HERMETICALLY TIGHT CERAMIC-TO-METAL JOINT

Abstract: 1. Hermetically tight ceramic-metal connection with high strength, in which the components of metal or metal alloys and ceramic, preferably aluminium oxide, are connected together in the manner of butt soldering, characterised in that multiple solderings (5) in series are undertaken of the flanges (6) of hollow sectional metal bodies (3) open at one side, at the place of connection to the metallised ceramic component (2).

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 Kerumik, vorzugsweise Aluminium- oxid, durch Stumpflötung verbunden sind, in dom die betreffenden Keramikflächen in üblicher Weise metallisiert sind und durch ein eingefügtes Lot, insbesondere @artlot, mit dem betreffenden Metallteil durch Erhitzen in einer Schutzgesatmosphäre oder in Vakuum zusaengefügt sind. Eine solche Kramik-Metall-Verbindungs Technik erweist sich als giinstig fiir Gehäuse von IIochleistungs- senderöhren, Vakuum-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 Metallpartner und der damit in Verbindung stehenden Keramik-Metall-Teile gewählt wurde sowie durch geeignete konstruktive Massnahmen bei der Lötspalte, welche naturgemäss nur einen möglichst kleinen Durchmesser aufweisen darf. Obwohl diese beiden Verbindungstechniken für viele Anwendungszwccke befriedigend ist, besteht doch Veranlassung nach weiteren Verbindungsmögichkeiten von Me tallen und Nichtmetallen zu suchen, da inan bestrebt ist, die Verbindung hinsichtlich Leckagen zu verbessern und die tllermiselle BeI ast- barkeit zu erhöhen. Um diese Spannungen abzubauen, benutzt man die Technik der Stuwpf- bzw. Flachlötung wie sie beispielsweise in der DE-1'S 10 45 305 und in der DE-OS 20 24 625 nljiter beschrieben ist. Dabei wird zwischen der Metall und der Keramikoberfläche eine metallische, vorzugsweise folienartige Zwischenschicht eingelötet, deren Ausdehnungseigenschaften zwischen der Keramik und dem Metallteil liegen. Diirch die radiale Verformbarkeit der dünnen Zwischenschicht werden die auftretenden Spannungen abgebaut. Ausserdem erfolgt eine Anpassung der Ausdehnungs- koeffizienten 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 Leclcwerden von Keramik-Metall-Gehäusen, womit erhebliche Betriebsstörungen eintreten können. Es wird deshalb nach Lösungsmöglichkeiten gesucht, die Sicherheit solcher elektronischen Bauelemente weier zu erhöhen. Eine andere Möglichkeit durch geeignete konstruktive Mass- nahmen 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 weitgehend vermieden worden, indem die Keramik nur streifenförmig metallisiert wird. Solche beschriebenen technischen Massnahmen sind aber nur begrenzt anwendbar, so z. b. vom Einlöten von Kerumikröhrchen in einen metalliscllul Block. Die Praxis zeigt auch, dass die Lötfuge nicht beliebig erweitert werden kann, weil sonst ein dichtes Verschliessen nicht mehr gewährleistet ist. Die Auf gabe der Erfindung in Alll)ctracht dieses Standes der Technik ist es, dieses Spannungsgofälle zwischen Keramik und Metall weiter zu verbessern und die obengenannten Nachteile zu beseitigen. Die Erfindung zieht auch eine hermetische Abdichtung gegenüber einer Gasatmosphäre vor. Ferner soll die Festigkeit des Verbundes zwischen Keramik und Metall erhöht werden, wobei man aber nicltt mehr an eine genaue Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Werkstoffe angewiesen ist. Die vorgenannte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass hintereinanderliegende Mehrfachlötungen an den Stegen von einseitig offenen, profil artigen 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 Höhe des Rohlkörpers in einem Verhältnis von 1:5 steht. Auch der Abstand der Stege ist so zu wählen, dass er das 3- bis i-fache der Stegdicke beträgt. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von schemati sehen Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten be- schrieben. Es zeigt Fig. 1: einen Querschnitt durch ein vakuumdichtes Gefäss, z. B. einen Vakuumleistungsschaler; Fig. 2: einen Querschnitt durch einen Hochfrequenz-Stützer; Fig. 3: den Querschnitt einer Hochleistungssenderöhre. Die Erfindung ermöglicht eine verbesserte Keramik-Metallötver- bindung, insbesondere bei der Herstellung von 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 konstruktive 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 Keramik-Metall-Verbindungen verbessern, indem man die erfindungsgemässe Mehrfachschneiden- Lötung vornimmt. Durch diese technische Massnallme erhöht sich auch an jeder Verbindungsstelle die thermische Belastbarkeit, auch wird beim Undichtwerden einer Lötstelle die Vakuunidichtigkeit des Gefässes nicht beeinträchtigt. Besonders das Hartlöten unter Schutzgas über 800 C ist von dieser Verbindungstechnik her besser und ermöglicht auch den Einsatz weniger qualifizierter Arbeitskräfte. Mit Kerainikrnaterial ist in der vorliegenden Beschreibung die gesamte Vi elart derjenigen Werkstoffe angesprochen, die als Isoliermaterialien in der Elektronik verwendet qerden. Insbesondere sind es solche Werkstoffe, die in der Vakuumtechnik verwendet werden, wie z. n. Aluminiumoxid ia verschiedenen Reinheitsgraden, Berylliumoxid, Zirkonoxid, Saphir und Fersterit. Die Auswahl der Metalle hängt im allgemeinen von 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. Metall- legierungen hängt aber nicht davon ab, dass der Ausdehnungskoeffi- zient 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-Lötver- bindung wird üblicherweise die zu verlötende Oberfläche der Keramik 1 mit einer geeigneten, vorzugsweise eingebrannten Netallisierungsschicht 2 versehen, auf welche der Metallhohlkörper 3 mittels Weich- oder Hartlot 5 aufgelötet wird. Hart- lote werden beispielsweise überall dort zur Anwendung kommen, wo man von der Verbindung eine hohe mechanische Festigkeit und thermische Belastbarkeit fordern wird. Die Metallisierung der Keramik 1 erfolgt üblicherweise nach dem Molylidän-Mangan-Ver- fahren, indem eine aufgetragene Metallpaste in kontrollierter Schutzgasatmosphäre oder Vakuum auf die Keramik eingebrannt wird. Auch kann es nützlich sein, dass auf diese Weise metalli- sierte Keramikteil 2 zu vernickeln, damit später dieses Teil vom Lot gut benetzt wird. Zur weiteren Erläuterung der vorliegenden Erfindung sind einige Ausführungsbeispiele angefültrt. Beispiel 1: Das dargestellte Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 zeigt ein vakuumdichtes Gefäss, wie es zum Beispiel für Vakuumschalter und Vaknumkondensatoren benötigt wird. Neben einer hohen Festigkeit der Keramik-Metallverbindung wird noch eine Vakuumdichte auch nach Temperatur zyklen 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 Metallteil 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 Metallhohlkörper 3 weist in diesem Fall ein U-förmiges Profil mit einer Stegdicke von 0,5 mm auf, wobei das Verhältnis von Wandstärke zur Jl(ille 1:5 beträgt. Der Abstand der Stege bei dieser Zweifachschneiden-Lötung beträgt das 3- bis ls-faclle der Stegdicke, wodurch eine für den Spannungsabbau günsttige Ausbildung dr Lötkchle erhalten wird. Durch die exfindungsgemässe Doppelschneiden-Lötung konne an diesem Stützisolator die Zugbelastung von 800 daN auf 1250 daN nach Glühbehandlung bei 500 C unter Schutzgas erhöht werden. Bei dieser nisPiihrung löst sic sich erst bei 1250 daN die Verbindung an der inneren Schneide und trotz Verformtulg des U förmigen Meallhohlkörpers 3 blieb die äunerc Verbindungsstelle noch vakuumdicht. Auch eine anschlicssende 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 abgebiidet. Der Aufbau besteht aus drei rohrförmigen Keramikteilen 1, und zwar aus Aluminiumoxidkeramik, deren Stirnseiten wiederum mit einer hartlötbaren Metallisierungsschicht 2 versehen sind. Auf diese Metallisierunsschichten 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 Keramik-Metall-Lötverbindungen durch Doppel- oder Mehrfachschneidenlötung wird gezeigt, dass man Verbindungen mit hoher Festigkeit und Valcuumdichtig- keit trotz wesentlicher Abweichungen in den Ausdehnungskoeffizienten von Keramik und Metall erhält. Durch die Mehr- fachscirneiden-Lötung ist eine erhebliche Verbesserung für das Anbringen von Metallteilen an metallisierte Keramikflächen erreicht worden.

Claims: P a t e 11 t a n s p r ii c h e 1. Hermetisch dichte Keramik- etall-Verbindung mit hoher Festigkeit, wobei die Teile aus Metall bzw. ble-tallegierungen und Keramik, vorzugsweise Aluminiumoxid, nach Art von Stumpf- lötungen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass hintereinanderliegende Mohrfachlötungen (5) an den Stegen (6) von einseitig offenen, profilartigen Iletal Iholllltiirpern (3) an der Verbindungsstelle zum metallisierten Keramiktoil (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 l - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der Stege (6) zur Höhe des Metallhohlkörpers (3) im Verhältnis von 1:5 steht. 5. Hermetisch dichte Keramilc- Metall-Verbindung nach Anspruch 1 - 3, dadurch gekenIlzeiehnetS dass die Abstände der Stege (6) das 3- bis 4-fache der Stegdicke betragen.

Inventors: PICKEL HELMUT
Applicants: ROSENTHAL TECHNIK AG
Application year: 1979
Main classification: C04B37
IPC codes: C04B37