(57)【要約】Ａ）第１の端側（２ａ）と第２の端側（２ｂ）を有する少なくとも１つのセラミック基体（２）を提供するステップと、Ｂ）該基体（２）の端側（２ａ、２ｂ）の少なくとも１つの領域にメタライズ層を付与するステップと、Ｃ）該端側（２ａ、２ｂ）のメタライズされた領域にニッケル層を付与するステップと、Ｄ）該基体（２）の第１の端側（２ａ）及び／又は第２の端側（２ｂ）のメタライズされた領域に半田ペースト（７）を付与するステップと、Ｅ）該半田ペースト（７）を乾燥するステップと、Ｆ）該半田ペースト（７）を焼成するステップと、を含む気密な金属−セラミック接続を形成する方法を説明する。また、気密な金属−セラミック接続の過電圧保護を提供するための避雷器（１）における応用、及び過電圧保護を提供するための避雷器（１）について述べる。【選択図】    図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａ）第１の端側（２ａ）と第２の端側（２ｂ）を有する少なくとも１つのセラミック基体（２）を提供するステップと、
Ｂ）前記基体（２）の端側（２ａ、２ｂ）の少なくとも１つの領域にメタライズ層を付与するステップと、
Ｃ）前記端側（２ａ、２ｂ）のメタライズされた領域にニッケル層を付与するステップと、
Ｄ）半田ペースト（７）を前記基体（２）の第１の端側（２ａ）及び／又は第２の端側（２ｂ）のメタライズされた領域に提供して付与するステップと、
Ｅ）前記半田ペースト（７）を乾燥するステップと、
Ｆ）前記半田ペースト（７）を焼成するステップと、
を含む気密な金属−セラミック接続を形成する方法。
【請求項２】
前記半田ペースト（７）を前記第１、第２の端側（２ａ、２ｂ）に同時に付与する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
先ず半田ペースト（７）を前記第１の端側（２ａ）に付与し、次に前記ステップＤ）及びＥ）を実施した後、半田ペースト（７）を前記第２の端側（２ｂ）に付与し、前記基体（２）の第２の端側（２ｂ）に対して前記ステップＤ）及びＥ）を繰り返す請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記半田ペースト（７）を、印刷法又は浸漬法で前記基体（２）の端側（２ａ、２ｂ）に付与する上記請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記半田ペースト（７）は銀と銅を含む上記請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記半田ペースト（７）は、他の組成成分に加え、割合が７２％／２８％である銀と銅をさらに含む上記請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記半田ペースト（７）を形成するために粉末形式の金属を提供し、前記金属に接着剤と溶剤を液体の状態で添加する上記請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
Ｇ）電極（３）を提供するステップと、
Ｈ）前記基体（２）の第１、第２の端側（２ａ、２ｂ）に、それぞれ１つの電極（３）を設け、前記電極（３）と前記基体（２）とを接続するステップと、
をさらに含む上記請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
７９０℃〜８７０℃の温度及び予め設定された雰囲気で、前記電極（３）と前記基体（２）との接続を行う請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記基体（６）は空洞（６）を有し、前記電極（３）は、前記端側（２ａ、２ｂ）において少なくとも部分的に前記空洞（６）へ送り込まれると共に、前記半田ペースト（７）によって前記基体（２）と接続される請求項８又は９に記載の方法。
【請求項１１】
多数のセラミック基体（２）を提供し、前記基体（２）をホルダー（８）に並べて挿入する上記請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法によって形成される、気密な金属−セラミック接続の、過電圧保護を提供するための避雷器（１）における応用。
【請求項１３】
少なくとも１つの空洞（６）を含むセラミック基体（２）を有し、過電圧保護を提供するための避雷器であって、前記避雷器（１）は、前記基体（２）の互いに対向する第１、第２の端側（２ａ、２ｂ）に電極（３）を有し、前記電極（３）は、前記基体（２）と溶接され、それぞれの電極（３）と前記端側（２ａ、２ｂ）との間の半田層は、６０μｍ以下の厚さを有する、避雷器（１）。
【請求項１４】
前記半田層は、割合が７２％／２８％である銀と銅を含む請求項１３に記載の避雷器。
【請求項１５】
前記半田層は銀と銅を含む単独の層を有する請求項１３又は１４に記載の避雷器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気密な金属−セラミック接続を形成する方法に関する。本発明は、さらに、該気密な金属−セラミック接続の過電圧保護器における応用及び過電圧保護器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス放電管は、通常、穿孔されたセラミック基体（一般的には、アルミナからなるリング）で形成され、セラミック基体の開口部には、２つの金属キャップが取り付けられている。これらの金属キャップは、通常、硬ろう付けによってセラミックに接合される銅キャップである。セラミック基体、硬ろう付け、金属キャップが気密的であるため、硬ろう付け過程において優位である雰囲気が、ガス放電管の内部に封止されるように包囲される。
【０００３】
２つの金属キャップに電圧を印加する時に、部材の配置及びガス組成に関して典型的な点火電圧を超えると、ガス放電管の内部に閃絡が生じる。このような方法によって、電気機器に対して過電圧保護を提供することができる。
【発明の概要】
【０００４】
達成しようとする目的は、改良された、気密な金属−セラミック接続を形成する方法を提供し、さらに、改良された気密な金属−セラミック接続を提供することである。
【０００５】
この目的は、独立項に記載の方法、応用及び装置によって達成する。
【０００６】
一態様により、気密な金属−セラミック接続を形成する方法を提供する。当該方法は、過電圧保護器に応用される気密な金属−セラミック接続を提供することを意図するものである。当該方法によって該過電圧保護器を製造できる。該方法は、以下のステップを含む。
【０００７】
少なくとも１つのセラミック基体、好ましくは多数のセラミック基体を提供する。それぞれの基体は、第１の端側と第２の端側を有する。該端側は互いに対向している。該端側は該基体の共用の外面又は側面によって互いに接続される。該側面は空洞を取り囲み、該空洞は該基体を完全に貫通する。
【０００８】
該基体の端側の少なくとも１つの領域にメタライズ層を付与する。該メタライズ層は、モリブデン、マンガン及び／又はタングステンを含み得る。好ましくは、該メタライズ層を金属スラリーの形で該端側に付与して焼成を行う。
【０００９】
該メタライズされた領域に溶接可能層、例えばニッケル層を付与する。これは、基体と溶接材との接触、特に接続を実現するためである。
【００１０】
半田ペーストを提供又は形成する。該半田ペーストを該基体の第１の端側及び／又は第２の端側のメタライズされた領域に付与する。該半田ペーストを提供して付与することは、単一の半田層を形成するためである。具体的には、該半田層は多層構造を有しない。言い換えると、該方法によって該基体の端側に半田単層を提供する。
【００１１】
該半田ペーストを、該第１、第２の端側に同時に付与する。代替として、先ず半田ペーストを一方の端側のみに付与してからさらに処理した後、半田ペーストを第２の端側にも付与してもよい。
【００１２】
該半田ペーストを乾燥して脱炭する。その実現方法は、例えば半田ペーストが配置された該基体を２５０℃〜３５０℃の温度に曝すことである。
【００１３】
該半田ペーストを焼成する。これは、例えば７９０℃以上の温度及び予め設定された雰囲気、例えばＡｒ／Ｈ２雰囲気で行われる。好ましくは、７９０℃〜８７０℃の間の温度で該半田ペーストを焼成する。
【００１４】
該方法によって非常に薄い溶接材料層を実現でき、コストを大幅に節約できる。例えば半田ペーストではなく半田リングの使用によって溶接材料が過剰になることがない。なお、該方法によって、多数の部材を同時に処理することができる。これによって、高効率且つ低コストの方法を提供する。
【００１５】
実施例によれば、該半田ペーストを、印刷法又は浸漬法で該基体の端側に付与する。例を挙げると、一方の端側のみを半田ペーストに浸漬してもよい。代替として、両方の端側を同時に半田ペーストに浸漬してもよい。その利点は、半田ペーストを乾燥及び焼結する温度プロセスを一回繰り返すだけでよいことにある。それぞれの端側を溶接材料に浸漬することによって、溶接材料を端側に均一に分布させることができる。溶接材料の過剩を回避することができる。これによって、コスト面で特に有利な方法を提供する。
【００１６】
実施例によれば、該半田ペーストは銀と銅を含む。該半田ペーストは、他の組成成分に加え、割合が７２％／２８％である銀と銅をさらに含むことが好ましい。これによって、銅と銀を含む単一の半田層又は半田単層を提供する。
【００１７】
実施例によれば、該半田ペーストを形成するために粉末形式の金属（特に銀と銅）を提供する。また、該金属に接着剤及び／又は溶剤を液体の状態で添加する。環境温度で該成分を混合する。これによって、簡単な方法で該半田ペーストを提供することができる。
【００１８】
実施例によれば、該方法は、以下のステップをさらに含む。
【００１９】
電極を提供する。具体的には、該基体の各端側に１つの電極を提供する。それぞれの電極は、例えば金属キャップの形状を有する。
【００２０】
該基体の第１、第２の端側にそれぞれ１つの電極を設ける。好ましくは、それぞれの電極を、それぞれの端側から少なくとも部分的に該空洞に送り込む。ただし、電極の領域はそれぞれの端側に触れる。さらに、電極と基体との間の気密接続を形成するように、電極と基体とを互いに接続し、特に溶接する。
【００２１】
実施例によれば、７９０℃〜８７０℃の温度及び予め設定された雰囲気で該電極と該基体との接続を行い、該予め設定された雰囲気は特に焼結雰囲気である。
【００２２】
一態様により、気密な金属−セラミック接続の過電圧保護を提供するための避雷器における応用について述べる。該気密な金属−セラミック接続は、該方法によって形成されることが好ましい。当該方法に関連して説明されたあらゆる特徴及び態様は、いずれも該応用に適用され、逆も同様である。該形成方法によって、コスト面で有利且つ簡単な方法で電極とセラミック基体との間に気密接続を形成することができる。
【００２３】
一態様により、過電圧保護を提供するための避雷器について述べる。該避雷器は、少なくとも１つの空洞を含むセラミック基体を有する。該避雷器は、該基体の互いに対向する第１、第２の端側に電極を有する。該電極と該基体とは溶接される。特に、上記方法によって該電極と該基体との間に気密接続を形成する。当該方法に関連して説明された全ての特徴及び態様は、いずれも該避雷器にも適用され、逆も同様である。それぞれの電極と該端側との間の半田層は６０μｍ以下の厚さを有する。特に、該半田層の厚さは、半田リングを使用することで形成した半田層の厚さよりも小さい。これによって、コスト面で特に有利な避雷器を提供する。該半田層は単層である。言い換えると、該半田層は、唯一又は単独の一層を有する。この単独の層は銅と銀を含む。この単独の層は、６０μｍ以下、好ましくは４０μｍ以下の厚さを有する。
【００２４】
実施例によれば、該半田層は、割合が７２％／２８％である銀と銅を含む。
【００２５】
以下に説明する図面は、実際の比率どおりであると理解するべきではない。よりわかりやすくするために、一部の寸法を、拡大、縮小、又は変形して示す。
【００２６】
互いに同一である又は同一の機能を有する要素は、同一の符号で示す。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】気密な金属−セラミック接続の形成時の１つのプロセスステップである。
【図２】気密な金属−セラミック接続の形成時の１つのプロセスステップである。
【図３】気密な金属−セラミック接続の形成時の１つのプロセスステップである。
【図４】気密な金属−セラミック接続の形成時の１つのプロセスステップである。
【図５】従来技術による過電圧保護を提供するための避雷器である。
【図６】本発明による気密な金属−セラミック接続を有する過電圧保護を提供するための避雷器である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
気密な金属−セラミック接続は、例えば過電圧保護器又はスイッチング火花ギャップに応用される。従来技術による過電圧保護器１は図５に示されている。このようなデバイスを製造する時に、電極３とセラミック基体２との気密接続は決定的な役割を果たす。この目的を達成するために、基体２の端側２ａ、２ｂは、メタライズされ、通常、ニッケルメッキされ、溶接可能な表面を提供する。
【００２９】
従来は、半田リング４を採用していた。当該半田リングは、一般には、銀−銅共融混合物（Ａｇ７２、ＣＵ２８）から構成される。半田リングは、後で８２０℃程度の温度で溶接炉において流れると共に冷却時に所望の気密接続を形成するように、製造過程の間に手動で載置される。従来用いられた半田リング４は、６０μｍ〜１００μｍの厚さを有する。
【００３０】
原則として、より少ない溶接材料によって気密接続を形成してもよいが、このように薄い半田リングでは、取り扱うことができない。従来の製造ツールと合わせて使用する時に、６０μｍよりも小さい半田リングは、特に、
湾曲したリング（開放を生じさせる溶接ビード）、
折り目／しわを帯びたリング（開放を生じさせる溶接ビード）、
各端側の半田の量を倍に増加させ、さらに続いて製造過程を行う時に部材内部の銀の量を増加させると共に電気的誤差をもたらす粘着したリング、
載置ツールが正確に半田リングを把持しないこと、又は半田リングが載置ツールに粘着されることによる片側が開放した部材、
といった欠陥を生じることがある。
【００３１】
以上に挙げた欠点を回避するために、気密な金属−セラミック接続を形成する方法について後述する。ただし、図１〜図４には、当該気密な金属−セラミック接続の形成時のプロセスステップが示されている。
【００３２】
第１のステップにおいて、少なくとも１つのセラミック基体２を提供する（図１を参照）。当該基体は空洞６を有する。空洞６は基体２を完全に貫通する。基体２は、環状又は柱状をなすことが好ましい。基体２は、第１の端側２ａと第２の端側２ｂを有する。端側２ａ、２ｂ同士が対向して配設される。端側２ａ、２ｂは、基体２の側面によって互いに接続される。該形成方法に、多数のセラミック基体２、例えば、１００個、２００個又は５００個の基体２を提供することが好ましい。
【００３３】
さらなるステップにおいて、基体２の端側をメタライズする。このために、例えば端側２ａ、２ｂに金属スラリーを付与して焼成を行う。当該金属スラリーは、例えばモリブデン、マンガン及び／又はタングステンを含んでもよい。
【００３４】
さらなるステップにおいて、当該メタライズ層にニッケル層を配置する。当該ニッケル層は、メタライズ層と半田との間の接続を確保するために設けられる。
【００３５】
次に、基体２を、ホルダー８に並べて挿入する（図２を参照）。代替的な実施例において、基体２のメタライズ層及び／又はニッケル層の付与は、基体２をホルダー８に送り込んだ後で行われてもよい。
【００３６】
ホルダー８は、例えば基体２を収容するための凹溝を有するベース板である。基体２は、一方の端側（例えば、第１の端側２ａ）をベース板から突出させるようにホルダー８に収容可能である（例えば、図２、図３を参照）。代替として、ホルダー８は、基体２のための貫通凹溝を有し、第１の端側２ａと第２の端側２ｂをともにホルダー８から突出させても良い（図３を参照）。これが次に半田又は半田ペースト７によって実施する濡らしステップに影響を与えることについて、以下に詳細に述べる。
【００３７】
さらなるステップにおいて、半田７を用意する。気密な金属−セラミック接続を完成する半田７は、主に銅と銀を含む。乾燥及び焼成された完成品の半田７は、割合が７０％／３０％〜７５％／２５％である銀と銅を含むことが好ましい。完成品の半田７は、銅と銀を含む単一の半田層又は半田単層を提供するために用いられる。
【００３８】
半田７を製造するために、銀粉を提供する。また、さらに銅粉を提供する。一種類又は複数の種類の接着剤、例えばエチルセルロース、及び溶剤を他の組成成分として提供するが、ただし、該溶剤は特に半田ペースト７の粘性に影響する。環境温度でこれらの成分を混合し、
３５ｗｔ％〜６５ｗｔ％、好ましくは５９ｗｔ％を占める銀粉（Ａｇ）と、
１３ｗｔ％〜３０ｗｔ％、好ましくは２３ｗｔ％を占める銅粉（Ｃｕ）と、
０．５ｗｔ％〜１５ｗｔ％、好ましくは３ｗｔ％を占める接着剤と、
５ｗｔ％〜４０ｗｔ％、好ましくは２１ｗｔ％を占める溶剤とを、組成成分として含有する半田ペースト７を生成する。
【００３９】
さらなるステップにおいて、それぞれの基体２、特にメタライズ層の異物を除去する。次に、半田７を端側２ａ、２ｂ、特に端側２ａ、２ｂのメタライズされた領域に付与する。この目的を達成するために、基体２を半田７に部分的に浸漬することができる（いわゆる「ディッププリンティングプロセス（ｄｉｐ−ｐｒｉｎｔｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ）」）。
【００４０】
第１の実施例によると、先ず、第１の端側２ａを半田７に浸漬する。この実施態様において、基体２は、最初に第１の端側２ａのみをホルダーから突出させ、第２の端側２ｂを２ｂホルダーから突出させないように、ホルダー８に配設される。基体２の第１の端側２ａを半田７に浸漬し、第２の端側２ｂは、最初は濡れないままである（図３）。
【００４１】
次に、第１の端側２ａに付与された半田７を乾燥して焼成し、これについては、後でさらにより詳細に説明する。こうしてから、半田７を、第２の端側２ｂにも付与した後、乾燥及び焼成工程を繰り返す。別の実施例によると、両方の端側２ａ、２ｂを同時に、もしくは同期して半田７に浸漬した後、さらに処理する（図４を参照）。その利点は、次の乾燥及び焼成ステップを繰り返して実施する必要がないということである。半田７によって実施する濡れステップにおいて、約１３ｍｇの半田を第１の端側２ａ及び第２の端側２ｂにそれぞれ均一に分布させる。
【００４２】
次のステップでは、基体２を焼結する。半田７が乾燥するように、基体２を十分に加熱する。ただし、基体２は、先ず、３５０℃程度の温度に約１５分間曝される。この温度ステップの間に、先に言及された接着剤と溶剤は蒸発する。このステップにおいて、各端側２ａ、２ｂに付与された半田７の重量が減少する。
【００４３】
次に、基体２を、メタライズ層の半田７を焼成するために、炉に送り込んで、約８２０℃〜８３０℃の温度及び予め設定された雰囲気で約３分間予備加熱する。炉中のガス組成は、例えば割合が８２％／１８％のＡｒ／Ｈ２を含む。各端側２ａ、２ｂの半田７の重量がさらに減少する。このステップの後、仮溶接工程を終了する。
【００４４】
続いて、標準条件で基体２を溶接することができる。この目的を達成するために、各基体２は２つの電極３を提供する。電極３は、例えば金属キャップの形で構成される。電極３を基体の端側２ａ、２ｂに配設する。次に、基体２を電極３と共に予め設定された温度（約８５０℃）及び予め設定された雰囲気で十分に加熱する（硬ろう付け過程）。
【００４５】
上記気密な金属−セラミック接続を形成する方法は、非常に薄い半田層を実現できるという利点を持つ。また、さらに半田単層、つまり単独の一層のみによって構成された半田層を実現することができる。例えば、電極３と端側２ａ、２ｂとの間の半田層７は、４０μｍ以下の厚さを有する。厚さが６０μｍ又はそれ以上の標準半田リングは全く必要ではない。さらに、浸漬法によって生じる過剩物は、半田リング４による標準方法によって生じる過剩物よりも少ない。このため、上記方法によって、低コストの方法で極めてコンパクトな部材を製造することができる。
【００４６】
また、該方法によって、非常に多くの部材を同時に溶接することができる。半田リング４が湾曲し、折り曲げ、粘着し又は忘れられるリスクはない。
【００４７】
気密基体２は、例えば、図６に示すように、過電圧保護器又はスイッチング火花ギャップに応用できる。
【００４８】
図６に示された避雷器１は、第１の電極３と第２の電極３とを備える。電極３は、それぞれ導電材料を有する。該電極は、金属キャップのように構成される。電極３の内面には、活性化材料５、例えば黒鉛５が設けられても良い。活性化材料５は、点火の簡略化及び火花のコントロールのために設けられる。
【００４９】
避雷器１は、セラミック基体２を有し、当該基体は、過電圧が現れる時に電極３の間の放電を実現するための空洞６を有する。したがって、過電圧が現れる時に、放電空間において、電極３の間に放電、特にアーク放電が発生するはずである。空洞６に、ガス、特に希ガスを充填することができる。特に、空洞６に前述した焼結ガス（Ｓｉｎｔｅｒｇａｓ）が充填されている。
【００５０】
電極３は、基体２の端側２ａ、２ｂに配設され、例えば空洞６に部分的に入り込む。電極３と基体２との間の気密接続を実現するために、端側２ａ、２ｂに上記半田又は半田層７が形成されている。上記方法によって、電極３と基体２との間に半田７によって気密な金属−セラミック接続を実現する。従来技術による避雷器１（図５を参照）と比べて、完成品である避雷器１の特徴は、電極３と端側２ａ、２ｂとの間の半田層が非常に薄いことにある。具体的には、半田層７は６０μｍ以下の厚さを有する。半田層７は銀と銅を含み、それらの割合は、７２％対２８％である。
【００５１】
ここで提供された主題の説明は、発明を実施するための形態のそれぞれに限られるものではない。正確には、各実施形態の特徴は、技術的に合理的であれば、任意に組み合わせることができる。
【符号の説明】
【００５２】
１  避雷器
２  セラミック基体
２ａ  第１の端側
２ｂ  第２の端側
３  電極
４  溶接リング
５  活性化材料
６  空洞
７  半田ペースト／半田
８  ホルダー
【図１】
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【図２】
2019518303.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2019518303.tif 000007
【図６】
2019518303.tif 000008
【国際調査報告】
2019518303.tif 000009
2019518303.tif 000010
2019518303.tif 000011
2019518303.tif 000012
2019518303.tif 000013
2019518303.tif 000014