TWI609733B - 活性硬銲填料之組成物及其接合方法 - Google Patents

Description

活性硬銲填料之組成物及其接合方法

本發明係有關於一種活性硬銲填料之組成物及其接合方法，其尤指一種利用具有活性填料之組成物對金屬與陶瓷進行硬銲之接合方法。

陶瓷在各領域之應用中皆可見其蹤跡，舉凡機械、電子、能源、航太、生物材料、醫學、化學等，涵蓋範圍之廣泛係因陶瓷具有良好的絕緣性、抗腐蝕、耐磨、耐高溫、化學性穩定以及硬度高等優異性能。

陶瓷材料所製成之成品，已可單獨運用於相關領域中進行獨立作業。但依現下之趨勢而言，結合不同材質料材各自的優點使之應用更為廣泛，且使用條件/環境更為不受限制之優勢，儼然已成為必然之發展方向，以及各領域所述求之遠景。

例如，陶瓷與金屬接合所製成之複合構件，在封接技術發展上佔有極為關鍵的地位。複合構件既能充分發揮各自性能上的優點，亦能彌補自身材料性能上的不足。如此一來，複合構件具有將陶瓷之優點與金屬之長處，兩者之性能發揮至最佳之優勢。

由於陶瓷與金屬係為性質相異之料材，在相互結合時於界面上存在著物理性能和化學性質需克服之問題，尤其因為兩者化學鍵之差異性，通常係無法以熔接方式獲得可靠性之接面。

其中，陶瓷與金屬若以機械固鎖方式接合，係無法應用於需要高氣密性、高接合強度之環境下使用；另外，若以膠合黏接方式進行陶瓷與金屬接合，則有黏著劑不利於高溫環境，且長時間使用下有老化之現象產生，因而使用條件/環境限制較多。

再者，若以金屬材料熔化進行接合之傳統銲接方式接合陶瓷與金屬，亦即利用硬銲(Brazing)技術接合陶瓷與金屬。當中過程所產生之主要問題在於填料合金難以潤濕陶瓷，陶瓷之潤濕性(Wettability)不足容易造成硬銲合金與陶瓷之界面接合強度不足，導致無法達成要求之接合強度。

由於陶瓷為低潤濕性之料材，為了提升陶瓷表面與金屬反應之鏈結能力，以改善硬銲過程中陶瓷之潤濕性低下的問題，通常係先對陶瓷表面以燒結金屬粉末的方式進行金屬化處理(Metallization)，再使用一般傳統硬銲搭配填料合金接合陶瓷與金屬(即習知所稱之間接硬銲接合法)；其中，常用以金屬化處理之方法有噴塗、離子注入、鉬-錳法、物理/化學氣相沉積或電鍍等方式進行。間接硬銲接合法(Indirect brazing)雖能有效改變陶瓷與金屬之間界面的特性進而達成接合目的，然而接合過程繁複增加了時間、物料等成本問題。

於此，遂有改善上述陶瓷與金屬接合產生之缺失的必要性，俾使硬銲接合技術更為良善以提升接合強度。亦即須克服陶瓷與金屬進行接合之潤濕性，以及填料合金中的氧對硬銲接合造成的影響與活性元素本身之氧化問題。如此一來，方可使陶瓷與金屬接合所製成之複合構件具有更寬廣之應用前景。

本發明之一目的係提供一種活性硬銲填料之組成物及其接合方法，其係利用活性元素、稀土元素與硬銲基底銀銅合金形成一活性硬銲填料，並將其運用於陶瓷與金屬連接之活性硬銲接合(Active brazing)。藉由活性物於硬銲過程中增加陶瓷或金屬表面之潤濕性，使陶瓷與金屬在高溫下熔融形成良好的治金鏈結，以提升接合強度。

本發明之一目的係提供一種活性硬銲填料之組成物及其接合方法，其係利用活性硬銲填料之組成物進行陶瓷與金屬硬銲接合(活性硬銲接合法/直接硬銲接合法)，進而簡化加工程序，省略陶瓷表面需進行預金屬化處理，而後再搭配一般傳統硬銲熔融(間接硬銲接合法)製程，減少了時間、物料等成本。

為了達到上述目的、功效所採用之技術手段，本發明係提供一種活性硬銲填料之組成物及其接合方法，其係將活性元素和稀土元素添加於硬銲填料合金中形成一活性硬銲填料之組成物，以運用於陶瓷與金屬之硬銲接合；其中，陶瓷與金屬利用組成物進行硬銲接合之熔融溫度為攝氏700℃至900℃。藉此，本發明所揭示之組成物與接合方法可改善陶瓷表面或金屬表面進行硬銲接合之潤濕性不足的問題，同時提升陶瓷與金屬之接合強度，以及簡化傳統硬焊接合製程步驟。

為使對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：

參閱第一圖，其為本發明之活性硬銲填料之組成物、金屬基材以及陶瓷基材的示意圖。如圖所示，本發明為一種活性硬銲填料之組成物1(以下一併簡稱組成物1)，其包含一活性物10以及一硬銲基底銀銅合金106所組成。活性物10為活性元素102與稀土元素104。

其中，活性元素102係選自鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)，以及前述之任一組合所組成之群組之一者。稀土元素104係選自於鑭（La）、鈰（Ce）、鐠（Pr）、釹（Nd）、鉕（Pm）、釤（Sm）、銪（Eu）、釓（Gd）、鋱（Tb）、鏑（Dy）、鈥（Ho）、 鉺（Er）、銩（Tm）、鐿（Yb）、鑥（Lu）、鈧（Sc）或釔（Y），以及上述之任一組合所組成之群組之一者。

參閱第三圖，其為本發明之活性硬銲填料之組成物的接合方法之流程方塊圖。如圖所示，本發明利用活性硬銲填料之組成物的接合方法，係包含以下步驟: 步驟S1:提供一金屬基材，設置該組成物於該金屬基材之一側； 步驟S2:提供一陶瓷基材，將該陶瓷基材相對設置於該金屬基材具有該組成物之一側；以及 步驟S3:將該組成物進行硬銲熔融處理，熔融溫度介於攝氏700℃至900℃，使該組成物於該金屬基材或該陶瓷基材之表面形成一潤濕表面，以使該金屬基材與該陶瓷基材熔融接合。

承接上述，復參閱第一圖並一併參閱第二圖，第二圖為本發明之金屬基材與陶瓷基材的接合示意圖。如第一、二圖所示，其係先於金屬基材5上方設置組成物1，再將陶瓷基材7設置於組成物1上方，爾後開始對組成物1進行硬銲處理，使組成物1於金屬基材5或陶瓷基材7之表面形成潤濕表面2，以使金屬基材5和陶瓷基材7熔融接合；其中組成物1係依據金屬基材5或陶瓷基材7之形體，而可對應適配為絲狀、棒狀、膏狀、粉狀、薄膜狀等態樣。

於硬銲過程中，因陶瓷基材7之材質為低潤濕性之料材，且根據陶瓷之性質知悉，離子性越強的陶瓷材質，於硬銲熔融過程中使其表面潤濕係越發困難。鑑此，本發明藉由活性物10中之活性元素102能使硬銲填料在高溫下與陶瓷基材7發生反應，促使金屬基材5和陶瓷基材7因活性元素102的作用形成冶金鏈結，以便於操作接合。當中係克服了陶瓷與金屬在相互結合時，因相異料材於界面上存在著物理性能和化學性質所產生之鏈結問題。進而解決一般無法以熔接方式獲得可靠性之接面，以及簡化需要先對陶瓷基材7進行預金屬化處理之繁複過程。

另外，活性元素102搭配稀土元素104設置於金屬基材5上，因稀土元素104與氧的強親和力特性，其作用不僅可消除金屬基材5中的氧，並可避免活性元素102氧化，進而改善金屬基材5以及陶瓷基材7之表面潤濕性，以提高金屬基材5與陶瓷基材7之接合強度。

綜合上述，本發明之活性硬銲填料之組成物及其接合方法之功效列舉如下: 1.本發明之組成物可以直接進行陶瓷基材與金屬基材之硬焊熔融接合作業，毋須先對陶瓷基材表面進行預金屬化處理，簡化加工程序而減少時間、物料成本。 2.本發明之活性元素、稀土元素與硬銲基底銀銅合金所組成之活性填料有利於陶瓷基材與金屬基材在高溫熔融狀態下，因活性元素的作用提升潤濕性，同時因為稀土元素與氧的親和性強，進而消除填料合金的氧以及改善活性元素的氧化問題，使得陶瓷基材與金屬基材之間的界面因為化學反應形成良好的治金鏈結。在應用於許多難潤濕的金屬或陶瓷接合具有極為優異之接合特性。

本發明確實已經達於突破性之結構，而具有改良之發明內容，同時又能夠達到產業上利用性與進步性，當符合專利法之規定，爰依法提出發明專利申請，懇請　鈞局審查委員授予合法專利權，至為感禱。

1‧‧‧活性硬銲填料之組成物

10‧‧‧活性物

102‧‧‧活性元素

104‧‧‧稀土元素

106‧‧‧硬銲基底銀銅合金

2‧‧‧潤濕表面

5‧‧‧金屬基材

7‧‧‧陶瓷基材

S1‧‧‧步驟

S2‧‧‧步驟

S3‧‧‧步驟

第一圖:其為本發明之活性硬銲填料之組成物、金屬基材以及陶瓷基材的示意圖； 第二圖:其為本發明之金屬基材與陶瓷基材的接合示意圖；以及 第三圖:其為本發明之活性硬銲填料之組成物的接合方法之流程方塊圖。

1‧‧‧活性硬銲填料之組成物

10‧‧‧活性物

102‧‧‧活性元素

104‧‧‧稀土元素

106‧‧‧硬銲基底銀銅合金

5‧‧‧金屬基材

7‧‧‧陶瓷基材

Claims (3)

1. 一種活性硬銲填料組成物的接合方法，其包含以下步驟：提供一組成物，其包含一活性物，該活性物由一活性元素、一稀土元素以及一硬銲基底銀銅合金構成；提供一金屬基材，設置該組成物於該金屬基材之一側；提供一陶瓷基材，將該陶瓷基材相對設置於該金屬基材具有該組成物之一側；以及將該組成物進行硬銲熔融處理，熔融溫度介於攝氏700℃至900℃，使該組成物於該金屬基材或該陶瓷基材之表面形成一潤濕表面，以使該金屬基材與該陶瓷基材熔融接合。
2. 如申請專利範圍第1項所述之活性硬銲填料之組成物的接合方法，其中該活性元素係選自鈦、鋯、鉿及上述之任一組合所組成之群組之一者。
3. 如申請專利範圍第1項所述之活性硬銲填料之組成物的接合方法，其中該稀土元素係選自於鑭、鈰、鐠、釹、鉕、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鑥、鈧、釔及上述之任一組合所組成之群組之一者。