Löten von Keramik und Metallen

1. Lötbarkeit

Das Löten von Keramik- und Keramik- sowie Keramik- und Metallkomponenten ist schwierig. Der Großteil des Lots bildet auf der Keramikoberfläche eine Kugel, die kaum oder gar nicht benetzt wird. Das Lot, das Keramik benetzen kann, bildet beim Löten leicht verschiedene spröde Verbindungen (wie Carbide, Silizide und ternäre oder multivariate Verbindungen) an der Verbindungsfläche. Das Vorhandensein dieser Verbindungen beeinflusst die mechanischen Eigenschaften der Verbindung. Aufgrund der großen Unterschiede der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Keramik, Metall und Lot entstehen nach dem Abkühlen der Löttemperatur auf Raumtemperatur Restspannungen in der Verbindung, die zu Rissen in der Verbindung führen können.

Die Benetzbarkeit des Lots auf der Keramikoberfläche kann durch Zugabe von aktiven Metallelementen zum üblichen Lot verbessert werden. Niedrige Temperaturen und kurze Lötzeiten können die Auswirkungen von Grenzflächenreaktionen verringern. Die thermische Belastung der Verbindung kann durch die Gestaltung einer geeigneten Verbindungsform und die Verwendung eines ein- oder mehrschichtigen Metalls als Zwischenschicht verringert werden.

2. Löten

Keramik und Metall werden üblicherweise in einem Vakuumofen oder einem Wasserstoff- und Argonofen verbunden. Neben den allgemeinen Eigenschaften müssen Hartlote für elektronische Vakuumgeräte auch einige besondere Anforderungen erfüllen. Beispielsweise darf das Lot keine Elemente enthalten, die einen hohen Dampfdruck erzeugen, um ein dielektrisches Leck und eine Kathodenvergiftung des Geräts zu vermeiden. Im Allgemeinen darf der Dampfdruck des Lots bei laufendem Gerät 10-3 Pa nicht überschreiten und die enthaltenen Verunreinigungen mit hohem Dampfdruck dürfen 0,002 bis 0,005 % nicht überschreiten. Der Wassergehalt (O) des Lots darf 0,001 % nicht überschreiten, um die Bildung von Wasserdampf beim Löten in Wasserstoff zu vermeiden, der zum Spritzen des geschmolzenen Lotmetalls führen kann. Darüber hinaus muss das Lot sauber und frei von Oberflächenoxiden sein.

Beim Löten nach der keramischen Metallisierung können Kupfer, unedles Kupfer, Silberkupfer, Goldkupfer und andere legierte Lötfüllmetalle verwendet werden.

Zum Direktlöten von Keramik und Metallen sollten Hartlote mit den Aktivelementen Ti und Zr ausgewählt werden. Binäre Hartlote sind hauptsächlich TiCu und TiNi, die bei 1100 °C verwendet werden können. Unter den ternären Loten ist AgCuTi(W)(TI) das am häufigsten verwendete Lot und kann zum Direktlöten verschiedener Keramiken und Metalle verwendet werden. Als ternäres Hartlot kommen Folien, Pulver oder eutektisches AgCu-Hartlot mit Ti-Pulver in Frage. Das Hartlot B-Ti49Be2 weist eine ähnliche Korrosionsbeständigkeit wie Edelstahl und einen niedrigen Dampfdruck auf. Es kann bevorzugt für oxidations- und auslaufsichere Vakuumdichtungen ausgewählt werden. Bei Ti-V-Cr-Loten ist die Schmelztemperatur bei einem W(V)-Anteil von 30 % am niedrigsten (1620 °C). Durch Zugabe von Cr lässt sich der Schmelztemperaturbereich wirksam reduzieren. Das chromfreie Lot B-ti47.5ta5 wird zum direkten Löten von Aluminiumoxid und Magnesiumoxid verwendet. Die Verbindung funktioniert bei einer Umgebungstemperatur von 1000 °C. Tabelle 14 zeigt das aktive Flussmittel für die direkte Verbindung zwischen Keramik und Metall.

Tabelle 14 Aktivlote für Keramik- und Metalllöten

2. Löttechnologie

Die vormetallisierte Keramik kann in hochreinem Inertgas, Wasserstoff oder Vakuum gelötet werden. Vakuumlöten wird im Allgemeinen zum direkten Löten von Keramik ohne Metallisierung verwendet.

(1) Universallötprozess Der Universallötprozess von Keramik und Metall kann in sieben Prozesse unterteilt werden: Oberflächenreinigung, Pastenbeschichtung, Metallisierung der Keramikoberfläche, Vernickeln, Löten und Inspektion nach dem Schweißen.

Der Zweck der Oberflächenreinigung besteht darin, Öl- und Schweißflecken sowie Oxidschichten von der Oberfläche des Grundmetalls zu entfernen. Metallteile und Lot werden zunächst entfettet, anschließend wird die Oxidschicht mit Säure oder Lauge entfernt, die Teile werden mit fließendem Wasser abgespült und getrocknet. Teile mit hohen Anforderungen werden in einem Vakuumofen oder Wasserstoffofen (auch Ionenbeschuss möglich) bei geeigneter Temperatur und Dauer wärmebehandelt, um die Oberfläche der Teile zu reinigen. Die gereinigten Teile dürfen nicht mit fettigen Gegenständen oder bloßen Händen in Berührung kommen. Sie werden sofort dem nächsten Prozess oder dem Trockner zugeführt. Sie dürfen nicht längere Zeit der Luft ausgesetzt sein. Keramikteile werden mit Aceton und Ultraschall gereinigt, mit fließendem Wasser abgespült und anschließend zweimal jeweils 15 Minuten lang in deionisiertem Wasser gekocht.

Die Pastenbeschichtung ist ein wichtiger Prozess der Keramikmetallisierung. Beim Beschichten wird die Paste mit einem Pinsel oder einer Pastenbeschichtungsmaschine auf die zu metallisierende Keramikoberfläche aufgetragen. Die Schichtdicke beträgt in der Regel 30 bis 60 mm. Die Paste wird in der Regel aus reinem Metallpulver (manchmal mit Zusatz geeigneter Metalloxide) mit einer Partikelgröße von etwa 1 bis 5 µm und organischem Klebstoff hergestellt.

Die pastösen Keramikteile werden in einen Wasserstoffofen gegeben und mit feuchtem Wasserstoff oder gecracktem Ammoniak bei 1300 bis 1500 °C 30 bis 60 Minuten lang gesintert. Mit Hydriden beschichtete Keramikteile werden auf etwa 900 °C erhitzt, um die Hydride zu zersetzen und mit dem auf der Keramikoberfläche verbleibenden Reinmetall oder Titan (oder Zirkonium) zu reagieren und so eine Metallbeschichtung auf der Keramikoberfläche zu erhalten.

Um die MoMn-Metallisierungsschicht mit dem Lot zu benetzen, muss eine 1,4 bis 5 µm dicke Nickelschicht galvanisiert oder mit einer Schicht Nickelpulver beschichtet werden. Liegt die Löttemperatur unter 1000 °C, muss die Nickelschicht in einem Wasserstoffofen vorgesintert werden. Sintertemperatur und -zeit betragen 1000 °C / 15 bis 20 Minuten.

Bei den behandelten Keramiken handelt es sich um Metallteile, die mithilfe von Edelstahl- oder Graphit- und Keramikformen zu einem Ganzen zusammengefügt werden. An den Verbindungsstellen ist Lötzinn anzubringen. Das Werkstück ist während des gesamten Vorgangs sauber zu halten und darf nicht mit bloßen Händen berührt werden.

Das Löten erfolgt in einem Argon-, Wasserstoff- oder Vakuumofen. Die Löttemperatur hängt vom verwendeten Lot ab. Um Risse in Keramikteilen zu vermeiden, darf die Abkühlgeschwindigkeit nicht zu hoch sein. Zusätzlich kann beim Löten ein bestimmter Druck (ca. 0,49 bis 0,98 MPa) angewendet werden.

Neben der Oberflächenqualitätsprüfung müssen die gelöteten Schweißnähte auch einer Prüfung auf thermische Schocks und mechanische Eigenschaften unterzogen werden. Die Dichtungsteile für Vakuumgeräte müssen außerdem gemäß den einschlägigen Vorschriften einer Dichtheitsprüfung unterzogen werden.

(2) Direktlöten: Beim Direktlöten (Aktivmetallmethode) reinigen Sie zunächst die Oberfläche der Keramik- und Metallschweißteile und montieren diese anschließend. Um Risse durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der Komponentenmaterialien zu vermeiden, kann die Pufferschicht (eine oder mehrere Lagen Metallbleche) zwischen den Schweißteilen rotiert werden. Das Hartlot wird zwischen zwei Schweißteilen eingeklemmt oder an einer Stelle platziert, an der der Spalt so weit wie möglich mit Hartlot gefüllt ist. Anschließend wird das Hartlöten wie beim herkömmlichen Vakuumlöten durchgeführt.

Wenn Ag Cu Ti-Lot zum Direktlöten verwendet wird, muss das Vakuumlötverfahren angewendet werden. Wenn der Vakuumgrad im Ofen 2,7 × 10-3 Pa erreicht, beginnen Sie mit dem Erhitzen. Die Temperatur kann zu diesem Zeitpunkt schnell ansteigen. Wenn die Temperatur nahe dem Schmelzpunkt des Lots liegt, sollte die Temperatur langsam erhöht werden, um die Temperatur aller Teile der Schweißnaht anzugleichen. Wenn das Lot geschmolzen ist, muss die Temperatur schnell auf die Löttemperatur erhöht werden. Die Haltezeit beträgt 3 bis 5 Minuten. Während des Abkühlens muss es langsam auf 700 °C abgekühlt werden und kann nach 700 °C mit dem Ofen auf natürliche Weise abgekühlt werden.

Beim direkten Löten von Ti-Cu-Aktivlot kann das Lot aus Cu-Folie und Ti-Pulver oder Cu-Teilen und Ti-Folie bestehen. Alternativ kann die Keramikoberfläche mit Ti-Pulver und Cu-Folie beschichtet werden. Vor dem Löten müssen alle Metallteile im Vakuum entgast werden. Die Entgasungstemperatur für sauerstofffreies Kupfer beträgt 750–800 °C. Ti, Nb, Ta usw. werden 15 Minuten lang bei 900 °C entgast. Der Vakuumgrad darf dabei nicht unter 6,7 × 10-3 Pa liegen. Während des Lötens werden die zu schweißenden Komponenten in der Vorrichtung montiert und im Vakuumofen auf 900–1120 °C erhitzt. Die Haltezeit beträgt 2–5 Minuten. Während des gesamten Lötvorgangs darf der Vakuumgrad nicht unter 6,7 × 10-3 Pa liegen.

Der Lötprozess der Ti-Ni-Methode ähnelt dem der Ti-Cu-Methode und die Löttemperatur beträgt 900 ± 10 °C.

(3) Oxidlöten: Das Oxidlöten ist ein Verfahren zum Herstellen zuverlässiger Verbindungen, bei dem die beim Schmelzen von Oxidlot gebildete Glasphase in Keramik eindringt und die Metalloberfläche benetzt. Es ermöglicht Verbindungen zwischen Keramik und Metall. Oxidlötzusätze bestehen hauptsächlich aus Al2O3, CaO, BaO und MgO. Durch Zugabe von B2O3, Y2O3 und Ta2O3 können Lötzusätze mit unterschiedlichen Schmelzpunkten und Längenausdehnungskoeffizienten hergestellt werden. Darüber hinaus können auch Fluoridlötzusätze mit CaF2 und NaF als Hauptbestandteilen zum Verbinden von Keramik und Metallen verwendet werden, um Verbindungen mit hoher Festigkeit und Wärmebeständigkeit zu erzielen.