EP1333953A1 - Soldering method for producing a ceramic-metal joint - Google Patents

Soldering method for producing a ceramic-metal joint

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Publication number
EP1333953A1
EP1333953A1 EP01988638A EP01988638A EP1333953A1 EP 1333953 A1 EP1333953 A1 EP 1333953A1 EP 01988638 A EP01988638 A EP 01988638A EP 01988638 A EP01988638 A EP 01988638A EP 1333953 A1 EP1333953 A1 EP 1333953A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ceramic
metal
connection
temperature
silver
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01988638A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Rüdiger Nass
Michael Kuntz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanogate Technologies GmbH
Original Assignee
Nanogate Technologies GmbH
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10055910A external-priority patent/DE10055910A1/en
Application filed by Nanogate Technologies GmbH filed Critical Nanogate Technologies GmbH
Publication of EP1333953A1 publication Critical patent/EP1333953A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/19—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering taking account of the properties of the materials to be soldered

Definitions

  • the present invention relates to the preamble of the independent claim.
  • the present invention is concerned with the welding of ceramics.
  • Soldering or connecting ceramic and metal is problematic if a very durable connection is to be achieved in a simple manner. First of all, it is difficult to get a connection at all; however, this must also be very stable, which, given the often very different material properties of metal and ceramic, is not guaranteed, at least not readily. Particular problems arise with cyclic and / or high heating of the workpiece in the connection area. Due to the greatly different thermal expansion coefficients of the connection partners, destruction by shell breakage can occur even with one-time high and / or rapid heating or rapid cooling.
  • This document proposes a method for joining two ceramics or a ceramic to a metal, in which a surface of a ceramic is coated with a reactive component. The coated surface is soldered to the surface of another ceramic coated in the same way or to the surface of a metal.
  • the wetting with the reactive component takes place with active solders separately from Soldering process and in particular complete wetting should be ensured in the case of capillary soldering.
  • a drawback that makes the DE 197 34 211 provides for soldered joints in a high vacuum oven at pressures of 1CT 4 - perform 10 "5 mbar.
  • the present invention consists in providing something new for commercial use.
  • the invention thus proposes, according to a first aspect of the invention, that an active solder component is applied to the ceramic in order to produce a ceramic-metal connection, the metal to be connected is brought onto the surface provided with the active solder component and then an electrical current flow caused by the interface until a desired connection is achieved.
  • the method can also be used without difficulty for the connection of ceramic and metal, which have different coefficients of expansion, by using solder in an amount sufficient to reduce and / or absorb mechanical stresses between ceramic and metal.
  • solder in an amount sufficient to reduce and / or absorb mechanical stresses between ceramic and metal.
  • the high and low temperatures are defined on the one hand by the maximum or minimum operating temperatures, possibly taking into account a safety reserve, or, if only a narrow temperature band is covered during operation, by cooling from the soldering temperature to the ambient temperature. If the latter temperature difference is limiting, a gradual cooling of the transition point by gradually lowering the current flow, in particular in steps or in a ramped manner, can be beneficial.
  • a typical application area which is particularly preferred for the invention is the manufacture of Position of a ceramic-metal connection between silicon carbide glow igniters and the like and the metal connections of a connecting line supplying this power. It goes without saying that a particularly intensive thermal cycling will occur especially with glow igniters.
  • Another preferred variant of the method relates to titanium boride, which can also be used according to the invention
  • aluminum is used as the metal with which the ceramic, in particular the carbide, especially silicon carbide, can be bonded. Due to its high ductility, aluminum results in a particularly efficient reduction of mechanical stresses, so that shell breaks and the like are particularly effectively avoided. A connection between ceramic and metal with aluminum as metal can also be established due to the good absorption of mechanical stresses with fast heating up or cooling down times, which in turn accelerates the establishment of the connection. Added to this is the high oxygen affinity of aluminum, which helps to reduce existing oxide layers in the contact area and thus results in a particularly good connection.
  • Another metal that can preferably be used is silver or a silver-containing alloy, in particular with a silver content of at least 30% silver, a silver-containing alloy, hereinafter silver, which also has a high ductility and to which a higher temperature resistance than Has aluminum. It is preferred to use silver in conjunction with a component such as aluminum or also titanium, which has a high affinity for oxygen and / or is suitable as an active component for other reasons.
  • the active component is applied to the ceramic, roughly rubbed before the ceramic-silver connection is created.
  • Other active, oxygen-affine metals and / or alloys, for example hafnium, can be used, but are typically too expensive.
  • the current and / or the power is changed during the welding process. It is particularly preferred if the current is voltage-limited when heated or in the heated state. This safely prevents overheating, which would lead to material scaling, material that is not covered by the melt oxidized, etc.
  • a clamping of the parts to be connected to one another, in particular clamping with constant force, can be provided. This ensures a proper connection.
  • the electrodes are preferably used for clamping.
  • a silicon carbide body for a SiC glow starter is rubbed several times over an aluminum sheet as an active component at a contact end that is remote from the glow tip and is to be contacted.
  • the rubbing can be done manually, but in the present case is supported mechanically by arranging the sheet on a rotating disc against which the contact end to be rubbed is pressed for a sufficient time. Then a silver stripe is placed on the contact end and silver stripe and silicon carbide are clamped between two electrodes with a defined, constant force.
  • a voltage of approximately 50 volts is now applied across the electrodes.
  • a current flows, whereby the vast majority of the voltage drops at the interface between metal and carbide and in the ceramic body.
  • the voltage can be between 10 and 50 volts.
  • the initial voltage depends on the electrical cold conductivity of the ceramics. Those specified conductivities are preferred which require initial voltages of 10 to 150 V for a given geometry.
  • the SiC plate and the silver stripe heat up considerably, the resistance decreases and the current increases. An increase from approximately 3 amperes to approximately 15 amperes was observed, where the limitation was made.
  • the voltage is reduced to about 15 volts at the same time. This prevents a critical temperature from being exceeded and heats the transition point to a temperature of at least 960 °, corresponding to the melting temperature of silver. After this temperature has been reached, the electrodes clamped against one another approach each other, and after reaching a predetermined approach position, the current is switched off. It should be noted that exceeding the critical temperature can also be prevented if the effective performance as such is limited. It should also be pointed out that the flowing currents will depend in particular on the geometry of the arrangement. As a result, welding between the SiC element and silver stripes is obtained.
  • a nickel strand is crimped with an aluminum shoe. Ceramic and aluminum shoes are now placed between electrodes and a voltage of approximately 50 volts is applied. The Sic plate heats up at the transition point within a few seconds, and the specific resistance of the SiC, which is about 0.3 to 2 ohm ⁇ cm at room temperature, drops to 1/5 to 1/10 of the initial value while the ceramic is heated. The maximum current is again limited to 15 amps.
  • connection obtained in this way proves to be highly stable even with repeated rapid cycling, without damage in the form of shell breaks and / or tension cracks being observed.
  • a silver cable lug is welded directly with titanium-rubbed SiC, the welding voltage again being selected to be high and being reduced or limited in the course of the welding in order to avoid welding point overheating.
  • the compound obtained is even more stable than that to aluminum, in particular due to the higher melting temperature of silver. This makes the connection particularly suitable for use in glow contact.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

The invention relates to a method for producing a ceramic-metal joint. An active solder component is applied to the ceramic and the metal to be joined is applied to the surface. The invention provides that a flow of electric current is produced through the transition point until the desired joint is obtained.

Description

Titel: LÖTVERFAHREN FÜR EINE KERAMΪK-METALLVERBINDUNGTitle: SOLDERING METHOD FOR A KERAMΪK METAL JOINT
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft den Oberbegriff des unabhängigen Anspruches . Damit befaßt sich die vorliegende Erfindung mit dem Verschweißen von Keramik.The present invention relates to the preamble of the independent claim. The present invention is concerned with the welding of ceramics.
Das Verlöten bzw. Verbinden von Keramik und Metall ist problematisch, wenn auf einfache Weise eine sehr haltbare Verbindung erzielt werden soll. Zunächst ist es schwierig, überhaupt eine Verbindung zu erhalten; diese muß aber zusätzlich noch sehr stabil sein, was angesichts der oftmals stark unterschiedlichen Materialeigenschaften von Metall und Keramik nicht, jedenfalls nicht ohne weiteres gewährleiste ist. Besondere Probleme treten bei zyklischer und/oder hoher Erwärmung des Werkstückes im Verbindungsbereich auf. Dabei kann es aufgrund der stark unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Verbindungspartner bereits bei einmaliger hoher und/oder schneller Erwärmung bzw. zu schneller Abkühlung zu einer Zerstörung durch Muschelbruch kommen.Soldering or connecting ceramic and metal is problematic if a very durable connection is to be achieved in a simple manner. First of all, it is difficult to get a connection at all; however, this must also be very stable, which, given the often very different material properties of metal and ceramic, is not guaranteed, at least not readily. Particular problems arise with cyclic and / or high heating of the workpiece in the connection area. Due to the greatly different thermal expansion coefficients of the connection partners, destruction by shell breakage can occur even with one-time high and / or rapid heating or rapid cooling.
Ein Verfahren zum Verschweißen von Keramiken ist aus derA method for welding ceramics is known from the
DE 197 34 211 AI bekannt. Dieses Dokument schlägt ein Verfahren zum Verbinden zweier Keramiken oder einer Keramik mit einem Metall vor, bei welchem eine Oberfläche einer Keramik mit einer reaktiven Komponente beschichtet wird. Die beschichtete Oberfläche wird mit der Oberfläche einer weiteren, in gleicher Weise beschichteten Keramik oder mit der Oberfläche eines Metalls verlotet. Die Benetzung mit der reaktiven Komponente erfolgt gemäß DE 197 34 211 mit Aktivloten getrennt vom Lötvorgang und dabei soll insbesondere eine vollständige Benetzung bei einer Kapillarlötung sichergestellt werden. Machteilig ist jedoch, dass die DE 197 34 211 vorsieht, Verlötungen in einem Hochvakuumofen bei Drücken von 1CT4 - 10"5 mbar durchzuführen.DE 197 34 211 AI known. This document proposes a method for joining two ceramics or a ceramic to a metal, in which a surface of a ceramic is coated with a reactive component. The coated surface is soldered to the surface of another ceramic coated in the same way or to the surface of a metal. According to DE 197 34 211, the wetting with the reactive component takes place with active solders separately from Soldering process and in particular complete wetting should be ensured in the case of capillary soldering. However, a drawback that makes the DE 197 34 211 provides for soldered joints in a high vacuum oven at pressures of 1CT 4 - perform 10 "5 mbar.
Die hier vorliegende Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereit zu stellen.The present invention consists in providing something new for commercial use.
Dieses Ziel wird erreicht mit einem Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This aim is achieved with a method according to independent claim 1. Preferred embodiments are specified in the dependent claims.
Damit schlägt die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt der Er- findung vor, dass zur Herstellung einer Keramik-Metall- Verbindung eine aktive Lotkomponente auf die Keramik aufgebracht wird, das zu verbindende Metall auf die mit aktiver Lotkomponente versehene Oberfläche gebracht wird und dann ein elektrischer Stromfluss durch die Grenzfläche bewirkt wird, bis eine gewünschte Verbindung erzielt ist.The invention thus proposes, according to a first aspect of the invention, that an active solder component is applied to the ceramic in order to produce a ceramic-metal connection, the metal to be connected is brought onto the surface provided with the active solder component and then an electrical current flow caused by the interface until a desired connection is achieved.
Wesentlich hierbei ist, dass vorliegend eine elektrische, insbesondere resistive Erwärmung vorgesehen wird, um eine dauerhafte und feste Keramik-Metall-Verbindung zu schaffen. Es wurde erkannt, dass sich an der Grenzfläche zwischen Keramik und Metall ein solcher ύbergangswiderstand ergibt, der sich für e ne gezielte Erwärmung im Übergangsbereich nutzen lässt. Ein für die Erfindung wesentlicher Gedanke ist dabei, praktisch nur lokal die Erwärmung so groß zu wählen, dass im Kontaktbereich Oxide und/oder Oxidschichten reduziert werden können, ohne an anderen Stellen die chemische Integrität der Einzelmaterialien und/oder deren Übergang zu gefährden, wodurch insgesamt ein Hochvakuumofen entbehrlich wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird demgemäß zumindest im Übergangsbereich eine Erwärmung vorgenommen, die ausreicht, um eine lokale Schmelze zu erzeugen. Besonders bevor- zugt ist es, wenn die gesamte Schmelze auf eine Temperatur erwärmt wird, bei welcher sich in Umgebungsatmosphäre etwa bildende Oxide und/oder vorhandene Oxidschichten durch Reaktionen zwischen Keramikkörper und Metallschmelze reduziert, insbesondere bevorzugt vollständig reduziert werden.It is essential here that electrical, in particular resistive heating is provided in order to create a permanent and solid ceramic-metal connection. It was recognized that there is such a transition resistance at the interface between ceramic and metal that can be used for targeted heating in the transition area. An essential idea for the invention is to select the heating practically only locally so large that oxides and / or oxide layers can be reduced in the contact area without endangering the chemical integrity of the individual materials and / or their transition at other points, which overall a high vacuum furnace becomes unnecessary. In a preferred embodiment, heating is carried out at least in the transition area, which is sufficient to produce a local melt. It is particularly preferred if the entire melt is heated to a temperature at which any oxides and / or oxide layers that may be formed in the ambient atmosphere are reduced, particularly preferably completely, by reactions between the ceramic body and the metal melt.
Das Verfahren kann ohne weiteres auch zur Verbindung von Keramik und Metall verwendet werden, welche unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten besitzen, indem Lot hinreichender Menge verwendet wird, um mechanische Spannungen zwischen Ke- ramik und Metall zu reduzieren und/oder aufzunehmen. Als Hinweis, wann dies der Fall ist, ist die Abwesenheit von Muschelbrüchen, Spannungsrissen und dergleichen insbesondere auch nach wiederholtem Zyclieren zwischen hohen und niedrigen Temperaturen. Die hohen und niedrigen Temperaturen sind dabei einerseits durch die maximalen beziehungsweise minimalen Betriebstemperaturen, gegebenenfalls unter Berücksichtigung einer Sicherheitsreserve, definiert, beziehungsweise, sofern im Betrieb lediglich ein schmales Temperaturband überstrichen wird, durch die Abkühlung von der Löttemperatur auf die Umge- bungstemperatur. Sollte letztere Temperaturdifferenz begrenzend sein, kann ein allmähliches Abkühlen der Übergangsstelle durch allmähliches Absenken des Stromflusses, insbesondere in Stufen oder gerampt förderlich sein.The method can also be used without difficulty for the connection of ceramic and metal, which have different coefficients of expansion, by using solder in an amount sufficient to reduce and / or absorb mechanical stresses between ceramic and metal. As an indication of when this is the case, the absence of shell breaks, stress cracks and the like is especially after repeated cycling between high and low temperatures. The high and low temperatures are defined on the one hand by the maximum or minimum operating temperatures, possibly taking into account a safety reserve, or, if only a narrow temperature band is covered during operation, by cooling from the soldering temperature to the ambient temperature. If the latter temperature difference is limiting, a gradual cooling of the transition point by gradually lowering the current flow, in particular in steps or in a ramped manner, can be beneficial.
Es ist möglich und bevorzugt, das Verfahren mit Carbidkerami- ken auszuführen, wobei in einer besonderes bevorzugten Variante Siliciumcarbid verwendet wird. Ein typisches und für die Erfindung besonders bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Her- Stellung einer Keramik-Metall-Verbindung zwischen Silicium- carbid-Glühzündern und dergleichen und den metallischen Anschlüssen einer dieser Leistung zuführenden Anschlussleitung . Es versteht sich, dass gerade bei Glühzündern eine besonderes intensive thermische Zyklierung auftreten wird. Eine weitere bevorzugte Variante des Verfahrens betrifft Titan-Borid, das ebenfalls erfindungsgemäß verwendbar istIt is possible and preferred to carry out the process with carbide ceramics, silicon carbide being used in a particularly preferred variant. A typical application area which is particularly preferred for the invention is the manufacture of Position of a ceramic-metal connection between silicon carbide glow igniters and the like and the metal connections of a connecting line supplying this power. It goes without saying that a particularly intensive thermal cycling will occur especially with glow igniters. Another preferred variant of the method relates to titanium boride, which can also be used according to the invention
Als Metall, mit welchem die Keramik, insbesondere das Carbid, vor allem Siliciumcarbid verbunden werden kann, wird in einer bevorzugten Variante Aluminium verwendet. Aluminium hat auf Grund seiner hohen Duktilität eine besonders effiziente Verringerung mechanischer Spannungen zur Folge, so dass Muschelbruche und dergleichen besonders wirksam vermieden werden. Auch ist eine Verbindung zwischen Keramik und Metall mit Aluminium als Metall auf Grund der guten Aufnahme mechanischer Spannungen mit schnellen Aufheiz- beziehungsweise Abkühlzeiten herzustellen, was wiederum die Herstellung der Verbindung beschleunigt. Hinzu kommt die hohe Sauerstoff-Affinität von Aluminium, die beiträgt, vorhandene Oxidschichten im Kontaktbereich zu reduzieren und so eine besonders gute Verbindung ergibt .In a preferred variant, aluminum is used as the metal with which the ceramic, in particular the carbide, especially silicon carbide, can be bonded. Due to its high ductility, aluminum results in a particularly efficient reduction of mechanical stresses, so that shell breaks and the like are particularly effectively avoided. A connection between ceramic and metal with aluminum as metal can also be established due to the good absorption of mechanical stresses with fast heating up or cooling down times, which in turn accelerates the establishment of the connection. Added to this is the high oxygen affinity of aluminum, which helps to reduce existing oxide layers in the contact area and thus results in a particularly good connection.
Als weiteres Metall, welches bevorzugt verwendet werden kann, ist Silber bzw. eine silberhaltige, insbesondere mit einem Silbergehalt von wenigstens 30 % Silber stark silberhaltige Legierung, zu nennen, nachfolgend Silber, welches gleichfalls eine hohe Duktilität besitzt, und zu dem eine höhere Temperaturbeständigkeit als Aluminium aufweist. Bevorzugt ist es, Silber in Verbindung mit einer Komponente wie Aluminium oder auch Titan zu verwenden, welches eine hohe Affinität zu Sauerstoff besitzt und/oder aus anderen Gründen als Aktivkompo- nente geeignet ist. Die aktive Komponente wird dabei bevor- zugt auf die Keramik aufgebracht, etwa aufgerieben, bevor die Keramik-Silber-Verbindung erzeugt wird. Andere aktive, sauerstoffaffine Metalle und/oder -legierungen, z.B. Hafnium, sind verwendbar, aber typisch zu teuer.Another metal that can preferably be used is silver or a silver-containing alloy, in particular with a silver content of at least 30% silver, a silver-containing alloy, hereinafter silver, which also has a high ductility and to which a higher temperature resistance than Has aluminum. It is preferred to use silver in conjunction with a component such as aluminum or also titanium, which has a high affinity for oxygen and / or is suitable as an active component for other reasons. The active component is applied to the ceramic, roughly rubbed before the ceramic-silver connection is created. Other active, oxygen-affine metals and / or alloys, for example hafnium, can be used, but are typically too expensive.
In einer besonders bevorzugten Variante wird der Strom und/oder die Leistung beim Schweißvorgang verändert. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn der Strom beim Erwärmen beziehungsweise im erwärmten Zustand spannungsbegrenzt wird. So wird eine Überhitzung sicher vermieden, die dazu führen würde, dass Material verzundert, nicht von Schmelze bedecktes Material oxidiert usw.In a particularly preferred variant, the current and / or the power is changed during the welding process. It is particularly preferred if the current is voltage-limited when heated or in the heated state. This safely prevents overheating, which would lead to material scaling, material that is not covered by the melt oxidized, etc.
Es kann eine Klemmung der miteinander zu verbindenden Teile, insbesondere Klemmung mit konstanter Kraft vorgesehen werden. Dies stellt eine ordnungsgemäße Verbindung sicher. Bevorzugt erfolgt die Klemmung vermittels der Elektroden.A clamping of the parts to be connected to one another, in particular clamping with constant force, can be provided. This ensures a proper connection. The electrodes are preferably used for clamping.
Die Erfindung wird im folgenden nur beispielhaft und ohne Be- zugnahme auf eine Figur beschrieben.The invention is described below only by way of example and without reference to a figure.
Ein Siliciu carbidkörper für einen SiC-Glühzünder wird an ei- nem von der Glühspitze entfernten, zu kontaktierenden Kontaktende mehrfach über ein Aluminiumblech als aktive Komponente gerieben. Das Reiben kann manuell erfolgen, wird aber vorliegend maschinell unterstützt, indem das Blech auf einer rotierenden Scheibe angeordnet wird, gegen welche das zu berei- bende Kontaktende eine ausreichende Zeit gedrückt wird. Dann wird ein Silberstreifen auf das Kontaktende aufgelegt und Silberstreifen und Siliciumcarbid zwischen zwei Elektroden mit definierter, konstanter Kraft gegeneinander geklemmt.A silicon carbide body for a SiC glow starter is rubbed several times over an aluminum sheet as an active component at a contact end that is remote from the glow tip and is to be contacted. The rubbing can be done manually, but in the present case is supported mechanically by arranging the sheet on a rotating disc against which the contact end to be rubbed is pressed for a sufficient time. Then a silver stripe is placed on the contact end and silver stripe and silicon carbide are clamped between two electrodes with a defined, constant force.
Es wird nun eine Spannung von ca. 50 Volt über die Elektroden angelegt. Es fließt ein Strom, wobei der weit überwiegende Teil der Spannung an der Grenzfläche zwischen Metall und Car- bid sowie im Keramikkörper abfällt. Abhängig von der Leitfähigkeit der Keramik kann die Spannung in anderen Fällen zwischen 10 und 50 Volt liegen. Es sei darauf hingewiesen, dass die Initialspannung von der elektrischen Kalt-Leitfähigkeit der Keramiken abhängig ist. Es werden solche spezifizierten Leitfähigkeiten bevorzugt, die bei gegebener Geometrie Initi- alspannungen von 10 bis 150 V benötigen.A voltage of approximately 50 volts is now applied across the electrodes. A current flows, whereby the vast majority of the voltage drops at the interface between metal and carbide and in the ceramic body. In other cases, depending on the conductivity of the ceramic, the voltage can be between 10 and 50 volts. It should be noted that the initial voltage depends on the electrical cold conductivity of the ceramics. Those specified conductivities are preferred which require initial voltages of 10 to 150 V for a given geometry.
Die SiC-Platte und der Silberstreifen erwärmen sich dabei stark, wobei der Widerstand sinkt und der Strom ansteigt. Beobachtet wurde ein Anstieg von etwa 3 Ampere auf ca. 15 Ampere, wo begrenzt wurde. Die Spannung wird hierbei gleichzei- tig auf etwa 15 Volt reduziert. Damit wird das Überschreiten einer kritischen Temperatur verhindert und die Übergangsstelle auf eine Temperatur von wenigstens 960° entsprechend der Schmelztemperatur von Silber erhitzt. Nach Erreichen dieser Temperatur nähern sich die gegeneinandergeklemmten Elektroden einander an, und nach Erreichen einer vorgegebenen Annäherungsstellung wird der Strom abgeschaltet. Es sei darauf hingewiesen, dass das Überschreiten der kritischen Temperatur auch verhindert werden kann, wenn die effektive Leistung als solche begrenzt wird. Weiter ist darauf hinzuweisen, dass die fließenden Ströme insbesondere von der Geometrie der Anordnung abhängen werden. Im Ergebnis wird eine Verschweißung zwischen dem SiC-Element und Silberstreifen erhalten.The SiC plate and the silver stripe heat up considerably, the resistance decreases and the current increases. An increase from approximately 3 amperes to approximately 15 amperes was observed, where the limitation was made. The voltage is reduced to about 15 volts at the same time. This prevents a critical temperature from being exceeded and heats the transition point to a temperature of at least 960 °, corresponding to the melting temperature of silver. After this temperature has been reached, the electrodes clamped against one another approach each other, and after reaching a predetermined approach position, the current is switched off. It should be noted that exceeding the critical temperature can also be prevented if the effective performance as such is limited. It should also be pointed out that the flowing currents will depend in particular on the geometry of the arrangement. As a result, welding between the SiC element and silver stripes is obtained.
In einem weiteren Beispiel wird eine Nickel-Litze mit einem Aluminiumschuh verkrimpt. Nun werden Keramik und Aluminium- schuh zwischen Elektroden angeordnet und eine Spannung von etwa 50 Volt angelegt. Binnen weniger Sekunden erwärmt sich die Sic-Platte an der Übergangsstelle, wobei der spezifische Widerstand des SiC, der bei Raumtemperatur etwa 0,3 bis 2 Ohm x cm beträgt, unter Erwärmung der Keramik auf 1/5 bis 1/10 des Anfangswertes absinkt. Der Maximalstrom wird wiederum auf 15 Ampere begrenzt.In another example, a nickel strand is crimped with an aluminum shoe. Ceramic and aluminum shoes are now placed between electrodes and a voltage of approximately 50 volts is applied. The Sic plate heats up at the transition point within a few seconds, and the specific resistance of the SiC, which is about 0.3 to 2 ohm × cm at room temperature, drops to 1/5 to 1/10 of the initial value while the ceramic is heated. The maximum current is again limited to 15 amps.
Die so erhaltene Verbindung erweist sich auch bei wiederhol- tem schnellen Zyklieren als hoch beständig, ohne dass Beschädigungen in Form von Muschelbrüchen und/oder Spannungsrissen beobachtet werden.The connection obtained in this way proves to be highly stable even with repeated rapid cycling, without damage in the form of shell breaks and / or tension cracks being observed.
Während des Verschweißvorganges treten auf Grund des hohen Übergangswiderstandes lokal sehr hohe Temperaturen auf. Diese Temperaturen sind lokal signifikant höher als in umliegenden Bereichen der Übergangsstelle; es wird vermutet, dass sich eventuell bildende Oxide, die einerseits mit Sauerstoff aus der Ümgebungsatmosphäre und andererseits durch oberflächliche Siθ2-Schichten auf dem Siliciumcarbid bzw. Al2O3-Sch.ich.ten auf dem Aluminium beruhen können, bei diesen hohen Temperaturen reduziert werden, insbesondere durch Reaktionen zwischen der metallischen Aktivkomponente und dem Sauerstoff. Die sich bildenden Oxide der metallischen Aktivkomponente werden auf- grund der hohen Temperatur an der Übergangsstelle vollständig gelöst. Durch die lokale überhitzung ergibt sich damit eine allenfalls gering durch Oxide beeinträchtigte Übergangsstelle. In einem dritten Ausführungsbeispiel wird ein Silberkabelschuh unmittelbar mit titanberiebenem SiC verschweißt, wobei wiederum die Schweißspannung zunächst hoch gewählt ist und im Verlauf der Schweißung reduziert bzw. begrenzt wird, um Schweißstellenüberhitzung zu vermeiden. Die erhaltene Verbindung ist noch beständiger als jene zu Aluminium und zwar insbesondere auf Grund der höheren Schmelztemperatur von Silber. Dies macht die Verbindung besonders geeignet für die Verwendung bei der Glühzünderkontaktierung. Due to the high contact resistance, very high temperatures occur locally during the welding process. These temperatures are significantly higher locally than in the surrounding areas of the transition point; it is assumed that possibly forming oxides, which can be based on the one hand with oxygen from the surrounding atmosphere and on the other hand through surface SiO 2 layers on the silicon carbide or Al 2 O 3 layers on the aluminum, at these high temperatures can be reduced, in particular by reactions between the metallic active component and the oxygen. The oxides of the metallic active component that form are completely dissolved due to the high temperature at the transition point. The local overheating thus results in a transition point which is only slightly affected by oxides. In a third exemplary embodiment, a silver cable lug is welded directly with titanium-rubbed SiC, the welding voltage again being selected to be high and being reduced or limited in the course of the welding in order to avoid welding point overheating. The compound obtained is even more stable than that to aluminum, in particular due to the higher melting temperature of silver. This makes the connection particularly suitable for use in glow contact.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung einer Keramik-Metallverbindung, wobei eine aktive Lotkomponente auf die Keramik und das zu verbindende Metall auf die Oberflache aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Stromfluß durch die Übergangsstelle bewirkt wird, bis eine gewünschte Verbindung erzielt ist.1. A method for producing a ceramic-metal connection, wherein an active solder component is applied to the ceramic and the metal to be connected to the surface, characterized in that an electrical current flow is effected through the transition point until a desired connection is achieved.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erwärmung bis zum lokalen Schmelzen des Metalls vorgenommen wird.2. The method according to the preceding claim, characterized in that heating is carried out until the metal locally melts.
3. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze auf eine Temperatur erwärmt wird, die ausreicht, um im Kontaktbereich Oxide und/oder Oxidschichten zu reduzieren.3. The method according to the preceding claim, characterized in that the melt is heated to a temperature which is sufficient to reduce oxides and / or oxide layers in the contact area.
4. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bereichsweise auf eine Temperatur am Verbindungsort von wenigstens 800°C, bevorzugt um 900°C, insbesondere für Silber bevorzugt jenseits 960°C, erhitzt wird.4. The method according to the preceding claim, characterized in that at least in regions to a temperature at the connection point of at least 800 ° C, preferably around 900 ° C, in particular for silver, preferably beyond 960 ° C, is heated.
5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es an ümgebungsluft , das heißt in Umgebungsatmosphäre ausgeführt wird.5. The method according to the preceding claim, characterized in that it is carried out in ambient air, that is, in an ambient atmosphere.
6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Lot in einer ausreichenden Menge verwendet wird, um mechanische Spannungen insbesondere auf- grund unterschiedlicher Ausdehnungkoeffizienten zwischen Keramik und Metall zu reduzieren und/oder aufzunehmen.6. The method according to the preceding claim, characterized in that solder is used in a sufficient amount to in particular mechanical stresses. to reduce and / or absorb due to different expansion coefficients between ceramic and metal.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Keramik ein Carbid gewählt wird.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a carbide is selected as the ceramic.
8. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Carbid Siliciumcarbid gewählt wird.8. The method according to the preceding claim, characterized in that silicon carbide is selected as the carbide.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Keramik ein Sinterkorper verwendet wird.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a sintered body is used as the ceramic.
10. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als aktive Lotkomponente AI oder Ti verwendet wird.10. The method according to the preceding claim, characterized in that AI or Ti is used as the active solder component.
11. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Strom und/oder die Leistung beim11. The method according to the preceding claim, characterized in that the current and / or the power at
Schweißvorgang gesteuert und/oder geregelt und/oder begrenzt wird.Welding process is controlled and / or regulated and / or limited.
12. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge- kennzeichnet, dass als Metall AI oder Ag gew hlt wird. 12. The method according to the preceding claim, characterized in that Al or Ag is selected as the metal.
EP01988638A 2000-10-24 2001-10-24 Soldering method for producing a ceramic-metal joint Withdrawn EP1333953A1 (en)

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DE10052562 2000-10-24
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