DE19736415C2

DE19736415C2 - Klebverbindung zwischen einem metallischen Substrat und einem zumindest im Oberflächenbereich aus Keramik bestehenden Körper und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE19736415C2
Application number: DE19736415A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dlugosch; Roland Pras; Axel Papperitz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-08-21
Filing date: 1997-08-21
Publication date: 2000-09-07
Anticipated expiration: 2017-08-22
Also published as: DE19736415A1

Description

Für viele Anwendungen müssen keramische Schichten auf metal lische Substrate aufgeklebt werden. So werden beispielsweise bei der Herstellung von Leistungsbaugruppen mit mindestens einem Leistungsbauelement wärmeleitende und elektrisch iso lierende Verbunde zwischen den Leistungsbauelementen und den Kühlkörpern gefordert, die einerseits die Abfuhr der Ver lustwärme ermöglichen und andererseits eine ausreichende elektrische Isolierung zum Kühlkörper gewährleisten. Zur Her stellung derartiger Verbunde ist es bekannt, die Leistungs baugruppen oder die einzelnen Leistungsbauelemente auf einen Kupferträger durch Kleben aufzubringen. Diese als Wärme spreizelemente dienenden Kupferträger werden vorwiegend über elektrisch isolierende Keramikzwischenstücke, vorzugsweise über Zwischenstücke aus Aluminiumoxid, mit dem zugehörigen Kühlkörper verbunden.

Aus der EP-A-0 042 693 ist es auch bekannt, anstelle der ge schilderten Keramikzwischenstücke plasmagespritzte Keramik schichten zu verwenden. Die Keramikschichten werden dabei auf die Wärmespreizelemente aufgebracht, worauf die Wärmespreize lemente über die Keramikschichten mit den zugehörigen Kühl körpern verklebt werden. Diese Variante ist jedoch dann nicht anwendbar, wenn die oberflächlich benötigte Keramik durch thermisches Spritzen nicht direkt aufgetragen werden kann, oder wenn die benötigte Schichtstärke zu groß für direktes thermisches Spritzen ist. Ein direktes Auftragen durch ther misches Spritzen muß beispielsweise bei einer Reduktion der Keramik durch den Spritzprozeß ausgeschlossen werden. Beim Aufkleben von Keramikschichten, Keramikzwischenstücken und dergl. auf metallische Substrate kann es insbesondere bei stark unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metall und Keramik zu thermischen Spannungen in der Kleb stoffschicht kommen. Diese thermischen Spannungen führen dann zu einer Verminderung der Bindefestigkeit bzw. zum Versagen der Klebstoffschicht. Dieses Problem tritt insbesondere dann auf, wenn z. B. aus Gründen hoher thermischer Belastungen mit sehr spröden Klebstoffsystemen gearbeitet werden muß.

Aus der US-A-4 723 862 ist eine Verbindung zwischen einem me tallischen Körper und einem aus Keramik bestehenden Körper durch Löten bekannt, bei welcher zum Ausgleich der unter schiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metall und Keramik ein Keramikzwischenstück in den Verbindungsbe reich eingefügt wird. Für die Lötverbindungen zwischen diesem Keramikzwischenstück und dem metallischen Körper einerseits sowie dem aus Keramik bestehenden Körper andererseits werden beispielsweise Silber-, Nickel-, Kupfer- oder Aluminium-Lote verwendet. Der aus Keramik bestehende Körper und das Kera mikzwischenstück bestehen vorzugsweise aus dem gleichen kera mischen Material, d. h. die thermischen Ausdehnungskoeffizi enten beider Teile sind in diesem Fall gleich groß.

Aus dem Artikel "Klebetechnik gibt dem Maschinenbau neue Im pulse" in VDI-Z, Bd. 128 (1986) Nr. 22, S. 899-903 ist eine Empfehlung bekannt, zur Anwendung automatisierter Handha bungstechniken herkömmliche Verbindungsarten wie Schrauben, Nieten, Löten oder Schweißen durch Kleben zu ergänzen oder zu ersetzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Klebverbindung zwischen einem metallischen Substrat und einem zumindest im Oberflächenbereich aus Keramik bestehenden Körper und ein Verfahren zu deren Herstellung so ausgestalten, daß in der Klebstoffschicht keine oder allenfalls nur geringe thermische Belastungen auftreten können.

Diese Aufgabe wird durch eine Klebverbindung nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Klebverbindung nach Anspruch 3 gelöst.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die unterschied lichen thermischen Ausdehnungen von Metall und Keramik bei der angegebenen Schichtenfolge nicht mehr von der Klebstoff schicht aufgenommen werden müssen, sondern durch die haftver mittelnde Zwischenschicht weitgehend ausgeglichen werden kön nen.

Unter dem Begriff "zumindest im Oberflächenbereich aus Kera mik bestehenden Körper" sind im Sinne der vorliegenden Erfin dung sowohl vollständig aus Keramik bestehende Körper als auch solche Körper zu verstehen, die oberflächlich mit einer Schicht aus Keramik versehen sind. Grundsätzlich ist die er findungsgemäße Schichtenfolge für Leistungsthyristor- Kühlkörperverbindungen und für sämtliche Metall-Keramik- Verbunde mit hohen thermischen Beanspruchungen geeignet.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Aus der in der Zeichnung im Querschnitt dargestellten Schich tenfolge ist ersichtlich, daß auf die Oberfläche eines z. B. aus Kupfer bestehenden Metallsubstrats MS zunächst eine mit HS bezeichnete haftvermittelnde Schicht aufgebracht wird. Das Aufbringen dieser haftvermittelnden Schicht HS, die bei spielsweise aus Nickel-Aluminium besteht, erfolgt beispiels weise durch thermisches Spritzen oder durch Sputtern. An schließend wird dann auf die haftvermittelnde Schicht HS durch Plasmaspritzen eine Zwischenschicht ZK aus Keramik auf gebracht. Plasmaspritzen ist in der Technik als eine Unter gruppe der thermischen Spritzverfahren bekannt und beispiels weise in der Deutschen Norm DIN 32 530 beschrieben. Die Zwi schenschicht ZK aus Keramik wird dann anschließend über eine Klebstoffschicht KS mit einem Körper K verbunden. Für die Klebstoffschicht KS sind beispielsweise Epoxidharzklebstoffe geeignet. Bei dem Körper K handelt es sich um einen Körper mit oberflächlich aufgebrachter Keramikschicht, um eine Kera mikplatte oder auch um andere Keramikkörper mit beliebiger Außenform.

Um thermische Spannungen in der Klebstoffschicht KS möglichst weitgehend zu verhindern, wird für die Zwischenschicht ZK ein Keramikmaterial gewählt, dessen thermischer Ausdehnungskoef fizient dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Keramik materials des Körpers K zumindest weitgehend entspricht. Die se Voraussetzung ist beispielsweise dann erfüllt, wenn für die Zwischenschicht ZK und den Körper K das gleiche kerami sche Material, beispielsweise Aluminiumoxid, verwendet wird.

Die in der Zeichnung im Querschnitt dargestellte Schichten folge findet beispielsweise bei der Herstellung wärmeleiten der und elektrische leitender Verbunde zwischen Leistungsbau elemente und den zugehörigen Kühlkörpern Anwendung.

Claims

1. Klebverbindung zwischen einem metallischen Substrat (MS) und einem zumindest im Oberflächenbereich aus Keramik beste henden Körper (K) mit folgenden Merkmalen:

- auf die Oberfläche des metallischen Substrats (MS) ist ei ne metallische haftvermittelnde Schicht (HS) durch thermisches Spritzen oder durch Sputtern aufgebracht;
- auf die haftvermittelnde Schicht (HS) ist eine Zwischen schicht (ZK) aus Keramik durch thermisches Spritzen aufgebracht;
- die Zwischenschicht (ZK) aus Keramik ist über eine Kleb stoffschicht (KS) mit dem Körper (K) verbunden;
- die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Keramikmate rials der Zwischenschicht (ZK) und des Keramikmaterials des Körpers (K) sind zumindest näherungsweise gleich groß.

2. Klebverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß auf die Oberfläche des metallischen Sub strats (MS) eine haftvermittelnde Zwischenschicht (ZK) aus Nickel-Aluminium aufgebracht ist.

3. Verfahren zur Herstellung einer Klebverbindung zwischen einem metallischen Substrat (MS) und einem zumindest im Ober flächenbereich aus Keramik bestehenden Körper (K) mit folgen den Schritten:

- auf die Oberfläche des metallischen Substrats (MS) wird eine metallische haftvermittelnde Schicht (HS) durch thermisches Spritzen oder durch Sputtern aufgebracht;
- auf die haftvermittelnde Schicht (HS) wird eine Zwischen schicht (ZK) aus Keramik durch thermisches Spritzen aufgebracht;
- die Zwischenschicht (ZK) wird über eine Klebstoffschicht (KS) mit dem Körper (K) verbunden;
- für die Zwischenschicht (ZK) wird ein Keramikmaterial ge wählt, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient dem thermi schen Ausdehnungskoeffizienten des Keramikmaterials (K) zu mindest weitgehend entspricht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die Zwischenschicht (ZK) aus Keramik durch Plas maspritzen auf die haftvermittelnde Schicht (HS) aufgebracht wird.