DE4037902C2 - Mehrschichtiges Lot und Verfahren zum Verbinden von Keramik und Metall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein mehrschichtiges Lot zum Verbinden von Keramik und Metall nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Verbinden von Keramik und Metall nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 4.

Zum Verbinden von Metallen mit gepreßten Pulverwerkstoffen, z. B. Keramik, ist bisher ein Aktiv-Metall-Verfahren benutzt wor­ den. Dabei werden Werkstoffe, die zur Reaktion mit Keramik nei­ gen, wie Titan (Ti) oder Zirkon (Zr), welche wiederum zur Reak­ tion mit Sauerstoff u. ä. neigen, als Lot eingesetzt. Das in dem Aktiv-Metall-Verfahren verwendete Lot ist aus einer auf Ti­ tan oder Zirkon basierenden Legierung gebildet. Insbesondere wird eine Ti-Cu-Ag-Legierung verwendet.

Bei dem Aktiv-Metall-Verfahren wird das Lot zwischen einen Me­ tall- und einen Keramikwerkstoff gebracht und hoher Temperatur und hohem Druck ausgesetzt. Danach wird das Werkstück abgekühlt, so daß der Metall- und der Keramikwerkstoff sich miteinander verbinden.

In der japanischen Offenlegungsschrift Nr. Sho 59-232693 wird ein Verbund-Lot, d. h. eine Ti-Cu-Ag-Legierung, zum Verbinden von Keramik mit Metallen vorgeschlagen. Wenn Metall und Keramik mittels des Aktiv-Metall-Verfahrens unter Verwendung einer Ti- Cu-Ag-Legierung miteinander verbunden werden, zeigt die Verbin­ dung hervorragende Haftung und hervorragendes Verbindungsvermö­ gen. Die Festigkeit einer Verbindung nimmt jedoch oberhalb von 300°C schnell ab, da das Lot Silber mit niedrigem Schmelzpunkt enthält. Wird ein oben beschriebenes Keramik-Produkt bei hoher Temperatur eingesetzt, so verursacht das genannte Lot Probleme. Auch muß beim Aktiv-Metall-Verfahren hoher Druck zum Herstellen der Verbindung von Metall und Keramik angewandt werden.

Aus der DE 33 45 219 C1 ist ein mehrschichtiges Aktiv-Lot zum Verbinden von Keramik mit Metall bekannt. Das Aktiv-Lot in Form einer Lötfolie weist direkt angrenzend an das Keramikmaterial eine Schicht aus Kupfer-Titan-Lot auf, an die sich auf der von der Keramik abgewandten Seite eine dünnere Silberschicht an­ schließt. An letztere schließt sich direkt eine spannungsdämpfen­ de Zwischenschicht an, die z. B. aus Kupfer, Eisen oder Nickel besteht und eine Dicke von 50 bis 300 µm aufweist. Der Lötvor­ gang erfolgt in Abhängigkeit des Silbergehaltes bei einer Löttem­ peratur von etwa 870 bis 890°C im Vakuum. Die Festigkeit einer so erhaltenen Verbindung nimmt jedoch ebenfalls oberhalb von 300°C schnell ab, da das niedrig schmelzende Silber während des Lötvorgangs in das Kupfer-Titan-Lot diffundiert und so den Schmelzpunkt herabsetzt.

In der US 3 652 237 C1 ist die Herstellung mehrschichtiger Lötfo­ lien zum Niedrigtemperaturlöten beschrieben. Eine oder mehrere Schichten aus einem weicheren Material, z. B. aus Kupfer und/oder Nickel, werden dabei von äußeren Schichten aus einem här­ teren Material, z. B. Titan, umschlossen und anschließend durch Warmwalzen in mehreren Stufen auf die gewünschte, geringere Dicke gebracht. Als Beispiel ist eine fertige Lötfolie mit ei­ ner Gesamtdicke von 127 µm (0,005 inch) angegeben. Welche Mate­ rialien mit einer solchen Lötfolie verbunden werden können, ist in dieser Druckschrift nicht erwähnt.

Aus der US 2 857 663 ist es bekannt, Keramik und Metall mittels eines mehrschichtigen, Nickel und Titan enthaltenden Lotes mit­ einander zu verbinden. Dabei wird jedoch nicht die Titanschicht, sondern eine sehr dünne Nickelschicht (etwa 6,35 µm) direkt an­ grenzend an die Keramik angeordnet, während sich die Titan­ schicht auf der von der Keramik abgewandten Seite an die Nickel­ schicht anschließt und ihrerseits direkt angrenzend an das Me­ tall angeordnet ist.

In der EP 0 428 275 A1 ist ein pulverförmiges Aktivlot zum Ver­ binden von keramischen Oberflächen mit metallischen Oberflächen beschrieben. Um den Wärmeausdehnungskoeffizient des Aktivlots dem Keramik- und dem Metallmaterial anzupassen, enthält das pulverförmige Aktivlot neben Nickel und Titan oder Zirkonium oder neben Nickel, Titan und Kupfer auch Molybdän, Wolfram, Si­ liziumcarbid oder Mischungen hieraus.

Aus der EP 0 230 853 A1 ist ein mehrschichtiges Lot bekannt, das eine erste Schicht aus Titan und eine darauf aufgedampfte, zwei­ te Schicht aus Kupfer aufweist. Die zweite Schicht wird chemisch oder elektrochemisch bis zu einer vorgegebenen Schichtdicke ver­ stärkt. Als Diffusionssperre oder als Schutzschicht wird gemäß einer Ausgestaltung auf galvanischem Wege eine weitere Schicht aus Kupfer oder Nickel auf das Lot aufgebracht. Die beschriebene Schichtenfolge wird in einem Ofen mit Schutzgas erhitzt, um eine einwandfreie Verbindung der Schichten untereinander zu erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lot zum Verbinden von Keramik und Metall sowie ein Verfahren zum Verbinden von Keramik und Metall bereitzustellen, mit dem die Herstellung einer bis zu 600°C stabilen Verbindung ermöglicht ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem mehrschichtigen Lot, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, sowie durch ein Verfahren gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 5 aufweist. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.

Durch Erhitzen der Keramik und des Metalls sowie des Titan- Kupfer-Lots und der Nickelschicht im Vakuum wirkt das Titan- Kupfer-Nickel als Lot, wobei Kupfer in das Lot diffundiert und dessen Konzentration vermindert, so daß die Wärmebeständigkeit einer Verbindung verbessert wird. Die Nickelschicht wirkt so­ wohl als Lot als auch als Spannungsdämpfer bzw. Pufferwerkstoff.

Versuchsergebnisse zeigen, daß die Festigkeit der Verbindung durch die erfindungsgemäß gewählte Dicke der Nickelschicht ver­ bessert wird und bis zu 600°C stabil gehalten werden kann. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß die Festigkeit der er­ haltenen Verbindung in starkem Maße von der Dicke der ersten Nickelschicht abhängt und wesentlich verbessert werden kann, wenn die erste Nickelschicht erheblich dicker als bisher üblich gewählt wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher er­ läutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht der Erfindung zur Veranschaulichung der zwischen einer Keramik und einem rostfreien Stahlblech angeordneten Materialien;

Fig. 2 ein Temperatur-Zeit-Diagramm der Herstellung der Verbindung zwischen der Keramik und dem Metall;

Fig. 3 ein Diagramm der Biegefestigkeit aufgetragen gegen die Dicke einer Nickelschicht;

Fig. 4 ein Diagramm der Biegefestigkeit aufgetragen ge­ gen die Temperatur.

Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, in welchem eine Siliziumnitrid-Keramik 1 und ein rostfreier Stahl 2 (SUS 304) eingesetzt werden. Zwischen der Keramik 1 und dem Blech 2 sind Verbindungsschichten angeordnet.

Die Verbindungsschichten umfassen Nickelbleche 4, 5, eine Wol­ framschicht 3, eine Kupferfolie 6 und einen Titanfilm 7. Insbe­ sondere ist die Wolframschicht 3 mit einer Dicke von 1 mm zwi­ schen dem Nickelblech 4 mit einer Dicke von 1 mm und dem Nickelblech 5 mit einer Dicke von 1,5 mm angeordnet. Die Kupferfolie 6 mit einer Dicke von 20 µm und der Titanfilm 7 mit einer Dicke von 1,5 µm sind zwischen der Keramik 1 und dem Nickelblech 5 angeordnet, so daß der Titanfilm 7 die Keramik 1 berührt.

Die Verbindungsschichten werden übereinandergelegt und in ei­ nem Vakuum von 5 × 10^-5 Torr erhitzt. Fig. 2 zeigt die Heizbe­ dingungen, wobei die Abszisse die Zeit in Sekunden darstellt und die Ordinate die Temperatur. Die Schichten werden auf eine Temperatur von 1200°C (t₁) in Schritten von 0,34°C/s (t) er­ hitzt und für 0,06 Ks (Kilosekunden) (T₁) auf dieser Temperatur gehalten, dann auf eine Temperatur von 1150°C (t₂) abgekühlt und für 0,6 Ks (T₂) auf dieser Temperatur gehalten, sodann auf 1100°C (t₃) abgekühlt und für 3,6 Ks (T₃) auf dieser Temperatur gehalten.

Die Verbindung zwischen der Keramik 1 und dem rostfreien Stahl 2 zeigt danach eine Biegefestigkeit von 200 MPa und eine Wärme­ beständigkeit von 600°C.

Erfindungsgemäß wirkt eine Ni-W-Ni-Schicht, d. h. die zwischen den Nickelblechen 4 und 5 angeordnete Wolframschicht 3, als Wärmespannung absorbierende oder mindernde Schicht und das Nickelblech 5, die Kupferfolie 6 und der Titanfilm 7 wirken als Ni-Cu-Ti-Lot.

Bei dem obengenannten verbindungsverfahren wird die Temperatur t₃ (1100°C) während der Zeit T₃ (3,6 Ks) aufrechterhalten, um die Wärmebeständigkeit der Verbindung zu verbessern, indem durch Beschleunigen der Kupferdiffusion in das Lot hinein Ver­ minderung der Kupferkonzentration erreicht wird.

Die Dicke des Nickelbleches 5 zwischen der Kupferfolie 6 und der Wolframschicht 3 ist wesentlich, denn die Verbindungs­ festigkeit verändert sich in starkem Maße mit der Dicke des Nickelbleches 5. Der Zusammenhang zwischen der Dicke des Nickelbleches 5 und der Verbindungsfestigkeit ist in Fig. 3 ge­ zeigt, wobei auf der Abszisse die Dicke des Nickelbleches in mm aufgetragen ist und auf der Ordinate die Vier-Punkt-Biegefe­ stigkeit (ermittelt nach JIS R 1601-1981).

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, beträgt die Vier-Punkt-Biegefestig­ keit über 200 MPa, sofern die Dicke des Nickelbleches im Be­ reich von 1,0 bis 1,7 mm liegt. Vorzugsweise beträgt die Dicke des Nickelbleches 5 1,5 mm.

Erfindungsgemäß kann die Wärmebeständigkeit einer Verbindung durch Einsatz des Ni-Cu-Ti-Lotes verbessert werden, welches Nickel anstelle von Silber enthält. Fig. 4 zeigt den Zusammen­ hang zwischen der Verbindungsfestigkeit und der Temperatur bei Verwendung eines üblichen Ag-Cu-Ti-Lotes und des erfindungs­ gemäßen Ni-Cu-Ti-Lotes.

Das erfindungsgemäße Lot, in Fig. 4 durch eine ausgezogene Linie A dargestellt, behält die Vier-Punkt-Biegefestigkeit von über 200 MPa von Raumtemperatur bis zu 600°C, während sich bei Einsatz des konventionellen Lotes, d. h. des Ag-Cu-Ti-Lotes, in Fig. 4 durch eine gestrichelte Linie B dargestellt, die Vier- Punkt-Biegefestigkeit auf unter 200 MPa bei 400°C reduziert und mit steigender Temperatur schnell weiter abnimmt.

Die Erfindung erhöht die Leistungsfähigkeit einer Verbindung und kann auf Keramik-Produkte komplizierter Form angewendet werden, da zum Verbinden kein hoher Druck nötig ist.

In obigem Ausführungsbeispiel wurde rostfreier Stahl als Metall eingesetzt; die Erfindung kann selbstverständlich auch beim Verbinden von Keramik mit anderen Metallen eingesetzt werden.

Claims (6)

1. Mehrschichtiges Lot zum Verbinden von Keramik mit Metall, mit einer Schicht aus Titan-Kupfer-Lot sowie einer ersten Nickelschicht,
dadurch gekennzeichnet, daß

• - die erste Nickelschicht (5) direkt auf dem Titan-Kupfer- Lot angeordnet ist und eine Dicke im Bereich von 1,0 mm bis 1,7 mm aufweist,
• - eine Wolframschicht (3) direkt auf der ersten Nickel­ schicht (5) angeordnet ist, und
• - eine zweite Nickelschicht (4) direkt auf der Wolfram­ schicht (3) angeordnet ist.

2. Lot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Nickelschicht (5) eine Dicke von etwa 1,5 mm aufweist.

3. Lot nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Titan-Kupfer-Lot aus einem Ti­ tanfilm (7) und einer direkt darauf angeordneten Kupferfolie (6) gebildet ist, auf der wiederum die erste Nickelschicht (5) angeordnet ist.

4. Verfahren zum Verbinden von Keramik mit Metall mittels eines mehrschichtigen Lotes mit den Schritten:

• - Anordnen einer Schicht aus Titan-Kupfer-Lot direkt angren­ zend an die Keramik,
• - Anordnen einer ersten Nickelschicht direkt auf dem Titan- Kupfer-Lot auf dessen von der Keramik abgewandten Seite, wobei die erste Nickelschicht eine Dicke im Bereich von 1,0 mm bis 1,7 mm aufweist,
• - Anordnen einer Wolframschicht direkt auf der ersten Nickel­ schicht,
• - Anordnen einer zweiten Nickelschicht direkt auf der Wolf­ ramschicht und angrenzend zu dem Metall,
• - Erhitzen der Keramik, des Metalls und des mehrschichtigen Lotes im Vakuum auf eine Temperatur von über 1100°C, und
• - Senken der Temperatur auf 1100°C und Aufrechterhalten dieses Temperaturniveaus für eine im voraus festgelegte Zeit.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Nickelschicht in einer Dicke von etwa 1,5 mm verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Titan-Kupfer-Lot von einem di­ rekt angrenzend an die Keramik angeordneten Titanfilm sowie einer zwischen dem Titanfilm und der ersten Nickelschicht ange­ ordneten Kupferfolie gebildet wird.