DE1042192B

DE1042192B - Verbindung zwischen Glasteilen, Metallteilen oder Glas- und Metallteilen und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1042192B
Application number: DEC12281A
Authority: DE
Inventors: James Joseph Marafioti; Howard Ansel Scheetz
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1954-12-14
Filing date: 1955-12-14
Publication date: 1958-10-30
Also published as: US2964839A; FR1140481A; BE543542A; GB800519A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von flußmittelfreien Schmelzverbindungen zwischen gleichen oder verschiedenen Feststoffen, wie nämlich zwischen Gläsern mit gleichen oder sehr verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten, zwischen beliebigen Metallen, wozu Aluminium, Blei und Kupfer und deren Legierungen und Stahl mit 36 % Ni gehören, sowie zwischen beliebigen derartigen Gläsern und derartigen Metallen.

Als flußmittelfreie Schmelzverbindungen der hier erwähnten Art sind solche Verbindungen zu bezeichnen, bei denen zwei feste Stoffe durch geschmolzenes Metall, das in jeden der beiden festen Stoffe diffundiert und das dann auf eine unter seiner Erstarrungstemperatur liegende Temperatur gekühlt wird, verbunden werden. Die Erfindung wird im folgenden in ihrer beispielsweisen Anwendung auf die Herstellung einer festen Ultraschallverzögerungsleitung dargestellt und beschrieben.

Fig. 1 der Zeichnung stellt die in einer solchen Verzögerungsleitung verwendeten Einzelteile und deren Zusammensetzung in einem Schemabild in zerlegtem Zustand dar;

Fig. 2 stellt eine ähnliche Ansicht einer solchen Verzögerungsleitung nach dem Zusammenbau dar;

Fig. 3 stellt eine vergrößerte Ansicht der Elektrode dieser Leitung dar.

Die dargestellte Verzögerungsleitung enthält ein aus geschmolzener Kieselsäure bestehendes Verzögerungselement 10, womit ein aus Quarzkristall bestehender Ultraschallumwandler 12 vereinigt ist, der wiederum mit einer Zinn-Blei-Rückenelektrode 20 verbunden ist. Platin 28, Indium 26 und eine Gold-Platin-Legierung 27 stellen die Verbindungsstoffe zwischen der Kieselsäure und dem Quarzkristall dar. Das Material zur Verbindung des Quarzes mit der Zinn-Blei-Rückenelektrode besteht aus einer Zinn-Indium-Legierung 21.

Wie in der Zeichnung dargestellt, wird Seite 11 des Kieselsäureelements 10 so gewählt, daß sie auf den Kristall 12 gelegt und mit ihm verbunden werden kann. Die Zahlen 13 und 14 bezeichnen die auf das Kieselsäurestück 10 bzw. den Quarzkristall 12 aufzutragenden Platin- und Gold-Platin-Materialien. Die Zahlen 16 und 17 bezeichnen die jeweilige Indiumschicht, die auf die Gold-Platin- und Platin-Folien aufgetragen wird, die sich auf dem Kristall 12 bzw. der Seite 11 des Teils 10 befinden. Die Zahlen 18 und 19 bezeichnen das auf die Oberfläche des Kristalls 12 geschichtete Zinn-Indium-Gemisch sowie das bei der Verzinnung der damit verbundenen Zinn-Blei-Rückenelektrode 20 verwendete Gemisch.

In Fig. 2 werden die Gemische 18 und 19 der Fig. 1 als Zinn-Indium-Verbindung 21 gezeigt, wobei, wie durch Pfeile 22 und 23 angegeben, das Zink-Indium in die Zinn-Blei-Elektrode 20 bzw. den Kristall 12 eingedrungen ist. Ebenso werden die Schichten 16 und 17 der Fig. 1 in Fig. 2 als eine Indiumverbindung 26 gezeigt, wovon ein

Metallteilen oder Glas- und Metallteilen

und Verfahren zu ihrer Herstellung

Anmelder:

Corning Glass Works,
Corning, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. W. Beil, Rechtsanwalt,
Frankfurt/M.-Höchst, Antoniterstr. 36

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 14. Dezember 1954

James Joseph Marafioti, South Corning, N. Y.,

und Howard Ansei Scheetz, Elmira, N. Y. (V. St. A.),

sind als Erfinder genannt worden

Teil in die Gold-Platin und Platin-Folien 27 und 28 sowie in den angrenzenden Kristall 12 bzw. den Kieselsäureteil 10, wie durch Pfeile 24 und 25 angegeben, eingedrungen ist.

Bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird, kurz beschrieben, wie folgt verfahren:

Vor der Herstellung der Schmelzverbindung zwischen Kieselsäure und Quarz werden deren aufeinandergelegte Oberflächen metallisiert, die Kieselsäure durch Einbrennen des Platinmaterials 13, wodurch Schicht 28 erzeugt wird, und der Kristall durch Einbrennen des GoId-Platin-Gemisches 14, wodurch Schicht 27 erzielt wird. Jede dieser Schichten wird dann mit einer kleinen Schicht Indium (16 und 17) versehen, und die Schichten werden nach teilweiser Kühlung mit ihren Oberflächen unter Druck aneinandergefügt, bis die Anordnung so weit gekühlt ist, daß sich eine starre Verbindung zwischen dem Kristall 12 und dem Kieselsäurestück 10 gebildet hat.

Vor der Herstellung der' Verbindung zwischen dem Kristall 12 und der Rückenelektrode 20 werden diese in geeigneter Weise erhitzt und die zur Elektrode gekehrte Seite des Kristalls dann mit einer aus einem Zinn-Indium-Gemisch 18 bestehenden Schicht versehen, während die Elektrodenoberfläche mit einem gleichartigen Gemisch 19 verzinnt wird, worauf beide Oberflächen verbunden werden und man das Werkstück auf Raumtemperatur abkühlen läßt.

Es folgt eine mehr ins einzelne gehende Beschreibung des Verfahrens:

Vor der Herstellung einer Schmelzverbindung zwischen dem Kieselsäureteil 10 und dem Quarzkristall 12 werden

80S 660/17Ü

die miteinander zu verbindenden Oberflächen gründlich gereinigt. Das Platinmaterial 13 wird auf die Fläche 11 des Kieselsäurestücks 10 gestrichen und dieser Teil eine halbe Stunde einer auf 250° C erhitzten Atmosphäre ausgesetzt. Bei dieser Temperatur verdampfen alle orgarüschen Verbindungen und/oder werden abgebrannt, unter Zurücklassung der glasartigen Flußmittel und des Grundmetalls. Das Teilstück 10 wird darauf eine halbe Stunde auf 500 C erhitzt, wodurch jedes Bindemittel verbrannt wird, worauf die Verschmelzung der metallischen Folie eingeleitet wird, schließlich wird das Teilstück 10 2 Stunden einer Temperatur von 650^DC ausgesetzt, wodurch die Verteilung der Metallfolie in die Kieselsäureoberfläche gefördert und die Einschmelzung von irgendwelchen zurückbleibenden Glasflußmitteln beendet wird.

Xachdem Teilstück 10 auf Zimmertemperatur abgekühlt wurde, wird es vorzugsweise erneut mit einem gleichartigen Platinmaterial überzogen, das wiederum eingebrannt wird, wodurch die Gewinnung einer dickeren, elektrisch kontinuierlichen Schicht gewährleistet wird, ao Den drei Stufen des zweiten Einbrennkreislaufs, die mit dem ersten übereinstimmen, schließt sich eine Endstufe an, in der zur Bewirkung einer besseren Haftung der zweiten Folienschicht an der ersten das Werkstück eine Viertelstunde auf 680° C erhitzt wird.

Aufbringen der Metallfolie auf den Quarzkristall

Das Platin-Gold-Gemisch 14 wird auf die Oberfläche des Kristalls 12 gestrichen und im Anschluß an eine halbstündige Erhitzung des überzogenen Kristalls unter einer Strahlungswärmelampe zwecks Trocknung der klebrigen Oberfläche eingebrannt. Das Einbrennen wird in drei Stufen in oxydierenden Atmosphären durchgeführt. Der Kristall 12, der zuerst zum Abbrennen aller organischen Verbindungen eine halbe Stunde auf 250⁰C erhitzt wird, wird dann, um jeden auf dem Kristall infolge von Luftströmungen möglicherweise auftretenden Wärmeabfall auf ein Mindestmaß herabzusetzen, 1 Stunde auf 400" C und schließlich auf die höchste Temperatur erhitzt, die angewendet werden kann, ohne die Kristallübergangstemperatur von 573" C zu überschreiten. Mit einer auf etwa 500³C erhitzten Atmosphäre konnte eine Diffusion zufriedenstellend bewirkt werden. Nach Abschluß des Einbrennkreislaufs wurde zur Verhinderung eines starken Wärmeabfalls die Hitzezufuhr zur umgebenden Atmosphäre unterbrochen, worauf man den Kristall 12 allmählich auf Raumtemperatur abkühlen ließ.

Bildung der Schmelzverbindung zwischen Quarz und geschmolzener Kieselsäure

Die den Kristall aufnehmende Oberfläche 11 des geschmolzenen Kieselsäureteilstückes 10 wird zuerst, vorzugsweise durch Strahlungswärmequellen, auf eine Oberflächentemperatur von etwa 250° C erhitzt und dann mit einer vibrierenden Glasfaserbürste geschwabbelt, die mit reinem Indium aus einer geschmolzenen Indiumhilfsschicht versehen wird, wobei die Oberfläche des Kieselsäureteilstückes langsam mit dem Indium überzogen wird. Die Schwingungen der Bürste werden durch die dünne Indiumfolie an die Platinzwischenschicht weiter- geleitet, was dazu führt, daß alle eingeschlossenen. Gase freigesetzt und alle nicht zugehörigen Ölfilme und Indiumoxydschichten aufgelöst werden. Auf diese Weise wird sehr reines Indium in engen Kontakt mit der eingebrannten Platinschicht bei einer Temperatur von 250⁰C gebracht. Außerdem diffundiert ein solches Indium vollständig durch die Platinschicht, wobei die sehr reine geschmolzene Kieselsäure innerhalb von 1 bis 10 Minuten erreicht wird. Während dieser Zeit sammelt sich das Indium durch die Zugabe eines aus reinem Indium bestehenden Drahtes in einer kleinen Schicht, und die auf der Oberfläche derselben gebildete Haut wird während einer Zeitspanne, in welcher die Strahlungshitze auf 165 bis 175⁰C herabgesetzt wird, mehrmals entfernt, um das Indium langsam auf eine solche Temperatur abzukühlen. Die Oberfiächenhaut wird vorzugsweise dadurch entfernt, daß eine straffe Litze aus Kieselsäurefaser über die Schicht gezogen wird. Nach jedem der zuletzt genannten Verfahrensgänge wird Indiumdraht der Schicht zugegeben, so daß genügend reines Indium zur vollständigen Diffusion desselben in die Kieselsäure darin zurückgehalten wird und daß die letztmalige Entfernung der Haut vor dem Zusammenbringen der Schicht mit der auf dem Kristall gebildeten Schicht erleichtert wird.

Gleichzeitig mit der Kieselsäureerhitzung und dem Schwabbelverfahren wird die Seite des Kristalls 12, auf die die Gold-Platin-Folie eingebrannt ist, in derselben Weise behandelt. Zweckmäßig wird der Kristall auf einem geeignet erhitzten Vakuumldemmfutter bis zur späteren Auflage auf das Kieselsäureteilstück 10 festgehalten.

Man läßt die beiden Schmelzschichten dann auf eine beständige Temperatur zwischen 165 und 175° C abkühlen, worauf gleichzeitig die Haut der beiden Schichten entfernt wird, darauf wird der Kristall 12 sofort auf die Kieselsäureschicht gelegt und das Vakuumldemmfutter entfernt. Die schwingende Schwabbelscheibe wird dann in Berührung mit dem schwebenden Kristall 12 gebracht, wodurch bewirkt wird, daß alle beim Aufeinanderlegen möglicherweise mitgeführten Luftblasen aufgelöst werden. Außerdem wird durch die Schwingung das Indium zwischen die Teile 12 und 10 gepreßt und alles überschüssige Indium und die mit eingefangenen Oxyde herausgedrängt. Schließlich wird der Kristall 12 genau in seine gewünschte Stellung gebracht und die beiden Teile dann einem allmählich ansteigenden Druck zwischen auf eine Temperatur von etwa 165°C erhitzten Preßköpfen ausgesetzt, bis der erforderliche Verbindungsdruck erreicht ist. Infolge entgegenstehender Bedingungen ändert sich der tatsächliche Druck je -cm² Kristalloberfläche mit verschiedener Frequenz. Der günstigste Verbindungsdruck für die beiden gewöhnlich verwendeten Kristalle (ohne Berücksichtigung der Beständigkeit gegenüber dem Temperaturkreislauf) ist der folgende:

Kristall frequenz	Kristall schnitt	Kristall dicke mm	Verbindungs- druck	Annähernde Dicke der Schmelz verbindung (mm)
9MC 20MC	AC Quarz AC Quarz	1,85 0,84	9,45 kg/cm² 1,4 kg/cm'²	0,0025 0,0203

Bei gegebener Kristallfrequenz ist der gesamte Verbindungsdruck proportional zur Kristallfläche. Nach der Anwendung des gewünschten Druckes wird die Temperatur der Preßköpfe herabgesetzt, wodurch die Temperatur der Schmelzverbindung innerhalb von etwa 10 Minuten auf 135⁰C gesenkt wird.
- Der obige Abkühlungskreislauf stellt einen Kompromiß dar zwischen einander entgegengesetzten Bedingungen, nämlich

a) ein langsamerer Temperaturwechsel ergibt einen weniger heftigen Wärmeabfall und damit eine geringere Zahl von Sprüngen in dem Kristall; weniger Kurzschlußprobleme;

b) kürzere Dauer der Indium-Schmelz- oder einer höheren Temperatur ergibt eine geringere Oxydation der Zinn- Indium-Schmelzverbindung;

I 042

c) durch schneller eintretenden Wechsel würde die Montagezeit herabgesetzt;

d) durch länger andauernde höhere Temperaturen würde eine dünnere Schmelzverbindung erzeugt.

Sobald die Temperatur der Preßköpfe 135° C erreicht, wird deren Abkühlung unterbrochen und die Hitzezufuhr so eingestellt, daß eine beständige Temperatur von 130° C der Schmelzverbindung erzielt wird. Bei einer solchen Temperatur wird das Indium fest, wodurch die Verbindung zwischen Kieselsäure und Quarz hergestellt wird, so daß das Werkstück aus den Preßköpfen entfernt werden kann.

Das Anschmelzen einer Rückenelektrode

an den Kristall

Auf der KristalMäche, die mit der aus einer Zinn-Blei-Legierung bestehenden Rückenelektrode 20 zu verbinden ist, wird eine aus geschmolzener Zinn-Indium-Legierung bestehende Schicht, ähnlich der ganz aus Indium gebildeten, auf der platinüberzogenen Seite 11 befindlichen ao Schicht, angebracht. Bei der Zinn-Indium-Schicht wird auf gleiche Weise die Haut entfernt.

In der Zwischenzeit wird die Rückenelektrode 20 auf 130° C vorerhitzt und durch Schwabbeln mit einer geschmolzenen Zinn-Indium-Legierung verzinnt. Jedoch wird auf einer solchen Fläche keine Schmelzschicht angebracht, weil die Zinn-Blei-Elektrode 20 sich leicht in der geschmolzenen Legierung auflöst, wobei die Form der Elektrode verlorengeht.

Die Haut der auf dem Kristall 12 befindlichen Zinn-Indium-Schicht und die gleichartige plastische Masse auf der Elektrode 20 wird entfernt, worauf beide Stücke sofort aufeinandergelegt werden. Nachdem die Rückenelektrode 20 auf den Kristall 12 gelegt wurde, setzt man sie kurz einer beständigen Temperatur aus, bis die gesamte zuvor geschmolzene Zinn-Indium-Legierung erneut geschmolzen ist, worauf die Elektrode in ihre in bezug auf den Kristall 12 gewünschte endgültige Stellung gebracht und das überschüssige Schmelzmaterial von der Elektrode entfernt wird. Nunmehr wird die Hitzean-Wendung unterbrochen, worauf man das fertiggestellte Werkstück allmählich auf Raumtemperatur abkühlen läßt. Das Auftreten eines starken Wärmeabfalls wird vermieden, da jedes auftretende Scheren sich in der Verbindung zwischen Quarz und der Zinn-Blei-Legierung auswirkt. Zwecks Herabsetzung der Scherkräfte wird die Elektrode 20 vorzugsweise in Form eines Kammes, wie in Fig. 3 dargestellt, gebildet.

Bei der Herstellung der Schmelzverbindung zwischen der Rückseite des Quarzkristalls 12 und der aus Zinn—Blei bestehenden Rückenelektrode 20 diffundiert die Zinn-Indium-Legierung auch in den Kristall und die Elektrode.

Die Anwendung einer Elektrode aus Zinn-Blei-Legierung erfordert das Schwabbeln der Zinn-Indium-Legierung bei niedrigerer Temperatur, und dementsprechend ist die Diffusion nicht so gründlich wie in der zuerst beschriebenen Form der Verbindung. Dennoch ergibt die Zinn-Indium-Verbindung zufriedenstellende Ergebnisse.

Obwohl die in den oben beschriebenen Anordnungen auftretenden flußmittelfreien Schmelzverbindungen zwischen miteinander verschmolzener Kieselsäure und Quarz sowie zwischen Quarz und einer Zinn-Blei-Legierung stattfinden, geht aus dem Vorangehenden klar hervor, daß sich diese Lehre auch die flußmittelfreie Schmelzverbindung eines beliebigen dieser Stoffe mit einem anderen der beschriebenen Stoffe umfaßt. Außerdem können unter Verwendung von Zinn-Indium-Legierungen auf ähnliche Weise flußmittelfreie Schmelzverbindungen zwischen vielen anderen metallischen und/oder schwerschmelzbaren Stoffen hergestellt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verbindung zwischen Glasteilen, Metallteilen oder Glas- und Metallteilen, die durch eine flußmittelfreie Schmelzverbindung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzverbindung aus einer auf einem dieser Teile befindlichen Platinschicht besteht, durch welche Indium in den Teil diffundiert ist.

2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Indium auch in den anderen Teil diffundiert ist.

3. Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Schmelzverbindung eine auf dem anderen Teil angebrachte Schicht aus einer Gold-Platin-Legierung gehört.

4. Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Glasteile aus Quarz und der andere Glasteil aus geschmolzener Kieselsäure besteht, wobei die Platinschicht sich vorzugsweise auf dem aus geschmolzener Kieselsäure bestehenden Teil befindet.

5. Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallteil mittels einer zweiten flußmittelfreien Schmelzverbindung mit einem der Glasteile auf der Seite verbunden ist, die der durch Schmelzverbindung mit dem anderen Glasteil verbundenen gegenüber liegt, wobei die Platinschicht sich vorzugsweise auf dem anderen Glasteil befindet.

6. Verbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallteil aus einer Zinn-Blei-Legierung besteht und daß die zweite Schmelzverbindung aus einer Zinn-Indium-Legierung besteht, die in den einen Glas- und den Metallteil diffundiert ist.

7. Verbindung nach einem der Ansprüche 4 bis 6 in Form einer festen Verzögerungsleitung, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungselement aus dem geschmolzenen Kieselsäureteil und das Kristallelement aus dem Quarzteil besteht.

8. Verfahren zur Herstellung einer Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf die zu verbindende Oberfläche des einen Glasteils eine dünne Platinschicht aufgebracht, dann bei einer Temperatur, bei der Indium durch die Platinschicht und in den Glasteil diffundiert, auf die genannte Oberfläche Indium aufgetragen und daß anschließend, während das Indium noch halb flüssig ist, der eine Glasteil eng mit dem anderen Glasteil verbunden wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasteile unter Druck gehalten werden, bis das Indium zu einer starren einheitlichen Schmelzverbindung erstarrt ist.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Indium durch Schwabbern mit einer Schwingvorrichtung aufgebracht wird, 'die mit Indium aus einer Hilfsquelle versehen ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Glasteile mittels einer flußmittelfreien Schmilzverbindung mit einem Motallteil verbunden wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Zinn-Blei-Legierung als Metallteil und einer Zinn-Indium-Legierung als flußmittelfreie Schmelzvorrichtung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen