DE872767C

DE872767C - Process for the vacuum-tight melting of metal on ceramic

Info

Publication number: DE872767C
Application number: DEL8422A
Authority: DE
Inventors: Guenther Dipl-Ing Dobke
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1951-02-27
Filing date: 1951-02-27
Publication date: 1953-04-09

Description

Verfahren zum vakuumdichten Aufschmelzen von Metall auf Keramik Die in neuerer Zeit bekanntgewordenen Verfahren zum vakuumdichten Verbinden von Metall und Keramik lassen sich kurz folgendermaßen beschreiben: i. Die Keramikoberfläche wird durch Aufsintern einer dünnen Schicht von Schwermetallpulver, z. B. Wolfram oder Eisen, vormetallisiert und das Lot, vorzugsweise Reinsilber, auf diese Flächen aufgeschmolzen. Der Lötprozeß bzw. Vormetallisierungsprozeß erfolgt in einer Schutzgasatmosphäre. Die Keramik, vorzugsweise auf der Mg O-Si oz-Basis, muß durch Zusatz ein möglichst weitgehendes kristallines Gefüge erhalten.Process for the vacuum-tight melting of metal on ceramic Die Process for vacuum-tight joining of metal that has become known recently and ceramics can be briefly described as follows: i. The ceramic surface is made by sintering a thin layer of heavy metal powder, e.g. B. tungsten or iron, pre-metallized and the solder, preferably pure silver, on these surfaces melted. The soldering process or pre-metallization process takes place in a protective gas atmosphere. The ceramic, preferably based on Mg O-Si oz, must be added as much as possible largely crystalline structure preserved.

2. Das Silberlot wird unmittelbar auf die Keramikoberfläche aufgeschmolzen. Dem Lot. werden Legierungsbestandteile, z. B. .Phosphor, Lithium, Mangan zugefügt, die mit der Keramikoberflache und der Bindung glasflußartiger Zwischenschichten reagieren. Der Lötprozeß wird 'im Vakuum vorgenommen.2. The silver solder is melted directly onto the ceramic surface. The Lot. alloy components, e.g. B. Phosphorus, lithium, manganese added, those with the ceramic surface and the bonding of glass-flux-like intermediate layers react. The soldering process is carried out in a vacuum.

3. Auf die Keramikoberfläche wird eine Schicht von Metallhydriden; z. B. Titan oder Zirkon, aufgebracht, die beim Erwärmen während des Lötprozesses zerfällt und so eine Zwischenmetallisierung erzeugt. Das Verfahren ist an die Einhaltung bester Vakuumbedingungen während des Lötprozesses. gebunden, um die Oxydation der empfindlichen Metallschicht zu verhindern.3. A layer of metal hydrides is placed on the ceramic surface; z. B. titanium or zirconium, applied when heated during the soldering process disintegrates and thus creates an intermediate metallization. The procedure is to comply best vacuum conditions during the soldering process. bound to the oxidation of the to prevent sensitive metal layer.

Aus der Struktur der Keramik läßt sich feststellen, daß für eine Metall-Keramik-Verbindung zwei verschiedene Bindungstypen bestehen, nämlich die Glasbindung und die Kristallbindung. Welche Bindung im. einzelnen Fall vorliegt, hängt davon ab, ob die Oberfläche der Keramik mit dem einen oder anderen Bestandteil besonders angereichert ist: Allgemein wird man folgern können; daß, die kristalline Bindung die bessere ist, da die Festigkeit der kristallinen; Bestaridteiile,_ höher ist. Andererseits setzt die kristalline. Bindung voraus, daß, das Lötmetall durch Diffusion in die Oberflache des Kristallgitters eindringen kann, was nur bei geeigneter .Kristallstruktur möglich sein wird.From the structure of the ceramic it can be determined that for a metal-ceramic connection There are two different types of bond, namely the glass bond and the crystal bond. What bond in the. each case depends on whether the surface of the Pottery with the one or the other ingredient specially enriched is: In general one will be able to conclude; that, the crystalline bond the better is because the strength of the crystalline; Approved parts _ is higher. on the other hand sets the crystalline. Bond presupposes that the solder diffuses into the The surface of the crystal lattice can penetrate, which is only possible with a suitable crystal structure will be possible.

Bei Magnesiumsilicateu, die wegen ihres hohen Ausdehnungskoeffizienten am besten den zur Verfügung stehenden technischen Metallen angepäßt sind, ist ein derartiger Bindungsmechanismus möglich. Darauf deuten die guten Ergebnisse hin, die man in bezug auf Festigkeit der Bindung mit dem unter. i beschriebenen Verfahren erhält. Leider stellt die Herstellung einer Spezialkeramik in bezu auf die wirtschaftliche Verwendung ein Hindernis dar.In magnesium silicate, because of their high coefficient of expansion are best adapted to the available technical metals is a such a binding mechanism is possible. This is indicated by the good results, which one in terms of strength of the bond with the under. i described procedure receives. Unfortunately, the production of a special ceramic is too economical in terms of its cost Use is an obstacle.

Die Glasbindung liegt in dem entsprechenden Maß bei dem unter 2, beschriebenen Verfahren vor, da sich hier eine Zwischenschicht mit glasartigem Charakter bildet. Die Legierungsbestandteile werden unter der Wirkung des Restsauerstoffes oxydiert. Die entstehenden Metalloxyde, z. B. Li20, reagieren mit der Kieselsäure der Keramik zu einem ,Glasfloß.The glass bond is to the same extent as that described under 2 Process before, as an intermediate layer with a vitreous character is formed here. The alloy components are oxidized under the effect of the residual oxygen. The resulting metal oxides, e.g. B. Li20, react with the silica in the ceramic to one, glass raft.

Dieser Bindungstyp ist weniger fest, insbesondere temperaturfest, wenn auch wegen der guten Verankerung in der Metallschicht bei geeigneter Führung des Lötprozesses sich befriedigende Ergebnisse erzielen lassen. Im allgemeinen wird bei handelsüblicher Keramik, z: B. Steatit und deren Abarten, deren Verwendung aus wirtschaftlichen Gründen anzustreben ist, meistens eine verhältnismäßig leicht schmelzende, glasartige Komponente vorhanden sein, schon allein wegen des in den Ausgangsprodukten enthaltenen mehr oder weniger hohen Alkaligehalts: Aber auch die als Zusatz ein- -geführten Floßmittel basischen Charakters führen zu recht tief schmelzenden Eutektiken, die sich durch Wirkung der Oberflächenspannung beim Brennen an der Oberfläche anreichern. Bei einer derartigen Keramik besteht also grundsätzlich nur die Möglichkeit; Lötverbindungen mit Glasbindung herzustellen, denn auch jede Metallisierung wird auf. dieser Glashaut aufzubauen sein. , -:Um nun -auch bei derartig -mit GlasflÜssen--versetzter Keramik eine gute-Bindung zu erzielen, wie sie. bei der Kristallbildung erreicht wird, besteht -die Erfindung -bei "einem Verfahren - zum vakuumdichten Aufschmelzen von Metall auf Keramikflächen darin;- daß die Keramikoberfläche vor dem Aufbringen des flüssigen Lotes mit den Oxyden der Metalle der Erdsäuren (Vanadium, Niob, Tantal) oder der säurebildenden. Metalle (Chrom, Molybdän, Wolfram) in Kontakt gebracht wird bei einer Temperatur; bei der die alkalischen Bestandteile der tiefschmelzenden, glasigen Bestandteile der Keramik mit den sauren Metalloxyden reagieren und in kristalline Komplexe übergeführt- werden. Auf der Oberfläche der Keramik wird somit aus der natürlich vorhandenen glasartigen Brennhaut heraus eine Schicht von Kristallen gezüchtet, die sich infolge ihrer Struktur besonders gut für eine Verbindung mit einem Metallot eignen. Zu diesem Zweck wird die Keramikoberfläche mit den obengenannten Metalloxyden in Berührung gebracht, die einen ausgesprochenen sauren Charakter haben und Polysäuren bilden können, z. B. Tantal-Oxyd, Niob-Oxyd, Wolfram-Oxyd, Molpbdän-Oxyd und ähnliches. Die in der Glasschicht wachsenden Kristalle benutzen als basische Komponente unmittelbar Bestandteile des Glases; die mit den Metalloxyden Verbindungen eingehen. Als Prototyp für eine derartige kristalline Verbindung kann man die Wolfram-Bronzen bezeichnen, die nach dem Schema NaW 0, aufgebaut sind. Wenn man diesen Prozeß in reduzierender Atmosphäre vor sieh gehen läßt, so werden teilweise die Metalloxyde zu Suboxyden reduziert, und es entstehen Kristallgebilde, die sich durch Fehlstellen im Gitter auszeichnen, so daß die Atome des Lötmetalls die Möglichkeit zum Platzwechsel, d. h. zur Diffusion erhalten. Auf diese Weise gelingt es, auf der Keramikoberfläche eine aus der Keramik herausgewachsene kristalline Schicht zu erzeugen, die eine so große Affinität zum Lötmetall besitzt, daß es sich vollständig mit ihm benetzt.This type of bond is less strong, especially temperature-resistant, albeit because of the good anchoring in the metal layer with suitable guidance the soldering process can achieve satisfactory results. Generally will in the case of commercially available ceramics, e.g. steatite and its varieties, their use for economic reasons, the aim is usually a relatively easy melting, vitreous components may be present, if only because of that in the starting products contained more or less high alkali content: But also the as an additive -guided rafts with a basic character lead to very deep melting eutectics, which accumulate on the surface due to the effect of surface tension when burning. With such a ceramic there is basically only one possibility; Solder connections with glass bond, because every metallization is on. this glass skin to be built up. , -: To now -also with such -with GlasflÜssen - offset ceramics Achieve a good bond like her. when crystal formation is achieved, exists -the invention -in "a method - for vacuum-tight melting of metal on ceramic surfaces therein; - that the ceramic surface prior to the application of the liquid Solder with the oxides of the metals of the earth acids (vanadium, niobium, tantalum) or the acidifying. Metals (chromium, molybdenum, tungsten) is brought into contact with a temperature; in which the alkaline components of the low-melting, glassy ones Components of the ceramic react with the acidic metal oxides and turn into crystalline ones Complexes to be transferred. On the surface of the ceramic, the naturally existing vitreous skin grown out a layer of crystals, which, due to their structure, are particularly suitable for a connection with a metal solder suitable. For this purpose, the ceramic surface is coated with the above-mentioned metal oxides brought into contact, which have a pronounced acidic character and polyacids can form, e.g. B. tantalum oxide, niobium oxide, tungsten oxide, molybdenum oxide and the like. The crystals growing in the glass layer are used directly as a basic component Components of the glass; which form compounds with the metal oxides. As a prototype for such a crystalline compound one can designate the tungsten bronzes, which are built up according to the NaW 0 scheme. If you look at this process in reducing If the atmosphere is allowed to go, the metal oxides sometimes become sub-oxides reduced, and there are crystal structures, which are caused by imperfections in the lattice so that the atoms of the solder have the opportunity to move, d. H. obtained for diffusion. In this way it succeeds on the ceramic surface to produce a crystalline layer grown out of the ceramic, the one has such a great affinity for the solder that it wets itself completely with it.

Die Züchtung der Kristallschicht kann wegen des hohen 5ublimationsdruckes der Metalloxyde so vorgenommen werden, daß die Metalloxyde in ihrer Dampfphase zur Wirkung gelangen.The growth of the crystal layer is not possible because of the high sublimation pressure the metal oxides are made so that the metal oxides in their vapor phase to Effect.

Claims

PATENT CLAIMS- i. Method for the vacuum-tight melting of metal on ceramic surfaces, characterized in that; that the ceramic surface: flat before the application of the liquid solder with the oxides of the metals of the earth acids (vanadium, niobium, tantalum) or the acid-forming metals (chromium, molybdenum, tungsten) is brought into contact at a temperature at which the alkaline components of the low-melting, vitreous components of the ceramic react with the acidic metal oxides and are converted into crystalline complexes.

2. The method according to claim i, characterized; that growing the crystals in a reducing atmosphere or in a vacuum.

3. The method according to claim i and 2, characterized in that that the crystalline modification is based on the ax of the alkali tungstates. q ..

Process according to Claims i to 3, characterized in that the metal oxides are in Vapor form are brought up to the ceramic surface.

5. The method according to claim z to q., characterized in that a magnesium silicate is used as the ceramic.

6th Method according to claims i to 5, characterized in that silver or Copper or an alloy of both metals is used.