DE3233022A1

DE3233022A1 - Verfahren zum direkten verbinden eines koerpers mit einem keramischen substrat

Info

Publication number: DE3233022A1
Application number: DE19823233022
Authority: DE
Inventors: Jens Dr. 5412 Gebenstorf Argau Gobrecht
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1982-09-06
Filing date: 1982-09-06
Publication date: 1984-03-08

Description

Verfahren zum direkten Verbinden eines
Körpers mit einem keramischen Substrat Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum direkten Verbinden eines Substrats aus einer Oxidkeramik und eines Körpers, bei dem zwischen Verbindungsflächen des Substrats und des Körpers durch Erwärmen eine flüssige Zwischenschicht aus einer eutektischen Al-Si-Legierung erzeugt und durch anschliessendes Abkühlen verfestigt wird.
Ein solches Verfahren ist bekannt aus der Patentschrift US-PS 3 766 634. Es bezieht sich auf die direkte Verbindung zwischen einem nichtmetallischen, keramischen Substrat und einem Körper aus Metall, beispielsweise aus Aluminium.
Beide Verbindungspartner werden mit den Verbindungsflächen in Kontakt gebracht und bei erhöhten Temperaturen einer reaktiven Gasatmosphäre ausgesetzt, die, im Falle des Al-Si-Eutektikums, eine Si-Verbindung, wie z.B. Sir4, enthält, die in der Nähe der zu verbindenden Flächen durch geeignete Massnahmen zersetzt wird. Temperatur und Gaszusammensetzung sind so gewählt, dass das Si mit dem Al der Körperoberfläche eine Verbindung eingeht und diese Verbindung zusammen mit dem angrenzenden, reinen Metall des Körpers ein niedrig schmelzendes Eutektikum bildet, das bei der eingestellten Temperatur flüssig ist und das keramische Substrat besetzt. Beim Abkühlen ergibt sich dann unter geeigneten oraussetzungen eine feste, direkte te Verbindung zwischen Keramiksubstrat und Aluminiumkörper Die Qualität der direkten Verbindung hängt bei diesem Verfahren von der Gleichmässigkeit ab, mit der die Oberflächenschicht des metallischen Körpers und das Gas der reaktiven Atmosphäre miteinander reagieren. Da jedoch gerade die kritischen Verbindungsflächen von Substrat und Körper in Kontakt miteinander sind, d.h., sich gegenseitig abdecken, wird die Reaktion zwischen Gas und metallischer Verbindungsfläche durch die anliegende Verbindungsfläche des Keramiksubstrats zumindest partiell behindert.
Weiterhin findet die Reaktion zwischen Gas und Metall nicht nur in gewünschter Weise auf der Verbindungsfläche des Metallkörpers, sondern auch auf allen anderen, ungeschützten metallischen Oberflächen statt. Ist daher für das Endproe dukt des Verbindungsverfahrens eine gut leitende, metallische Oberfläche des aufgebrachten Metallkörpers wichtig, müssen entweder aufwendige Schutzmassnahmen ergriffen werden, um die Reaktion der betreffenden Flächen mit dem Gas zu verhindern, oder die reagierten Schichten durch bekannte chemische oder physikalische Verfahren nachträglich abgetragen werden.
Darüber hinaus ist es bei dem bekannten Verfahren nicht möglich, die direkte Verbindung zwischen Keramiksubstrat und Metallkörper selektiv auszuführen, d.h., nur in ausgewählten Bereichen der gesamten Verbindungsfläche, weil der Reaktionsprozess in der Gasatmosphäre durch die üblichen Maskierungsverfahren nicht begrenzt werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verbindungsverfahren zu schaffen, das eine gleichmässige und selektive Verbindung ermöglicht und nur auf die Verbindungsfläche selbst einwirkt.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass vor dem Erwärmen auf die Verbindungsfläche des Substrats eine Siliziumschicht aufgebracht und während des Erwärmens die Siliumschicht mit einer angrenzenden Aluminiumschicht zu einer eutektischen Al-Si-Legierung verschmolzen wird.
Bei einemobevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens wird, ausgehend von einem Körper-aus Aluminium, die Verbindungsfläche des Körpers selbst als angrenzende Aluminiumschicht benutzt und mit der Siliziumschicht zu einer eutektischen Al-Si-Legierung verschmolzen.
Bei einem weiteren, bevorzugten Ausführungsbeispiel wird, ausgehend von einem Körper aus Keramik, vor dem Erwärmen auf die Verbindungsfläche des Körpers ebenfalls eine Siliziumschicht aufgebracht und zwischen die Siliziumschichten eine Aluminiumfolie gelegt und mit beiden Siliziumschichten zu einer eutektischen Al-Si-Legierung verschmolzen Die Einzelheiten des erfindungsgemässen. Verfahrens werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben und erläutert.
Es zeigen: Fig. la-d die Verfahrensschritte bei einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens; Fig. 2a-d entsprechende Verfahrensschritte bei einem zweiten Ausführungsbeispiel.
In Fig. la-d sind die wesentlichen Verfahrensschritte bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens dargestellt. Das Beispiel geht aus von einem Keramiksubstrat 1 mit einer im wesentlichen ebenen Verbindungsfläche 3 und einem metallischen Körper 2 aus Alu minium mit einer gleichfalls ebenen Verbindungsfläche 4 (Fig. la).
Die beiden Verbindungsflächen 3, 4 werden zunächst vorteilhafterweise vor der Weiterbehandlung nach einem oder mehren ren aus der Aufdampftechnik bekannten Verfahren gereinigt.
Wie in Fig. lb gezeigt, wird anschliessend auf die Verbindungsfläche 3 des Keramiksubstrats 1 eine Siliziumschicht 5 aufgebracht. Die Siliziumschicht 5 kann entweder die Verbindungsfläche 3 in ihrer Gesamtheit bedecken, oder aber mit Hilfe allgemein bekannter Maskierungstechniken selektiv auf ausgewählte Bereiche der Verbindungsfläche 3 aufgebracht werden. Dazu eignen sich beispielsweise thermische Aufdampf- oder Kathodenzerstäubungsverfahren in Kombinativ mit photochemischen Maskenprozessen.
Nachdem die Siliziumschicht 5 in den gewünschten Abmessungen auf dem Keramiksubstrat abgeschieden worden ist, wird der Aluminium-Körper 2 mit seiner Verbindungsfläche 4 auf die Silizumschicht 5 gelegt (Fig. lc). Der Körper 2 und das Substrat 1 werden mit erhöhtem Druck gegeneinandergepresst und unter diesem Anpressdruck in der in Fig. lc dargestellten Konfiguration erwärmt. Sobald bei der Erwärmung die für das Al#Si-Legierungssystem.charakteristische Temperatur von etwa 5770 # erreicht und überschritten wird, legiert die Siliziumschicht 5 mit dem Al aus der Randschicht des Körpers 2 unter Bildung einer eutektischen flüssigen Phase, die sich gegenüber den reinen Ausgangsmaterialien Al und Si durch einen sehr niedrigen Schmelzpunkt auszeichnet. Die Oxydhaut, die üblicherweise die Oberfläche des Aluminiumkörpers 2 bedeckt, wird bei diesem Vorgang der Legierungsbildung sehr leicht durchbrochen.
Die flüssige Zwischenschicht 8 benetzt dann, wie in Fig. ld dargestellt, die Verbindungsfläche 3 des Keramiksubstrats und bildet schliesslich beim Abkühlen die Bindung mit dem Substrat aus.
Für eine Verbindung zwischen einem Al-Körper und einem Substrat aus Al203-Keramik ergeben sich gute Festigkeiten, wenn die Siliziumschicht 5 mit etwa 1 pm Dicke in Vakuum auf das Substrat aufgedampft wird. Als Anpressdruck ist ein Druck von etwa 3 bar ausreichend, um gute Verbindungen.
zu erhalten. Damit für den thermisch aktivierten Legierungsvorgang genügend Zeit zur Verfügung steht, ist es bei dem erfindungsgemässen Verfahren vorteilhaft, Substrat 1 und Körper 2 unter Anpressdruck für mehr als 3 min. auf einer Erwärmungstemperatur oberhalb 577 0C zu halten.
Da, im Unterschied zum bekannten Verfahren mit reaktiver Atmosphäre, bei dem erfindungsgemässen Verfahren der nichtmetallische Legierungspartner als gleichmässig aufgebrachte Fläche der metallischen Verbindungsfläche des Körpers gegenüberliegt, ergibt sich eine lückenlose und sehr gleichmässige Zwischenschicht mit entsprechender Haftfestigkeit.
Wie schon erwähnt, lässt sich das Aufbringen der Siliziumschicht zudem selektiv durchführen und die übrigen Oberflächen des metallischen Körpers bleiben bei dem Verbindungsvorgang unverändert.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindÜngsgemäs# sen Verfahrens, bei dem nicht nur das Substrat 1, sondern auch der Körper 2 aus einer Keramik, insbesondere aus Al203~ Keramik, bestehen Fig. 2a, werden gemäss Fig. 2b sowohl auf die Verbindungsfläche 3 des Substrats 1, als auch auf die Verbindungsfläche 4 des Keramik-Körpers 2 dünne Siliziumschichten 5 und 6 mit vorzugsweise gleicher Dicke aufgebracht, nachdem beide Flächen zuvor, wie beim ersten Ausführungsbeispiel erwähnt, ausreichend gereinigt worden sind.
Zwischen die mit Silizium beschichteten Verbindungsflächen wird dann eine dünne Al-Folie 7 gelegt, so dass sich eine Anordnung entsprechend Fig. 2c ergibt Bei einem vergleichbaren Anpressdruck und den bereits genannten Erwärmungstem peraturen und Haltezeiten bildet sich wie in Fig. 2d dargestellt, eine eutektiscbe, flüssige Zwischenschicht 8, die nach dem Erstarren die Haftung zwischen Substrat l und Körper 2 vermittelt. Bei Schichtdicken von etwa 1 pm für die Siliziumschichten 5 und 6 werden die grössten Festigkeiten erreicht, wenn die Dicke der dazwischenliegenden Al-Folie 7 im Bereich zwischen 5 und 100 pm liegt.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren ist es möglich, eine Verbindung zwischen einem Substrat aus Keramik einerseits und einem Körper aus Aluminium oder Keramik andererseits herzustellen, die sich durch hohe Gleichmässigkeit und Festigkeit, geringe Verfahrensdrücke und -temperaturen und durch den Umstand auszeichnet, dass die Veränderungen an den zu verbindenden Teilen während des Verbindungsvorgangs auf den unmittelbaren Bereich der Verbindungsflächen beschränkt bleiben.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zum direkten Verbinden eines Substrats (1) aus einer Oxidkeramik und eines Körpers (2), bei dem zwischen Verbindungsflächen (3, 4) des Substrats (1) und des Körpers (2) durch Erwärmen eine flüssige Zwischenschicht (8) aus einer eutektischen Al-Si-Legierung erzeugt und durch anschliessendes Abkühlen verfestigt wird dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Erwärmen auf die Verbindungsfläche (3) des Substrats (1) eine Siliziumschicht (5) aufgebracht und während des Erwärmens die Siliziumschicht mit einer angrenzenden Aluminiumschicht zu der eutektischen Al-Si-Legierung verschmolzen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Material des Körpers (2) Aluminium verwendet und die Zwischenschicht (8) aus der Siliziumschicht und einer Oberflächenschicht des Körpers (2) gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Material des Körpers (2) eine Oxidkeramik verwendet, vor dem Erwärmen auch auf die Verbindungsfläche (4) des Körpers (2) eine Siliziumschicht (6) aufgebracht, zwischen die Siliziumschichten (5, 6) eine Aluminiumfolie (7) gelegt und die Zwischenschicht (8) aus den Siliziumschichten (5, 6) und der Aluminiumfolie (7) gebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Oxidkermaik eine Aluminiumoxidkeramik verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumschicht (5) selektiv aufgebracht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumschicht (5) mit einer Dicke von etwa 1 im Vakuum aufgedampft wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Erwärmens Substrat (1) und Körper (2) mit einem Druck von etwa 3 bar gegeneinandergepresst werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Substrat (1) und Körper (2) auf eine Temperatur im Bereich der Schmelztemperatur des Al-Si-Eutektikums erwärmt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Substrat (1) und Körper (2) mehr als 3 min. lang auf der Temperatur im Bereich der Schmelztemperatur des Al-Si-Eutektikums gehalten werden.
10. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminiumfolie (7) mit einer Dicke von 5 bis 100 verwendet wird.