Hartlöten von Keramik und Metallen: Erläutert

1. Eigenschaften des Lötens

Das Hartlöten von Keramik auf Keramik oder von Keramik auf Metall kann eine ziemliche Herausforderung sein. Die meisten Hartlote bilden auf der Keramikoberfläche kugelförmige Gebilde, was zu einer schlechten oder gar keinen Benetzung führt.

Hartlote, die Keramik benetzen können, neigen dazu, an der Verbindungsstelle verschiedene spröde Verbindungen zu bilden (z. B. Karbide, Silizide und ternäre oder mehrkomponentige Verbindungen), die die mechanischen Eigenschaften der Verbindung beeinträchtigen.

Hinzu kommt, dass sich die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Keramik, Metallen und Hartlötmitteln erheblich unterscheiden, Eigenspannung kann nach dem Abkühlen von der Löttemperatur auf Raumtemperatur in der Verbindung vorhanden sein, was zu Rissen in der Verbindung führen kann.

Die Verwendung aktiver Hartlote, die durch Zugabe reaktiver metallischer Elemente zu herkömmlichen Hartloten hergestellt werden, kann die Benetzung von Keramikoberflächen verbessern. Durch den Einsatz von Niedertemperaturlötungen mit kurzer Dauer können die Auswirkungen von Grenzflächenreaktionen verringert werden.

Die Gestaltung geeigneter Verbindungskonfigurationen und die Verwendung von einzelnen oder mehreren Metallschichten als Zwischenlagen können dazu beitragen, die thermische Belastung in der Verbindung zu minimieren.

Hartlöten von Zusatzwerkstoffen Das Hartlöten von Keramik an Metallen erfolgt in der Regel in einem Vakuumofen, unter Wasserstoff- oder Argonatmosphäre. Hartlote für die Abdichtung von elektronischen Geräten im Vakuum haben neben den allgemeinen Merkmalen zusätzliche spezifische Anforderungen.

Zum Beispiel sollte das Zusatzmetall keine Elemente enthalten, die einen hohen Dampfdruck erzeugen, um Probleme wie dielektrische Lecks und Kathodenvergiftung in den Geräten zu vermeiden. Im Allgemeinen wird festgelegt, dass der Dampfdruck des Schweißzusatzes während des Betriebs des Geräts 10-3Pa nicht überschreiten sollte, und der Gehalt an Verunreinigungen mit hohem Dampfdruck sollte zwischen 0,002% und 0,005% liegen.

Der Sauerstoffgehalt des Lotes (W(o)) sollte 0,001% nicht überschreiten, um die Bildung von Wasserdampf während des Lötens in einer Wasserstoffatmosphäre zu vermeiden, was zu einem Verspritzen des geschmolzenen Lotes führen könnte. Außerdem muss der Lotwerkstoff sauber sein und darf keine Oberflächenoxide aufweisen.

Beim Hartlöten von Keramik nach der Metallisierung können legierte Hartlötmittel wie Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Silber-Kupfer (Ag-Cu) und Gold-Kupfer (Au-Cu) verwendet werden. Beim direkten Hartlöten von Keramik an Metalle können Hartlote verwendet werden, die reaktive Elemente enthalten, wie z. B. Titan (Ti) und Zirkonium (Zr) sollten ausgewählt werden.

Unter den binären Hartloten werden Ti-Cu und Ti-Ni am häufigsten verwendet und können im Bereich von 1100℃ eingesetzt werden. Bei den ternären Hartloten wird Ag-Cu-Ti (mit einem (W)Ti-Gehalt von weniger als 5%) häufig zum direkten Hartlöten verschiedener Keramiken an Metallen verwendet.

Dieses ternäre System kann mit Folie, Pulver oder eutektischem Ag-Cu-Lot in Kombination mit Ti-Pulver verwendet werden. Das Hartlot B-Ti49Be2 weist eine ähnliche Korrosionsbeständigkeit wie Edelstahl auf und hat einen niedrigeren Dampfdruck, was es zu einer bevorzugten Wahl für vakuumversiegelte Verbindungen macht, die Oxidation und Leckschutz erfordern.

Im Ti-V-Cr-System wird durch den Zusatz von Cr der Schmelztemperaturbereich wirksam verringert, wobei die niedrigste Schmelztemperatur bei 30% W(V) erreicht wird. Das Hartlot B-Ti47,5Ta5 ohne Cr wurde für das direkte Hartlöten von Aluminiumoxid und Magnesia verwendet, wobei die Verbindung bei einer Umgebungstemperatur von 1000℃ funktionieren kann. Aktive Hartlote für das direkte Verbinden von Keramik mit Metallen sind in Tabelle 14 aufgeführt.

Tabelle 14. Aktive Lotfüllstoffe zum Hartlöten von Keramik an Metalle

2. Löttechnik

Vormetallisierte Keramiken können unter hochreinem Schutzgas, Wasserstoff oder im Vakuum gelötet werden. Beim direkten Löten von nicht metallisierten Keramiken wird in der Regel eine Vakuumlötung empfohlen.

(1) Allgemeines Lötprozess für Keramiken und Metalle

(1) Der allgemeine Hartlötprozess für Keramik und Metalle kann in sieben Prozessschritte unterteilt werden: Oberflächenreinigung, Auftragen der Paste, Metallisierung der keramischen Oberflächen, Vernickeln, Hartlöten und Kontrolle nach dem Hartlöten.

Die Oberflächenreinigung wird durchgeführt, um Ölflecken, Schweißflecken und Oxidschichten von der Oberfläche des Grundmaterials zu entfernen. Metallteile und Hartlötmaterial sollten entfettet und dann mit Säure oder Lauge behandelt werden, um Oxidschichten zu entfernen, gefolgt von Spülen mit fließendem Wasser und Trocknen.

Hochwertige Teile sollten einer Wärmebehandlung bei geeigneter Temperatur und Dauer in einem Vakuum- oder Wasserstoffofen (auch Ionenbeschuss ist möglich) unterzogen werden, um die Oberfläche des Teils zu reinigen.

Die gereinigten Teile sollten nicht mit öligen Gegenständen oder bloßen Händen in Berührung kommen, sondern sofort weiterverarbeitet oder in eine Trockenvorrichtung gelegt werden, wobei ein längerer Kontakt mit der Luft zu vermeiden ist.

Keramische Teile sollten mit Aceton im Ultraschall gereinigt, mit fließendem Wasser gespült und anschließend zweimal 15 Minuten lang in entionisiertem Wasser gekocht werden.

Das Auftragen der Paste ist ein entscheidender Schritt bei der Metallisierung von Keramiken. Dabei wird die Paste mit einem Pinsel oder einem Pastenapplikator auf die zu metallisierende Keramikoberfläche aufgetragen.

Die Schichtdicke liegt im Allgemeinen zwischen 30 und 60 Mikrometern, und die Paste besteht in der Regel aus reinem Metallpulver mit einer Teilchengröße von etwa 1 bis 5 Mikrometern (manchmal mit Zusatz geeigneter Metalloxide) und einem organischen Bindemittel.

Keramische Teile mit aufgetragener Paste werden dann in einen Wasserstoffofen gelegt und bei einer Temperatur von 1300-1500 °C 30-60 Minuten lang mit nassem Wasserstoff oder gecracktem Ammoniak gesintert. Keramiken mit aufgetragenen Hydriden sollten auf etwa 900 °C erhitzt werden, damit sich das Hydrid zersetzt und mit reinem Metall oder Resttitan (oder Zirkonium) auf der Keramikoberfläche reagiert, um eine Metallbeschichtung zu erhalten.

Bei der Mo-Mn-Metallisierungsschicht wird zur Förderung der Benetzung mit dem Lot eine 1,4-5 Mikrometer dicke Nickelschicht galvanisch aufgebracht oder mit Nickelpulver beschichtet. Wenn die Löttemperatur unter 1000°C liegt, muss die Nickelschicht auch in einem Wasserstoffofen bei einer Temperatur und einer Zeit von 1000°C/15-20 Minuten vorgesintert werden.

Die behandelten Keramiken werden wie Metallteile behandelt und mit Formen aus Edelstahl, Graphit oder Keramik zu einem Ganzen zusammengefügt. Das Lötmaterial wird an der Verbindungsstelle aufgetragen, und das Werkstück muss während des gesamten Vorgangs sauber gehalten werden, wobei Berührungen mit bloßen Händen zu vermeiden sind.

Das Hartlöten erfolgt in einem Argongas-, Wasserstoffgas- oder Vakuum-Ofen. Die Löttemperatur hängt vom Lötmaterial ab, und um Risse in der Keramik zu vermeiden, sollte die Abkühlgeschwindigkeit nicht zu hoch sein. Außerdem kann während des Hartlötens ein gewisser Druck ausgeübt werden (etwa 0,49-0,98 MPa).

Nach dem Löten sollten die geschweißten Teile einer Oberflächenprüfung unterzogen werden, ebenso wie einer Temperaturschock- und einer mechanischen Leistungsprüfung. Dichtungskomponenten, die in Vakuumgeräten verwendet werden, müssen ebenfalls einer Dichtheitsprüfung gemäß den einschlägigen Vorschriften unterzogen werden.

(2) Direktes Löten

Beim Direktlöten (Aktivmetallverfahren) werden die zu lötenden keramischen und metallischen Werkstücke zunächst einer Oberflächenreinigung unterzogen und dann zusammengefügt.

Um Rissbildung aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten zu verhindern, wird eine rotierende Pufferschicht (eine oder mehrere Bleche) können zwischen die Fugen gelegt werden. Wann immer möglich, sollte das Lot zwischen den beiden Werkstücken oder in den mit Lot gefüllten Zwischenräumen platziert und dann ähnlich wie beim herkömmlichen Vakuumlöten gelötet werden.

Bei der Verwendung von Ag-Cu-Ti-Lötmaterial zum Direktlöten sollte das Vakuumlötverfahren angewendet werden. Die Erwärmung sollte beginnen, wenn der Vakuumgrad im Ofen 2,7×10-3Pa erreicht.

Wenn sich die Temperatur jedoch dem Schmelzpunkt des Lötmaterials nähert, sollte es langsam erwärmt werden, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung über alle Teile der Verbindung zu gewährleisten.

Sobald das Lot schmilzt, sollte die Temperatur schnell auf die Löttemperatur erhöht werden, mit einer Haltezeit von 3-5 Minuten. Während der Abkühlung sollte eine langsame Abkühlung erfolgen, bevor 700 °C erreicht werden, während nach 700 °C eine natürliche Abkühlung möglich ist.

Beim Direktlöten mit Ti-Cu-Aktivlot kann das Lot in Form einer Cu-Folie mit Ti-Pulver oder einer Cu-Komponente mit Ti-Folie vorliegen, oder es wird Ti-Pulver auf die Keramikoberfläche aufgetragen und anschließend eine Cu-Folie hinzugefügt.

Alle Metallteile müssen im Vakuum entgast werden, wobei die Entgasungstemperatur für sauerstofffreies Kupfer 750-800°C und für Ti, Nb, Ta usw. 900°C für 15 Minuten betragen sollte. Der Vakuumgrad sollte in diesem Stadium nicht unter 6,7×10^-3Pa.

Während des Lötvorgangs sollten die zu lötenden Teile in einer Halterung zusammengesetzt und in einem Vakuumofen auf eine Temperatur zwischen 900 und 1120 °C erhitzt werden, wobei eine Haltezeit von 2 bis 5 Minuten einzuhalten ist. Während des gesamten Lötvorgangs sollte der Vakuumdruck nicht niedriger als 6,7×10^-3Pa.

Der Lötprozess bei der Ti-Ni-Methode ist ähnlich wie bei der Ti-Cu-Methode, wobei die Löttemperatur 900±10°C beträgt.

(3) Oxidlötverfahren

Beim Oxidlöten wird ein Oxidlot verwendet, das beim Schmelzen eine Glasphase bildet, in die Keramik eindringt und die Metalloberfläche benetzt, so dass zuverlässige Verbindungen entstehen. Diese Methode kann für die Verbindung von Keramik mit Keramik oder von Keramik mit Metall verwendet werden.

Die Hauptbestandteile der Oxidlötmaterialien sind Al₂O₃, CaO, BaO, MgO und der Zusatz von B₂O₃Y2O3, Ta₂O₃usw. können Lötmaterialien mit unterschiedlichen Schmelzpunkten und linearen Ausdehnungskoeffizienten ergeben.

Außerdem bestehen Fluoridhartlote hauptsächlich aus CaF₂ und NaF können auch zum Verbinden von Keramiken und Metallen verwendet werden, wodurch hochfeste und hitzebeständige Verbindungen entstehen.