用于實現金屬-陶瓷焊接連接的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種使用金屬焊料使熱膨脹系數彼此協調的未涂層陶瓷體與金屬件 實現材料配合的金屬-陶瓷焊接連接的方法;本發明還涉及一種金屬-陶瓷焊接連接件，這 種金屬-陶瓷焊接連接件在未涂層陶瓷體的表面與金屬件的表面之間具有空隙，該空隙至 少部分地填充有焊料;本發明還涉及一種用于在高溫條件下將電導線絕緣和絕熱地敷設到 室內的連接裝置。
【背景技術】
[0002] 在一些技術領域中，需要通過焊接工藝使陶瓷體與金屬件連接起來。特別是在小 型化構件的領域中（例如用于各種應用的傳感器插接管），這種金屬-陶瓷焊接連接是非常 重要的。
[0003] 在圖la中示出了根據現有技術的例如在陶瓷體1與金屬件(在此為鋼件)之間實現 金屬-陶瓷焊接連接的必要工作步驟，在此所制造的是高溫傳感器的陶瓷管6。
[0004] 在第一步驟I中，必須利用鉬/錳膏例如通過噴涂或涂抹對所設定的連接點涂覆一 層涂層，然后在還原氣體(^(111216代11(1611人1;〗11〇8口11如6)下在大約1400 <€下烘烤該膏，由此 產生金屬化的陶瓷。
[0005] 在另一步驟II中，還需要對這種金屬化進行電鍍鎳，以使液態的銀銅焊料(AgCu-Lot)能夠均勻、良好地濕潤陶瓷體1的被鍍鎳的陶瓷表面，就像待連接的金屬件一樣。接下 來在針對陶瓷體1的準備步驟中，金屬件(在此為凸緣和/或觸點座)可以在安裝步驟ΠΙ中 被定位在陶瓷體1旁邊或之并被施加焊料。在這些部件彼此定位之后，這些部件通過焊接過 程IV在高溫條件下在接合點上彼此連接。根據現有技術，必須對陶瓷表面實行涂層，在此這 通過步驟I和步驟II來實現。
[0006] 圖lb示出了在執行完步驟I至步驟IV之后根據現有技術的工藝進行焊接連接的剖 視圖。在此，利用焊料4使金屬件2'、3'與陶瓷體1材料配合地連接。可以清楚地看到：陶瓷體 1的陶瓷表面的涂層11為被鍍鎳的金屬涂層。所使用的簡單的商用焊料4使金屬件2'、3'與 被涂層的陶瓷表面材料配合地彼此連接。
[0007] 陶瓷體的涂層是必不可少的并且非常復雜。在此在步驟II中還要附加地進行鍍 鎳，以便提高金屬化陶瓷的濕潤性。
[0008] 由于涂覆有足夠厚的附加金屬和/或附加保護層，因此對于較小尺寸的陶瓷體和 金屬件進行再處理是很困難的，并且只能在具有較大公差的情況下來執行。
[0009] 為了能夠簡單地在陶瓷表面與金屬件之間建立焊接連接，專利文獻DE19734211C2 提出：以活性成分機械地對陶瓷表面進行涂層，并隨后與金屬件進行焊接。例如，可以通過 在陶瓷表面上摩擦含鈦的片或棒進行這種涂層。不清楚在此所述的這種簡單的涂層工藝是 否足夠良好地起作用。但是，在沒有施加保護層的情況下會迅速地開始氧化，因此必須盡可 能地直接在建立涂層之后進行焊接。
[0010]從專利文獻EP356678中已知一種借助于焊接過程的連接方法，該連接方法能夠提 供良好的連接結果，在此是在涂層、鍍鎳和隨后的安裝之后進行焊接過程。
[0011]在專利文獻US4591535中提出，在使用具有親氧元素的活性焊料4'時，無涂層的或 未被金屬化的陶瓷體可以與由鋼制成的金屬件連接。在此，可以摒棄前述的對陶瓷體的金 屬化和鍍鎳，使得因此所獲得的方法在如圖2所示的情況下通過使用活性焊料4'而僅包括 安裝步驟III和焊接過程IV。在此，焊接過程IV是在已知的用于活性焊料4'的溫度范圍內進 行的。借助活性焊料實現材料配合的連接:親氧元素(例如鈦)已經被混合(legiert)在焊料 中。與使用非活性焊料相比，采用活性焊料的連接需要更高的熔解溫度，并且在設計待接合 的構件時需要特別注意，因為活性焊料不會像傳統的焊料那樣流動并且不可以利用毛細管 效應。借助活性焊料4'實現的陶瓷/金屬連接展示出一種結構體，其中，陶瓷體、活性焊料和 金屬件構成可明顯相互區別開的層。
[0012] 在根據專利文獻DE202010016357U1的傳感器中，在陶瓷體中設置有傳感器元件， 該傳感器元件可以通過利用焊接設立的金屬觸點來聯系。所使用的焊料是活性焊料。
[0013] 在根據專利文獻DE102010003145A1的壓力傳感器中，借助活性硬焊料、鋯/鎳/鈦 合金對測量膜進行氣密的連接。第二活性硬焊料使測量膜變換器的原始信號線路與測量電 子器件相連接。
[0014] 活性焊料是不容易在市場上買到的，大多數情況下必須從特定的供應商那里以較 高的成本采購。由于活性焊料與非活性焊料相比具有更高的熔點或者說更高的加工溫度， 因此會使陶瓷體中的熱應力增加，從而造成更大的斷裂趨勢。這是由于金屬和陶瓷的熱膨 脹系數不同。如果這兩個組件在高溫下彼此連接，則在它們再次達到室溫后會不可避免地 形成應力。并且為了達到活性焊料的高焊接溫度，不可避免地會產生較高的能量消耗。
[0015] 因為在使用活性焊料時沒有對陶瓷體進行涂層，因此陶瓷表面與鋼制金屬件表面 之間的毛細管縫隙沒有完全被活性焊料充滿，故而這種焊接連接具有角焊的形式，這對于 例如在此所述的處理是不利的。活性焊料不適用于毛細管焊接，因為活性成分在焊料完全 滲透之前可能已經耗盡于毛細管中，并由此使得陶瓷體與金屬件之間的縫隙不能完全地實 現材料配合的連接。為了實現根據現有技術的金屬-陶瓷焊接連接(其中執行前述的金屬化 和鍍鎳），通常需要使毛細管焊縫寬度達到0.05mm，因為層厚可能會變化。
【發明內容】
[0016] 本發明的目的在于提出一種用于使熱膨脹系數彼此協調的未涂層陶瓷體與金屬 件實現材料配合的金屬-陶瓷焊接連接的方法，在此將摒棄使用難以買到且成本昂貴的活 性焊料以及專門對陶瓷體進行如前所述的涂層。本發明的目的還包括在低成本的情況下以 盡可能少的費用實現金屬-陶瓷焊接連接。此外，這種連接能夠滿足較高的要求并且尤其是 不易碎的或不脆弱的。
[0017] 利用根據本發明的方法，能夠如同前述的金屬化那樣良好地控制毛細管式焊料 流，這可以使所要實現的金屬-陶瓷焊接連接具有高機械負荷能力，在此，該金屬-陶瓷焊接 連接尤其是還可以經受住更高的剪切負荷。
[0018] 本發明的目的還在于提出一種用于至少一個高溫傳感器的陶瓷管，其適用于伴隨 這種金屬-陶瓷連接的高于200°C的工作溫度。
[0019] 本發明還涉及一種根據本發明的方法在陶瓷體與金屬件之間的建立的金屬-陶瓷 焊接連接。
[0020] 本發明的目的通過一種具有獨立權利要求所述特征的方法來實現。根據本發明將 實施以下步驟:選擇具有至少50%份額的親氧元素的金屬件和至少80%是由氧化鋁、氧化 鋯、氧化硅或它們的混合物組成的陶瓷體。使用無活性的、低共熔的或近似于低共熔的焊 料。最后形成包括陶瓷體和金屬件的結構體，在此，陶瓷體和金屬件在它們的表面之間相互 形成間隙。陶瓷體和金屬件還可以彼此貼靠在一起，由此產生的間隙完全滿足要求。在此， 焊料被帶入到間隙中或間隙附近。隨后將該結構體置于爐子中，并利用焊料圍繞該結構體 形成真空或無氧的保護氣層（Schutzgasatmosphiire)。然后，使爐子處于高于焊料的液相 線溫度TL的焊接溫度T，并優選最高至焊料的液相線溫度以上60°C(TL〈TSTL+60°C)。現在， 在焊接持續時間A t中在爐中將保持焊接溫度T，直至焊料與一部分熔化的（geldsten)金屬 件一起構成混合相區域M，該混合相區域將完全填滿并濕潤所述間隙。然后將該結構體再次 冷卻至環境溫度。
[0021] 根據本發明的方法的優點在于，可以設立較低的焊接溫度，因為無活性的焊料不 包含鈦。較低的焊接溫度將導致所制成的部件在其被冷卻至環境溫度之后具有很小的應 力。
[0022] 此外，已經證實:含鈦的焊料通常含有過多的鈦，由此使得連接容易裂開。在本發 明的情況下，連接所采用的鈦或其他金屬性的親氧元素正好與連接所需要的一樣多，并且 不再需要更多。由此使得這種連接具有非常高的品質。
[0023] 此外，利用所述的方法可以實現毛細管焊接，而這在使用含鈦焊料時（例如在 US7771838中）是不可能的。
[0024]特別是這種連接是在無氧保護氣體或真空條件下進行的，因此不會發生氧化。在 傳統的方法中（例如在含銅金屬的情況下)會形成氧化層，該氧化層在直接焊接中被作為焊 料使用，如專利文獻EP2263820所述。
【附圖說明】
[0025] 下面參照附圖對本發明的優選實施例進行說明。
[0026] 圖la示意性示出了用于建立金屬-陶瓷焊接連接的方法，通過該方法使得至少部 分被金屬化的陶瓷體能夠借助于市場上常見的焊料根據現有技術地固定在金屬件上，而 [0027]圖lb示出了利用根據圖la的方法所建立的金屬-陶瓷焊接連接的剖視圖的顯微照 片。
[0028] 圖2示意性示出