DE4105596C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hochtemperaturbeständigen Lötverbindungen zwischen Keramikteilen, insbesondere aus Siliziumnitrid und Siliziumkarbid, und anderen Keramik- oder Metallteilen, durch Metallisierung der zu verbindenden Keramikoberflächen und Löten mit einem Hartlot.

Keramische Werkstoffe gewinnen als Konstruktionsbauteile immer mehr an Bedeutung. Ein wesentlicher Vorteil von keramischen Werkstoffen sind ihre hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen sowie ihre ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit. Die Verwendung von monolithischen Keramikteilen ist aus fertigungstechnischen und aus wirtschaftlichen Gründen häufig nicht möglich. Daher ist der Einsatz von Hochleistungskeramiken in der Praxis auch von einer geeigneten Verbindungstechnik abhängig.

Zum Verbinden von Keramik mit Keramik oder von Keramik mit Metall wird heute vielfach das Löten von metallisierter Keramik angewendet. Dazu wird auf die zu lötende Stelle auf der Keramik beispielsweise eine Mangan-Molybdän-Suspensionsschicht aufgebracht und bei hohen Temperaturen unter Wasserstoffatmosphäre eingebrannt. Die an der Grenzschicht zur Keramik entstehenden Oxide führen zu einer Spinellbildung mit der Keramik und bewirken damit eine gute Haftung.

Zur Verbesserung der Benetzungseigenschaft der Metallisierung wird diese noch galvanisch vernickelt. Die so metallisierte Keramik kann mit konventionellen Hartloten gelötet werden, wie beispielsweise mit Silber-Kupfer-Hartloten. Diese Art der Metallisierung von Keramikoberflächen ist allerdings weitgehend auf Aluminiumoxid beschränkt. Für Hochleistungskeramiken, wie beispielsweise Siliziumnitrid und Siliziumkarbid, existiert bisher noch kein befriedigendes Metallisierungsverfahren.

Eine Verbindungstechnik, bei der Keramik mit Keramik oder Metall direkt gelötet werden kann, stellt das Aktivlöten dar. Als Aktivlote verwendet man hauptsächlich Silber- oder Silber-Kupfer-Legierungen mit Anteilen an reaktiven Elementen, wie Titan, Zirkonium und/oder Hafnium. Die Titangehalte liegen üblicherweise zwischen 0,5 und 5 Gew.%. Aufgrund der Reaktivität des Titans erfolgt die Lötung unter inertem Schutzgas oder im Vakuum. Während des Lötvorgangs diffundiert das Titan zur Keramik und bildet dort eine Reaktionsschicht, die eine feste Verbindung bewirkt. Die Lotschicht selbst ist nach dem Löten weitgehend frei an Titan. Die Reaktionsschicht besteht bei dem Löten von Oxidkeramik weitgehend aus Titanoxid, beim Löten von Nitridkeramik aus Titannitrid und beim Löten von karbidischer Keramik weitgehend aus Titankarbid.

Die Aktivlote bestehen vorzugsweise aus Silber-Titan-, Silber-Kupfer-Titan-, Silber-Kupfer-Indium-Titan- und Silber-Indium-Titan-Legierungen und sind beispielsweise als Folien erhältlich.

Ihre Schmelzpunkte liegen unterhalb 950°C, so daß sie für hochtemperaturbeständige Lötverbindungen nicht geeignet sind.

Es ist daher versucht worden, Aktivlote auf der Basis Palladium-Nickel-Titan für Keramiklötungen zu verwenden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei den notwendigen hohen Löttemperaturen in Vakuum Reaktionen zwischen den Titanbestandteilen des Lotes und der Keramik auftreten können. Insbesondere bei Siliziumnitrid bildet sich gasförmiger Stickstoff, der die Lötverbindung schwächt, so daß keine hohen mechanischen Festigkeitswerte innerhalb der Lotschicht erreichbar sind.

In der DE-OS 36 18 102 wird ein einstufiges Aktivlötverfahren geoffenbart, bei dem sich das Aktivlot aus einem Hartlot durch Aufnahme von Titan während des Lötens bildet. Das Titan liegt dabei als feinteiliges Pulver oder als Titanfolie vor und diffundiert zum Teil in das Hartlot ein. Man umgeht mit diesem Verfahren die Verwendung von hochtitanhaltigen Aktivloten, die einen relativ hohen Schmelzpunkt aufweisen. Optimale mechanische Festigkeiten lassen sich so nicht erzielen.

In der DE-OS 39 31 156 wird ebenfalls ein Aktivlötverfahren beschrieben, bei dem ein Aktivlot verwendet wird. Eine Vormetallisierung der Keramikoberfläche kann gegebenenfalls mit einer elektrolytisch aufgebrachten Nickelschicht erfolgen. Das Aktivlot entsteht beim Löten durch Aufnahme von Titan in ein Hartlot.

Bei der Literaturstelle "Advanced Ceramic Materials, Vol. 3, No. 5, 1988, Seite 457-462", werden die zu verbindenden Keramikoberflächen mit einer 1 µm dicken Titanschicht bedampft und dann mit einem Hartlot gelötet, das die Titanschicht auflöst und als Aktivlot wirkt. Optimale mechanische Festigkeiten der Lotschicht sind mit keinem dieser bekannten Aktivlotverfahren zu erzielen.

Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von hochtemperaturbeständigen Lötverbindungen zwischen Keramikteilen, insbesondere aus Siliziumnitrid und Siliziumkarbid, und anderen Keramik- oder Metallteilen zu entwickeln, durch Metallisieren der zu verbindenden Keramikoberflächen und Löten mit einem Hartlot, wobei die Lotschicht eine hohe mechanische Festigkeit auch bei Temperaturen oberhalb 900°C aufweisen sollte.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Metallisieren der Keramikoberflächen ein Titan, Zirkonium und/oder Hafnium enthaltendes Aktivlot mit Schmelztemperaturen unterhalb 1000°C und zum Löten ein Hochtemperaturhartlot mit Schmelztemperaturen oberhalb 900°C verwendet wird, wobei die Zusammensetzung des Hartlots so gewählt werden muß, daß beim Löten durch Aufnahme von Metallen der Metallisierungsschicht eine Legierung mit einem Schmelzpunkt ebenfalls oberhalb 900°C entsteht.

Vorzugsweise verwendet man als Aktivlote Silberlegierungen und Silber-Kupfer-Legierungen mit 0,5 bis 15% Titan oder Silber-Kupfer-Indium-Legierungen mit 0,5 bis 5% Titan. Diese Lote besitzen Schmelzpunkte von 730 bis 950°C. Als Hochtemperaturlote können Gold, Palladium, Palladium-Nickel-Legierungen, Kupfer-Gold-, Kupfer-Gold-Nickel- und Kupfer-Palladiumlegierungen, Gold-Palladium-Legierungen, Silber-Palladium-Mangan- und Nickel-Mangan-Palladium-Legierungen eingesetzt werden. Bevorzugt verwendet man Palladium mit 30 bis 50% Nickel, Kupfer mit 15 bis 20% Palladium, Gold mit 5 bis 20% Palladium und Gold mit 12 bis 24% Nickel. Diese Lote besitzen Schmelzpunkte von etwa 1240°C, 1090°C, 1300°C und 950°C. Sowohl die Aktivlote als auch die Hochtemperaturlote sind als Folien und in sonstiger Form käuflich erhältlich.

Die Keramikteile werden in einem ersten Verfahrensschritt mit einem bekannten Aktivlot metallisiert, beispielsweise entweder in Form einer Lotfolie oder durch Aufbringen einer Lotpaste. Das Aufschmelzen erfolgt in Vakuum oder unter einem inerten Schutzgas. Dabei entsteht eine durchgehende Reaktionsschicht zur Keramik und eine rein metallische Schicht auf der Legierungsoberfläche, die weitgehend frei von Titan ist. Diese metallisierte Oberfläche ist mit Hilfe eines bekannten Hochtemperaturlotes leicht mit einem zweiten metallisierten Keramikteil oder mit einem Metallteil lötbar. Dabei treten überraschenderweise auch bei Löttemperaturen von mehr als 1000°C keine Reaktionen zwischen der Keramik und der titanhaltigen Metallschicht auf, die die mechanische Festigkeit der Lotverbindung schwächen würden. Man erhält mit diesem Verfahren optimale mechanische Festigkeiten der Lötverbindung.

Da die Metallschicht der Keramik sich beim Lötvorgang teilweise im Hochtemperaturlot löst, muß dieses eine Zusammensetzung aufweisen, bei der auch durch eine weitere Metallaufnahme der Schmelzpunkt der Lotschicht nicht unter 900°C abfällt. Sowohl ein Teil des Kupfers als auch des Silbers der Metallschicht können durch die genannten Hochtemperaturlote aufgenommen werden, ohne daß eine merkliche Schmelztemperaturerniedrigung stattfindet, wodurch diese Lotverbindungen hochtemperaturbeständig sind.

Während die mechanische Festigkeit von direkt mit Hochtemperaturaktivloten gelöteten Verbindungen relativ gering ist (Pd40Ni+2,5Ti ergibt z. B. eine Festigkeit von rund 60 MPa), zeigen erfindungsgemäß hergestellte Lötverbindungen Festigkeitswerte von mehr als 100 MPa mit Pd40Ni-Loten.

Folgende Beispiele sollen das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutern:

• 1. Zwei Keramikteile aus Siliziumnitrid wurden mit Aktivlotfolien der Zusammensetzung 72Ag27Cu1Ti metallisiert und anschließend mit einem Hochtemperaturlot der Zusammensetzung 60Pd40Ni bei 1250°C im Vakuum gelötet. Die Festigkeit, ermittelt an Vierpunktbiegeproben, betrug etwa 110 MPa.
• 2. Zwei Keramikteile aus Siliziumnitrid wurden mit einer Aktivlotpaste der Zusammensetzung 96% AgCu-Eutektikum + 4% Titan metallisiert und anschließend ebenfalls mit 60Pd40Ni bei 1250°C im Vakuum gelötet. Die Festigkeit lag bei über 100 MPa.
• 3. Zwei Keramikteile aus Siliziumkarbid wurden gemäß Beispiel 1 metallisiert und gelötet. Die Festigkeit betrug ebenfalls etwa 110 MPa.
• 4. Zwei Keramikteile aus Siliziumnitrid wurden mit einer Lotfolie aus 74Ag20Cu5In1Ti metallisiert und mit einem Hochtemperaturhartlot der Zusammensetzung 87Au13Pd bei 1320°C gelötet. Die Festigkeit lag im Mittel bei 160 MPa.
• 5. Zwei Keramikteile aus Siliziumnitrid wurden mit einer Lotfolie aus 98Ag1In1Ti metallisiert und mit einem Hochtemperaturlot 82Cu18Pd bei 1100°C im Vakuum gelötet. Es ergaben sich Festigkeiten von über 100 MPa.
• 6. Ein Keramikteil aus Siliziumnitrid wurde mit einer Aktivlotfolie 74Ag20Cu5In1Ti metallisiert und mit dem Hochtemperaturlot AuNi18 mit einem Teil aus einer Nickel-Basislegierung verbunden. Die Festigkeit der Verbindung lag bei über 100 MPa.
• Alle Lotverbindungen waren hochtemperaturbeständig und lösten sich auch nicht bei Temperaturen oberhalb 900°C.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit gutem Erfolg auch bei anderen Keramiken, wie Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Bornitrid und Graphit angewendet werden.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung von hochtemperaturbeständigen Lötverbindungen zwischen Keramikteilen, insbesondere aus Siliziumnitrid und Siliziumkarbid, und anderen Keramik- oder Metallteilen, durch Metallisierung der zu verbindenden Keramikoberflächen und Löten mit einem Hartlot, dadurch gekennzeichnet, daß zum Metallisieren der Keramikoberflächen ein Titan, Zirkonium und/oder Hafnium enthaltendes Aktivlot mit Schmelztemperaturen unterhalb 1000°C und zum Löten ein Hochtemperaturhartlot mit Schmelztemperaturen oberhalb 900°C verwendet wird, wobei die Zusammensetzung des Hochtemperaturhartlots so gewählt werden muß, daß beim Löten durch Aufnahme von Metallen der Metallisierungsschicht eine Legierung mit einem Schmelzpunkt ebenfalls oberhalb 900°C entsteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Aktivlote Silber- und Silber-Kupfer-Legierungen mit 0,5 bis 15% Titan oder Silber-Kupfer-Indium-Legierungen mit 0,5 bis 5% Titan verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Hochtemperaturhartlote Palladium mit 30 bis 50% Nickel, Kupfer mit 15 bis 20% Palladium, Gold mit 5 bis 20% Palladium und Gold mit 12 bis 24% Nickel verwendet werden.