NL1023174C2 - Bonding ceramic substrate containing silicon to metallic material, by providing intermediate, reactive solder and metal layers on substrate and then heating - Google Patents

Bonding ceramic substrate containing silicon to metallic material, by providing intermediate, reactive solder and metal layers on substrate and then heating Download PDF

Info

Publication number
NL1023174C2
NL1023174C2 NL1023174A NL1023174A NL1023174C2 NL 1023174 C2 NL1023174 C2 NL 1023174C2 NL 1023174 A NL1023174 A NL 1023174A NL 1023174 A NL1023174 A NL 1023174A NL 1023174 C2 NL1023174 C2 NL 1023174C2
Authority
NL
Netherlands
Prior art keywords
intermediate layer
substrate
solder
metal
group
Prior art date
Application number
NL1023174A
Other languages
Dutch (nl)
Inventor
Charles Petronella Marie Buijs
Johannes Gerardus Maria Mulder
Marcel Maria Michorius
Sjoerd Van Den Cruijsem
Original Assignee
Xycarb Ceramics B V
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xycarb Ceramics B V filed Critical Xycarb Ceramics B V
Priority to NL1023174A priority Critical patent/NL1023174C2/en
Application granted granted Critical
Publication of NL1023174C2 publication Critical patent/NL1023174C2/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/02Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
    • C04B37/023Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used
    • C04B37/025Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used consisting of glass or ceramic material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/02Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
    • C04B37/023Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used
    • C04B37/026Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used consisting of metals or metal salts
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/04Ceramic interlayers
    • C04B2237/06Oxidic interlayers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/04Ceramic interlayers
    • C04B2237/08Non-oxidic interlayers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/04Ceramic interlayers
    • C04B2237/08Non-oxidic interlayers
    • C04B2237/083Carbide interlayers, e.g. silicon carbide interlayers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12Metallic interlayers
    • C04B2237/122Metallic interlayers based on refractory metals
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12Metallic interlayers
    • C04B2237/125Metallic interlayers based on noble metals, e.g. silver
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12Metallic interlayers
    • C04B2237/126Metallic interlayers wherein the active component for bonding is not the largest fraction of the interlayer
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12Metallic interlayers
    • C04B2237/126Metallic interlayers wherein the active component for bonding is not the largest fraction of the interlayer
    • C04B2237/127The active component for bonding being a refractory metal
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32Ceramic
    • C04B2237/36Non-oxidic
    • C04B2237/365Silicon carbide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32Ceramic
    • C04B2237/36Non-oxidic
    • C04B2237/368Silicon nitride
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/40Metallic
    • C04B2237/403Refractory metals
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/40Metallic
    • C04B2237/405Iron metal group, e.g. Co or Ni
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/40Metallic
    • C04B2237/405Iron metal group, e.g. Co or Ni
    • C04B2237/406Iron, e.g. steel
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/70Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness
    • C04B2237/706Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness of one or more of the metallic layers or articles
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/70Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness
    • C04B2237/708Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness of one or more of the interlayers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/72Forming laminates or joined articles comprising at least two interlayers directly next to each other
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/76Forming laminates or joined articles comprising at least one member in the form other than a sheet or disc, e.g. two tubes or a tube and a sheet or disc
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/80Joining the largest surface of one substrate with a smaller surface of the other substrate, e.g. butt joining or forming a T-joint

Abstract

Intermediate layer, reactive solder material and metallic material are provided on the ceramic substrate and the assembly is then heated to melt the solder. Permanently bonding a ceramic substrate comprising silicon with a metallic material using a reactive solder material comprises: (a) providing a ceramic substrate comprising silicon; (b) providing an intermediate layer on the substrate; (c) providing reactive solder material on the intermediate layer; (d) providing metallic material on the solder material; and (e) heating the assembly to a temperature above the melting point of the solder material so that a permanent bond is formed between the substrate and metallic material. An independent claim is also included for an assembly prepared by this method, the substrate containing 1-40 vol.% free silicon.

Description

44

Korte aanduiding: Werkwijze voor het duurzaam verbinden van een substraat met een metaalachtig materiaal, alsmede een samenstel hiermee verkregen.Brief indication: Method for the durable connection of a substrate with a metallic material, as well as an assembly obtained therewith.

5 De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het duurzaam verbinden van een keramisch substraat, dat Si bevat, met een metaal achtig materiaal onder toepassing van een reactief sol deermaten' aal. Verder heeft de onderhavige uitvinding betrekking op samenstel opgebouwd uit achtereenvolgens een keramisch substraat, dat Si 10 bevat, een tussenlaag en een hiermee, via een sol deermaten aal, duurzaam verbonden metaal achtig materiaal.The present invention relates to a method for the durable joining of a ceramic substrate containing Si with a metal-like material using a reactive soldering material. The present invention furthermore relates to an assembly made up of, successively, a ceramic substrate containing Si, an intermediate layer and a metal-like material permanently connected thereto via a solder measure.

Tot de eigenschappen die keramische materialen geschikt maken voor hoge temperatuur toepassingen behoren de voortreffelijk hoge temperatuursterkte en kruipweerstand, goede sterkte retentie als functie 15 van de tijd en de voortreffelijke eigenschappen op het gebied van de bestandheid tegen oxidatie- en slijtage. Als aanvulling op de hiervoor genoemde eigenschappen bezitten de siliciumnitride- en silicium-carbidefamilies van de keramische materialen geringe thermische uitzettingscoëfficiënten en aldus een goede thermische schokbestandheid. 20 Voor bepaalde toepassingen is het gewenst dat keramische materialen met metaal achtige bestanddelen duurzaam worden verbonden. Voor het onderling verbinden van metalen met keramische materialen spelen drie aspecten een belangrijke rol, namelijk 1) chemische reactie tussen de twee materialen, 2) het slecht bevochtigen van het keramisch materiaal door vloeibare 25 metalen en 3) het verschil in uitzettingscoëfficient tussen het metaal en het keramisch materiaal. Chemische reacties tussen het metaal en het keramisch materiaal kunnen resulteren in een vorming van ongewenste bestanddelen in het uiteindelijke product. Bevochtingsproblemen treden slechts op wanneer een vloeibare fase wordt toegepast om de twee 30 materialen onderling te verbinden. Thermische uitzettingscoëfficiënten die niet met elkaar overeenkomen resulteren in de ontwikkeling van hoge 2 sspanningen op het grensvlak metaal-keramisch materiaal, met name gedurende de afkoelfase vanaf de temperaturen waar de materialen onderling worden verbonden, en dit effect kan een afname in de bindingssterkte of zelfs een breuk van de verbinding op het grensvlak 5 veroorzaken.The properties that make ceramic materials suitable for high temperature applications include the excellent high temperature strength and creep resistance, good strength retention as a function of time and the excellent properties in the field of resistance to oxidation and wear. In addition to the aforementioned properties, the silicon nitride and silicon carbide families of the ceramic materials have low thermal expansion coefficients and thus good thermal shock resistance. For certain applications, it is desirable that ceramic materials with metal-like components be permanently bonded. Three aspects play an important role in the interconnection of metals with ceramic materials, namely 1) chemical reaction between the two materials, 2) poor wetting of the ceramic material by liquid metals and 3) the difference in coefficient of expansion between the metal and the ceramic material. Chemical reactions between the metal and the ceramic material can result in the formation of undesirable components in the final product. Moisture problems only arise when a liquid phase is used to interconnect the two materials. Coefficients of thermal expansion that do not coincide with each other result in the development of high stresses at the metal-ceramic material interface, particularly during the cooling phase from the temperatures where the materials are interconnected, and this effect can cause a decrease in bonding strength or even a decrease in bonding strength. cause the connection on the interface 5 to break.

Uit het Amerikaans octrooi 6.440.590 is een methode bekend waarbij een actief metaal bevattende metallisatielaag wordt verbonden met een keramisch substraat. De met een dergelijke methode verkregen structuur omvat een silicium bevattend keramisch lichaam, een actief 10 metaal bevattende toplaag, gebonden aan en aangebracht op het oppervlak van het keramisch lichaam, en een reactielaag op het grensvlak van het keramisch lichaam en de toplaag. De reactielaag omvat een eerste reactielaag die een verbinding van een niet- metaal achtig element van één van de vormingselementen van het keramisch lichaam en het actieve metaal 15 als hoofdbestanddeel bevat, welke eerste reactielaag zich bevindt in de buurt van het oppervlak van het keramisch lichaam. De reactielaag omvat tevens een tweede reactielaag, die een verbinding van silicium van de vormingselementen van het keramisch lichaam en een actief metaal als een hoofdbestanddeel bevat, welke tweede reactielaag zich bevindt in de buurt 20 van de toplaag. Als geschikt keramisch lichaam is siliciumnitride genoemd, waarbij als actief metaal Ti, Zr, Hf, Nb, Al, V en Ta zijn genoemd. In een bijzondere uitvoeringsvorm is het keramisch lichaam siliciumnitride en het actieve metaal titaan. Volgens dit Amerikaans octrooi schrift zou siliciumcarbide als keramisch lichaam ook geschikt 25 zijn. Echter, uit onderzoek is gebleken dat vrij silicium bevattende siliciumcarbide volgens de uit dit Amerikaanse octrooi schrift bekende methode niet kan worden gesoldeerd, waarbij bovendien kan worden vermeld dat het in dit Amerikaans octrooi schrift weergegeven voorbeeld slechts betrekking heeft op siliciumnitride als keramisch lichaam waarop een 30 legering met een samenstelling van 67,7 gew.% Ag, 27,4 gew.% Cu en 4,9 gew.% Ti wordt aangebracht door middel van smelten onder hoge 3 temperatuur en een verlaagde druk lager dan 10'3 Pa. Het verwarmen wordt uitgevoerd bij temperaturen rond het smeltpunt van deze legering, te weten 1183 K of hoger.U.S. Pat. No. 6,440,590 discloses a method in which an active metal-containing metallization layer is connected to a ceramic substrate. The structure obtained by such a method comprises a silicon-containing ceramic body, an active metal-containing top layer bonded to and applied to the surface of the ceramic body, and a reaction layer on the interface of the ceramic body and the top layer. The reaction layer comprises a first reaction layer which comprises a connection of a non-metallic element of one of the forming elements of the ceramic body and the active metal 15 as the main component, which first reaction layer is located near the surface of the ceramic body. The reaction layer also comprises a second reaction layer containing a silicon compound of the ceramic body forming elements and an active metal as a main component, which second reaction layer is located in the vicinity of the top layer. Silicon nitride has been mentioned as a suitable ceramic body, Ti, Zr, Hf, Nb, Al, V and Ta being mentioned as the active metal. In a particular embodiment, the ceramic body is silicon nitride and the active metal is titanium. According to this US patent specification, silicon carbide would also be suitable as a ceramic body. However, research has shown that free silicon-containing silicon carbide cannot be soldered according to the method known from this US patent specification, while it can furthermore be stated that the example shown in this US patent specification relates only to silicon nitride as a ceramic body on which a alloy with a composition of 67.7% by weight of Ag, 27.4% by weight of Cu and 4.9% by weight of Ti is applied by melting at a high temperature and a reduced pressure lower than 10-3 Pa. Heating is carried out at temperatures around the melting point of this alloy, namely 1183 K or higher.

Een eerste aspect van de onderhavige uitvinding omvat aldus 5 het verschaffen van een werkwijze voor het duurzaam verbinden van een substraat, dat Si bevat, met een metaalachtig materiaal.A first aspect of the present invention thus comprises providing a method for permanently joining a substrate containing Si with a metallic material.

Een ander aspect van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een werkwijze voor het duurzaam verbinden van een Si bevattend substraat met een metaal achtig materiaal waarbij een 10 scheurvrije verbinding wordt verkregen die een goede hechting aan de ondergrond vertoont.Another aspect of the present invention is to provide a method for durably joining an Si-containing substrate with a metal-like material, whereby a tear-free joint is obtained which exhibits good adhesion to the substrate.

De werkwijze zoals vermeld in de aanhef wordt gekenmerkt doordat de werkwijze de volgende stappen omvat: i) het verschaffen van het keramisch substraat dat Si 15 bevat, ii) het op het substraat volgens stap i) aanbrengen van een tussenlaag, iii) het op de tussenlaag volgens stap ii) aanbrengen van het reactieve sol deermaten'aal, 20 iv) het op het reactieve soldeermateriaal volgens stap iii) aanbrengen van het duurzaam te verbinden metaal achtig materiaal, en v) het vervolgens zodanig verhitten van het aldus verkregen samenstel van achtereenvolgens substraat, tussenlaag, soldeermateriaal en metaal achtig materiaal tot een temperatuur boven de 25 smelttemperatuur van het soldeermateriaal dat een duurzame verbinding tussen het substraat en metaalachtig materiaal wordt verkregen.The method as stated in the preamble is characterized in that the method comprises the following steps: i) providing the ceramic substrate containing Si, ii) applying an intermediate layer to the substrate according to step i), iii) applying it to the intermediate layer according to step ii) applying the reactive solder size, iv) applying the metal-like material to be permanently joined to the reactive solder material according to step iii), and v) subsequently heating the thus obtained assembly of successively substrate, intermediate layer, solder material and metal-like material up to a temperature above the melting temperature of the solder material that a durable connection between the substrate and metal-like material is obtained.

Onder toepassing van de onderhavige werkwijze wordt een duurzame verbinding tussen een Si bevattend substraat en een metaalachtig materiaal tot stand gebracht, waarbij een heliumlekdichte verbinding, te 30 weten inlek < 10'9 mbar. Γ1. s'1, tot stand wordt gebracht.Using the present method, a durable connection is established between an Si-containing substrate and a metallic material, with a helium leak-proof connection, i.e., leakage <10-9 mbar. Γ1. s'1.

Als geschikt keramisch substraat wordt gekozen uit 1 i; 7 r4 1 7 ΛA suitable ceramic substrate is selected from 1 i; 7 r4 1 7 Λ

siliciumnitride, sialon en siliciumcarbide, waarbij bij voorkeur een SiCsilicon nitride, sialon and silicon carbide, preferably an SiC

I bevattend substraat wordt toegepast dat vrij silicium bevat.I-containing substrate is used which contains free silicon.

I Het gehalte vrij silicium in het SiC bevattende substraat bedraagt bij voorkeur 1-40 vol.%, met name 15-35 vol%.The free silicon content in the substrate containing SiC is preferably 1-40 vol%, in particular 15-35 vol%.

I 5 Indien het gehalte vrij silicium in het siliciumcarbide I bevattende substraat lager dan 1 vol.%, is de bindingssterkte tussen het I keramisch substraat en het metaal achtig materiaal voldoende. Meer in het bijzonder, een gehalte vrij silicium in het keramisch substraat lager dan I 1 vol.% leidt ertoe dat van de tussenlaag volgens stap ii) kan worden 10 afgezien. Indien daarentegen het gehalte vrij silicium in het I siliciumcarbide bevattende substraat meer dan 40 vol.% bedraagt, zal een verbinding worden verkregen die onderhevig is aan scheurvorming, waarbij I met name het aanbrengen van de tussenlaag volgens stap ii) zeer I problematisch is.If the free silicon content in the substrate containing silicon carbide I is less than 1% by volume, the bonding strength between the ceramic substrate and the metal-like material is sufficient. More in particular, a free silicon content in the ceramic substrate lower than 11% by volume leads to the fact that the intermediate layer according to step ii) can be dispensed with. On the other hand, if the content of free silicon in the substrate containing silicon carbide is more than 40% by volume, a compound will be obtained which is subject to cracking, in which the application of the intermediate layer according to step ii) is very problematic.

I 15 In de onderhavige werkwijze wordt volgens stap ii) op het I substraat een zogenaamde tussenlaag aangebracht, welke tussenlaag als functie heeft dat het substraat niet in direct contact kan komen met het I volgens stap iii) aan te brengen reactieve soldeermateriaal.In the present method, a so-called intermediate layer is applied to the substrate according to step ii), which intermediate layer has the function that the substrate cannot come into direct contact with the reactive solder material to be applied according to step iii).

I Het verdient de voorkeur dat de tussenlaag volgens stap I 20 ii) wordt gekozen uit de groep van carbiden, nitri den en oxiden van I elementen behorende tot Groep IIIA, IVA, VIB, VB van het Periodiek I Systeem, waarbij met name de tussenlaag volgens stap ii) wordt gekozen uit de groep van siliciumcarbide en aluminiumnitride, of een combinatie I hiervan.It is preferable that the intermediate layer according to step I ii) is selected from the group of carbides, nitrides and oxides of I elements belonging to Group IIIA, IVA, VIB, VB of the Periodic I System, in particular the intermediate layer according to step ii) is selected from the group of silicon carbide and aluminum nitride, or a combination thereof.

I 25 De wijze van aanbrengen van de tussenlaag volgens stap ii) I is in het bijzonder niet kritisch en kan bijvoorbeeld via chemisch opdampen (CVD) of via sputteren worden aangebracht. Het moet echter I duidelijk zijn dat het volgens stap ii) aanbrengen van de tussenlaag zodanig wordt uitgevoerd dat direct contact tussen het substraat en het I 30 soldeermateriaal wordt voorkomen. Aldus dient een dichte tussenlaag te I worden aangebracht.The method of applying the intermediate layer according to step ii) I is in particular not critical and can be applied, for example, via chemical vapor deposition (CVD) or via sputtering. However, it should be understood that the application of the intermediate layer according to step ii) is carried out in such a way that direct contact between the substrate and the soldering material is prevented. A dense intermediate layer must thus be provided.

55

In een bijzondere uitvoeringsvorm is het gewenst dat het reactieve sol deermaten'aal volgens stap iii) een of meer actieve elementen omvat, gekozen uit de groep van Zn, Mn, Ni, In en Ti, waarbij met name als reactief sol deermaten aal een soldeer op basis van Ag-Cu-5 Zu-Mn-Ni wordt toegepast.In a particular embodiment, it is desirable that the reactive solder size according to step iii) comprise one or more active elements selected from the group of Zn, Mn, Ni, In and Ti, with a solder in particular as reactive solder size. based on Ag-Cu-5 Zu-Mn-Ni.

De functie van een actief element in het sol deermaten aal is het verlagen van de contacthoek tussen het keramisch substraat en het vloeibare sol deermaten aal wanneer het sol deermaten aal door verwarmen in de vloeistoffase is overgegaan. Bovendien kan het actieve element tevens 10 zorgdragen voor het verwijderen van zuurstof op het keramiek- en metaaloppervlak waardoor de hechting van het reactieve sol deermaten aal verder wordt verbeterd.The function of an active element in the solder sizes is to lower the contact angle between the ceramic substrate and the liquid solder sizes when the solder sizes has been transferred to the liquid phase by heating. Moreover, the active element can also take care of the removal of oxygen on the ceramic and metal surface, whereby the adhesion of the reactive solder sizes is further improved.

Als geschikt metaal achtig materiaal volgens stap iv) worden materialen met een smeltpunt hoger dan het smeltpunt van het 15 sol deermaten aal toegepast, waarbij in het bijzonder als metaal achtig materiaal een materiaal wordt toegepast, gekozen uit de groep van roestvaststaal, titaan, molybdeen, tantaal-zirkonium-molybdeen en op kobalt gebaseerde metalen.As a suitable metal-like material according to step iv), materials with a melting point higher than the melting point of the soldering materials are used, in particular a metal-like material being used selected from the group of stainless steel, titanium, molybdenum, tantalum-zirconium-molybdenum and cobalt-based metals.

De onderhavige uitvinders hebben geconstateerd dat 20 verandering van zowel procesdrukken als procesgas tot kleine aanpassingen in de soldeertemperaturen kan leiden. Aldus is geconstateerd dat een goede duurzame verbinding kan worden gerealiseerd onder atmosferische druk waarbij argon als beschermingsgas wordt toegepast. Daarnaast is het ook in een bijzondere uitvoeringsvorm mogelijk dat vacuüm (< 10'4 mbar) 25 of onderdruk (10'4 - 10'1 mbar) wordt toegepast, waarbij bovendien argon als beschermingsgas wordt toegepast.The present inventors have found that changing both process pressures and process gas can lead to small adjustments in the soldering temperatures. It has thus been found that a good durable connection can be realized under atmospheric pressure, whereby argon is used as the protective gas. In addition, it is also possible in a special embodiment for vacuum (<10'4 mbar) or underpressure (10'4 - 10'1 mbar) to be used, in addition to which argon is used as the protective gas.

Zoals hiervoor in een bijzondere uitvoeringsvorm is aangegeven, kan echter het actieve element niet alleen via het soldeermateriaal worden toegevoerd, maar het kan in bepaalde 30 uitvoeringsvormen de voorkeur verdienen dat tussen stap iii) en stap iv) een aanvullende stap vi) wordt uitgevoerd, welke stap vi) het aanbrengenAs indicated above in a special embodiment, however, the active element can not only be supplied via the soldering material, but in certain embodiments it may be preferable that an additional step vi) be carried out between step iii) and step iv), which step step vi) applying

1 Π 9 9 1 7 A1 Π 9 9 1 7 A

I van een Ti bevattende intermediaire laag omvat.I of a Ti-containing intermediate layer.

I In een dergelijke uitvoeringsvorm wordt bijvoorbeeld een I folie van titaan op de reeds aangebrachte laag sol deermaten aal I geplaatst, waarna vervolgens op de titaan bevattende folie en het I 5 duurzaam te verbinden metaal achtig materiaal wordt aangebracht.In such an embodiment, for example, a foil of titanium is placed on the already applied layer of solder sizes of metal I, whereafter subsequently applied to the foil containing titanium and the metal-like material to be permanently bonded.

I In een andere uitvoeringsvorm kan het eventueel de voorkeur I verdienen dat tussen stap ii) en stap iii) een aanvullende stap vii) I wordt uitgevoerd, welke stap vii) het op de tussenlaag aanbrengen van een I Ti bevattende intermediaire laag omvat, bijvoorbeeld door het sputteren I 10 van een dunne laag titaan of het aanbrengen van een folie van titaan.In another embodiment it may optionally be preferred that an additional step vii) I be carried out between step ii) and step iii), which step vii) comprises applying an intermediate layer containing Ti containing I, e.g. sputtering a thin layer of titanium or applying a foil of titanium.

I Het in de onderhavige werkwijze toegepaste soldeermateriaal I is in principe een eutectisch soldeermateriaal gebaseerd op zilver-koper.The soldering material I used in the present method is in principle a eutectic soldering material based on silver-copper.

I In bepaalde uitvoeringsvormen is het echter ook mogelijk dat op goud I gebaseerde sol deermaten al en worden toegepast. Een nadeel van een I 15 dergelijk type soldeermateriaal is echter de hogere soldeertemperatuur I (verschil bedraagt ongeveer 100 °C) ten opzichte van de op zilver-koper gebaseerde sol deermaten'al en. Ten gevolge van de hogere I soldeertemperatuur zal de reactiviteit van het soldeermateriaal naar de I ondergrond sterk toenemen en kunnen mogelijk spanningen in de I 20 soldeerverbinding worden opgebouwd, met name veroorzaakt door het I verschil in uitzettingscoëfficiënt van keramisch substraat en metaal.In certain embodiments, however, it is also possible that gold-based solder sizes are already being used. A drawback of such a type of soldering material, however, is the higher soldering temperature I (difference is approximately 100 ° C) with respect to the silver-copper-based soldering sizes. As a result of the higher soldering temperature, the reactivity of the soldering material to the substrate will increase considerably and tensions can possibly be built up in the soldered connection, in particular caused by the difference in coefficient of expansion of ceramic substrate and metal.

I Zoals hiervoor is aangegeven, kan aldus het actieve element I via het soldeermateriaal worden toegevoerd, of er wordt een dunne laag I titaan op het soldeermateriaal aangebracht, of er wordt een folie van I 25 titaan op de tussenlaag geplaatst, of het te verbinden metaalachtig I materiaal is vanzichzelf opgebouwd uit titaan. In alle hiervoor genoemde I uitvoeringsvormen zal titaan een verlaging van de contacthoek tussen het soldeermateriaal en het keramisch substraat tot stand brengen en I aansluitend een chemische reactie aangaan met een deel van de reeds in I 30 stap ii) op het substraat aangebrachte tussenlaag. Aldus is het in bepaalde uitvoeringsvormen mogelijk een op zilver-koper gebaseerd 7 sol deermaten'aal toe te passen waaraan geen verdere aditïeven zijn toegevoegd.As indicated above, the active element I can thus be supplied via the soldering material, or a thin layer of titanium is applied to the soldering material, or a foil of titanium is placed on the intermediate layer, or the metallic material to be bonded. I material is itself made of titanium. In all the aforementioned I embodiments, titanium will bring about a reduction in the contact angle between the soldering material and the ceramic substrate and then I will enter into a chemical reaction with a part of the intermediate layer already applied to the substrate in step ii). Thus, in certain embodiments, it is possible to use a silver-copper based 7 solder sizes to which no further additives have been added.

De onderhavige uitvinding heeft verdere betrekking op een samenstel opgebouwd uit achtereenvolgens een keramische substraat, dat Si 5 bevat, een tussenlaag en een hiermee, via een sol deermaten aal, duurzaam verbonden metaal achtig materiaal, welke samenstel wordt gekenmerkt doordat het gehalte vrij silicium in het substraat 1-40 vol.%, bij voorkeur 15-35 vol.%, bedraagt.The present invention further relates to an assembly made up of, successively, a ceramic substrate containing Si, an intermediate layer and a metal-like material permanently connected thereto via a solder size, which assembly is characterized in that the content of free silicon in the substrate is 1-40 volume%, preferably 15-35 volume%.

In een bijzondere uitvoeringsvorm is de tussenlaag van het 10 hiervoor weergegeven samenstel gekozen uit de groep van carbiden, nitriden en oxiden van elementen behorende tot Groep IIIA, IVA, VIB, VB van het Periodiek Systeem, in het bijzonder is de tussenlaag gekozen uit de groep van siliciumcarbide en aluminiumnitride, of een combinatie hiervan.In a special embodiment the intermediate layer of the assembly shown above is selected from the group of carbides, nitrides and oxides of elements belonging to Group IIIA, IVA, VIB, VB of the Periodic Table, in particular the intermediate layer is selected from the group of silicon carbide and aluminum nitride, or a combination thereof.

15 Als metaal achtig materiaal wordt in het onderhavige samenstel een materiaal met smeltpunt hoger dan het smeltpunt van het soldeermateriaal toegepast, bij voorkeur een materiaal, gekozen uit de groep van roestvast staal, titaan, molybdeen, tantaal-zirkonium-molybdeen en op kobalt gebaseerde metalen.The metal-like material used in the present assembly is a material with melting point higher than the melting point of the soldering material, preferably a material selected from the group consisting of stainless steel, titanium, molybdenum, tantalum-zirconium-molybdenum and cobalt-based metals .

20 De onderhavige uitvinding zal hierna aan de hand van een aantal voorbeelden worden toegelicht, waarbij echter dient te worden opgemerkt dat de onderhavige uitvinding in geen geval tot dergelijke, bijzondere voorbeelden is beperkt.The present invention will be explained below with reference to a number of examples, but it should be noted, however, that the present invention is by no means limited to such special examples.

Voorbeeld 1.Example 1

25 Een substraat van siliciumcarbide, waarvan het gehalte vrij silicium 25 vol.% bedraagt, werd door middel van opdampen van een dunne laag siliciumcarbide voorzien. Op de aldus via opdampen aangebrachte tussenlaag werd een folie van soldeermateriaal gelegd met een dikte van 100 micrometer. De samenstelling van de folie was: 44 gew.% zilver, 30 20 gew.% koper, 24 gew.% zink, 7 gew.% mangaan, 5 gew.% nikkel.A substrate of silicon carbide, the free silicon content of which is 25% by volume, was provided with a thin layer of silicon carbide by evaporation. A film of solder material with a thickness of 100 microns was laid on the intermediate layer thus applied via evaporation. The composition of the film was: 44% silver, 30% copper, 24% zinc, 7% manganese, 5% nickel.

Aansluitend werd op de soldeerfolie een cilinder van titaan gelegd met 1 fl 9 *3 1 7 4.A titanium cylinder was then placed on the solder foil with 1 fl 9 * 3 1 7 4.

een diameter van 20 mm en een wanddikte van 1 mm. Vervolgens werd op de I cilinder van titaan een gewicht met een massa van 200 gram geplaatst I waarna het geheel onder gecontroleerde omstandigheden in een oven werd I verhit tot 870 °C. De oven werd gespoeld met argon en de druk bedroeg 5 10 Pa. Na het bereiken van deze temperatuur werd het samenstel afgekoeld I en vervolgens uit de oven genomen en voor verder gebruik toegepast.a diameter of 20 mm and a wall thickness of 1 mm. Subsequently, a weight with a mass of 200 grams was placed on the I cylinder of titanium, after which the whole was heated in an oven to 870 ° C under controlled conditions. The oven was flushed with argon and the pressure was 5 to 10 Pa. After reaching this temperature, the assembly was cooled and then taken out of the oven and used for further use.

Voorbeeld 2 I Op een substraat van siliciumcarbide, waarvan het gehalte vrij silicium 25 vol.% bedroeg, werd door middel van chemisch opdampen I 10 een dunne laag siliciumcarbide aangebracht. Aansluitend werd op de aldus I via opdampen aangebrachte tussenlaag siliciumcarbide een folie van I sol deermaten'aal geplaatst met een dikte van 100 micrometer. De I samenstelling van de soldeerfolie was: 68,8 gew.% zilver, 26,7 gew.% I koper en 4,5 gew.% titaan. Aansluitend werd op de soldeerfolie een I 15 cylinder van molybdeen met een diameter van 10 mm en een wanddikte van 1 mm geplaatst. Op de ring werd een gewicht met een massa van 200 gram I aangebracht waarna het geheel in een oven werd geplaatst en verwarmd tot I een temperatuur van 900 °C. De oven werd gespoeld met argon en de druk I bedroeg 10 Pa. Na het bereiken van de hiervoorgenoemde temperatuur werd I 20 het samenstel direct afgekoeld, uit de oven genomen en gereed gemaakt I voor verder gebruik.Example 2 A thin layer of silicon carbide was applied to a silicon carbide substrate, the content of which was free silicon by 25 vol.%. Subsequently, a silicon solder film with a thickness of 100 microns was placed on the intermediate layer of silicon carbide thus applied via evaporation. The composition of the solder foil was: 68.8% by weight of silver, 26.7% by weight of copper and 4.5% by weight of titanium. A molybdenum cylinder with a diameter of 10 mm and a wall thickness of 1 mm was then placed on the solder foil. A weight of 200 grams I was applied to the ring, after which the whole was placed in an oven and heated to a temperature of 900 ° C. The oven was flushed with argon and the pressure I was 10 Pa. After reaching the aforementioned temperature, the assembly was immediately cooled, taken out of the oven and prepared for further use.

Voorbeeld 3 I Op een keramisch substraat van siliciumcarbide, waarvan het I gehalte vrij silicium 25 vol.% bedroeg, werd een dunne laag I 25 siliciumcarbide door middel van chemisch opdampen aangebracht. Op de I aldus via opdampen aangebrachte tussenlaag werd een folie van sol deermaten aal met een dikte van 100 micrometer gelegd, waarvan de I samenstelling was: 44 gew.% zilver, 20 gew.% koper, 24 gew.% zink, I 7 gew.% mangaan en 5 gew.% nikkel. Vervolgens werd op de soldeerfolie een I 30 folie van titaan geplaatst waarna aansluitend een cylinder van molybdeen I met een diameter van 10 mm en een wanddikte van 1 mm werd geïnstalleerd.Example 3 A thin layer of silicon carbide was applied by chemical vapor deposition to a ceramic substrate of silicon carbide, the content of which was free silicon. A layer of 100 micrometres of thickness was applied to the intermediate layer thus applied via evaporation, the composition of which was: 44% by weight of silver, 20% by weight of copper, 24% by weight of zinc, 7% by weight % manganese and 5% nickel. A titanium foil was then placed on the solder foil, after which a cylinder of molybdenum I with a diameter of 10 mm and a wall thickness of 1 mm was subsequently installed.

99

Op de ring werd een gewicht met een massa van 200 gram gelegd en het geheel werd naar een oven overgebracht en verhit tot een temperatuur van 870 °C. De oven werd met argongas gespoeld en de druk bedroeg 10 Pa. Nadat het samenstel de hiervoorgenoemde temperatuur had bereikt, werd het 5 direkt afgekoeld en uit de oven genomen en gereed gemaakt voor verder gebruik.A weight of 200 grams was placed on the ring and the whole was transferred to an oven and heated to a temperature of 870 ° C. The oven was purged with argon gas and the pressure was 10 Pa. After the assembly had reached the aforementioned temperature, it was immediately cooled and taken out of the oven and made ready for further use.

Voorbeeld 4Example 4

Een keramisch substraat van siliciumcarbide, waarvan het gehalte vrij silicium 25 vol.% bedroeg, werd door middel van chemisch 10 opdampen van een dunne laag siliciumcarbide voorzien. Vervolgens werd op de aldus aangebrachte tussenlaag een laag gesputterd van 1 micrometer titaan en 9 micrometer zilver. Aansluitend werd op de door middel van sputteren aangebrachte laag een cylinder van titaan met een diameter van 20 mm en een wanddikte van 1 mm geplaatst. De ring werd voorzien van een 15 gewicht met een massa van 200 gram waarna het geheel naar een oven werd overgebracht en verwarmd tot een temperatuur van 950 °C. De oven werd met argon gespoeld en de druk op een constante waarde van 10 Pa gehandhaafd. Nadat de hiervoor genoemde temperatuur was bereikt, werd de oven afgekoeld en na afkoeling werd het aldus behandelde samenstel uit de oven 20 verwijderd en gereed gemaakt voor verder gebruik.A ceramic substrate of silicon carbide, the free silicon content of which was 25% by volume, was provided with a thin layer of silicon carbide by chemical vapor deposition. A layer of 1 micron of titanium and 9 micron of silver was then sputtered on the intermediate layer thus applied. A titanium cylinder with a diameter of 20 mm and a wall thickness of 1 mm was then placed on the layer applied by sputtering. The ring was provided with a weight with a mass of 200 grams, after which the whole was transferred to an oven and heated to a temperature of 950 ° C. The oven was purged with argon and the pressure maintained at a constant value of 10 Pa. After the aforementioned temperature was reached, the oven was cooled and after cooling, the thus treated assembly was removed from the oven 20 and made ready for further use.

Ter vergelijking dienend voorbeeld 1Example 1 for comparison

Op een keramisch substraat van siliciumcarbide, waarvan het gehalte vrij silicium 25 vol.% bedroeg, werd een folie van sol deermaten aal met een dikte van 150 pm gelegd, waarvan de 25 samenstelling was: 44 gew.% zilver, 20 gew.% koper, 24 gew.% zink, 7 gew.% mangaan en 5 gew.% nikkel. Vervolgens werd op de soldeerfolie een cilinder van titaan met een diameter van 20 mm en een wanddikte van 1 mm geïnstalleerd. Op de ring werd een gewicht met een massa van 200 gram gelegd en het geheel werd naar een oven overgebracht, waarbij de oven 30 onder verlaagde druk werd gebracht, gespoeld met argon en de druk op een waarde van 10 Pa gehandhaafd. De oven werd verhit tot een temperatuur van f 1 V i| I 870 *C en na het bereiken van de hiervoor genoemde temperatuur direct H afgekoeld. Na afkoeling werd het samenstel uit de oven genomen en aan een I analyse onderworpen, welke analyse duidelijk maakte dat het samenstel I niet vacuümdicht bleek te zijn. Aanvullend onderzoek wees uit dat het I 5 silicium zeer heftig had gereageerd met de metalen uit de soldeerfolie en I het titaan, hetgeen leidde tot vele scheuren in het keramisch substraat I onder de aangebrachte ring van titaan.On a silicon carbide ceramic substrate, the free silicon content of which was 25% by volume, a foil of solder dimensions of 150 µm thickness was laid, the composition of which was: 44% silver, 20% copper 24% by weight of zinc, 7% by weight of manganese and 5% by weight of nickel. A titanium cylinder with a diameter of 20 mm and a wall thickness of 1 mm was then installed on the solder foil. A weight of 200 grams was placed on the ring and the whole was transferred to an oven, bringing the oven under reduced pressure, flushed with argon and maintaining the pressure at a value of 10 Pa. The oven was heated to a temperature of 1 V | I 870 * C and immediately cooled to H after reaching the aforementioned temperature. After cooling, the assembly was taken out of the oven and subjected to an I analysis, which analysis made it clear that the assembly I was found not to be vacuum tight. Additional investigation revealed that the silicon had reacted very violently with the metals from the solder foil and I the titanium, which led to many cracks in the ceramic substrate I under the applied ring of titanium.

I Voorbeeld 5 I Een keramisch substraat van siliciumcarbide, waarvan het 10 gehalte vrij silicium 0,6 vol.% bedroeg, werd door middel van chemisch I opdampen van een dunne laag siliciumcarbide voorzien. Vervolgens werd op I de aldus aangebrachte tussenlaag een folie van sol deermaten'aal met een I dikte van 100 μιη aangebracht. Dé samenstelling van de soldeerfolie was: I 68,8 gew.% zilver, 26,7 gew.% koper en 4,5 gew.% titaan. Aansluitend werd 15 op de soldeerfolie een cilinder van molybdeen met een diameter van 10 mm I en een wanddikte van 1 mm geplaatst. Op de ring werd een gewicht met een I massa van 200 gram aangebracht waarna het geheel in een oven werd I geplaatst en verwarmd tot een temperatuur van 900 *C. De oven werd gespoeld met argon en de druk bedroeg 10 Pa. Na het bereiken van de I 20 hiervoor genoemde temperatuur werd het samenstel direct afgekoeld, uit de I oven genomen en gereed gemaakt voor verder gebruik.Example 5 I A silicon carbide ceramic substrate, the free silicon content of which was 0.6% by volume, was provided with a thin layer of silicon carbide by chemical vapor deposition. A foil of solder dimensions with a thickness of 100 μιη was then applied to the intermediate layer thus applied. The composition of the solder foil was: 68.8% by weight of silver, 26.7% by weight of copper and 4.5% by weight of titanium. A molybdenum cylinder with a diameter of 10 mm I and a wall thickness of 1 mm was then placed on the solder foil. A weight of 200 grams was applied to the ring, after which the whole was placed in an oven and heated to a temperature of 900 ° C. The oven was flushed with argon and the pressure was 10 Pa. After reaching the aforementioned temperature, the assembly was immediately cooled, taken out of the oven and made ready for further use.

Ter vergelijking dienend voorbeeld 2 I Dezelfde handelingen als omschreven in Voorbeeld 5 werden I herhaald, behalve dat geen tussenlaag van siliciumcarbide werd I 25 aangebracht. Een samenstel werd verkregen dat met het samenstel verkregen I volgens Voorbeeld 5 overeenkomende eigenschappen bezit.Comparative Example 2 The same operations as described in Example 5 were repeated except that no silicon carbide interlayer was applied. An assembly was obtained which had properties similar to the assembly obtained according to Example 5.

I Voorbeeld 6Example 6

Op een substraat van siliciumcarbide, waarvan het gehalte I vrij silicum 1,2 vol.% bedroeg, werd door middel van chemisch opdampen 30 een dunne laag siliciumcarbide aangebracht. Aansluitend werd op de aldus I via opdampen aangebrachte tussenlaag siliciumcarbide een folie van 11 soldeermateriaal geplaatst met een dikte van 100 pm. De samenstelling van de soldeerfolie was: 68,8 gew.% zilver, 26,7 gew.% koper en 4,5 gew.% titaan. Aansluitend werd op de soldeerfolie een cilinder van molybdeen met een diameter van 10 mm en een wanddikte van 1 mm geplaatst. Op de 5 ring werd een gewicht met een massa van 200 gram aangebracht waarna het geheel in een oven werd geplaatst en verwarmd tot een temperatuur van 900 *C. De oven werd gespoeld met argon en de druk bedroeg 10 Pa. Na het bereiken van de hiervoor genoemde temperatuur werd het samenstel direct afgekoeld, uit de oven genomen en gereed gemaakt voor verder gebruik.A thin layer of silicon carbide was applied to a silicon carbide substrate, the content of which was free silicon by 1.2 vol.%. A foil of 11 solder material having a thickness of 100 µm was then placed on the intermediate layer of silicon carbide thus applied via evaporation. The composition of the solder foil was: 68.8% by weight of silver, 26.7% by weight of copper and 4.5% by weight of titanium. A molybdenum cylinder with a diameter of 10 mm and a wall thickness of 1 mm was then placed on the solder foil. A weight of 200 grams was applied to the ring, after which the whole was placed in an oven and heated to a temperature of 900 ° C. The oven was flushed with argon and the pressure was 10 Pa. After reaching the aforementioned temperature, the assembly was immediately cooled, taken out of the oven and made ready for further use.

10 Voorbeeld 7Example 7

Op een substraat van siliciumcarbide, waarvan het gehalte vrij silicium 9 vol.% bedroeg, werd door middel van chemisch opdampen een dunne laag siliciumcarbide aangebracht. Aansluitend werd op de aldus via opdampen aangebrachte tussenlaag siliciumcarbide een folie van 15 soldeermateriaal geplaatst met een dikte van 150 pm. De samenstelling van de soldeerfolie was: 44 gew.% zilver, 20 gew.% koper, 24 gew.% zink, 7 gew.% mangaan en 5 gew.% nikkel. Aansluitend werd op de folie een cilinder van titaan met een diameter van 20 mm en een wanddikte van 1 mm geplaatst. Op de ring werd een gewicht met een massa van 200 gram 20 aangebracht waarna het geheel in een oven werd geplaatst en verwarmd tot een temperatuur van 870 *C. De oven werd gespoeld met argon en de druk bedroeg 10 Pa. Na het bereiken van de hiervoor genoemde temperatuur werd het samenstel direct afgekoeld, uit de oven genomen en gereed gemaakt voor verder gebruik.A thin layer of silicon carbide was applied to a silicon carbide substrate, the free silicon content of which was 9% by volume. A foil of solder material with a thickness of 150 µm was then placed on the intermediate layer of silicon carbide thus applied via evaporation. The composition of the solder foil was: 44% by weight of silver, 20% by weight of copper, 24% by weight of zinc, 7% by weight of manganese and 5% by weight of nickel. A titanium cylinder with a diameter of 20 mm and a wall thickness of 1 mm was then placed on the foil. A weight of 200 grams was applied to the ring, after which the whole was placed in an oven and heated to a temperature of 870 ° C. The oven was flushed with argon and the pressure was 10 Pa. After reaching the aforementioned temperature, the assembly was immediately cooled, taken out of the oven and made ready for further use.

1 fi 9 9 1 / ^1 fi 9 9 1 / ^

Claims (21)

1. Werkwijze voor het duurzaam verbinden van een keramisch I substraat, dat Si bevat, met een metaalachtig materiaal onder toepassing 5 van een reactief sol deermaten'aal, met het kenmerk, dat de werkwijze de I volgende stappen omvat: i) het verschaffen van het keramisch substraat dat Si I bevat, I ii) het op het substraat volgens stap i) aanbrengen van I 10 een tussenlaag, I iii) het op de tussenlaag volgens stap ii) aanbrengen van I het reactieve soldeermateriaal, iv) het op het reactieve soldeermateriaal volgens stap I iii) aanbrengen van het duurzaam te verbinden metaal achtige materiaal, en I 15 v) het vervolgens zodanig verhitten van het aldus I verkregen samenstel van achtereenvolgens substraat, tussenlaag, soldeermateriaal en metaal achtig materiaal tot een temperatuur boven de I smelttemperatuur van het soldeermateriaal dat een duurzame verbinding I tussen het substraat en metaal achtig materiaal wordt verkregen. I 20A method for permanently joining a ceramic substrate containing Si with a metallic material using a reactive solder, characterized in that the method comprises the following steps: i) providing the ceramic substrate containing Si I, ii) applying an intermediate layer to the substrate according to step i), iii) applying the reactive solder material to the intermediate layer according to step ii), iv) applying it to the reactive solder material according to step I iii) applying the metal-like material to be permanently joined, and v) subsequently heating the thus obtained assembly of successively substrate, intermediate layer, solder material and metal-like material to a temperature above the melting temperature of the soldering material that a durable connection I between the substrate and metal-like material is obtained. I 20 2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het keramisch substraat wordt gekozen uit siliciumnitride, sialon en I siüciumcarbide.A method according to claim 1, characterized in that the ceramic substrate is selected from silicon nitride, sialon and silicon carbide. 3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat een SiC I bevattend substraat wordt toegepast dat vrij silicium bevat. I 25Method according to claim 2, characterized in that an SiCI-containing substrate is used which contains free silicon. I 25 4. Werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het I gehalte vrij silicium 1-40 vol.% bedraagt.Method according to claim 3, characterized in that the content of free silicon is 1-40% by volume. 5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het I gehalte vrij silicium 15-35 vol.% bedraagt.A method according to claim 4, characterized in that the content of free silicon is 15-35% by volume. 6. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de I 30 tussenlaag volgens stap ii) wordt gekozen uit de groep van carbiden, I nitri den en oxiden van elementen behorende tot Groep IIIA, IVA, VIB, VB van het Periodiek Systeem.6. A method according to claim 1, characterized in that the intermediate layer according to step ii) is selected from the group of carbides, nitrides and oxides of elements belonging to Group IIIA, IVA, VIB, VB of the Periodic Table. 7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de tussenlaag volgens stap ii) wordt gekozen uit de groep van siliciumcarbide en aluminiumnitride, of een combinatie hiervan.Method according to claim 6, characterized in that the intermediate layer according to step ii) is selected from the group of silicon carbide and aluminum nitride, or a combination thereof. 8. Werkwijze volgens een of meer van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat het volgens stap ii) aanbrengen van de tussenlaag zodanig wordt uitgevoerd dat direct contact tussen het substraat en het sol deermaten aal wordt voorkomen.Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the application of the intermediate layer according to step ii) is carried out in such a way that direct contact between the substrate and the solder sizes is prevented. 9. Werkwijze volgens een of meer van de voorafgaande 10 conclusies, met het kenmerk, dat het reactieve soldeermateriaal volgens stap iii) een of meer actieve elementen omvat, gekozen uit de groep van Zn, Mn, Ni, In en Ti.9. Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the reactive solder material according to step iii) comprises one or more active elements selected from the group of Zn, Mn, Ni, In and Ti. 10. Werkwijze volgens een of meer van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat als reactief soldeermateriaal een soldeer op basis 15 van Ag-Cu-Zu-Mn-Ni wordt toegepast.10. Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the reactive solder material used is a solder based on Ag-Cu-Zu-Mn-Ni. 11. Werkwijze volgens een of meer van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat als metaal achtig materiaal volgens stap iv) materialen met een smeltpunt hoger dan het smeltpunt van het soldeermateriaal worden toegepast.Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that materials with a melting point higher than the melting point of the soldering material are used as the metal-like material according to step iv). 12. Werkwijze volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat als metaal achtig materiaal volgens stap iv) een materiaal wordt toegepast, gekozen uit de groep van roestvast staal, titaan, molybdeen, tantaal-zirkonium-molybdeen en op kobalt gebaseerde metalen.Method according to claim 11, characterized in that the metal-like material according to step iv) is a material selected from the group consisting of stainless steel, titanium, molybdenum, tantalum zirconium molybdenum and cobalt-based metals. 13. Werkwijze volgens een of meer van de voorafgaande 25 conclusies, met het kenmerk, dat stap v) onder verlaagde druk wordt uitgevoerd.13. Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that step v) is carried out under reduced pressure. 14. Werkwijze volgens een of meer van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat tussen stap iii) en stap iv) een aanvullende stap vi) wordt uitgevoerd, welke stap vi) het aanbrengen van 30 een Ti bevattende intermediaire laag omvat.14. Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that an additional step vi) is carried out between step iii) and step iv), said step vi) comprising applying an intermediate layer containing Ti. 15. Werkwijze volgens een of meer van de voorafgaande 1Π73174. I conclusies, met het kenmerk, dat tussen stap ii) en stap iii) een aanvullende stap vii) wordt uitgevoerd, welke stap vii) het aanbrengen I van een Ti bevattende intermediaire laag omvat.15. Method according to one or more of the preceding 1 773 774. Claims, characterized in that an additional step vii) is carried out between step ii) and step iii), which step vii) comprises applying an intermediate layer containing Ti. 16. Samenstel opgebouwd uit achtereenvolgens een keramisch I 5 substraat, dat Si bevat, een tussenlaag en een hiermee, via een soldeermateriaal, duurzaam verbonden metaal achtig materiaal, met het I kenmerk, dat het gehalte vrij silicium in het substraat 1-40 vol.% bedraagt.16. An assembly constructed from, successively, a ceramic substrate containing Si, an intermediate layer and a metal-like material permanently connected thereto via a soldering material, characterized in that the content of free silicon in the substrate is 1-40 vol. %. 17. Samenstel volgens conclusie 16, met het kenmerk, dat het I 10 gehalte vrij silicium in het substraat 15-35 vol.% bedraagt.17. An assembly according to claim 16, characterized in that the content of free silicon in the substrate is 15-35% by volume. 18. Samenstel volgens een of meer van de conclusies 16-17, met I het kenmerk, dat de tussenlaag is gekozen uit de groep van carbiden, nitri den en oxiden van elementen behorende tot Groep IIIA, IVA, VIB, VB I van het Periodiek Systeem. I 15Assembly according to one or more of claims 16-17, characterized in that the intermediate layer is selected from the group of carbides, nitrides and oxides of elements belonging to Group IIIA, IVA, VIB, VB I of the Periodic System. I 15 19. Samenstel volgens conclusie 18, met het kenmerk, dat de tussenlaag is gekozen uit de groep van siliciumcarbide en aluminium- nitride, of een combinatie hiervan.An assembly according to claim 18, characterized in that the intermediate layer is selected from the group consisting of silicon carbide and aluminum nitride, or a combination thereof. 20. Samenstel volgens een of meer van de conclusies 16-19, met I het kenmerk, dat als metaal achtig materiaal volgens stap iv) materialen I 20 met een smeltpunt hoger dan het smeltpunt van het soldeermateriaal zijn toegepast.Assembly according to one or more of claims 16-19, characterized in that the metal-like material according to step iv) is material I with a melting point higher than the melting point of the soldering material. 21. Samenstel volgens conclusie 20, met het kenmerk, dat als I metaal achtig materiaal een materiaal is toegepast, gekozen uit de groep van roestvast staal, titaan, molybdeen, tantaal-zirkonium-molybdeen en op I 25 kobalt gebaseerde metalen.21. An assembly according to claim 20, characterized in that the metal-like material used is a material selected from the group consisting of stainless steel, titanium, molybdenum, tantalum-zirconium-molybdenum and cobalt-based metals.
NL1023174A 2003-04-14 2003-04-14 Bonding ceramic substrate containing silicon to metallic material, by providing intermediate, reactive solder and metal layers on substrate and then heating NL1023174C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NL1023174A NL1023174C2 (en) 2003-04-14 2003-04-14 Bonding ceramic substrate containing silicon to metallic material, by providing intermediate, reactive solder and metal layers on substrate and then heating

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NL1023174A NL1023174C2 (en) 2003-04-14 2003-04-14 Bonding ceramic substrate containing silicon to metallic material, by providing intermediate, reactive solder and metal layers on substrate and then heating
NL1023174 2003-04-14

Publications (1)

Publication Number Publication Date
NL1023174C2 true NL1023174C2 (en) 2004-10-18

Family

ID=33448488

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
NL1023174A NL1023174C2 (en) 2003-04-14 2003-04-14 Bonding ceramic substrate containing silicon to metallic material, by providing intermediate, reactive solder and metal layers on substrate and then heating

Country Status (1)

Country Link
NL (1) NL1023174C2 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4335998A (en) * 1978-05-24 1982-06-22 Volkswagenwerk Aktiengesellschaft Ceramic-metal assembly
US4704338A (en) * 1985-05-20 1987-11-03 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Steel bonded dense silicon nitride compositions and method for their fabrication
US4784313A (en) * 1986-03-14 1988-11-15 Kernforschungsanlage Julich Gesellschaft Mit Beschrankter Haftung Method for bonding silicon carbide molded parts together or with ceramic or metal parts
US4871108A (en) * 1985-01-17 1989-10-03 Stemcor Corporation Silicon carbide-to-metal joint and method of making same
JPH02196072A (en) * 1989-01-23 1990-08-02 Mazda Motor Corp Method for joining silicon nitride-based ceramics
US4961529A (en) * 1987-12-24 1990-10-09 Kernforschungsanlage Julich Gmbh Method and components for bonding a silicon carbide molded part to another such part or to a metallic part

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4335998A (en) * 1978-05-24 1982-06-22 Volkswagenwerk Aktiengesellschaft Ceramic-metal assembly
US4871108A (en) * 1985-01-17 1989-10-03 Stemcor Corporation Silicon carbide-to-metal joint and method of making same
US4704338A (en) * 1985-05-20 1987-11-03 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Steel bonded dense silicon nitride compositions and method for their fabrication
US4784313A (en) * 1986-03-14 1988-11-15 Kernforschungsanlage Julich Gesellschaft Mit Beschrankter Haftung Method for bonding silicon carbide molded parts together or with ceramic or metal parts
US4961529A (en) * 1987-12-24 1990-10-09 Kernforschungsanlage Julich Gmbh Method and components for bonding a silicon carbide molded part to another such part or to a metallic part
JPH02196072A (en) * 1989-01-23 1990-08-02 Mazda Motor Corp Method for joining silicon nitride-based ceramics

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 014, no. 475 (C - 0770) 17 October 1990 (1990-10-17) *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0904256B1 (en) Method for using a thick joint to connect parts made of a silicon carbide-based material by refractory brazing, and resulting structure
US6616032B1 (en) Brazing composition and method for brazing parts made of alumina-based materials with said composition
EP0408367B1 (en) A tool using gold as a binder and a process for the production of the same
CA1268322A (en) Direct liquid phase bonding of ceramics to metals
EP1263692B1 (en) Method for assembling parts made of materials based on sic by non-reactive refractory brazing, brazing composition, and joint and assembly obtained by said method
CN102174696B (en) Metal material for parts of casting machine, molten aluminum alloy-contact member and method for producing them
NL1023174C2 (en) Bonding ceramic substrate containing silicon to metallic material, by providing intermediate, reactive solder and metal layers on substrate and then heating
EP1440045B1 (en) Metallization and/or brazing method, using a silicon alloy, for oxide ceramic parts which are non-wettable by said alloy
JPH07507973A (en) Thin film metallization and brazing of aluminum nitride
JPH08206875A (en) Joined body
Sobczak et al. The Role of Interfacial Phenomena in Wetting‐Bonding Relationship in AI/Ceramic Couples
JPH08269704A (en) Sputtering target
JPS6032648A (en) Method of metallizing ceramics and alloy foil for metallizing ceramics
JPS62297275A (en) Joined body of non-oxide ceramic and metal
JP2974285B2 (en) Manufacturing method of coated carbide tool
Chen et al. Simple Nb metal bonding structure
JPS62297274A (en) Joined body of non-oxide ceramic and metal
JP3998847B2 (en) Metal-ceramic composite material joint
Sobczak et al. The effect of Cr thin films on wettability and bonding in Ni/alumina couples
JP2974284B2 (en) Manufacturing method of coated carbide tool
CN111205101A (en) Method for directly brazing aluminum oxide ceramic by adopting zirconium brazing filler metal
JP2002097533A (en) Method for manufacturing metal based composite material
JPH07290272A (en) Brazing filler metal
JPH02102175A (en) Brazed ceramic material and production thereof
EP1028929A1 (en) Metal-aluminium-nitride assembly with rare earth nitride present in the interface to ensure heat transfer

Legal Events

Date Code Title Description
PD2B A search report has been drawn up
VD1 Lapsed due to non-payment of the annual fee

Effective date: 20091101