DE2916016A1

DE2916016A1 - Hermetisch dichte keramik- metall- verbindung

Info

Publication number: DE2916016A1
Application number: DE19792916016
Authority: DE
Inventors: Helmut Pickel
Original assignee: Ceramtec GmbH
Current assignee: Ceramtec GmbH
Priority date: 1979-04-20
Filing date: 1979-04-20
Publication date: 1980-10-30
Also published as: JPS55149177A

Description

Hermetisch dichte Keramik- Metall-Verbindung
Die Erfindung betrifft eine hermetisch dichte Keramik- Metall-Verbindung mit hoher Festigkeit, wobei insbesondere ringförmige Teile aus Metall und Keramik, vorzugsweise Aluminiumoxid, durch Stumpflötung verbunden sind, in dem die betreffenden Keramikflächen in üblicher Weise metallisiert sind und durch ein eingefügtes Lot, insbesondere Hartlot, mit dem betreffenden Metallteil durch Erhitzen in einer Schutzgasatmosphåre oder in Vakuum zusammengefügt sind; Eine solche Keramik-Metall-Verbindungs-Technik erweist sich als günstig für Gehäuse von Hochleistungssende röhren, Vaknum-Leistungsschalter und Vakuumkondensatoren, an deren Betriebssicherheit hohe Anforderungen gestellt werden.
Für elektronische Bauelemente dieser Art wird eine hermetische und eine hohe Festigkeit aufweisende Verbindung zwischen Keramik und Metall bzw. einem weiteren metallisierten Keramikteil verlangt. Außerdem treten während des Betriebes solcher elektronischen Bauelemente erhöhte Temperaturen auf, die zu hohen mechanischen Spannungen zwischen der Keramik und dem Metall führen.
Bedingt durch die Tatsache, daß die verwendeten Metalle einen stark unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zur Keramik aufweisen, ergeben sich z. B. beim Einlöten oder auch bei hohen Anwendungstemperaturen Lötstellenbrüche.
Dieses Problem wurde bislang dadurch gelöst, daß Materialien mit möglichst gleichen bzw. angepaßten Ausdehnungskoeffizienten für den zu verlötenden Metallpar-tner und der damit in Verbindung stehenden Keramik-Metall-Teile gewählt wurde sowie durch geeignete konstruktive Maßnahmen bei der Lötspalte, welche naturgemäß nur eilleu iögliciist kleinen Durchmesser aufweisen darf. Obwohl diese beiden Verbindungstechniken für viele Anwendungszwecke befriedigend ist, besteht doch Veranlassung nach weiteren Verbindungsmöglichkeiten von Metallen und Nichtmetallen zu suchen, da flan bestreb ist, die Verbindung hinsichtlich Lekagen zu verbessern und die @hermische Belas tbarkeit zu erhöhen.
Um diese Spannungen abzubauen, benutzt man die Technik der Stumpf- bzw. Flachlötung wie sio beispielsweise iii der DE-PS 10 45 305 und in der DE-OS 20 24 625 näher beschrieben ist. Dabei wird zwischen der Metall- und d e zu der keramikoberfläche eine metallische, vorzugsweise folienartige Zwischenschicht eingelötet, deren Ausdehnungseigenschaften zwischen der Keramik und dem Metallteil liegen. Durch die radiale Verformbarkeit der diinnen Zwischenschicht werden die auftretenden Spannungen abgebaut. Außerdem erfolgt eine Anpassung der Ansdehnungskoeffizienten durch dieses Mittelstück. Bei derartigen Verbindungen treten aber häufig Brüche in der Keramik auf, die auf Wärmespannungen zurückzuführen sind, da insbesondere die erwähnten Ausdehnungsunterschiede vom Metall über die Lötstelle auf die Keramik übertragen werden. So besteht bei höheren Anwendungstemperaturen die Gefahr vom Leckwerden von Keramik-Metall-Gehäusen, womit erhebliche Betriebsstörungen eintreten können. Es wird deshalb nach Lösungsmöglichkeiten gesucht, die Sicherheit solcher elektronischen Bauelemente weiter zu erhöhen.
Eine andere Möglichkeit durch geeignete konstruktive Maßnahmen an der Verbindungsstelle zwischen Keramik und Metall das Problem der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Werkstoffe zu umgehen, wird in der DE-OS 23 26 373 vorgeschlagen. Die Spannungen beim Einlöten von Teilen aus Metall in Vertiefungen von Keramikkörpern sollen dabei weitgelieiid vermieden werden, indem die Keramik nur streifenförmig metallisiert wird. Solche beschriebenen technischen Maßnahmen sind aber nur begrenzt anwendbar, so z. B. vom Einlöten von Keramikröhrchen in einen metallischen Block. Die Praxis zeigt auch, daßn die Lötfuge nicht beliebig erweitert werden kann, weil sonst ein dichtes Verschließen nicht mehr gewährleistet ist.
Die Aufgabe ?er Erfindung in Aubetracht dieses Standes der Technik is-t es, dieses Spannungsgefälle zwischen Keramik und Metall weiter zu verbessern und die obengenannten Nachteile zu beseitigen. Die Erfindung zieht auch eine llermetische Abdichtung gegenüber einer Gasatmosphäre vor. Ferner soll die Festigkeit des Verbundes zwischen Keramik nlld Metall erhöht werden, wobei man aber nicht mehr an eine genaue Anpassung der Ausdehnungsl{oeffizientell der verwendeten Werkstoffe angewiesen ist.
Die vorgenannte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß hintereinanderliegende Mehrfachlötungen an den Stegen von einseitig offenen, profilartigen Metallhohlkörpern an der Verbindungsstelle zum metallisierten Keramikteil vorgenommen sind.
Eine zweckmäßige Weiterbildung des erfinderischen Gedankens besteht auch darin, daß der Metallhohlkörper einen U-förmigen oder kammartigen Querschnitt aufweist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht auch darin, daß die Wandstärke der Stege zur IIöhe des Hohlkörpers in einem Verhältnis von 1:5 steht. Auch der Abstand der Stege ist so zu wahle:i, daß er das 3- bis 4-fache der Stegdicke beträgt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden auhand von schematischen Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten beschricben. Es zeigt Fig. 1: einen Querschnitt durch ein vakuumdichtes Gefäfl, z. B. einen Vakuumleistungsschalter; Fig. 2: einen Querschnitt durch einen Hochfrequenz-Stützer; Fig. 3: den Querschnitt einer Hochleistungssenderöhre.
Die Erfindung ermöglicht eine verbosserte Keramik-Metallötverbindung, insbesondere bei der llerstellllllg voii elektronischen Gehäusen. Sie ist jedoch auch in Verbindung mit der Herstellung von verschiedenen anderen Verbundgegenständen mit Keramik-Metallstruktur von Nutzen. Es ist davon auszugehen, daß Metall und Keramiken unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten besitzen, die zu hohen Spannungen in einem Verbundgegenstand der in Fig. 1 bis 3 gezeigten Art führen, insbesondere wenn der Gegenstand erhitzt wird. Um die sich einstellenden mechanischen Spannungen abzubauen, benutzt man als konstrulçtive Maßnahme die Stumpf- bzw.
die Einfachstirnlötung. Bei dieser bekannten Maßnahme werden überwiegend zylindrisch ausgebildete Metallteile, deren Wandstärke besonders dünn gehalten wird, z. B. zwischen 0,3 bis 1 mm senkrecht auf die metallisierten Keramikflächen aufgesetzt und über einen relativ kleinen Querschnitt vakuumdicht verlötet. Durch die relativ dünnen Zylinderteile des Metalls werden die auftretenden Wärmespannungen abgebaut. Diese Technik kann man hinsichtlich der mechanischen Festigkeit und der Betriebssicherheit von vakuumdichten Tçeramik-}Ietall-verbindungen verbessern, indem man die erfindungsgemäße Mehrfachschneiden-Lötung vornimmt. Durch diese technische Maßnahme erhöht sich auch an jeder Verbindungsstelle d-ie thermische Belastbarkeit, auch wird beim Undichtwerden einer Lötstelle die Vakuumdichtigkeit des Gefäßes nicht beeinträchtigt. Besonders das Hartlöten unter Schutzgas über 800 °C ist von dieser Verbindungstechnik her besser und ermöglicht auch dcii Einsatz weniger qualifizierter Arbeitskräfte.
Mit Keramikmaterial ist in slels vorliegenden Beschreibung die gesamte Vielart derjenigen Werkstoffe angesprochen, die als Isoliermaterialien in der Elektronik verwendet werden. Insbesondere sind es solche Werkstoffe, die in der Vakuumtechnik verwendet werden, wie z. B. Aluminiumoxid in verschiedenen Reinheitsgraden, Berylliumoxid, Zirkonoxid, Saphir und Forsterit.
Die Auswahl der Metalle hängt im allgemeinen voll der beabsichtigten Verwendung des Gegenstandes ab. Es kann sich um reines Metall, wie z. B. Molybdän, Niob, Wolfram, Kupfer oder um Metallegierungen aus einem oder mehreren Metallen handeln, wie zum Beispiel Eisen-Nickel-Legierungen und Eisen-Nickel-Kobalt-Verbindungen und Nickel-Chrom-Legierungen. Die Auswahl der Metalle bzw. Metalllegierungen hängt aber nicht davon ab, daß der Ausdehnungskoeffizient der Metalle möglichst ähnlich dem keramischen Material sein soll. Im Rahmen der Erfindung sind außer Kupfer/Silber/Gold und deren Legierungen auch andere Lote nutzbar, wie beispielsweise niedrig schmelzende Hartlote für Hochfrequenzstützer.
Brauchbare Lote in dieser Hinsicht sind auch Paladiumnickel oder Lötpasten.
Bei der Herstellung vakuumdichter Metall-Keramik-Lötverbindung wird üblicherweise die zu verlötende Oberfläche der Keramik 1 mit einer geeigneten, vorzugsweise eingebrannten Metallisierungsschicht 2 versehen, auf welche der Metallhohlkörper 3 mittels Weich- oder Hartlot 5 aufgelötet wird. Hartlote werden beispielsweise überall dort z-ur Anwendung kommen, wo man von der Verbindung eine hohe mechanische Festigkeit und thermische Belastbarkeit fordern wird. Dic Metallisierung der Keramik 1 erfolgt üblicherweise nach dem Molybdän-Mangan-Verfahren, indem eine aufgetragene Metallpaste in kontrollierter Schutzgasatmosphäre oder Vakuum auf die Keramik eingebrannt wird. Auch kann es ntitzlich sein, daß auf diese Weise metallisierte Keramikteil 2 zu vernickeln, damit später dieses Teil vom Lot gut benetzt wird.
Zur weiteren Erläuterung der vorliegenden Erfinduiig sind einige Ausführungsbeispiele angeführt.
Beispiel 1: Das dargestellte Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 zeigt ein vakuumdichtes Gefäß, wie es zuia Beispiel für Vakuumschalter und Vakunmkondensatoren benötigt wird. Neben einer hohen Festigkeit der Keramik-Metallverbinltuig wird noch eine Vakuumdichte auch nach Temperaturzyklen bis zu 700 °C gefordert, Die Keramik 1 besteht aus Aluminiumoxid und ist in bekannter Weise an den Stirnseiten mit einer hartlötbaren Metallisierungsschicht 2 versehen, auf der die Metallhohlkörper 3 mit den Stegen 6 beidseitig mehrfach aufgelötet ist. Dabei ist alternativ ein U-förmiger Querschnitt 3a und ein kammartiges Profil 3b dargestellt. Die Anlötung eines weiteren ringförmigen metallischen Teils 4 erfolgt nach der bekannten Einfachschneiden-Lötung.
Beispiel 2: In Fig. 2 ist ein Hochfrequenz-Stützer dargestellt, wie er z. B. in kapazitiv erwärmten Furnierpressen als Isolator eingesetzt werden kann. Die Keramik 1 besteht aus glasiertem Aluminiumoxid und trägt an beiden Stirnseiten eine hartlötbare Metallisierungsschicht 2. Der Metallhohlkörper 3 mit den koaxialen Stegen 6 wird beim Lötprozeß mit der Keramik 1 und dem Metall teil 4 in Form einer Gewindebuchse durch das Lot 5 verbunden. Die Lötung erfolgt bei 780 °C mit einer Legierung aus 72 Ag/ 28 Cu oder anderen Silber-Kupfer-Loten bei Arbeitstemperaturen ab 600 °C. Der Metallhohokörper 3 weist in diesem Fall ein U-förmiges Profil mit einer Stegdicke von 0,5 mm auf, wobei das Verhältnis von Wandstärke zur Höhe 1:5 beträgt.
Der Abstand der Stege bei dieser Zweifachschueiden-Lötung beträgt das 3- bis 4-fache der Stegdicke, wodurch eine für den Spannungsabban günstige Ausbildung der Lötkehle erhalten wird.
Durch die erfindungsgemäße Doppelschneiden-Lötung konnte an diesem Stützisolator die Zughelastung von 800 daN auf 1250 daN nach Glübbehandlung bei 500 °C unter Schutzgas erhöht werden.
Bei dieser Ausführung löst sie sich erst bei 1250 daN die Vcrbindung an der inneren Schueide und trotz Verformung des U-förmigen Metullllohllcörpers 3 blieb die äußere Verbindungsstelle noch valmvmdicht. Auch eine anschließende Temperaturwechselprüfung zwischen 120 °C und Raumtemperatur erbrachte keine Verschlechterung der Werte; auch blieben diesmal die Lötstellen vakuumdicht.
Beispiel 3: Eine Hochleistungssenderöhre ist in Fig. 3 abgebildet.
Der Aufbau besteht aus drei rohrförmigen Keramikteilen 1, und zwar aus Aluminiumoxidlceramilc, deren Stirnseiten wiederum mit einer hartlötbaren Metallisierungsschicht 2 versehen sind. Auf diese Metallisierungsschichten 2 sind jeweils ein ringförmiger 1 mm hoher Metallhohlkörper 3 mit U-förmigem Profil 3a aufgelötet. Die Stegdicke beträgt 0,3 mm. Auf diese Metallhohlkörper 3 sind wiederum Metallteile 4 mit einer Dicke zwischen 0,5 und 2 mm aufgelötet. In Montagehilfe können diese Metallhohlkörper 3 und die Metallteile 4 bzw. 7 durch Punktschweißen und einem Dazwischenlegen einer Lötfolie vorher geheftet werden.
Bei der praktischen Ausführung für die Herstellung haftfester und vakuumdichter Keramils-Metall-Lötverbindungen durch Doppel- oder Mehrfachschneidenlötung wird gezeigt, daß man Verbindungen mit hohler Festiglceit und Vakuumdichtigkeit trotz wesentlicher Abweichungen in den Ausdehnungskoeffizienten voll Keramik und Metall erhält. Durch die Mehrfachschneiden-Lö fettig ist eine erhebliche Verbesserung für dns Anbringen von Metallteilen an metallisierte Keramikflächen erreicht worden.
Zusammenfassung Hermetisch dichte Keramik Metall-Verbindung, wobei insbesondere ringförmige Teile aus Metall (3, 4) bzw. Metalllegierungen und Keramik (1) durch Stumpflötungen verbunden sind, indem hintereinanderliegende Mehrfachlötungen (5) an den Stegen (6) von einseitig offenen, profilartigen Metallhohlkörper (3) an der Verbindungsstelle zum metallisierten Keramikteil (2) vorgenommen sind. Der metallische Hohlkörper (3) kann dabei einen U-förmigen (3a) oder auch kammartigen (3b) Q u'rs chni tt aufweisen. Als Keramikmaterial wird hauptsächlich Aluminiumoxid und für den Metallhohlkörper (3) werden Metalle wie Molybdän, Kupfer etc. oder auch Metalllegierungen wie Fe-Ni-Co-Ver@indungen verwendet. Im Rahmen der Erfindung sind außer Kupfer/Silber/Gold-Lote auch noch niedrig schmelzende Hartlote benutzbar.
Die Zusammenfassung bezieht sich auf die Fig. 1 der Zeichuungen. L e e r s e i t e

Claims

P a t e n t a 11 s p r ii c h e 1. Hermetisch dichte Keramik- Metall-Verbindung mit hoher Festigkeit, wobei die Teile aus Metall bzw. Metallegierungen und Keramik, vorzugsweise Aluminiumoxid, nach Art von Stumpflötungen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß hintereinanderliegende Mehrfachlötungen (5) an den Stegen (6) von einseitig offenen, profilartigen Metallhohlkörpern (3) an der Verbindungsstelle zum metzllisierten Keramikteil (2) vorgenommen sind.
2. Hermetisch dichte Keramik- Metall-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallhohlkörper eine U-förmige Gestalt (3a) besitzt.
3. Hermetisch dichte Keramik- Metall-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallhohlkörper einen kammartigen Querschnitt (3b) aufweist.
4. Hermetische dichte Keramik- Metall-Verbindung nach Anspruch i - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke der Stege (6) zur Höhle des Metallhohlkörpers (3) im Verhältnis von 1:5 steht.
5. Hermetisch dichte Keramik Metall-Verbindung nach Anspruch 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der Stege (6) das 3- bis 4-fache der Stegdicke betragen.