WO1995000459A1 - Verfahren zur herstellung einer gasdichten lötverbindung und anwendung des verfahrens bei der herstellung von bauelementen mit vakuumdichtem gehäuse - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer gasdichten lötverbindung und anwendung des verfahrens bei der herstellung von bauelementen mit vakuumdichtem gehäuse Download PDF

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Definitions

  • the invention is in the field of vacuum electronics and can be used for the gas-tight bonding of a ceramic part to a copper part using a solder material.
  • a soldering technique is known for vacuum tubes, in which a cap-shaped copper housing is butt-soldered to a ceramic plate, in which a so-called cutting edge soldering is carried out.
  • the ceramic plate is first metallized in the area of the solder joint.
  • a solder ring is placed in the transition area between the copper part and the ceramic part, which melts during the heat treatment required for the soldering, the solder material connecting the copper part and the ceramic part to one another in the area of their interfaces (EP 0 040 933 B1, Figures 7 and 8).
  • soldering material which are present, for example, in the form of a foil or a wire ring ("Handbuch der Vakuumelektronik M , Josef
  • a soldering technique for producing a soldered connection between a ceramic part and a metal part, for example for producing a gas-tight and adhesive soldered connection in the manufacture of a vacuum interrupter, in which a first part is applied to the ceramic part after its metallization in the area of the soldered connection point Layer of silver and then another layer of copper is applied. After the parts to be connected have been joined, a homogeneous copper / silver alloy is formed under the soldering conditions, which alloy forms the actual solder. - Specifically for soldering a ceramic part to a copper sheet, it is also provided that only silver is electrodeposited on the metallized ceramic part.
  • the invention has for its object to simplify and improve the manufacture of such a solder joint by providing a larger amount of solder.
  • the copper part in special applications, there is the possibility of using the soldering process for connecting the copper part to the ceramic part at the same time for producing further soldered connections, in particular for connecting the copper part to other metal parts.
  • the copper part as a whole can have a silver layer.
  • the copper part in the production of vacuum holding tubes, that is to say components with a vacuum-tight housing, the copper part, if it forms a housing cap or a housing flange, can be soldered simultaneously to the bellows and to a bearing shell for the introduction of the movable contact bolt.
  • FIGS. 1 to 4. 1 shows a section of a vacuum interrupter in the area of the movable contact piece
  • FIGS. 2 and 3 in schematic representation parts of a vacuum interrupter to be soldered in the area of the introduction of the movable contact piece, Figure 4 also in a schematic representation
  • Metal parts of a vacuum holding tube that can be connected directly or indirectly to ceramic parts.
  • FIG. 1 shows sections of a vacuum formwork tube, the housing of which includes a cylindrical housing part 1, the ring-shaped ceramic insulator 2 and the housing cap 3.
  • the contact pin 4 of the movable contact piece 5 is passed through the housing cap 3.
  • a bellows 6 connects the contact pin 4 to the housing cap 3 in a vacuum-tight manner.
  • a bearing shell 7 is also connected to the housing cap 3, which receives the bearing 8 for the contact pin 4.
  • the housing cap 3 is made of copper and is butt-soldered to the ceramic insulator 2. It is further butt-soldered to one end of the bellows 6, which is made of steel, and is also soldered to the bearing shell 7, which consists of a buyer alloy. To prepare for the soldering process, on the one hand the ceramic insulator in the area of the soldering point is provided with a metallization (not shown here in more detail), and in addition the housing cap 3 made of copper is completely provided with a galvanically applied, approximately 20 ⁇ m thick silver layer.
  • a bellows 12 is arranged so that it abuts the housing cap 10 with its one end, which is designed as a cylindrical extension.
  • a bellows 12 is butt-soldered to the copper cap 13.
  • two ceramic insulators 11 and 14 are connected to one another and to the adjacent housing caps 10 and 13 via an intermediate ring 15.
  • the intermediate ring 15 is also to be connected to a shield 16 and the housing cap 13 is also to be connected to a shield ring 17.
  • the connection of the bellows 12 to the housing cap 10 is provided.
  • the housing caps 10 and 13 and the intermediate ring 15 are made of copper, the housing flaps 10 and 13 are partially and the intermediate ring 15 is completely provided with a galvanically applied silver layer 20.
  • the shield 16 and the shield ring 17 likewise consist of copper, while the bellows 12 consists of stainless steel, which has a very thin noble metal layer, in particular a gold coating, in the area of the solder joint. can be provided. With such a construction of the housing or a vacuum interrupter, seven soldered connections can thus be made in a single operation without using special solder bodies for this purpose.

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Abstract

Zur Vereinfachung des Lötvorganges bei der Herstellung einer vakuumdichten Lötverbindung zwischen einem Keramikteil und einem Kupferteil wird auf das Kupferteil (10, 13, 15) zunächst eine Silberschicht (20) galvanisch aufgebracht, die zusammen mit der darunterliegenden Oberflächenschicht des Kupferteiles das Lotmaterial bildet. Bei der für die Verlötung erforderlichen Wärmebehandlung können auch Metallteile (6, 16, 17) auf die gleiche Weise mit dem Kupferteil verlötet werden, beispielsweise der Faltenbalg (12) oder der Schirm (16) einer Vakuumschaltröhre.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung einer gasdichten Lötverbindung und Anwendung des Verfahrens bei der Herstellung von Bau¬ elementen mit vakuumdichtem Gehäuse
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Vakuumelektronik und ist bei der gasdichten Verlόtung eines Keramikteiles mit einem Kupferteil unter Verwendung eines Lotmaterials anzuwenden .
Die Herstellung gasdichter Lötverbindungen zwischen einem Keramikteil und einem Kupferteil ist beispielsweise bei Hochleistungsrohren und bei Vakuums ehalt röhren üblich. Für Vakuums ehalt röhren ist eine Löttechnik bekannt , bei der ein kappenför iges Kupfergehäuse stumpf mit einer Ke¬ ramikplatte verlötet wird, bei der also eine sogenannte Schneidenlötung vorgenommen wird . Hierbei wird die Kera- mikplatte im Bereich der Lötverbindungsstelle zunächst metallisiert . Zur Herstellung der Lötverbindung wird im Obergangsbereich zwischen dem Kupferteil und dem Keramik¬ teil ein Lötring aufgelegt , der bei der zur Verlötung er¬ forderlichen Wärmebehandlung schmilzt , wobei das Lotmate- rial das Kupferteil und das Keramikteil im Bereich ihrer Grenzflächen miteinander verbindet (EP 0 040 933 Bl , Fi¬ guren 7 und 8 ) . Es ist dabei üblich, als Lötmaterial so¬ genannte Kupfer-Silber-Eutektikum-Lote zu verwenden, die beispielsweise in Form einer Folie oder eines Drahtringes vorliegen ( "Handbuch der Vakuumelektronik M , Josef
Eichmeier und Hinrich Heynisch, R . Oldenbourg -Verlag Mün¬ chen/Wien, 1989 , Seite 22 ) . Zur Herstellung einer Lötverbindung zwischen einem Kera¬ mikteil und einem Metallteil, beispielsweise zur Herstel¬ lung einer gasdichten und haftfesten Lötverbindung bei der Herstellung einer Vakuumschaltröhre, ist eine Löt- technik bekannt, bei der auf das Keramikteil nach dessen Metallisierung im Bereich der Lötverbindungsstelle eine erste Schicht aus Silber und dann eine weitere Schicht aus Kupfer aufgetragen wird. Nach dem Fügen der zu ver¬ bindenden Teile kommt es unter den Lötbedingungen zur Bildung einer homogenen Kupfer/Silber-Legierung, die das eigentliche Lötmittel bildet. - Speziell zum Verlöten ei¬ nes Keramikteiles mit einem Kupferblech ist weiterhin vorgesehen, auf dem metallisierten Keramikteil galvano¬ technisch nur Silber abzuscheiden. Bei Erhitzung der zu verbindenden Teile auf 961° C bildet sich dann im Bereich des Kupferbleches ein Eutektikum mit einem Schmelzpunkt von etwa 780 ° C (DE 38 24 900 AI) . - Diese Löttechnik, bei der also die Oberflächenschicht des Kupferteiles im Bereich der Fügestelle zur Bildung des eigentlichen Löt- mittels herangezogen wird, erscheint nur für Stumpflö- tungen, nicht dagegen für Schneidenlötungen geeignet.
Ausgehend von einem Verfahren mit den Merkmalen des Ober¬ begriffs des Patentanspruchs 1 (DE 38 24 900 AI) liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Herstellung einer solchen Lötverbindung durch Bereitstellung einer größeren Menge an Lötmittel zu vereinfachen und zu verbessern.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorge- sehen, daß das Kupferteil vor der Wärmebehandlung sowohl im Bereich der Lotverbindungsstelle als auch in Oberflä¬ chenbereichen, die an die eigentliche Lotverbindungsstel¬ le angrenzen, galvanisch mit einer Silberschicht versehen wird. Bei einem derartigen Vorgehen erübrigt sich eine oft sehr diffizile Zuordnung des Lötmaterials zur Lötstelle. Durch die Einbeziehung einer größeren Oberflächenschicht des Kupferteiles als Bestandteil einer sich erst während des Lötvorganges ergebenden eutektischen Legierung wird die Handhabung des Lötvorganges einschließlich des galvani¬ schen Aufbringens der Silberschicht, deren Dicke in Ab¬ hängigkeit von der Lötfläche und der Geometrie des Kup- ferteiles im Bereich von 2 bis lOOμ liegen kann, wesent¬ lich vereinfacht. Insbesondere bei Schneidenlötungen wird auf diese Weise eine genügend große Menge an Lötmaterial bereitgestellt. In speziellen Anwendungsfällen besteht dabei die Möglichkeit, den Lötvorgang zur Verbindung des Kupferteiles mit dem Keramikteil gleichzeitig zur Her¬ stellung weiterer Lötverbindungen zu nutzen, insbesondere zur Verbindung des Kupferteiles mit anderen Metallteilen. In diesen Fällen kann das Kupferteil als Ganzes eine Sil¬ berschicht aufweisen. Beispielsweise bei der Herstellung von Vakuumsehaltröhren, also von Bauelementen mit einem vakuumdichten Gehäuse, kann das Kupferteil, wenn es eine Gehäusekappe oder einen Gehäuseflansch bildet, gleichzei¬ tig mit dem Faltenbalg und mit einer Lagerschale für die Einführung des beweglichen Kontaktbolzens verlötet wer- den.
Ausführungsbeispiele für die Anwendung des neuen Verfah¬ rens sind in den Figuren 1 bis 4 dargestellt. Dabei zeigt Figur 1 ausschnittsweise eine Vakuumschaltröhre im Bereich des beweglichen KontaktStückes,
Figur 2 und 3 in schematischer Darstellung zu verlötende Teile einer Vakuumschaltröhre im Bereich der Einführung des beweglichen Kontaktstückes, Figur 4 ebenfalls in schematischer Darstellung
Metallteile einer Vakuumsehaltröhre, die direkt oder indirekt mit Keramikteilen zu verbinden sind.
Figur 1 zeigt ausschnittsweise eine Vakuumschal röhre, zu deren Gehäuse ein zylindrisches Gehäuseteil 1, der ring¬ förmige Keramikisolator 2 und die Gehäusekappe 3 gehören. Durch die Gehäusekappe 3 ist der Kontaktbolzen 4 des beweglichen Kontaktstückes 5 hindurchgeführt. Ein Falten¬ balg 6 verbindet den Kontaktbolzen 4 vakuumdicht mit der Gehäusekappe 3. Mit der Gehäusekappe 3 ist weiterhin eine Lagerschale 7 verbunden, die das Lager 8 für den Kontakt- bolzen 4 aufnimmt.
Die Gehäusekappe 3 besteht aus Kupfer und ist einerseits mit dem Keramikisolator 2 stumpf verlötet. Sie ist wei¬ terhin mit dem einen Ende des Faltenbalges 6, der aus Stahl besteht, stumpf verlötet und ist auch mit der La- gerschale 7, die aus einer Kuferlegierung besteht, verlö¬ tet. Zur Vorbereitung des Lόtvorganges ist einerseits der Keramikisolator im Bereich der Lötstelle mit einer hier nicht näher dargestellten Metallisierung versehen, außer¬ dem ist die Gehäusekappe 3 aus Kupfer vollständig mit einer galvanisch aufgebrachten, etwa 20μ dicken Silber¬ schicht versehen. Bei einer Löttemperatur von etwa 800 °C geht die Silberschicht mit der Oberflächenschicht der Gehäusekappe 3 eine eutektische Legierung ein, die als Lotmaterial im Bereich der verschiedenen Lotstellen wirkt. Auf diese Weise wird die Gehäusekappe 3 sowohl mit dem Keramikisolator 2 als auch mit dem einen Ende des Faltenbalges 6 sowie mit der Lagerschale 7 in einem Ar¬ beitsgang verlötet. Die Figuren 2 und 3 zeigen verschiedene Anwendungsfälle vor der Durchführung des Lötvorganges. Gemäß Figur 2 ist eine Kupferkappe 10 partiell mit einer galvanisch aufge¬ brachten, als strich-punktierte Linie dargestellten Sil- berschicht 20 versehen, die Kupferkappe 10 ist auf die Stirnfläche eines zylindrischen Keramikisolators 11 auf¬ gesetzt. Dieser ist im Bereich seiner Stirnfläche mit einer Metallisierung 21 versehen.
Weiterhin ist ein Faltenbalg 12 so angeordnet, daß er mit seinem einen, als zylindrischer Ansatz ausgebildeten Ende stumpf an der Gehäusekappe 10 anliegt.
Gemäß Figur 3 wird eine Gehäusekpappe 13 aus Kupfer, die im wesentlichen nur auf der inneren Oberfläche eine Sil¬ berschicht 20 trägt, flächig mit der Stirnfläche des Keramikisolators 11 verbunden. Ein Faltenbalg 12 wird stumpf mit der Kupferkappe 13 verlötet.
Gemäß Figur 4 werden zwei Keramikisolatoren 11 und 14 über einen Zwischenring 15 miteinander sowie mit den angrenzenden Gehäusekappen 10 und 13 verbunden. Der Zwi¬ schenring 15 soll zusätzlich mit einem Schirm 16 und die Gehäusekappe 13 zusätzlich mit einem Schirmring 17 ver- bunden werden. Außerdem ist die Verbindung des Faltenbal¬ ges 12 mit der Gehäusekappe 10 vorgesehen. Zu diesem Zwecke bestehen die Gehäusekappen 10 und 13 sowie der Zwischenring 15 aus Kupfer, die Gehäuseklappen 10 und 13 sind partiell und der Zwischenring 15 vollkommen mit einer galvanisch aufgebrachten Silberschicht 20 versehen. Der Schirm 16 und der Schirmring 17 bestehen ebenfalls aus Kupfer, während der Faltenbalg 12 aus Edelstahl be¬ steht, der im Bereich der Lötstelle mit einer sehr dünnen Edelmetallschicht, insbesondere einer Goldbeschichtung, versehen sein kann. Bei einem derartigen Aufbau des Ge¬ häuses bzw. einer Vakuumschaltröhre können somit in einem einzigen Arbeitsgang sieben Lötverbindungen hergestellt werden, ohne daß hierzu besondere Lotkörper verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer gasdichten Lötverbin¬ dung zwischen einem Keramikteil und einem Kupferteil, bei dem zunächst das Keramikteil im Bereich der Lötstelle metallisiert wird und bei dem danach das Kupferteil auf das Keramikteil aufgesetzt und mit diesem mittels eines Lotmaterials aus einem Kupfer-Silber-Eutektikum durch ei¬ ne Wärmebehandlung verbunden wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Kupferteil (10,13,15) vor der Wärmebehandlung so¬ wohl im Bereich der Lotverbindungsstelle als auch in Oberflächenbereichen, die an die eigentliche Lotverbin¬ dungsstelle angrenzen, galvanisch mit einer Silberschicht (20) versehen wird.
2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bei der Her¬ stellung eines Bauelementes mit vakuumdichtem Gehäuse, wobei das Gehäuse ein Gehäuseteil aus Kupfer aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Silberschicht (20) auch in solchen Bereichen des Kupferteiles (10,13,15) aufgebracht wird, in denen das Kupferteil zusätzlich mit anderen Metallteilen (6,16,17) verlötet wird, und daß die Verlötung des Kupferteiles mit den Metallteilen gleichzeitig mit der Verlötung des Kupferteils mit dem Keramikteil (11,14) erfolgt.
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