DE19736415C2 - Klebverbindung zwischen einem metallischen Substrat und einem zumindest im Oberflächenbereich aus Keramik bestehenden Körper und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents
Klebverbindung zwischen einem metallischen Substrat und einem zumindest im Oberflächenbereich aus Keramik bestehenden Körper und Verfahren zu deren HerstellungInfo
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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 (4)
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.
Priority Applications (1)
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DE19736415A1 DE19736415A1 (de) | 1999-03-04 |
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DE19736415A Expired - Fee Related DE19736415C2 (de) | 1997-08-21 | 1997-08-21 | Klebverbindung zwischen einem metallischen Substrat und einem zumindest im Oberflächenbereich aus Keramik bestehenden Körper und Verfahren zu deren Herstellung |
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Country | Link |
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DE (1) | DE19736415C2 (de) |
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- 1997-08-21 DE DE19736415A patent/DE19736415C2/de not_active Expired - Fee Related
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