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Hart-Löten von Keramik (Aluminiumoxid) und Metall

Hart-Löten von Keramik und Metall – insbesondere das Löten von Aluminiumoxid (Al₂O₃) auf Metallkomponenten – gehört zu den Kernkompetenzen von Alumina Systems. In technisch anspruchsvollen Anwendungen sind Verbindungen aus oxidischer Keramik und Metall gefordert, die nicht nur mechanisch hoch belastbar sind, sondern auch dicht (vakuum- oder gasdicht), temperatur- und korrosionsbeständig. Hier setzt das Hartlöten an: Es verbindet Keramik und Metall dauerhaft und zuverlässig.

Warum Aluminiumoxid (Al₂O₃)? Eigenschaften und Herausforderungen

Aluminiumoxid-Keramik (Al₂O₃), oft einfach „Alumina“ genannt, ist eine der meistverwendeten technischen Keramiken. Wichtige Eigenschaften:

  • Sehr hohe Härte und Verschleißfestigkeit.

  • Hohe Temperaturbeständigkeit und gute thermische Stabilität.

  • Geringe Wärmeausdehnung (WAK) im Vergleich zu vielen Metallen. Dies ist wichtig, um Spannungen im Verbund zu minimieren.

Die Herausforderung beim Hartlöten von Aluminiumoxid auf Metall besteht vor allem darin, diese differierenden Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) und die unterschiedliche chemische und mechanische Reaktivität zu überwinden. Ohne geeignete Vorbehandlung, passende Lotmaterialien und kontrollierte Lötbedingungen entstehen Spannungen, Risse oder Undichtigkeiten zwischen Keramik und Metall.

Was versteht man unter Hartlöten? Definition und Kategorisierung

  • Hartlöten (nach DIN/ISO etc.) bezeichnet Lötverfahren mit Arbeitstemperaturen oberhalb 450 °C.

  • Typische Hartlote enthalten Silber, Kupfer, Nickel, oder Kombinationen mit reaktiven Metallen wie Titan oder Zirkonium, wenn Keramik direkt benetzt werden soll (Aktiv-Lote).

  • Unterschieden wird in der Praxis oft zwischen passivem Hartlöten (Keramik wird vorher metallisiert) und aktivem Löten (Lot hat Aktivanteile, welches die Keramikoberfläche direkt aktiviert). Alumina Systems setzt beide Verfahren ein.

Schlüsselparameter beim Hartlöten von Aluminiumoxid und Metall

Damit Hartlötverbindungen zwischen Keramik (Al₂O₃) und Metall dauerhaft funktionieren, müssen verschiedene Parameter exakt kontrolliert werden:

  1. Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK)
    Auswahl des Metallpartners mit möglichst ähnlich geringem WAK wie Aluminiumoxid. Legierungen wie Ni42, Kovar sind bewährt, um thermische Spannungen beim Abkühlen zu reduzieren.

  2. Metallisierung der Keramik

    • Press/Verdruck von Mo-Mn bzw. W-Mn Pasten auf Keramik, Einbrand bei hoher Temperatur in Formiergas.

    • Galvanisches Nickel anschließend, um Korrosionsschutz und gute Benetzung durch Lot zu gewährleisten.

  3. Lotmaterial und Lottemperatur

    • Wahl eines Lotes mit geeigneter Schmelz- bzw. Arbeitstemperatur (z. B. AgCu-Eutektikum bei ca. 779 °C bei reinem Silber/Kupfer Lot).

    • Aktivlote, wenn Metallisierung entfallen soll, erfordern höhere Temperatur und anspruchsvollere Atmosphären.

  4. Atmosphäre und Schutz

    • Schutz vor Oxidation durch Formiergas (Stickstoff-Wasserstoff), Vakuum oder Edelgasumgebung.

    • Saubere, fettfreie, oxidschichtsfreie Oberflächen notwendig, besonders beim Aktivlöten oder in Vakuum.

  5. Lötspalt, Lotkehle und Geometrie

    • Optimaler Lötspalt sorgt für kapillares Fließen des Lots.

    • Lotkehle (ausreichende Ausformung der Verbindung) verbessert mechanische Festigkeit und verteilt Spannungen.

    • Konstruktion der Bauteile so wählen, dass Dicke, Form und Übergänge Spannungen minimieren.

  6. Abkühlung und Spannungsmanagement

    • Kontrolle der Abkühlungsrate, eventuell Zwischenstufen, um thermische Spannungen abzubauen.

    • Einsatz flexibler Zwischenlagen (z. B. dünne Kupfermembrane) in bestimmten Fällen, die plastisch verformen können und Spannungsübergänge glätten. Alumina Systems verwendet solche Membranen, um Belastungen im Verbund zu reduzieren.

Typische Anwendungsfälle und Einsatzbereiche

  • Vakuumdichte Keramik-Metall Verbindungen, z. B. für Hochvakuumanwendungen, Elektronenröhren, Leistungselektronik.

  • Hochtemperaturanwendungen, z. B. Isolation, Keramikdichtungen, Schutz von Metallteilen gegenüber extremen Umgebungen.

  • Gehäuse und Durchführungen, wo sowohl elektrische Isolation als auch metallische Verbindung nötig sind.

  • Präzisionsbauteile, wo mechanisch hohe Festigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit gefordert sind.

Vorteile und Grenzen des Hartlötens gegenüber anderen Fügetechniken

Vorteile:

  • Sehr starke, dauerhafte Verbindung zwischen Keramik und Metall – hohe Festigkeit und Dauerbeständigkeit.

  • Möglichkeit, vakuum- oder gasdichte Verbindungen zu erzeugen.

  • Stabil bei hohen Temperaturen und in aggressiven Medien, je nach Materialwahl.

  • Für viele industrielle Anwendungen zuverlässiger als Kleben oder Schrauben.

Grenzen:

  • Höherer Aufwand – Vorbereitung, teure Lotmaterialien, aufwendige Temperaturführung und Ausrüstung.

  • Thermische Spannungen bei ungünstiger Material- oder Geometriewahl.

  • Risiko von Rissen oder Undichtigkeiten bei unsachgemäßer Behandlung.

  • Aktivlote sind oft teurer und erfordern strengere Prozesskontrollen.

Qualitätskriterien & Prüfschritte bei Alumina Systems

Damit unsere Hartlötverbindungen bei Alumina Systems höchsten Ansprüchen genügen, prüfen wir:

  • Verbindungsfestigkeit – Zug-/Schälversuche, Scherfestigkeit, mechanische Belastung.

  • Dichtheit – Vakuumdichtigkeit (z. B. < 1×10⁻¹¹ Pa·m³/s) oder Gasdichtheit nach spezifischen Normen.

  • Thermische Zyklen – Prüfung auf Temperaturwechselbeständigkeit, um thermisch verursachte Spannungen und Ermüdung zu erkennen.

  • Korrosionsverhalten – Prüfung in feuchter Luft, ggf. bei aggressiven Medien, abhängig vom Einsatzfeld.

  • Mikroskopische Analyse – Schliffbilder, Lotkehle, Grenzflächen zwischen Keramik, Metallisierung und Lot; Kontrolle auf Porosität, Risse, Zwischen-Reaktionsschichten.