Keramik-Löten
Das Hauptproblem der Verbindung von Metall mit Keramik mittels Löten sind die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) der Materialien. Je größer dieser Unterschied und je höher die Löttemperatur ist, desto größer sind die im Keramik-Metall-Verbund „eingefrorenen“ Spannungen bei Raumtemperatur. Deshalb wird versucht Metalllegierungen, wie Ni42 oder Kovar zu verwenden, da diese einen WAK ähnlich von Aluminiumoxid bei Raumtemperatur aufweisen. Zusätzlich wird versucht die Form und Materialstärke der Metallteile so anzupassen, dass Verbundspannungen durch plastische Verformungen abgebaut werden. Bei Alumina Systems werden drei Arten des Lötens als Verbindungstechnik unterschieden.
Passiv Al2O3 Hartlöten von Keramik und Metall
Das am weitesten verbreitete Verfahren zum Verlöten von Keramik und Metall ist das passive Al2O3 Hartlöten mit einem AgCu28 Eutektiumslot mit einem Schmelzpunkt von 779 °C. Voraussetzung ist hier immer eine Metallisierung der Keramik. Je nach Anforderung und Materialpaarung kommen diverse andere Lote zum Einsatz. Das Lot wird meistens als Draht und Folie teilweise auch als Paste verwendet. Ein Vorteil des passiven Lötens von Keramik ist die gute Benetzung und Fließverhalten des Lotes auf der vernickelten Metallisierungsschicht. Hiermit werden bei Alumina Systems mehr als 90% der vakuumdichten Keramik-Metall-Systeme hergestellt.
Es bildet sich zwischen Metallisierung und Metallteil eine Lotkehle aus, welche einen optimalen Spannungsübergang darstellt. Somit weisen diese Verbindungen sehr hohe Festigkeiten (min. Mpa) auf. Das Löten wird meisten unter Formiergas (90% Stickstoff (N2) und 5% Wasserstoff (H2)) zum Schutz vor Oxidation durchgeführt. Bei z.B. Edelstahl-Verbundbauteilen ist dies nicht ausreichend. Deshalb wird hier im Vakuum gelötet.
Es bildet sich zwischen Metallisierung und Metallteil eine Lotkehle aus, welche einen optimalen Spannungsübergang darstellt. Somit weisen diese Verbindungen sehr hohe Festigkeiten (min. Mpa) auf. Das Löten wird meisten unter Formiergas (90% Stickstoff (N2) und 5% Wasserstoff (H2)) zum Schutz vor Oxidation durchgeführt. Bei z.B. Edelstahl-Verbundbauteilen ist dies nicht ausreichend. Deshalb wird hier im Vakuum gelötet.
Aktiv-Löten im Metall Keramik Lötverbund
Der wesentliche Vorteil dieses Verfahrens ist die Verwendung meist titanhaltiger Aktivlote, welche ohne Metallisierung der Keramik direkt eine Verbindung zwischen dem Lot und den Komponenten ermöglichen. Ein Nachteil ist das schlechte Benetzungsverhalten der Keramik. Dies kann bei der Erstellung von vakuumdichten Verbindungen zu Problemen führen.
Gelötete technische Keramikverbindung mittels Glaslot
Für die vakuumdichte Verbindung von Keramik mit Keramik verwendet Alumina Systems häufig Glaslote. Die Keramik muss hierfür nicht metallisiert werden. Da die stoffschlüssige Verbindung mittels Glas ohne Metalle wie Ni auskommt, können solche Verbindungen auch im Bereich von Magnetfeldern eingesetzt werden.
Entstehung einer gelöteten Keramik-Metall-Verbindung
Im Schliffbild ist zu sehen, dass eine dünne, weiche und flexible Kupfer-Membranen (OF-Cu: sauerstofffreies Kupfer) zwischen das massive Kupferteil und die Keramik eingelötet wurde. Diese minimiert durch Verformung die Verbundspannungen im Keramik-Metall-System.
