Hartlöten von Keramik und Metallen

1. Lötbarkeit

Das Hartlöten von Keramik-Keramik- sowie von Keramik-Metall-Bauteilen ist schwierig. Das Lot bildet meist nur einen Tropfen auf der Keramikoberfläche und benetzt diese kaum oder gar nicht. Lötmetalle, die Keramik benetzen können, neigen dazu, während des Lötprozesses an der Fügefläche verschiedene spröde Verbindungen (wie Carbide, Silicide und ternäre oder multivariate Verbindungen) zu bilden. Diese Verbindungen beeinträchtigen die mechanischen Eigenschaften der Verbindung. Aufgrund der großen Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Keramik, Metall und Lot entstehen zudem nach dem Abkühlen der Lötstelle auf Raumtemperatur Restspannungen in der Verbindung, die zu Rissen führen können.

Die Benetzbarkeit des Lotes auf der Keramikoberfläche kann durch Zugabe aktiver Metallelemente zum herkömmlichen Lot verbessert werden; Niedrigtemperatur- und Kurzzeitlöten kann die Auswirkungen der Grenzflächenreaktion verringern; Die thermische Spannung der Verbindung kann durch die Gestaltung einer geeigneten Verbindungsform und die Verwendung einer ein- oder mehrlagigen Metallschicht als Zwischenschicht reduziert werden.

2. Löten

Keramik und Metall werden üblicherweise in Vakuumöfen oder Wasserstoff-Argon-Öfen verbunden. Neben allgemeinen Eigenschaften müssen Lötmetalle für Vakuumelektronikbauteile auch spezielle Anforderungen erfüllen. So darf das Lot beispielsweise keine Elemente mit hohem Dampfdruck enthalten, um dielektrische Leckströme und Kathodenvergiftung zu vermeiden. Im Allgemeinen gilt, dass der Dampfdruck des Lots im Betrieb 10⁻³ Pa nicht überschreiten darf und der Anteil an Verunreinigungen mit hohem Dampfdruck 0,002 % bis 0,005 % nicht überschreiten darf. Der Wassergehalt (w(o)) des Lots darf 0,001 % nicht überschreiten, um zu verhindern, dass beim Löten in Wasserstoff Wasserdampf entsteht, der zu Spritzern des geschmolzenen Lots führen kann. Darüber hinaus muss das Lot sauber und frei von Oberflächenoxiden sein.

Beim Hartlöten nach der Keramikmetallisierung können Kupfer, Basismetalle, Silberkupfer, Goldkupfer und andere Legierungslötmetalle verwendet werden.

Für das Direktlöten von Keramik und Metallen werden Lötmetalle mit den aktiven Elementen Titan (Ti) und Zirkonium (Zr) verwendet. Binäre Lötmetalle sind hauptsächlich TiCu und TiNi, die bei 1100 °C eingesetzt werden können. Unter den ternären Lötmetallen ist AgCuTi(W)(Ti) das gebräuchlichste und eignet sich für das Direktlöten verschiedener Keramiken und Metalle. Ternäre Lötmetalle können als Folie, Pulver oder als eutektisches AgCu-Lot mit Ti-Pulver verwendet werden. Das Lötmetall B-Ti49Be2 weist eine ähnliche Korrosionsbeständigkeit wie Edelstahl und einen niedrigen Dampfdruck auf. Es eignet sich besonders für Vakuumverbindungen, die Oxidations- und Leckagebeständigkeit erfordern. Bei Ti-V-Cr-Lot ist die Schmelztemperatur mit 1620 °C am niedrigsten, wenn der Wasseranteil (w) 30 % beträgt. Die Zugabe von Chrom senkt den Schmelztemperaturbereich effektiv. Das chromfreie Lot B-Ti47,5Ta5 wurde zum direkten Hartlöten von Aluminiumoxid und Magnesiumoxid verwendet; die Verbindung ist bis zu einer Umgebungstemperatur von 1000 °C funktionsfähig. Tabelle 14 zeigt das aktive Flussmittel für die direkte Verbindung zwischen Keramik und Metall.

Tabelle 14: Aktive Lötmetalle für Keramik- und Metalllöten

2. Löttechnologie

Die vormetallisierten Keramiken können in hochreinem Inertgas, Wasserstoff oder im Vakuum gelötet werden. Vakuumlöten wird im Allgemeinen zum direkten Löten von nicht metallisierter Keramik eingesetzt.

(1) Universelles Lötverfahren Das universelle Lötverfahren von Keramik und Metall kann in sieben Schritte unterteilt werden: Oberflächenreinigung, Pastenbeschichtung, Metallisierung der Keramikoberfläche, Vernickelung, Löten und Nachschweißprüfung.

Die Oberflächenreinigung dient der Entfernung von Öl-, Schweiß- und Oxidschichten von der Oberfläche des Grundmetalls. Metallteile und Lötstellen werden zunächst entfettet, anschließend wird die Oxidschicht durch Säure- oder Laugenwäsche entfernt, mit fließendem Wasser abgespült und getrocknet. Teile mit hohen Anforderungen werden zur Oberflächenreinigung in einem Vakuumofen oder Wasserstoffofen (alternativ kann ein Ionenstrahlverfahren angewendet werden) bei geeigneter Temperatur und Dauer wärmebehandelt. Die gereinigten Teile dürfen nicht mit fettigen Gegenständen oder bloßen Händen in Berührung kommen. Sie werden sofort dem nächsten Bearbeitungsschritt zugeführt oder in den Trockner gegeben und dürfen nicht längere Zeit der Luft ausgesetzt werden. Keramikteile werden mit Aceton und Ultraschall gereinigt, mit fließendem Wasser abgespült und abschließend zweimal je 15 Minuten in deionisiertem Wasser gekocht.

Die Pastenbeschichtung ist ein wichtiger Prozess der Keramikmetallisierung. Dabei wird die Paste mit einem Pinsel oder einer Pastenbeschichtungsanlage auf die zu metallisierende Keramikoberfläche aufgetragen. Die Beschichtungsdicke beträgt üblicherweise 30 bis 60 mm. Die Paste wird in der Regel aus reinem Metallpulver (gegebenenfalls mit Zusatz geeigneter Metalloxide) mit einer Partikelgröße von etwa 1 bis 5 µm und einem organischen Bindemittel hergestellt.

Die mit Klebstoff beschichteten Keramikteile werden in einen Wasserstoffofen gegeben und mit feuchtem Wasserstoff oder Ammoniak-Cracking bei 1300–1500 °C für 30–60 min gesintert. Keramikteile mit Hydridbeschichtung werden auf etwa 900 °C erhitzt, um die Hydride zu zersetzen und mit dem auf der Keramikoberfläche verbliebenen reinen Metall oder Titan (bzw. Zirkonium) zu reagieren und so eine Metallbeschichtung zu erhalten.

Um die MoMn-Metallschicht mit dem Lot zu benetzen, muss eine 1,4–5 µm dicke Nickelschicht galvanisch abgeschieden oder mit Nickelpulver beschichtet werden. Bei Löttemperaturen unter 1000 °C muss die Nickelschicht in einem Wasserstoffofen vorgesintert werden. Die Sintertemperatur beträgt 1000 °C und die Sinterzeit 15–20 Minuten.

Die behandelten Keramikteile sind Metallteile, die mit Formen aus Edelstahl oder Graphit und Keramik zu einem Ganzen zusammengefügt werden. An den Verbindungsstellen wird Lötzinn aufgebracht. Das Werkstück muss während des gesamten Bearbeitungsprozesses sauber gehalten und darf nicht mit bloßen Händen berührt werden.

Das Hartlöten erfolgt in einem Argon-, Wasserstoff- oder Vakuumofen. Die Hartlöttemperatur hängt vom verwendeten Lötmetall ab. Um Risse in den Keramikteilen zu vermeiden, darf die Abkühlgeschwindigkeit nicht zu hoch sein. Zusätzlich kann beim Hartlöten ein gewisser Druck (ca. 0,49–0,98 MPa) angewendet werden.

Zusätzlich zur Oberflächenprüfung sind die Lötverbindungen auch einer Prüfung auf Temperaturwechselbeständigkeit und mechanische Eigenschaften zu unterziehen. Die Dichtungsteile von Vakuumgeräten müssen gemäß den einschlägigen Vorschriften einer Dichtheitsprüfung unterzogen werden.

(2) Direktlöten (Aktivmetallverfahren): Reinigen Sie zunächst die Oberflächen der Keramik- und Metallbauteile und fügen Sie diese anschließend zusammen. Um Risse aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe zu vermeiden, kann eine Pufferschicht (eine oder mehrere Lagen Blech) zwischen den Bauteilen angeordnet werden. Das Lötmetall wird zwischen den beiden Bauteilen eingeklemmt oder so platziert, dass der Spalt möglichst vollständig mit Lötmetall ausgefüllt ist. Anschließend wird der Lötprozess wie beim herkömmlichen Vakuumlöten durchgeführt.

Wird Ag-Cu-Ti-Lot zum Direktlöten verwendet, ist das Vakuumlötverfahren anzuwenden. Sobald der Vakuumgrad im Ofen 2,7 × 10⁻³ Pa erreicht hat, wird mit dem Aufheizen begonnen. Die Temperatur kann dabei schnell ansteigen. Sobald die Temperatur nahe am Schmelzpunkt des Lots liegt, wird sie langsam erhöht, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung im gesamten Lötbereich zu erreichen. Nach dem Schmelzen des Lots wird die Temperatur rasch auf die Löttemperatur erhöht und 3–5 Minuten gehalten. Die Abkühlung erfolgt langsam bis 700 °C; ab 700 °C kann die natürliche Abkühlung im Ofen fortgesetzt werden.

Beim Direktlöten von Ti-Cu-Aktivlot kann die Lotmasse aus Kupferfolie und Titanpulver, Kupferteilen und Titanfolie bestehen. Alternativ kann die Keramikoberfläche mit Titanpulver und Kupferfolie beschichtet werden. Vor dem Löten müssen alle Metallteile im Vakuum entgast werden. Die Entgasungstemperatur für sauerstofffreies Kupfer beträgt 750–800 °C, für Titan, Niob, Tantal usw. 15 Minuten lang bei 900 °C. Der Vakuumdruck muss dabei mindestens 6,7 × 10⁻³ Pa betragen. Beim Löten werden die zu verlötenden Bauteile in die Vorrichtung eingespannt, im Vakuumofen auf 900–1120 °C erhitzt und 2–5 Minuten lang gehalten. Der Vakuumdruck muss während des gesamten Lötprozesses mindestens 6,7 × 10⁻³ Pa betragen.

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

(3) Oxidlötverfahren: Das Oxidlötverfahren ist ein Verfahren zur Herstellung zuverlässiger Verbindungen, bei dem die durch das Schmelzen von Oxidlot entstehende Glasphase in die Keramik eindringt und die Metalloberfläche benetzt. Es ermöglicht das Verbinden von Keramik mit Keramik und von Keramik mit Metallen. Oxidlote bestehen hauptsächlich aus Al₂O₃, CaO, BaO und MgO. Durch die Zugabe von B₂O₃, Y₂O₃ und Ta₂O₃ lassen sich Lote mit unterschiedlichen Schmelzpunkten und linearen Ausdehnungskoeffizienten herstellen. Darüber hinaus können auch Fluoridlote mit CaF₂ und NaF als Hauptbestandteile verwendet werden, um Keramik und Metalle zu verbinden und so hochfeste und hitzebeständige Verbindungen zu erzielen.