KR102202323B1

KR102202323B1 - 금속-세라믹 땜납 연결을 생성하는 방법

Info

Publication number: KR102202323B1
Application number: KR1020167009426A
Authority: KR
Inventors: 지오반니 마스트로지아코모; 한스 비트 마르키
Original assignee: 키스틀러 홀딩 아게
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2014-10-06
Publication date: 2021-01-13
Also published as: JP6475703B2; EP3055095A1; EP3055095B1; KR20160065864A; JP2016536143A; US20160228966A1; CH708666A1; CN105612019B; WO2015051473A1; CN105612019A

Abstract

본 발명은, 금속 땜납(4)을 사용하여, 코팅되지 않은 세라믹 본체(1)의 금속 부분(2 및 3)으로의 소재-본딩 금속-세라믹 땜납 연결된 연결을 생성하는 방법으로서, 50% 비율의 산소-친화 원소를 갖는 금속 부분(2 및 3)을 선택하는 단계; 적어도 80%의 산화 알루미늄, 산화 지르코늄, 산화 실리콘 또는 그 합금을 갖는 세라믹 본체(1)을 선택하는 단계; 비활성, 공융 또는 거의 공융 땜납(4)을 선택하는 단계; 세라믹 본체(1)와 금속 부분(2 및 3)을 갖는 구조를 이들의 표면 사이에서 서로에 대한 중간 구조를 갖고 형성하는 단계로서, 땜납이 중간 공간의 인근에 또는 중간 공간에 도입되는, 상기 중간 구조 형성 단계; 구조를 노에 도입하고 구조 주위에 진공을 적용하는 단계; 땜납(4)의 액상선 온도(TL)보다 큰 땜납 온도(T)까지 노를 가열하는 단계; 땜납 기간(Δt) 동안 땜납 온도를 유지하는 단계를 특징으로 하는, 연결 방법을 기술한다. 본 발명은 또한 그러한 연결 및 또한 세라믹 부싱 그리고 그러한 연결을 가진 고온 센서에 관한 것이다.

Description

금속-세라믹 땜납 연결을 생성하는 방법{METHOD FOR PRODUCING A METAL-CERAMIC SOLDERED CONNECTION}

본 발명은, 금속 땜납을 사용하면서, 코팅되지 않은 세라믹 본체의 금속 부분으로의 소재-본딩 금속/세라믹 땜납 연결을 서로에게 조정되는 세라믹 본체와 금속 부분의 열팽창 계수에 의해 생성하는 방법, 및 코팅되지 않은 세라믹 본체의 표면과 금속 부분의 표면 사이에서, 적어도 어느 정도까지 땜납에 의해 충전되는 중간 공간을 가진 금속/세라믹 땜납 연결 및 또한 고온에서 공간 내로의 전기 공급 회선의 전기적 및 열적 절연 배치를 위한 연결 디바이스에 관한 것이다.

몇 가지 기술 분야에서, 세라믹 본체는 땜납 연결 방법에 의해 금속 부분에 연결된다. 이런 타입의 금속/세라믹 땜납 연결은 여러 가지 용도의 센서를 위한 플러그 덕트와 같은 주로 소형화된 소자 분야에서 특히 중요하다.

예컨대 세라믹 본체(1)와 금속 부분 - 여기서는 강철 부분으로서 실현됨 - 사이에서, 종래기술에 따라 금속/세라믹 땜납 연결을 생성하는데 필요한 작업 단계를 도 1a에 예시하며, 여기서 고온 센서의 세라믹 덕트(6)를 만든다.

제1 단계(I)에서, 제공된 연결점이, 예컨대 환원 분위기(reducing atmosphere) 하에서 대략 1400℃에서 페이스트의 분사 또는 확산 및 후속한 스토우빙(stoving)에 의해서와 같은 Mo/Mn 페이스트에 의해 층에 적용되어야 하며, 그에 따라 금속화된 세라믹을 얻는다.

추가 단계(II)에서, 금속화의 갈바닉 니켈 도금이 또한 발생하여, 액체 AgCu 땜납이 연결될 금속 부분뿐만 아니라 세라믹 본체(1)의 니켈-도금 세라믹 표면을 적신다. 세라믹 본체(1)를 제조하는 단계에 후속하여, 금속 부분, 여기서는 칼라(collar) 및/또는 접촉 캐리어가 장착 단계(III)에서 세라믹 본체(1)에 또는 그 위에 위치 지정될 수 있으며, 땜납이 적용될 수 있다. 부분들을 서로에 대해 위치 지정한 후, 이들 부분은 솔더링 공정(soldering process) 단계(IV)에 의해 연결 위치에서 고온에서 서로에게 연결된다. 세라믹 표면은 종래 기술에 따라 코팅되어야 하며, 이러한 공정은 여기서 단계(I 및 II)에 의해 발생한다.

단계I 내지 IV를 통과한 후 종래 기술의 방법에 따른 땜납 연결을 도 1b에서 단면도로 도시하며, 여기서 금속 부분(2' 및 3')이 땜납(4)에 의해 세라믹 본체(1)에 소재-본딩 방식(materially-bonded manner)으로 연결된다. 니켈-도금 금속 코팅 형태로 된 세라믹 본체(1)의 세라믹 표면의 코팅(11)을 명확히 볼 수 있다. 사용되는, 단순히 상업적으로 이용 가능한 땜납(4)이 금속 부분(2' 및 3')과 코팅된 세라믹 표면을 소재-본딩 방식으로 서로에게 연결한다.

세라믹 본체의 코팅은 절대로 필요하며 매우 복잡하다. 여기서, 니켈 도금이 단계(II)에서 또한 실행되어 금속화된 세라믹의 습윤성을 개선한다.

충분히 두꺼운 추가 금속화 및/또는 추가 보호 층을 적용함으로 인해, 세라믹 본체와 금속 부분의 소형 치수에 대한 추가 처리는 어려우며, 이러한 처리는 단지 상대적으로 큰 공차로 실행할 수 있다.

세라믹 표면과 금속 부분 사이의 땜납 연결의 생성을 간략히 하기 위해, 세라믹 표면을 리액티브 소자로 기계적으로 코팅하고 후속하여 이 세라믹 표면을 금속 부분에 땜납 연결하는 것이 DE 19734211 C2에서 제안되었다. 코팅은, 예컨대 세라믹 표면 상에서 티타늄-함유 시트나 로드를 문질러서 발생할 수 있다. 여기서 기술한 간단한 코팅 방법은 충분히 양호하게 기능하는지는 명확하지 않다. 그러나, 보호 층이 적용되지 않으면 산화가 급속하게 시작되며, 이런 이유로, 코팅을 생성한 후 가능한 즉시로 땜납 연결을 만들어야 한다.

솔더링 공정에 의한 연결 방법이 EP356678로부터 알려져 있으며, 이 특허는 우수한 연결 결과를 성취하며, 솔더링 공정은 코팅 및 니켈-도금 및 후속한 장착 후 발생한다.

산소-친화 원소가 있는 활성 땜납(4')이 사용될 때, 코팅이 않되거나 비-금속화된 세라믹 본체가 강철로 만든 금속 부분에 연결될 수 있음을 US4591535에서 알 수 있다. 이 경우, 세라믹 본체의 선행한 금속화 및 니켈-도금이 필요 없었을 수 있어서, 도 2에 따른 결과 방법은 활성 땜납(4')을 사용한 단지 하나의 장착 단계(III)와 솔더링 공정(IV)을 포함한다. 이 경우, 솔더링 공정(IV)은 활성 땜납(4')에 대해 알려져 있는 온도 범위에서 실행하였다. 소재-본딩 연결은 활성 땜납에 의해 발생하며: 예컨대 티타늄과 같은 산소-친화 원소가 땜납에 이미 섞여 있다. 활성 땜납에 의한 연결은 비-활성 땜납을 사용하는 것과 비교하여 더 높은 용융 온도와 연결될 소자의 설계 시에 특별한 주의를 필요로 하며, 이는 활성 땜납은 종래의 땜납처럼 흐르지 않으며 모세관 현상을 사용할 수 없기 때문이다. 활성 땜납(4')에 의해 달성한 세라믹/금속 연결은, 세라믹 본체, 활성 땜납 및 금속 부분이 서로로부터 명확히 차별화할 수 있는 층을 형성하는 구조를 보여준다.

DE 202010016357 U1에 따른 센서의 경우에, 센서 요소가 세라믹 본체에 배치되며, 이러한 본체는 땜납 연결에 의해 생성되는 금속 접촉에 의해 접촉할 수 있다. 사용된 땜납은 활성 땜납이다.

DE 102010003145 A1에 따른 압력 센서의 경우에, 측정 멤브레인이 Zr/Ni/Ti 합금의 활성 경땜납에 의해 내압 방식(pressure-tight manner)으로 연결된다. 제2 활성 경땜납이 측정 멤브레인의 트랜스듀서로부터 측정 전자장치로의 1차 신호 경로를 연결한다.

활성 땜납은 단순히 상업적으로 이용 가능하지 않으며 대부분의 경우 상대적으로 고가로 특별한 공급자로부터 구매해야 한다. 활성 땜납은 비-활성 땜납과 비교하여 더 높은 용융점 또는 더 높은 처리 온도를 갖기 때문에, 세라믹 본체에서의 열적 응력은 증가하여, 결국 균열에 더 큰 민감성을 초래한다. 이는, 금속과 세라믹의 열팽창 계수가 상이하기 때문이다. 두 소자가 고온에서 서로에게 연결된다면, 이들이 다시 실온에 도달한 이후에 응력이 필수적으로 형성된다. 활성 땜납의 높은 땜납 온도에 도달하기 위해, 높은 에너지 소비가 또한 필수적으로 필요하다.

강철로 만든 금속-부분 표면과 세라믹 표면 사이의 모세관 간격이 세라믹 본체를 코팅하지 않고 활성 땜납을 사용할 때 완전히 활성 땜납으로 충전되지 않기 때문에, 땜납 연결은 필릿 심(fillet seam) 형상을 가지며, 이점은 예컨대 여기서 기술한 바와 같이 덕트에 불리하다. 활성 땜납은 모세관 땜납된 연결에 적절치 않으며, 이는 활성 소자가, 땜납을 모세관 내로 완전히 관통시키기 전에, 이미 소비될 수 있으며, 그 결과 세라믹 본체와 금속 부분 사이의 간격이 소재-본딩 방식으로 완전히 연결될 수 없기 때문이다. 선행하는 금속화 및 니켈 도금이 실행되는 종래기술에 따라 금속/세라믹 땜납 연결을 생성하기 위해, 0.05mm의 모세관 땜납 간격 폭을 일반적으로 가정하며, 이는 층 두께가 변할 수 있기 때문이다.

본 발명의 목적은, 코팅되지 않은 세라믹 본체와 금속 부분의 상호 조정된 열팽창 계수에 의해 이 세라믹 본체의 금속 부분으로의 소재-본딩 금속/세라믹 땜납 연결을 생성하는 방법을 제공하는 것이며, 구매하기 어렵고 고가인 활성 땜납의 사용과, 또한 세라믹 본체의 특수한 선행하는 코팅이 필요 없어야 한다. 달성할 목적은 저가용으로 가능한 적은 경비로 금속/세라믹 땜납 연결의 달성을 포함한다. 게다가, 연결은 높은 수요를 만족해야 하며, 상세하게는 잘 부서지거나 깨어지지 않아야 한다.

본 발명에 따른 방법을 사용하여, 모세관 땜납 흐름은 선행하는 금속화의 경우에서처럼 유사하게 양호하게 제어될 수 있으며, 이것은 결국 생성될 금속/세라믹 연결의 높은 기계적 부하능(loadability)을 초래하며, 금속/세라믹 연결은 또한 상세하게는 상대적으로 더 높은 전단 부하(shear load)를 견딘다.

본 발명의 부분 목적은 이러한 타입의 금속/세라믹 연결로, 200℃보다 높은 사용 온도에 적절한 적어도 하나의 고온 센서를 위한 세라믹 덕트를 만드는 것에 있다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 방법에 따라 생성되는 세라믹 본체와 금속 부분 사이의 금속/세라믹 땜납 연결구조에 관한 것이다.

본 목적은 독립항의 특성에 의해 기술하는 방법에 의해 달성한다. 다음의 단계는 본 발명에 따라 수행된다: 적어도 50% 비율의 산소-친화 원소를 가진 금속 부분과, 산화 알루미늄, 산화 지르코늄, 산화 실리콘 또는 이들의 혼합물로 적어도 80%가 구성되는 세라믹 본체를 선택한다. 게다가, 비활성, 공융(eutectic) 또는 사실상 공융 땜납이 제공된다. 후속하여, 세라믹 본체와 금속 부분을 가진 구조를 구축하고, 이들 구성요소는 이들의 표면 사이의 중간 공간을 서로에게 형성한다. 세라믹 본체와 금속 부분은 또한 서로에 대해 지탱할 수 있으며, 그에 따른 중간 공간은 완전히 만족스럽다. 이 경우에, 땜납은 중간 공간의 인근에 또는 중간 공간에 가져간다. 후속하여, 이 구조는 오븐에 넣어서, 진공 또는 산소가 없는 보호-가스 분위기를 땜납을 가진 구조 주위에 셋업한다. 그 후, 오븐은 땜납의 액상선(liquidus) 온도(TL)보다 높고 바람직하게는 이것보다 최대 60℃ 높은 땜납 온도(T)(TL < T ≤ TL + 60℃)까지 가져간다. 이 땜납 온도(T)는 그 후, 땜납이 용해된 금속 부분의 일부분과 함께 혼합-상 영역(M)을 형성할 때까지 땜납 기간(Δt) 동안 오븐에서 유지되며, 이 용해된 일부분은 중간 공간을 완전히 충전하여 적신다. 후속하여, 구조는 다시 주위 온도까지 냉각되도록 남아 있다.

본 발명에 따른 이 방법의 장점은 더 낮은 땜납 온도가 셋업될 수 있으며, 이는 비활성 땜납이 임의의 티타늄을 함유하지 않기 때문이라는 사실에 있다. 더 낮은 땜납 온도가 의미하는 점은, 마무리된 부분이 실온까지 냉각된 이후 더 적은 응력을 갖는다는 점이다.

게다가, 대부분의 경우 티타늄-함유 땜납은 너무 많은 티타늄을 함유하며, 그 결과 연결이 부서지게 됨을 알게 되었다. 본 경우에, 연결은, 금속 중에서, 정확히 연결에 필요한 만큼만 그리고 그 이상은 아닌 만큼만 티타늄 또는 기타 산소-친화 원소를 갖는다. 그 결과, 고품질의 연결을 얻는다.

게다가, 모세관 땜납 연결은 기술한 방법을 사용하여 가능하며, 이 방법은 예컨대 US 7771838에서와 같이 티타늄-함유 땜납을 사용하여서는 가능하지 않다.

상세하게, 연결은 산소가 없는 보호 가스나 진공 하에서 생성되어, 산화가 발생하지 않는다. 종래의 방법에서, 예컨대, 구리-함유 금속의 경우에, 산화물 층이 형성되며, 이것은 예컨대 EP 2263820에서처럼 직접 본딩 동안 땜납으로서 사용된다.

본 발명의 요지의 바람직한 예시적인 실시예는 첨부한 도면과 연계하여 다음의 상세한 설명에서 기술한다.
도 1a는 금속/세라믹 땜납 연결을 생성하는 방법을 개략적으로 도시하는 도면으로서, 이 연결에 의해, 적어도 부분적으로 금속화된 세라믹 본체가 종래 기술에 따라 상업적으로 이용 가능한 땜납에 의해 금속 부분 상에 고정되는, 도면.
도 1b는, 도 1a에 따른 방법을 사용하여 생성되는 금속/세라믹 땜납 연결구조의 단면도의 현미경 이미지를 도시한 도면.
도 2는, 활성 땜납을 사용하여, 종래 기술에 따른 솔더링 공정을 개략적으로 도시한 도면으로서, 금속화가 필요하지 않게 되는, 도면.
도 3a는 금속/세라믹 땜납 연결을 생성하기 위한 방법에 따른 방법의 개략도.
도 3b는, 본 발명에 따른 방법을 사용하여 생성되는 금속/세라믹 땜납 연결구조의 단면도의 현미경 이미지를 도시한 도면.
도 4a는, 땜납의 용융 전 금속 부분에 대한 세라믹 본체의 배치의 단면도를 도시한 도면.
도 4b는, 솔더링 공정 후 세라믹 본체와 금속 부분의 단면도를 도시한 도면으로서, 결과는 고온 센서의 세라믹 덕트인, 도면.
도 5a 및 도 5b는, 솔더링 공정 이전 및 이후에, 추가로 땜납 연결되는 디스크가 있는 도 4에 따른 세라믹 덕트의 단면도.
도 6는 세라믹 덕트에 설치된 고온 센서를 도시한 도면.

후술될, 소재-본딩 금속/세라믹 땜납 연결을 생성하기 위한 본 발명에 따른 방법은 도 4 내지 도 6에 예시한 바와 같이, 세라믹 덕트(6)를 기초로 기술하며, 이 덕트(6)는 코팅되지 않은 세라믹 본체(1)의 금속 부분(2 및 3)으로의 소재-본딩 연결에 의해 만든다. 세라믹 본체(1)와 금속 부분(2 및 3)의 열팽창 계수는 서로에게 조정되도록, 즉 서로에게 유사하도록 선택한다. 세라믹 본체(1)의 적어도 80%는 이산화 알루미늄(사파이어), 이산화 실리콘 또는 그 혼합물로 구성되어야 한다. 본 발명에 따라, 이 본체는 코팅되지 않으며 그에 따라 금속화되고 니켈-도금된 세라믹-본체 표면을 갖지 않는다. 이점은, 종래 기술에 따른 유사한 방법과 비교하여 본 발명에 따른 방법에서 작업 단계를 절약한다.

종래의 그리고 상대적으로 저가인 금속 비활성 땜납이 땜납(4)으로서 사용된다. 사용된 땜납(4)은 공융 또는 거의 공융인 것이 중요하다. 예컨대 AgCu, AgCuPd 또는 AuNi 등과 같은 은- 또는 금-원료 땜납 형태의 땜납이 상세하게는 바람직하다. 고상선 온도 및 액상선 온도(TL)는 어느 하나가 동일해야 하거나 - 이점은 땜납(4)이 공융임을 의미함 - , 두 온도는 5K미만만큼 상이해야 하며, 이것을 거의 공융이라고 한다. 더 나아가, 사용된 땜납(4)은 바람직하게는 액상선 온도(TL < 1000℃)의 저용융 땜납(4)이어야 해서, 소자의 열적 부하는 솔더링 공정(IV) 동안 낮게 유지된다. 이들 소자는 상세하게는 필름이나 와이어의 형태로 존재할 수 있다. 저 생성 온도에서, 금속 부분(2 및 3)과 세라믹 본체(1) 사이의 응력의 위험은 감소하며, 이는, 이들이, 비록 또한 유사하더라도, 그럼에도 동일하지 않은 열팽창 계수를 갖기 때문이다.

연결될 금속 부분(2 및 3)은 적어도 50% 비율의 산소-친화 원소를 가져야 하며, 그에 따라 이들은 여기서 기재한 방법을 사용하여 세라믹 본체에 소재-본딩된 방식으로 연결될 수 있다. 바람직하게도, 금속 부분(2 및 3)은 티타늄, 하프늄 또는 지르코늄 또는 이들 원소의 합금으로부터 선택한다.

장착 단계(III)에서, 연결되는 금속 부분(2 및 3)은 코팅되지 않는 세라믹 본체(1)의 세라믹-본체 표면에서 또는 그 표면 상에 위치 결정되어 서로에 대해 정렬되어 홀딩되며, 세라믹 본체(1)의 표면과, 세라믹 본체(1)에 면하는 금속 부분(2 및 3)의 표면 사이의 중간 공간 또는 모세관 간격이 형성된다. 고정 디바이스가 이를 위해 사용될 수 있다. 서로에 대한 위치 결정에 후속하거나 그와 동시에, 땜납(4)이 모세관 간격으로서 구성될 수 있는 중간 공간의 영역에 또는 중간 공간에 가져가 지며, 그에 따라 세라믹 본체(1)와 금속 부분(2 및 3)과 접촉하게 가져가 진다.

땜납(4)은 이 경우에 와이어-형상의 땜납(4)이나 땜납 필름(4)의 형상을 가질 수 있다. 땜납 필름(4)은 바람직하게는 중간 공간에 놓이며 이 공간을 또한 충전할 수 있다.

세라믹 본체(1), 금속 부분(2 및 3) 및 또한 땜납(4)을 포함한 구조를 이송한 후, 솔더링 공정(IV)은 진공 하에서 또는 보호-가스 분위기에서 땜납 온도(T)의 오븐에서 발생한다. 구조가 산소가 없는 환경에 놓여서, 산화가 발생할 수 없는 것이 중요하다. 이 방법은, 구조가 오븐에서 가지게 되는 셋팅된 땜납 온도(T)에 민감하기 때문에, 땜납 연결 기간(Δt) 동안 이 온도를 정밀하게 세팅하고 일정하게 유지하는 것이 가능해야 한다.

실험에 의하면, 5 내지 10분의 땜납 연결 기간(Δt) 동안 은-원료 땜납(4)을 사용할 때 예컨대 3 내지 5℃ 더 높은 것과 같이 780℃보다 몇 도 높은 땜납 온도(T)가 심지어 우수한 결과를 유도한다. 그러나 땜납 온도(T)는 땜납 연결 기간(Δt) 동안 선택한 땜납(4)의 액상선 온도(TL)보다 크고 선택한 땜납(4)의 액상선 온도 + 60℃ 이하이도록 선택되는 것이 중요하다. 따라서, 땝납 온도(T)는 TL < T ≤ TL + 60℃ 사이에 있도록 선택되어야 한다.

솔더링 공정에 후속하여, 상호 연결된 소자, 즉 세라믹 본체(1)와 금속 부분(2 및 3)은, 냉각되며, 그 결과, 소재-본딩된 연결이 이들 소자 사이의 중간 공간에서 만들어진다.

이전에 알려진 종래 기술을 사용하면, 코팅되지 않은 세라믹 본체와 금속 부분(2 및 3) 사이의 금속/세라믹 땜납 연결의 형성은 특수한 활성 땜납을 사용하여서만 가능하였다. 본 발명에 따라, 활성 땜납은 여기서 기술한 방법에서 사용되지 않으며, 오히려 종래의 비활성 땜납(4)이 사용된다. 50% 비율의 산소-친화 원소를 갖는 금속 부분(2 및 3)이 사용되며, 땜납 온도(T)의 세팅이 TL < T ≤ TL + 60℃ 사이의 작은 한정 온도 범위에 있다는 점이 한편으로 결정적이다.

솔더링 공정(IV)에서, 땜납(4)이 금속 부분(2 및 3)의 금속 표면을 용융시키며 적신다. 게다가, 금속 부분(2 및 3)의 일부분은 용해되며, 금속 부분(2 및 3)의 산소-친화 원소의 성분이 땜납(4)에 이송하여 거기서 용해된다. 혼합 상 영역(M)을 만들며, 여기서 비-활성 땜납(4)은 금속 부분(2 및 3)으로부터의 산소-친화 원소와 혼합된다. 적어도 50%의 비율의 산소-친화 원소를 가진 금속 부분(2 및 3)을 사용함으로써, 활성 소자의 비활성 땜납(4)으로의 정상 전달이, 구체적으로 정확한 필요 량으로, 솔더링 공정(IV) 동안 발생하며, 이는 산소-친화 원소가 제한되지 않은 양으로 이용할 수 있기 때문이다. 따라서, 여기서, 솔더링 공정(IV) 동안, 비활성 땜납(4)은 금속 부분(2 및 3)으로부터의 산소-친화 원소의 릴리스에 의해 활성화된다. 세라믹 본체(1)와 금속 부분(2 및 3)은 그에 따라 소재-본딩 방식으로 땜납(4)과 혼합-상 영역(M)에 의해 서로에게 연결된다. 상세하게도, 솔더링 공정 동안, 중간 공간이나 모세관 땜납 간격(K)에 면하는 금속 부분(2 및 3)의 표면에 수직인 3㎛ 이상의 금속 부분(2 및 3)의 두께는 완전히 용해되며, 땜납(4)과 함께 중간 공간 또는 모세관 땜납 간격(K)을 충전한다.

도 3b에 따른 단면도에서 볼 수 있는 바와 같이, 솔더링 공정(IV) 동안 금속 부분(2 및 3)의 성분이 땜납(4)에 융합되어, 땜납(4)과 금속 부분 질량으로부터 만들어진 혼합-상 영역(M)이 형성된다. 용융된 땜납(4)이 금속 부분(2 및 3)의 산소-친화 소재와의 솔더링 공정 동안 축적되며, 금속과 땜납(4)으로부터 만들어진 혼합-상 영역(M)이 금속 부분(2 및 3)과 코팅되지 않은 세라믹 본체(1) 사이에 형성되고, 중간 공간을 충전하며, 두 부분을 소재-본딩 방식으로 서로에게 연결한다.

금속 부분(2 및 3) 질량의 일부가 표면에서 솔더링 공정(IV) 동안 그에 따라 소비되며, 금속 부분(2 및 3)이 그에 따라 부식된다. 이것은 도 3b에서 볼 수 있으며, 이는, 여기서 점선으로 예시한 이 경계선은 직선으로 진행되지 않기 때문이다. 도 1b에 도시한 종래 기술에 따른 금속/세라믹 땜납 연결구조의 현미경 이미지가 콘트래스트에 의해 금속 부분(2' 및 3')과 세라믹 본체의 명확히 구별 가능하고 선명하게 그리고 선형적으로 경계가 있는 경계 표면으로 경계 표면을 도시한다. 도 3b는 컬러로 도시하지 않기 때문에, 금속 부분(2 및 3)과 땜납(4) 사이의 경계는 이 흑백 도면으로 인식할 수 없다. 그러므로 점선을 사용하여 강조하였다. 도 3b의 경계선은 그러므로 선형은 아니며, 이는 표면의 일부분이 땜납과 혼합되었기 때문이다.

땜납 온도(T)는 세라믹 본체(1)의 용융 온도보다 명확히 미만에 있기 때문에, 세라믹 본체(1)의 표면은 변화하지 않는다. 용융된 금속과 혼합-상 영역(M)의 땜납(4)은 금속-부분 표면과 세라믹 본체 표면 사이의 전체 중간 공간 또는 모세관 땜납 간격(K)을 충전한다. 혼합-상 영역(M)에서, 농도 그레디언트가 세팅되며, 고농도의 산소-친화 원소가 금속 부분(2 및 3)의 인근에 존재하며, 농도는 금속 부분(2 및 3)으로부터의 거리가 증가함에 따라 감소한다. 이 경우에, 혼합-상 영역(M)의 두께는 중간 공간 또는 모세관 땜납 간격 폭(k)에 대응한다.

실험에 의하면, 모세관 땜납 간격(K)에 면하는 금속 부분(2 및 3)의 표면에 수직인 30㎛보다 큰 두께의 영역에서 금속 부분(2 및 3)의 표면의 일부분은 완전히 용해된다. 금속 부분(2 및 3)의 소재의 이러한 용해된 양은 솔더링 공정(IV) 동안 중간 공간 또는 모세관 땜납 간격(K)을 땜납(4)으로 충전한다.

도 4 및 도 5에서, 코팅되지 않는 세라믹 본체(1)와 적어도 하나의 금속 부분(2 및 3)이 있는 여러 가지 덕트(6 및 6')가 도 4a 및 도 5a에서 장착 단계(III) 이후에 그리고 도 4b 및 도 5b에서 솔더링 공정(IV) 이후에 단면도로 도시된다.

도 4a에서, 예시되어 있지 않은 고온 센서에 대한 덕트(6)가 도시되며, 이러한 덕트는 세라믹 본체(1), 금속 칼라(2) 및 금속 접촉 지지부(3) - 여기서 등급 5 티타늄 소재로부터 형성됨 - 로 구성된다. 세라믹 본체(1)와 금속 부분(2 및 3)은 서로에 대해 정렬되어 장착되며, 금속 부분(2 및 3)은 세라믹 본체(1) 상에 체결되어, 이들은 서로 전기적으로 절연된다. 정해진 모세관 땜납 간격 폭(k)의 모세관 땜납 간격(K)이 세라믹 본체(1)와 마주보고 배치된 금속 부분(2)의 표면 섹션 사이에 형성된다. 접촉 지지부(3)가 세라믹 본체(1)에 상대적인 방식으로 정렬되어, 중간 공간이 접촉 지지부(3)의 표면과 세라믹 본체(1)의 단부 면의 표면 사이에 형성된다.

AgCu 땜납(4)이 땜납으로서 사용되며, 땜납은 와이어 땜납, 땜납 필름이나 페이스트의 형태로 존재하며, 칼라(2)와 세라믹 본체(1) 사이의 모세관 땜납 간격(K)의 인근에 놓인다. 또한, 땜납(4)은 세라믹 본체(1)의 단부 면과 접촉 지지부(3)의 표면 사이의 중간 공간에서 필름 형태로 배치된다. AgCu 땜납(4)은 72중량% 비율의 은과 28중량% 비율의 구리를 포함한다. 코팅되지 않은 세라믹 본체(1)가 사용되기 때문에, 0.03mm 미만의 한정된 모세관 땜납 간격 폭(k)을 간단하게 그리고 재현 가능하게 달성할 수 있다. 금속 부분(2 및 3)은 또한 세라믹 본체(1)와 접촉하여 배치할 수 있어서, 중간 공간은 오직 두 개의 표면의 불균일성으로 인해 일어난다. 이것은, 땜납(4)이 금속 부분(2 및 3)과 세라믹 본체(1)의 표면 사이의 모세관 작용으로 인해 흘러서, 원하는 연결을 생성하기에 충분하다. 금속 부분(2 및 3)과 세라믹 본체(1)가 그에 따라 예컨대 서로의 위에 편평하게 놓일 수 있다.

땜납(4)을 배치하는 단계를 포함하는 장착 단계(III) 이후, 구조는 진공 오븐에서 진공화되며, 솔더링 공정(IV)이 5분 동안 780℃보다 약간 예컨대 3 내지 5℃ 높은 땜납 온도에서 실행된다. 결과를 도 4b에 도시한다. 땜납(4)은 솔더링 공정(IV) 동안 완전히 모세관 땜납 간격(K)을 충전하였다. 금속 부분(2 및 3)의 티타늄의 성분이 땜납(4)에 융합되어 0보다 큰 범위의 혼합-상 영역(M)을 형성하였다. 실험에 의하면, 땜납 연결은 치밀하며 세라믹 본체(1)는 균열이 없이 유지됨을 알게 되었다. 접촉 지지부(3)와 세라믹 본체(1) 사이의 중간 공간도 완전히 충전되며, 소재-본딩 연결을 또한 여기서 달성한다.

도 5a 및 도 5b에 도시한 바와 같이, 여기서는 강철 등급 1.4301의 강철로부터 만든 두 개의 디스크(5)인 추가 애드-온(add-on) 부분을 동일한 솔더링 공정(IV)에서 금속 부분(2 및 3)에 또한 땜납 연결할 수 있다. AgCu 땜납(4)이 또한 여기서 사용되었으며, 세라믹 본체(1)와 접촉 지지부(3) 사이 그리고 접촉 지지부(3)와 디스크(5) 사이의 모세관 땜납 간격(K)의 인근에 또는 중간 공간에 가져가 진다. 땜납 공정은 동일한 땜납 기간(Δt) 동안 동일한 땜납 온도(T)로 실행하였다. 실험은 솔더링 공정(IV) 이후 밀도가 높고 균열이 없는 연결을 보여주었다.

고온 센서(10)를 도 6에 도시하며, 이것은 하우징(7)에 장착된 측정 요소(9)를 포함한다. 컨덕터(8)는, 세라믹 덕트라고도 하는 덕트(6)에 의해 하우징(7)으로부터 전기적으로 절연된다. 공급선은, 금속화 층이 없으며 여기서는 Al₂O₃로 구성되는 코팅되지 않은 세라믹 본체(1)를 통해 하우징(7)을 가로질러 측정 요소(9)까지 안내될 수 있다. 여기서는 등급 5 티타늄인 적어도 50% 비율의 산소-친화 원소의 칼라(2)가 금속/세라믹 땜납 연결 및 땜납(4)에 의해 소재-본딩 방식으로 세라믹 본체(1)에 연결된다. 여기서 기술한 고온 센서(10)의 하우징(7)은 칼라(2) 상에 체결된다. 접촉 지지부(3)는 금속/세라믹 연결에 의해 세라믹 본체(1)의 단부면 상에 연결된다. 이러한 타입의 고온 센서(10)는 예컨대 내연 엔진의 연소실에 배치할 수 있으며, 측정 요소(9)의 공급선의 연소실 및 고온 센서(10)의 하우징(7)으로부터의 전기적 분리를 달성한다. 따라서, 측정 요소(9)에서 검출된 전하의 손실 없는 전송을 달성할 수 있다. 그러한 고온 센서(10)는 상세하게는 100℃ 내지 350℃의 높은 온도 범위에서 사용한다.

불필요한 선행하는 금속화로 인해, 세라믹 본체(1)로 선택한 세라믹은 임의의 유리 상이 없을 수 있다. 더 순수한 세라믹을 결과로서 사용할 수 있으며, 이러한 세라믹은 더 높은 전기 절연을 특징으로 한다. 세라믹 본체는 0중량% 내지 6중량%의 유리-상 비율을 갖도록 선택할 수 있다.

게다가, 세라믹 본체(1)를 포함하는 코팅되지 않은 덕트(6)는 종래 기술의 방법을 사용하여 가능한 것보다 더 좁은 질량과 형상 공차로 생성할 수 있다.

금-원료 땜납(4)을 사용하여 생성했던 덕트를 가진 이러한 타입의 금속/세라믹 연결 및 연결들은 350℃보다 높은 적용 온도에서 헬륨에 밀폐되며, 이것은 여러 이용 분야에서 바람직하다.

비활성 땜납(4)이 사용될 때, 활성 땜납이 사용될 때보다 더 낮은 땜납 온도(T)를 세팅할 수 있다. 이것은 유리하며, 이는 솔더링 공정(IV) 동안 발생한 응력 부하가 그에 따라 감소하기 때문이다.

1: 세라믹 본체, 코팅되지 않음
2: 금속 부분/칼라(적어도 50%의 산소-친화 원소)
2': 금속 부분
3: 금속 부분/접촉 지지부(적어도 50%의 산소-친화 원소)
3': 금속 부분
4: 땜납(은- 또는 금-원료) 공융/거의 공융, 비활성
4': 활성 땜납
5: (강철 또는 니켈-원료 합금으로 만든) 디스크
6: 덕트/세라믹 덕트
6': 덕트/세라믹 덕트
7: 하우징
8: 컨덕터
9: 측정 요소
10: 고온 센서
11: 금속화
I: 코팅 단계 + 스토우빙
II: 니켈 도금
III: 장착 단계
IV: 솔더링 공정
Δt: 땜납 기간
LT: 땜납의 액상선 온도
M: 혼합-상 영역
K: 모세관 땜납 간격
k: 모세관 땜납 간격 폭

Claims

금속 땜납(4)을 사용하면서, 코팅되지 않은 세라믹 본체(1)의 금속 부분(2 및 3)으로의 소재-본딩 금속/세라믹 땜납 연결을, 서로에게 조정되는 상기 세라믹 본체(1)와 상기 금속 부분(2 및 3)의 열팽창 계수에 의해 생성하는 방법으로서,
- 50% 비율의 산소-친화 원소를 갖는 상기 금속 부분(2 및 3)을 선택하는 단계;
- 적어도 80%가 산화 알루미늄, 산화 지르코늄, 산화 실리콘 또는 그 혼합물로 구성되는 상기 세라믹 본체(1)를 선택하는 단계;
- 비활성, 공융(eutectic) 또는 거의 공융 땜납(4)을 제공하는 단계;
- 상기 세라믹 본체(1)와 상기 금속 부분(2 및 3)을 갖는 구조를 형성하는 단계로서, 이들의 표면이 서로에 대해 중간 공간을 형성하고, 땜납이 상기 중간 공간 인근에 또는 상기 중간 공간에 가져가지는, 상기 구조 형성 단계;
- 상기 구조를 오븐 내에 놓는 단계;
- 상기 땜납(4)을 가진 상기 구조 주위에 진공 또는 산소가 없는 보호 가스 분위기를 적용하는 단계;
- 상기 땜납(4)의 액상선 온도(TL)보다 높은 땜납 온도(T)까지 상기 오븐을 가열하는 단계(IV);
- 용해된 금속 부분(2 및 3)의 일부분과 함께 혼합-상 영역(M)을 형성하는 상기 땜납(4)이 상기 중간 공간을 완전히 충전하고 적실 때까지 땜납 기간(Δt) 동안 상기 오븐에서 상기 땜납 온도를 유지하는 단계를 특징으로 하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 오븐은, 상기 땜납(4)의 상기 액상선 온도(TL)보다 60℃ 높은 온도(T)까지 최대로 가열되는(TL < T ≤ TL + 60℃), 방법.
제1항에 있어서, 상기 금속 부분(2 및 3)은 산소-친화 원소로서 티타늄, 하프늄 또는 지르코늄 또는 이들 원소의 합금을 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 땜납 기간(Δt)은 5분과 10분 사이인, 방법.
제1항에 있어서, 1000℃ 이하의 액상선 온도(TL)를 갖는 저용융 비활성 땜납(4)이 사용되는, 방법.
제5항에 있어서, 은- 또는 금-원료 땜납(4), 상세하게는 AgCu 땜납, AgCuPd 땜납 또는 AuNi 땜납이 사용되는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 땜납(4)이 와이어 땜납, 땜납 필름 또는 페이스트 형태로 존재하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 중간 공간은 모세관 땜납 간격(K)을 형성하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 금속 부분(2 및 3)과 상기 세라믹 본체(1)는, 상기 중간 공간의 크기(k)가 0.03mm 이하인 방식으로 위치 결정되는, 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세라믹 본체(1)가 0중량% 내지 6중량%의 유리-상 부분을 갖는, 방법.
적어도 80%가 산화 알루미늄, 산화 지르코늄, 산화 실리콘 또는 그 혼합물로 구성되는 코팅되지 않은 세라믹 본체(1)의 표면과, 금속 부분(2 및 3)의 표면 사이에서, 적어도 일정 범위까지 땜납(4)에 의해 충전되는 중간 공간을 갖는 소재-본딩 금속/세라믹 땜납 연결구조로서,
상기 금속 부분(2 및 3)이 적어도 50% 비율의 산소-친화 원소를 포함하는 것과, 적어도 80%의 상기 세라믹 본체(1)가 산화 알루미늄, 산화 지르코늄, 산화 실리콘 또는 그 혼합물로 구성되는 것과, 상기 땜납(4)이 공융 또는 거의 공융, 비활성 땜납(4)이며, 상기 중간 공간이, 혼합된 상 영역(M)을 형성하며 용해된 금속 부분(2 및 3)과 상기 땜납(4)으로 이루어진 합금인 조성으로 완전히 충전되며, 혼합-상 영역(M)으로부터 금속 부분(2 및 3)으로의 전이는 점진적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 소재-본딩 금속/세라믹 땜납 연결구조.
제11항에 있어서, 상기 중간 공간은 모세관 땜납 간격(K)으로서 이루어지는, 소재-본딩 금속/세라믹 땜납 연결구조.
제12항에 있어서, 상기 혼합-상 영역(M)은 상기 모세관 땜납 간격(K)의 모세관 땜납 간격 폭(k)에 대응하는 두께를 갖는, 소재-본딩 금속/세라믹 땜납 연결구조.
제11항에 있어서, 상기 금속 부분(2 및 3)은 티타늄, 하프늄, 지르코늄 또는 이들 원소의 합금을 포함하는, 소재-본딩 금속/세라믹 땜납 연결구조.
제11항에 있어서, 상기 혼합-상 영역(M)은 은- 또는 금-원료 땜납(4)에 의해, 상세하게는 AgCu 땜납, AgCuPd 땜납 또는 AuNi 땜납 및 용해된 금속 부분(2 및 3)의 일부에 의해 형성되는, 소재-본딩 금속/세라믹 땜납 연결구조.
제12항에 있어서, 솔더링 공정 동안, 상기 중간 공간 또는 상기 모세관 땜납 간격(K)에 면하는 상기 금속 부분(2 및 3)의 표면에 수직인, 3㎛ 이상인 상기 금속 부분(2 및 3)의 두께가 완전히 용해되어서 상기 땜납(4)과 함께 상기 중간 공간 또는 모세관 땜납 간격(K)을 충전하는, 소재-본딩 금속/세라믹 땜납 연결구조.
제11 항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 하우징(7)을 통한 컨덕터(8)의 전기적 및/또는 열적 절연 통과를 가능케 하는 세라믹 덕트(6)로서 이루어지는, 소재-본딩 금속/세라믹 땜납 연결구조.
하우징(7) 내의 제17항에 기재된 세라믹 덕트로서, 상기 세라믹 덕트(6)는 측정 요소(9)에 연결되는 컨덕터(8)를 에워싸는, 세라믹 덕트.
제18항에 기재된 세라믹 덕트(6)를 포함하는 고온 센서.