essentielle Anordnung einer Keramik-Metall-Verbindungsstruktur in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, aufgenommen entlang einer in 2 gezeigten Linie A-A;
2 eine perspektivische Ansicht ist, welche einen keramischen Heizer zeigt, der die Keramik-Metall-Verbindungsstruktur in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anwendet;
3 eine Ansicht ist, welche ein Verfahren zur Herstellung des keramischen Heizers darstellt, der die Keramik-Metall-Struktur in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anwendet;
4 eine Querschnittsansicht ist, welche eine essentielle Anordnung einer Keramik-Metall-Verbindungsstruktur zeigt, die einen Ni-Plattierungsfilm in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 eine Querschnittsansicht ist, welche eine essentielle Anordnung einer Keramik-Metall-Verbindungsstruktur in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, aufgenommen entlang einer in 6D gezeigten Linie B-B; und
die 6A bis 6D Ansichten sind, welche ein Verfahren zur Herstellung eines vielschichtigen keramischen Heizers darstellt, der die Keramik-Metall-Verbindungsstruktur in Übereinstimmung mit der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anwendet.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden hiernach im Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erklärt. Gleiche Teile sind durch die gleichen Bezugszeichen in den Ansichten bezeichnet.
Erste Ausführungsform Eine Keramik-Metall-Verbindungsstruktur in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezug auf die 1 bis 3 erklärt.
Wie in 1 gezeigt wird, umfasst eine Keramik-Metall-Verbindungsstruktur 1 in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform einen keramischen Körper 10 und eine metallische Schicht 11, die auf der Oberfläche 100 des keramischen Körpers 10 bereitgestellt ist. Die metallische Schicht 11 enthält 70 bis 100 Gewichtsprozent W. Eine Verbindungsschicht 12 ist auf der metallischen Schicht 11 bereitgestellt. Die Verbindungsschicht 12 enthält Cu als Hauptkomponente. Ein leitfähiges Element 14 ist über die Verbindungsschicht 12 an die metallische Schicht 11 gebunden.
Die Verbindungsschicht 12 enthält 92 Gewichtsprozent Cu und 8 Gewichtsprozent Ni. Das leitfähige Element ist aus Ni hergestellt.
Hiernach werden Details der ersten Ausführungsform erklärt.
Die Keramik-Metall-Verbindungsstruktur 1 in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform ist auf einem runden keramischen Stabheizer anwendbar, welcher einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, der in 2 und 3 gezeigt wird. Der keramische Heizer wird bevorzugt als ein Heizer verwendet, der in einem Sauerstoffsensor installierbar ist.
Der keramische Heizer, wie in 2 gezeigt, umfasst einen Wärme erzeugenden Abschnitt 21, welcher ein Heizelement unterbringt, und einen Trägerabschnitt 22, welcher den Wärme erzeugenden Abschnitt 21 unterstützt. Ein Leitungsabschnitt 111 ist in den Unterstützungsabschnitt 22 untergebracht und elektrisch mit dem Heizelement verbunden.
Wie in den 1 und 2 gezeigt wird, ist in der Keramik-Metall-Verbindungsstruktur 1 die metallische Schicht 11, die auf der Oberfläche des keramischen Körpers 10 bereitgestellt ist, elektrisch mit dem Leitungsabschnitt 111 über ein durchgängiges Loch 112 verbunden, das in den keramischen Körper 10 bereitgestellt ist. Ein elektrischer Draht (Ni-Draht von ∅ = 0,6 mm), welcher als das leitfähige Element 14 dient, ist elektrisch mit der metallischen Schicht 11 über die Verbindungsschicht 12 verbunden. Der elektrische Draht ist mit einer externen Energiequelle zum Zuführen elektrischer Energie zu dem Heizelement über den Leitungsabschnitt 111 verbunden.
Der keramische Heizer, der die Keramik-Metall-Verbindungsstruktur in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anwendet, ist in der folgenden Art und Weise hergestellt.
Zunächst wird ein Schlicker durch Mischen eines gepulverten Ausgangsmaterials in einem Lösungsmittel hergestellt. Etwa 92 Gewichtsprozent des Ausgangsmaterials sind Al₂O₃ und der Rest (das heißt 8 Gewichtsprozent) sind SiO₂, CaO und MgO. Der hergestellte Schlicker wird in eine Lage mit einer Dicke von 1,2 mm unter Verwendung des Doctor-Blade-Verfahrens geformt. Dann wird die erhaltene Lage durch eine Pressmaschine gestanzt, um eine Grünfolie 35 mit einer vorbestimmten Form und Größe, wie in 3 gezeigt, zu erhalten. Die Grünfolie 35 dient als Abdeckung des Heizers und weist zwei Pinholes auf, die als durchgehende Löcher 112 dienen.
Als nächstes wird, wie in 3 gezeigt, ein Heizermuster 30, welches ein Heizelement 31 und einen Leitungsabschnitt 32 einschließt, auf der Oberfläche der Grünfolie 35 durch Siebdrucken einer leitfähigen Paste gebildet. Während dieses Siebdruckvorgangs wird jedes Pinhole mit der leitfähigen Paste gefüllt.
Dann wird die metallische Schicht 11 durch Drucken der leitfähigen Paste auf die Rückseite der Grünfolie gebildet, so dass die gebildete metallische Schicht 11 elektrisch mit dem gedruckten Leitungsabschnitt 32 durch die durchgehenden Löcher 112 verbunden ist. Daher dient die metallische Schicht 11 als ein Ausgangsanschluss des Leiterabschnitts 32. Gemäß dieser Ausführungsform enthält die metallische Schicht 11 100 Gewichtsprozent W.
Ein organischer Binder, welcher Ethylcellulose einschließt, die in einem organischen Lösungsmittel gelöst ist, wird über die gesamte Oberfläche der Lage 35 gedruckt. Dann wird die Lage 35 entlang der äußeren zylindrischen Oberfläche eines runden keramischen Stabes 36 gewickelt und mit dem keramischen Stab 36 verbunden. Als nächstes wird die angeordnete Einheit der Lage 35 und des Stabes 36 in einem Ofen gesintert.
Der elektrische Draht (Ni), das heißt, das leitfähige Element 14, wird sicher an die metallische Schicht 11 hartgelötet. Das Hartlöten wird bei einer hohen Temperatur von 1000 bis 1200 °C unter Verwendung eines Cu enthaltenden Wachsmaterials (100 Gewichtsprozent Cu) durchgeführt. Das Wachsmaterial, wenn es gesintert wird, wird zur Verbindungsschicht 12, welche eine ausreichende Festigkeit in der Bindung zwischen dem leitfähigen Element 14 und der metallischen Schicht 11 zur Verfügung stellt. Danach wird eine sekundäre Plattierschicht 15 auf den gesamten Oberflächen des leitfähigen Elements 14 und der Verbindungsschicht 12 gebildet, wodurch der keramische Heizer erhalten wird.
Die erste Ausführungsform wirkt und bringt Effekte in der folgenden Art und Weise.
Die Keramik-Metall-Verbindungsstruktur 1 der ersten Ausführungsform umfasst den keramischen Körper 10, die metallische Schicht 11, welche hauptsächlich W enthält und auf der Oberfläche des keramischen Körpers 10 bereitgestellt ist, die Verbindungsschicht 12, welche sowohl Cu als auch Ni enthält und auf der metallischen Schicht 11 bereitgestellt ist, und das leitfähige Element 14, welches an die metallische Schicht 11 über die Verbindungsschicht 12 gebunden ist.
Wenn die Verbindungsschicht 12 Ni einschließt, weist die Verbindungsschicht 12 exzellente Benetzbarkeit für die W enthaltene metallische Schicht 11 auf. Daher stellt die Verbindungsschicht 12 eine ausreichende Festigkeit in der Bindung zwischen dem leitfähigen Element 14 und der metallischen Schicht 11 zur Verfügung.
Darüber hinaus gibt es keine Notwendigkeit zum Bereitstellen des Ni-Plattierungsfilms, welcher für die herkömmliche Keramik-Metall-Verbindungsstruktur benötigt wurde. Die Herstellungskosten können durch Weglassen des Ni-Plattierungsfilms verringert werden.
Wie vorstehend beschrieben, stellt die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Keramik-Metall-Verbindungsstruktur zur Verfügung, die dazu fähig ist, eine ausreichende Festigkeit in der Bindung zwischen der metallischen Schicht und dem leitfähigen Element sicherzustellen, und ebenso dazu fähig ist, die Herstellungskosten zu verringern.
Das Leistungsverhalten der Keramik-Metall-Verbindungsstruktur in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform wird unter Verwendung der folgenden Proben 1-1 bis 1-6 und 2-1 bis 2-6 und Tabellen 1 und 2 ausgewertet.
Jede Probe weist die Anordnung ähnlich zu der in 1 gezeigten auf. Jede Probe weist eine Keramik-Metall-Verbindungsstruktur auf, die einer auf einem keramischen Körper bereitgestellte metallische Schicht und ein über eine Verbindungsschicht mit der metallischen Schicht verbundenes leitfähiges Element umfasst.
In den Tabellen 1 und 2 stellt „Zusammensetzung der Verbindungsschicht vor dem Binden" die Zusammensetzung des Wachses dar, welches in dem Binden des leitfähigen Elements verwendet wurde. Die numerischen Daten von „Ni-Konzentration in der Verbindungsschicht nach dem Binden" werden durch Analysieren der Verbindungsschicht gemäß des Verfahrens der energiedispersiven Röntgenstrahlanalyse analysiert.
Die leitfähigen Elemente, die in den in Tabelle 1 gezeigten Proben verwendet wurden, sind identisch miteinander und aus rostfreiem Material. Die metallische Schicht enthält 95 Gewichtsprozent W und eine keramische Komponente wie Aluminiumoxid.
Die in den Proben 2-1 bis 2-5, gezeigt in Tabelle 2, verwendeten leitfähigen Elemente sind identisch miteinander und aus Ni hergestellt. Nur das leitfähige Element, das in der Probe 2-1 verwendet wurde, ist aus Coval hergestellt (Zusammensetzung: 54 Gewichtsprozent Fe, 30 Gewichtsprozent Ni und 16 Gewichtsprozent Co).
Jede Probe wurde einer Zugprüfung unterzogen, und das Prüfergebnis wird als „Zugfestigkeit" in den Tabellen 1 und 2 gezeigt.
Gemäß der Tabelle 1 wurden die Proben 1-1 bis 1-4 an ihren leitfähigen Elementen abgeschnitten. In anderen Worten verblieb während der Zugprüfung, welche auf diese Proben 1-1 bis 1-4 angewendet wurde, die Verbindungsschicht in genügendem Maße ohne durch eine große Zuglast (70 N) abgeschnitten zu werden. Daher war die Bindung zwischen der metallischen Schicht und dem leitfähigen Element geeignet durch die Verbindungsschicht selbst nach Abschluss der Zugprüfung aufrecht erhalten. Die Proben 1-1 und 1-5 jedoch wurden an der Grenzfläche oder irgendwo zwischen der metallischen Schicht und der Verbindungsschicht abgeschnitten, wenn die aufgebrachte Zuglast die angezeigten Werte jeweils überschritt.
Da die Probe 1-1 kein Ni in der Verbindungsschicht enthält (das heißt in dem Wachsmaterial), weist die Verbindungsschicht eine schlechte Benetzbarkeit für die metallische Schicht auf. Daher kann die Verbindungsschicht der Probe 1-1 eine ausreichende Festigkeit in der Bindung zwischen dem leitfähigen Element und der metallischen Schicht nicht zur Verfügung stellen. Andererseits enthält die Probe 1-5 eine große Menge Ni in der Verbindungsschicht. Dies ist daher nicht wünschenswert, da überschüssiges Ni mit in der metallischen Schicht enthaltenen W reagiert, so dass die intermetallische W-Ni-Verbindung erzeugt wird. Daher kann die Verbindungsschicht der Probe 1-5 eine ausreichende Festigkeit der Bindung zwischen dem leitfähigen Element und der metallischen Schicht nicht zur Verfügung stellen.
Gemäß Tabelle 2 wurden die Proben 2-1 bis 2-4 und 2-6 an ihren leitfähigen Elementen abgeschnitten. In anderen Worten verblieben während der Zugprüfung, welche auf diese Proben 2-1 bis 2-4 und 2-6 angewendet wurden, die Verbindungsschicht geeignet ohne durch die große Zuglast abgeschnitten zu werden. Daher wurde die Bindung zwischen der metallischen Schicht und dem leitfähigen Element geeignet durch die Verbindungsschicht selbst nach Abschluss der Zugprüfung aufrecht erhalten. Die Proben 2-5 jedoch wurden an der Grenzfläche oder irgendwo zwischen der metallischen Schicht und der Verbindungsschicht abgeschnitten, wenn die aufgebrachte Zuglast den angezeigten Wert überschritt.
Da die Probe 2-5 eine kleine Menge Ni in der Verbindungsschicht enthielt (das heißt in dem Wachsmaterial), weist die Verbindungsschicht schlechte Benetzbarkeit für die metallische Schicht auf. Daher kann die Verbindungsschicht der Probe 2-5 eine ausreichende Festigkeit in der Bindung zwischen dem leitfähigen Element und der metallischen Schicht nicht zur Verfügung stellen.
Tabelle 1

*1- das leitfähige Element wird abgeschnitten, wenn die aufgebrachte Kraft 70 N übersteigt.

Tabelle 2

Zweite Ausführungsform
4 zeigt eine Keramik-Metall-Verbindungsstruktur in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 4 gezeigt wird, umfasst eine Keramik-Metall-Verbindungsstruktur 1 in Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform einen keramischen Körper 10 und eine auf einer Oberfläche 100 des keramischen Körpers 10 bereitgestellte metallische Schicht 11. Die metallische Schicht 11 enthält 70 bis 100 Gewichtsprozent W. Ein Ni-Plattierungsfilm 13 ist auf der metallischen Schicht 11 bereitgestellt. Der Ni-Plattierungsfilm 13 ist 1 μm dick.
Eine Verbindungsschicht 12 ist auf dem Ni-Plattierungsfilm 13 bereitgestellt. Die Verbindungsschicht 12 enthält Cu als Hauptkomponente. Ein leitfähiges Element 14 ist über die Verbindungsschicht 12 an der metallischen Schicht 11 gebunden.
Die Verbindungsschicht 12 enthält 92 Gewichtsprozent Cu und 8 Gewichtsprozent Ni. Das leitfähige Element 14 enthält 100 Gewichtsprozent Ni.
Der Rest ist im Wesentlichen der gleiche wie der der ersten Ausführungsform.
Das Leistungsverhalten der Keramik-Metall-Verbindungsstruktur in Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform wird unter Verwendung der folgenden Proben 3-1 bis 3-5 und einer Tabelle 3 ausgewertet.
Die hergestellten Proben 3-1 bis 3-5 der zweiten Ausführungsform weisen gleiche Anordnung ähnlich zu der in 4 gezeigten auf. In der Keramik-Metall-Verbindungsstruktur, welche für die Proben 3-1 bis 3-5 angewendet wurden, sind die Zusammensetzungen der metallischen Schichten, der Verbindungsschichten und der leitfähigen Elemente unter den Proben 3-1 bis 3-5 nicht differenziert. Die Dicke des Ni-Plattierungsfilms ist jedoch voneinander unter den Proben 3-1 bis 3-5 unterschieden.
Jede der Proben 3-1 bis 3-5 wurde der Zugprüfung in der gleichen Art und Weise wie in der ersten Ausführungsform beschrieben unterzogen. Das Prüfergebnis wird bei „Zugfestigkeit" in Tabelle 3 gezeigt.
Gemäß der Tabelle 3 verblieben während der Zugprüfung, die auf die Proben 3-1 bis 3-3 angewendet wurden, die Verbindungsschicht geeignet ohne durch die große Zuglast abgeschnitten zu werden, selbst wenn das leitfähige Element abgeschnitten wurde. Die Proben 3-4 und 3-5 jedoch wurden an der Grenzfläche oder irgendwo zwischen der metallischen Schicht der Verbindungsschicht abgeschnitten, wenn die aufgegebene Zuglast die angezeigten Werte jeweils überschritt.
Es wird angenommen, dass die Erzeugung der intermetallischen W-Ni-Verbindung eintritt, wenn der Ni-Plattierungsfilm übermäßig dick ist. Daher können die Verbindungsschichten der Proben 3-4 und 3-5 eine ausreichende Festigkeit in der Bindung zwischen dem leitfähigen Element und der metallischen Schicht nicht zur Verfügung stellen.
Tabelle 3

Dritte Ausführungsform Eine Keramik-Metall-Verbindungsstruktur in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wirkt als ein vielschichtiger keramischer Heizer, obwohl die Anordnung der dritten Ausführungsform im Wesentlichen gleich zu der der ersten Ausführungsform ist.
Wie in 5 gezeigt, umfasst eine Keramik-Metall-Verbindungsstruktur 1 in Übereinstimmung mit der dritten Ausführungsform einen keramischen Körper 10 und eine auf einer Oberfläche 100 des keramischen Körpers 10 bereitgestellte metallische Schicht 11. Die metallische Schicht 11 enthält 70 bis 100 Gewichtsprozent W. Eine Verbindungsschicht 12 ist auf der metallischen Schicht 11 bereitgestellt. Die Verbindungsschicht 12 enthält Cu als Hauptkomponente. Ein leitfähiges Element 14 ist über die Verbindungsschicht 12 an die metallische Schicht 11 gebunden. Die Verbindungsschicht 12 enthält 92 Gewichtsprozent Cu und 8 Gewichtsprozent Ni. Das leitfähige Element ist aus Ni hergestellt.
Wie in 6D gezeigt wird, umfasst der vielschichtige keramische Heizer, welcher die Keramik-Metall-Struktur 1 der dritten Ausführungsform anwendet, ein Heizersubstrat 41, das ein Heizelement (nicht gezeigt) und einen Leitungsabschnitt 112 einschließt, und ein Decksubstrat 42, das auf dem Heizersubstrat 41 akkumuliert ist. Das Heizelement und der Leitungsabschnitt 112 sind zwischen dem Heizersubstrat 41 und dem Decksubstrat 42 verborgen. Die metallische Schicht 1 dient als eine Seitenflächenelektrode, welche elektrisch mit dem Leitungsabschnitt 12 verbunden ist. Das leitfähige Element 14, welches an die metallische Schicht 11 zu binden ist, ist ein elektrischer Draht, welcher elektrische Energie zu dem Heizelement über den Leitungsabschnitt 112 zuführt.
Darüber hinaus wird ein sekundärer Plattierungsfilm 15 auf den gesamten Oberflächen des leitfähigen Elements 14 und der Verbindungsschicht 12 gebildet, wodurch eine schützende Abdeckung bereitgestellt wird.
Der Rest der dritten Ausführungsform ist ähnlich zu der der ersten Ausführungsform.
Der vielschichtige keramische Heizer, der die Keramik-Metall-Verbindungsstruktur in Übereinstimmung mit der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anwendet, wird in der folgenden Art und Weise hergestellt.
Zunächst wird ein Schlicker durch Mischen eines gepulverten Ausgangsmaterials in einem Lösungsmittel hergestellt. Etwa 92 Gewichtsprozent des Ausgangsmaterials sind Al₂O₃, und der Rest (das heißt 8 Gewichtsprozent) sind SiO₂, CaO und MgO. Der hergestellte Schlicker wird in eine Lage mit einer Dicke von 1,2 mm unter Verwendung des Doctor-Blade-Verfahrens geformt. Dann wird die erhaltene Lage mit einer Pressmaschine gestanzt, um quadratische Grünfolien 410 und 420 mit jeweils einer Größe von 120 mm × 120 mm zu erhalten. Die Grünfolie 410 dient als das Heizersubstrat 41. Die Grünfolie 420 dient als das Decksubstrat 42.
Was die Herstellung der Grünfolien 410 und 420 betrifft, ist es möglich, andere Verfahren einschließlich der Extrusionsformgebung anzuwenden.
Als nächstes werden, wie in 6A gezeigt, eine Vielzahl von Heizermustern 40 auf die Grünfolie 410 unter Verwendung einer leitfähigen Paste gedruckt, die Metall wie W und Mo als Hauptkomponente einschließt.
Dann wird die Grünfolie 420 auf der gemusterten Heizeroberfläche der Grünfolie 410 des Decksubstrats akkumuliert, um einen vielschichtigen Heizerkörper 43 zu erhalten. Die Anzahl der Lagen, d.h., die Gesamtzahl der Grünfolien 410 und 420, welche den Heizerkörper 43 aufbauen, hängt von dem Zweck der Verwendung ab und kann daher flexibel geändert werden.
Wenn darüber hinaus das Heizersubstrat aus einer Vielzahl von Grünfolien 410 besteht, ist das Verbindungsmuster der Heizermuster 40 frei wählbar zwischen seriell und parallel.
Dann wird, wie in 6B gezeigt, der vielschichtige Heizerkörper 43 entlang einer abwechselnden lang und kurz gestrichelten Linie abgeschnitten, um eine Vielzahl von intermediären Produkten 44 zu erhalten, welche jeweils ein einzelnes Heizermuster 40 aufnehmen (siehe 6C).
Dann wird ein Druckabschnitt 481 auf einer Seitenfläche 48 jedes intermediären Produktes 44 unter Verwendung einer leitfähigen Paste gebildet, die W und Mo enthält. Der Druckabschnitt 481 wird elektrisch mit dem Heizermuster 40 in dem intermediären Produkt 44 verbunden. Der Druckabschnitt 481, wenn er gesintert ist, wird die metallische Schicht 11.
Darüber hinaus kann die leitfähige Paste für den Druckabschnitt 481 verschieden oder identisch mit der leitfähigen Paste für das Heizermuster 40 sein.
Danach wird das intermediäre Produkt 44 bei einer Temperatur von 1400 bis 1600 °C in einer reduzierenden Atmosphäre gesintert, die aus N₂- und H₂- Gasen besteht, wodurch das gesinterte intermediäre Produkt 44 erhalten wird. Es ist möglich, einen Schritt zum Polieren einer Kante des gesinterten intermediären Produkts 44 in eine gewünschte Form unter Verwendung einer Poliermaschine hinzu zu fügen.
Das aus Ni hergestellte leitfähige Element 14 wird sicher mit der metallischen Schicht 11 des gesinterten intermediären Produktes 44 unter Verwendung eines Cu-Wachsmaterials (Zusammensetzung: 100 Gewichtsprozent Cu) bei einer Hartlöttemperatur von 1000 bis 1200 °C hartgelötet. Durch dieses Hartlöten wird die Verbindungsschicht 12 gebildet.
Abschließend wird ein sekundärer Plattierungsfilm 15 auf den gesamten Oberflächen der Verbindungsschicht 12 und des leitfähigen Elements 14 gebildet, wodurch der vielschichtige keramische Heizer der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird.
Der Rest der dritten Ausführungsform ist ähnlich zu der der ersten Ausführungsform.
Die Keramik-Metall-Verbindungsstruktur der dritten Ausführungsform bringt die gleichen Funktionen und Effekte wie jene der ersten Ausführungsform.
Vierte Ausführungsform
Das in der ersten Ausführungsform offenbarte Herstellungsverfahren kann in der folgenden Art und Weise modifiziert werden.
Eine Grünfolie wird erhalten, um die metallische Schicht 11 aufzunehmen, die durch das in der ersten Ausführungsform offenbarte Verfahren hergestellt wurde.
Dann wird das Ni-Plattieren auf der metallischen Schicht 11 durchgeführt, um den Ni-Plattierungsfilm 13 mit einer Dicke von etwa 4 μm zu bilden. Ein elektrischer Draht (Ni-Gehalt = 90 Gewichtsprozent oder mehr) das heißt, das leitfähige Element 14 wird sicher auf dem Ni-Plattierungsfilm 13 durch das Hartlöten hartgelötet. Der Vorgang des Hartlötens wird bei einer hohen Temperatur von 1000 bis 1200 °C unter Verwendung eines Cu enthaltenen Wachsmaterials durchgeführt. Danach wird die sekundäre Plattierungsschicht 15 auf den gesamten Oberflächen des leitfähigen Elements 14 und der Verbindungsschicht 12 gebildet, wodurch der keramische Heizer erhalten wird.
Gemäß des sich ergebenden keramischen Heizers wurde der Ni-Plattierungsfilm 13 im Wesentlichen aufgrund der hohen Temperatur während des Vorgangs des Hartlötens eliminiert. Die Dicke des Ni-Plattierungsfilms 13 wurde auf wenige μm verringert. Es wird angenommen, dass der Ni-Plattierungsfilm 13 geschmolzen ist oder das Wachsmaterial in den Ni-Plattierungsfilm 13 diffundiert. Eine durch Wärme beeinflusste Ni-Plattierungsschicht wird jedoch zwischen der metallischen Schicht 11 und dem leitfähigen Element 14 gefunden. Diese durch Wärme beeinflusste Schicht umfasst die Ni-Plattierungsschicht, welche chemisch mit den Komponenten in der metallischen Schicht 11 und dem leitfähigen Element 14 kombiniert wurde.
Gemäß dieser Ausführungsform wird der Ni-Plattierungsfilm 13 auf der metallischen Schicht 11 gebildet. Dies ist wirkungsvoll, um die Benetzung für das Hartlöten zu verbessern, wodurch leicht eine exzellente Verbindungsstruktur realisiert wird.
Die Dicke des Ni-Plattierungsfilms 13 ist nicht auf 4 μm begrenzt. Eine bevorzugte Dicke des Ni-Plattierungsfilms 13 liegt in dem Bereich von 0 bis 10 μm (insbesondere bevorzugt 0 bis 5 μm).
Wenn der Ni-Plattierungsfilm 13 dünn ist (zum Beispiel 1 μm) wird der Ni-Plattierungsfilm 13 vollständig eliminiert. Der Ni-Plattierungsfilm 13 schmilzt oder verändert sich chemisch in eine Verbindung mit anderen Schichten, wenn er der Hochtemperatur während des Vorgangs des Hartlötens unterzogen wird. Daher besteht nur die durch Wärme beeinflusste Ni-Plattierungsschicht zwischen der metallischen Schicht und der leitfähigen Schicht.
Durch Bereitstellen des Ni-Plattierungsfilms in dieser Art und Weise kann die Benetzbarkeit für das Hartlöten verbessert und eine exzellente Verbindungsstruktur leicht realisiert werden.
Wenn die Dicke des Ni-Plattierungsfilms 13 10 μm übersteigt, wird die Bindungsfestigkeit aufgrund des dicken Ni-Plattierungsfilms 13 beeinträchtigt.
Diese Erfindung kann in verschiedenen Formen ausgeführt werden, ohne von dem Bereich der wesentlichen Eigenschaften davon abzuweichen. Die vorliegenden Ausführungsformen, wie sie beschrieben wurden, sind folglich dazu gedacht, nur illustrativ und nicht restriktiv zu sein, da der Bereich der Erfindung durch die angehängten Patentansprüche eher als durch die vorgenommene Beschreibung definiert wird. Alle Veränderungen fallen in das Maß und Ziel der Patentansprüche oder Äquivalente solches Maß und Ziels sind dazu gedacht, durch die Patentansprüche eingeschlossen zu sein.
Eine metallische Schicht (11) wird auf der Oberfläche (100) eines keramischen Körpers (10) bereitgestellt. Eine Verbindungsschicht (12) ist auf der metallischen Schicht (11) bereitgestellt. Die Verbindungsschicht (12) enthält 40 bis 98 Gewichtsprozent Kupfer und 2 bis 20 Gewichtsprozent Nickel. Ein leitfähiges Element (14) wird über die Verbindungsschicht (12) an die metallische Schicht (11) gebunden.

Claims

Keramik-Metall-Verbindungsstruktur (1), welche einen keramischen Körper (10), eine metallische Schicht (11), die auf einer Oberfläche (100) des keramischen Körpers (10) bereitgestellt ist und 70 bis 100 Gewichtsprozent Wolfram enthält, eine Verbindungsschicht (12), welche auf der metallischen Schicht (11) bereitgestellt ist und Kupfer als Hauptkomponente enthält, und ein leitfähiges Element (14), das mit der metallischen Schicht (11) über die Verbindungsschicht (12) verbunden ist, umfasst, wobei die Verbindungsschicht (12) 40 bis 98 Gewichtsprozent Kupfer und 2 bis 20 Gewichtsprozent Nickel enthält.
Die Keramik-Metall-Verbindungsstruktur nach Anspruch 1, wobei die Verbindungsschicht (12) 0 bis 58 Gewichtsprozent Gold enthält.
Keramik-Metall-Verbindungsstruktur (1), welche einen keramischen Körper (10), eine metallische Schicht (11), die auf einer Oberfläche (100) des keramischen Körpers (10) bereitgestellt ist und 70 bis 100 Gewichtsprozent Wolfram enthält, einen Nickel-Plattierungsfilm (13), der auf der metallischen Schicht (11) bereitgestellt ist, eine Verbindungsschicht (12), die auf dem Nickel-Plattierungsfilm (13) bereitgestellt ist und Kupfer als Hauptkomponente enthält, und ein leitfähiges Element (14), das mit der metallischen Schicht (11) über den Nickel-Plattierungsfilm (13) und die Verbindungsschicht (12) verbunden ist, umfasst, wobei die Verbindungsschicht (12) 65 bis 98 Gewichtsprozent Kupfer und 2 bis 20 Gewichtsprozent Nickel enthält.
Die Keramik-Metall-Verbindungsstruktur nach Anspruch 3, wobei die Verbindungsschicht (12) 0 bis 33 Gewichtsprozent Gold enthält.
Die Keramik-Metall-Verbindungsstruktur nach Anspruch 3, wobei der Nickel-Plattierungsfilm (13) eine Dicke gleich oder kleiner 1 μm aufweist.
Die Keramik-Metall-Verbindungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine beeinflusste Nickelschicht zwischen der metallischen Schicht (11) und der Verbindungsschicht (12) gebildet wird und der Nickelgehalt in der beeinflussten Nickelschicht größer ist als in der Verbindungsschicht (12).
Die Keramik-Metall-Verbindungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das leitfähige Element (14) 90 bis 100 Gewichtsprozent Nickel enthält.
Die Keramik-Metall-Verbindungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Verbindungsschicht (12) mindestens eine Substanz enthält, die aus der Gruppe ausgewählt wurde, welche aus P, Cd, Pd, Zn und Fe enthält und deren gesamte Menge der ausgewählten Substanz oder Substanzen gleich oder kleiner als 10 Gewichtsprozent ist.
Die Keramik-Metall-Verbindungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Keramik-Metall-Verbindungsstruktur (1) in einem keramischen Heizer angewendet wird.
Verfahren zur Herstellung einer Keramik-Metall-Verbindungsstruktur (1), welches die Schritte umfasst: Bilden einer metallischen Schicht (11) auf einer Oberfläche (100) eines keramischen Körper (10), wobei die metallische Schicht (11) 70 bis 100 Gewichtsprozent Wolfram enthält, und Binden eines leitfähigen Elements (14) an die metallische Schicht (11) unter Verwenden einer Verbindungsschicht (12), welche 40 bis 100 Gewichtsprozent Kupfer und 2 bis 20 Gewichtsprozent Nickel enthält und wobei das leitfähige Element (14) Nickel enthält.
Das Verfahren zur Herstellung einer Keramik-Metall-Verbindungsstruktur nach Anspruch 10, wobei das leitfähige Element (14) 25 bis 100 Gewichtsprozent Nickel enthält.
Verfahren zur Herstellung einer Keramik-Metall-Verbindungsstruktur (1), welches die Schritte umfasst: Bilden einer metallischen Schicht (11), welche 70 bis 100 Gewichtsprozent Wolfram enthält, auf einer Oberfläche (100) eines keramischen Körpers (10); und Binden eines leitfähigen Elements (14) an die metallische Schicht (11) unter Verwendung einer Verbindungsschicht (12), welche 40 bis 98 Gewichtsprozent Kupfer und 2 bis 20 Gewichtsprozent Nickel enthält.
Verfahren zur Herstellung einer Keramik-Metall-Verbindungsstruktur (1), welches die Schritte umfasst: Bilden einer metallischen Schicht (11) auf einer Oberfläche (100) eines keramischen Körpers (10), wobei die metallische Schicht (11) 70 bis 100 Gewichtsprozent Wolfram enthält; Bilden eines Nickel-Plattierungsfilms (13) auf der metallischen Schicht (11), wobei der Nickel-Plattierungsfilm (13) eine Dicke gleich oder kleiner 10 μm aufweist; und Binden eines leitfähigen Elements (14) auf eine Oberfläche des Nickel-Plattierungsfilms (13) unter Verwendung einer Verbindungsschicht (12), welche Kupfer und 2 bis 20 Gewichtsprozent Nickel enthält.
Das Verfahren zur Herstellung einer Keramik-Metall-Verbindungsstruktur nach Anspruch 13, wobei die Verbindungsschicht (12) 65 bis 100 Gewichtsprozent Kupfer enthält.
Das Verfahren zur Herstellung einer Keramik-Metall-Verbindungsstruktur nach Anspruch 13, wobei das leitfähige Element (14) Nickel enthält.
Das Verfahren zur Herstellung einer Keramik-Metall-Verbindungsstruktur nach Anspruch 15, wobei der Nickelgehalt in dem leitfähigen Element (14) nicht kleiner als 90 Gewichtsprozent ist.
Das Verfahren zur Herstellung einer Keramik-Metall-Verbindungsstruktur nach Anspruch 13, wobei die Dicke des Nickel-Plattierungsfilms nicht größer als 5 μm ist, bevor das leitfähige Element (14) auf den Nickel-Plattierungsfilm (13) durch Hartlöten gebunden wurde.