DE4445184B4

DE4445184B4 - Verfahren zum Verbinden zweier Teile durch Aktivlöten

Info

Publication number: DE4445184B4
Application number: DE19944445184
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. Bürger; Udo Broich; Erich Prof. Dr.techn. Lugscheider; Wolfgang Dr.-Ing. Tillmann
Original assignee: Hermsdorfer Institut fuer Technische Keramik eV HITK
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1994-12-17
Filing date: 1994-12-17
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2014-12-18
Also published as: DE4445184A1

Abstract

Verfahren zum Verbinden zweier Teile, von denen zumindest eines elektrisch leitfähig ist und aus elektrisch leitfähiger Keramik besteht, durch Aktivlöten, dadurch ge kennzeichnet, daß das Aktivlöten durch induktive Erwärmung des elektrisch leitfähigen Teils bzw. der elektrisch leitfähigen Teile und Druckeinwirkung unter Schutzgas erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden zweier Teile, von denen zumindest eines elektrisch leitfähig ist und vorzugsweise aus elektrisch leitfähiger Keramik besteht, durch das sogenannte Aktivlöten.

Zur Verbindung von Keramikteilen untereinander durch Löten sind zwei grundsätzliche Verfahren bekannt. Zum einen werden beide zu verbindende Flächen mit einer Schicht aus Molybdän und Mangan oder mit Wolfram metallisiert und dann in einem Ofen unter Hinzufügung einer Hartlotfolie gelötet. Zum anderen ist das sogenannte Aktivlöten bekannt, bei dem ein Lot, das sogenannte Aktivmetalle, wie Titan, Zirkon, Lithium, Beryllium und Magnesium enthält, unter Druck- und Temperatureinwirkung eine direkte stoffschlüssige Verbindung mit Keramik eingeht ( DE-OS 39 14 332 ). Das erstgenannte Verfahren ist wegen der Vielzahl der Arbeitsgänge sehr aufwendig und gewährleistet nicht immer die für hohe Beanspruchungen erforderlichen hohen Haftfestigkeiten.

Das an zweiter Stelle genannte Verfahren erfordert die Durchführung des Lötvorganges im Vakuum ggf. noch unter Anwesenheit umweltschädlicher, aus ihren Verbindungen freigesetzter Halogene ( DE-OS 25 55 157 ). Außer dem verfahrenstechnischen und energetischen Aufwand für Vakuumanlagen ist in vielen Fällen deren Bindung an einen bestimmten Aufstellungsort nachteilig. Dies hat man dadurch zu umgehen gesucht, daß analog zum erstgenannten Verfahren nur eine Metallisierung aus Aktivlot aufgebracht wird, wobei eine durchgehende stoffschlüssige Verbindung durch Andrücken eines inerten Polsters während eines Glühprozesses erreicht wird ( DE-OS 24 18 106 ). Die eigentliche Verbindung zweier solcherart metallisierter Flächen könnte dann vor Ort durch herkömmliche Lötverfahren erfolgen, aber es ergäbe sich wiederum der hohe Aufwand an Verfahrensschritten, wie beim ersten Verfahren.

Schließlich ist das induktive Löten zur Verbindung von Metallteilen bekannt. Beim Verbinden von Metall und Keramik muß die Wärme aus dem induktiv erhitzten Metallteil auf das Lot und schließlich das Keramikteil durch Wärmeleitung übertragen werden, was naturgemäß zu thermisch induzierten Spannungen an der Verbindungsstelle führt sowie das Verfahren zeitaufwendig macht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zwei Teile, von denen zumindest eines elektrisch leitfähig ist und vorzugsweise aus elektrisch leitfähiger Keramik besteht, in technologisch einfacher Weise und unabhängig von einem aufwendigen und ortsfesten Vakuumofen zu verbinden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe unter Anwendung des Aktivlötens durch das in den Patentansprüchen beschriebene Verfahren gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber dem Stand der Technik eine ganze Reihe von Vorteilen auf:

– Es ist als mobiles Verfahren ohne das Erfordernis eines Vakuumofens "vor Ort" anwendbar.
– Die kurzen Prozeßzeiten mindern ebenso wie die Schutzgasspülung die Gefahr einer Oxidation des Aktivlots.
– Es lassen sich Lotmaterialien einsetzen, die im Vakuumofen ganz oder fraktioniert abdampfen würden.
– Aus der Entbehrlichkeit eines Vakuumofens, der geringen Anzahl technologischer Schritte sowie den geringen Prozeßzeiten resultieren wirtschaftliche Vorteile infolge geringerer Kosten.
– Im bevorzugten Anwendungsfall der Erfindung bei elektrisch leitender Keramik, wie Aluminiumoxid-Titancarbid-Dispersionskeramik (ATC-Keramik) lassen sich zum einen Verbundkörper mit beliebigen anderen Materialien herstellen, sofern diese nur ausreichend wärmefest sind. Zum anderen ist die Herstellung größerer und/oder komplizierter Strukturen auch aus durchgehend elektrisch leitfähiger Keramik möglich, ohne daß eine teure Bearbeitung mittels Diamantschleifen erforderlich ist.

Die Erfindung wird nachstehend durch drei Ausführungsbeispiele näher beschrieben, die sich im wesentlichen nur in der Art der Materialpaarung unterscheiden. Die beigefügte Zeichnung stellt das Verfahrensprinzip schematisch an der stirnseitigen Verbindung zweier zylindrischer Teile dar.
Zwischen den beiden Fügepartnern aus ATC-Keramik befindet sich eine 0,3 mm dicke Folie aus Ag-Cu-Ti-Aktivlot. Die Fügepartner werden mit einem Druck von 0,02 MPa zusammengedrückt und in der Induktorspule, deren Windungen eine Höhe von 50 mm und einen gleichmäßigen Abstand von 2 mm von den Fügepartnern haben, wird ein Hochfrequenzfeld mit einer Frequenz von 200 kHz und einer Leistung von 2,5 kW erzeugt. Die Einschaltdauer beträgt 300 s. Mit einer Vor- und Nachlaufdauer von je 300 s wird direkt an der Füge-Ebene Argon angeblasen, welches die Fügestelle während der Prozeßdauer in einen andauernden Gasstrom einhüllt. Die Lötstelle erreicht eine Festigkeit in der Größenordnung von 200 MPa, wobei thermisch induzierte Spannungen vermieden werden konnten.
Bei den weiteren Ausführungsbeispielen sind die Fügepartner ATC-Keramik und Stahl sowie ATC-Keramik und Aluminiumoxidkeramik. Im erstgenannten Fall ergibt sich wegen der unterschiedlichen Leitfähigkeiten eine stark unterschiedliche Erwärmung der Fügepartner; im zweiten Fall entsteht nur im leitfähigen Fügepartner Wärme, die durch Wärmeleitung mit einer Einschaltdauer von ≥ 10 min auf den anderen übertragen werden muß. Daraus ergeben sich als vom ersten Ausführungsbeispiel abweichende Verfahrensparameter: Paarung ATC-Keramik/Stahl: Hier ist eine geringere Leistung ( < 2 kW) und eine geringere Einschaltdauer (< 100 s) erforderlich.
Paarung ATC-Keramik/Al₂O₃-Keramik: Hier sind aus den oben erwähnten Gründen (Wärmetransport durch Wärmeleitung) die gleichfalls erwähnten höheren Leistungen und die längere Einschaltdauer erforderlich.

Claims

Verfahren zum Verbinden zweier Teile, von denen zumindest eines elektrisch leitfähig ist und aus elektrisch leitfähiger Keramik besteht, durch Aktivlöten, dadurch ge kennzeichnet, daß das Aktivlöten durch induktive Erwärmung des elektrisch leitfähigen Teils bzw. der elektrisch leitfähigen Teile und Druckeinwirkung unter Schutzgas erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktivlöten an Ort und Stelle an Luft unter Anblasen mit dem Schutzgas erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Anblasen mit dem Schutzgas räumlich unter der Lötstelle erfolgt und diese durch einen konvektiv aufsteigenden Schutzgasstrom eingehüllt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Induktorspule, die sich axial wesentlich über die Ausdehnung der Lötstelle hinaus erstreckt und eine solche Querschnittsform aufweist, daß sie über ihren gesamten Querschnitt einen möglichst gleichen Abstand zu dem bzw. den elektrisch leitfähigem(n) Teilen) aufweist.