专利名称：金属-陶瓷的结合的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种连接两种不同材料的方法，该方法包括如下步骤，即在其中一种材料上设置通孔，熔化另一种材料贴近该通孔处的部分，随后允许该部分固化在该通孔中。
本发明还涉及一种金属和非金属部分的组合结构。
从美国专利5,498,850中已知这样的方法和组合结构。该专利说明了一种包括一个金属板和一个半导体材料板的结构，该金属板具有一个通孔。该半导体材料随后受到一个通过该通孔的强激光束的照射并被导致熔化。该熔化的半导体材料也导致金属的一部分熔化。该熔化的金属形成了一种带有该熔化的半导体材料的合金。该合金在空气中不是耐腐蚀的，所以必需被提供一单独的覆盖层。
上述方法具有这样的缺点，即它具有不同的阶段，并不能提供连接金属和陶瓷材料的解决方案。
本发明的目的是提供如上所述的一种方法和一种组合结构，其中以高的位置精确性和温度稳定性在陶瓷材料和金属之间实现可靠的结合。
为此，按本发明的方法的特征在于，一种材料是陶瓷材料，另一种材料是金属，在金属的熔化状态中，在该金属远离陶瓷材料的一侧和在陶瓷远离金属的一侧之间出现压差，在金属远离陶瓷材料的一侧出现较大的压力。
按本发明，一种组合结构的特征在于，该非金属部分是一个陶瓷部分，该陶瓷部分设有一个通孔，在熔化状态中，金属部分渗入通孔中并固化。
这样，便以一种有效的方式导致该熔化的金属部分渗入该通孔中。它也可以在不需要特别的材料适应性和不需要费时的处理，例如热压缩的情况下实现。
按本发明方法的一个优选实施例的特征在于，金属被导致熔化贴近通孔处的部分，该压差通过导致金属远离陶瓷材料的一侧的熔化的金属部分蒸发而产生。
这意味着除了金属和陶瓷材料本身外不需要其它的材料和原料，或者意味着只需要使金属熔化和蒸发。
按本发明方法的一个优选实施例的特征还在于，该蒸发由于使远离陶瓷材料的熔化的金属部分侧受到激光辐射的照射而发生，其中该激光辐射导致熔化的金属部分的表面层蒸发。
这意味着可以使用足够功率的单一激光器，首先以较低的功率使金属贴近通孔的部分熔化，然后当金属已经熔化时，向熔化部分施加高功率的激光脉冲，从而该熔化部分的表面层蒸发。该蒸发的金属确保压力的增加，从而该熔化部分被压入通孔中。除了压力增加外，这样的事实也起作用，即蒸发的金属带走指离金属和陶瓷材料的脉冲，熔化部分中的金属接收沿通孔方向的脉冲。
按本发明方法的一个优选实施例的特征在于，由于熔化的金属部分的固化，在金属和陶瓷材料之间产生一种锁定形式。
通常而言，金属和陶瓷材料从不或者很难彼此粘结。即便是产生粘结，也是在高温下进行，使陶瓷材料和金属具有大约相同的温度。
按本发明方法的本优选实施例可以实现，陶瓷材料和熔化的金属不需要具有大约相同的高温就可以结合。由于在熔化的金属固化后生成的锁定形式，金属和陶瓷材料之间的结合强度几乎完全由该锁定形式的强度决定。
下面将结合
本发明，附图所示为图1示出了一个金属部分和一个陶瓷部分；图2示出了熔化该金属的步骤；图3示出了施加压差的步骤；图4示出了上述金属部分和陶瓷部分之间的结合；图5示出了上述金属部分和陶瓷部分之间的结合的另一个实施例；图6示出了一个阻拦装置；图7示出了激光脉冲功率的时间函数；图8示出了施加压差的另一种替代方式。
在图1中，参考标号1表示一个金属部分，参考标号2表示一个陶瓷部分。陶瓷部分2设有一个通孔3，该通孔具有向着金属部分方向变细的壁4。在图1中示出的金属部分1和陶瓷部分2以示例的方式以两个平板的横截面示出。当然，板1和2也可以是弯曲的，而且板1和2也可以具有除平板以外的其它形式。
在图2中，参考标号5表示一条激光束，该激光束沿箭头6的方向射入金属部分1远离陶瓷部分2的一侧。激光束5具有这样的强度，从而处于通孔3位置上的金属部分1被熔化，这一点由熔化部分7示出。激光束5的强度不足以导致熔化部分7沸腾。其结果状态是稳定的。应该指出的是，附图中金属部分1和陶瓷部分2之间的间隙8对于本发明是不相关的，故优选被略去。间隙8在附图中只被示出来表示金属部分1和陶瓷部分2之间的区别。
在激光束5已经生成熔化部分7后，激光束5的强度便被增加一段短的时间，如图箭头9所示，以达到这样的一个水平，即熔化部分7的表面层蒸发成蒸汽云11，其由参考标号11示出。蒸汽云11沿离开金属部分1方向的延展导致一个如箭头12所示的力沿陶瓷部分2的方向施加在熔化部分7的表面10上，如箭头13所示。因此，熔化部分7沿箭头13的方向并由此沿通孔3的方向运动。在一段短的时间后，激光束5被关断，熔化部分7渗入通孔3。由于激光束5的关断，熔化部分7便冷却下来并固化，从而形成一种固化的材料14，如图4中所示。
图4示出了固化的材料14沿通孔3的变细的壁4构成一个锁定形式。该锁定形式确保金属部分1和陶瓷部分2通过固化的材料14而牢固地结合在一起。
由此在金属部分1和陶瓷部分2之间得到的结合具有高水平的位置精确性，即通过该精确性，通孔3设置在陶瓷部分2中，通过该精确性，设有通孔3的陶瓷部分2和金属部分1相对于彼此就位。通过这种方式得到的结合也具有较高的温度稳定性。只要固化的材料14不熔化，由此金属部分1不熔化，金属部分1和陶瓷部分2就保持它们在熔化部分7变为固化的材料14时呈现的相对位置。
从上述部分可以明显得出，金属部分1和陶瓷部分2二者除设置通孔3外，都不经受任何处理。特别是，每一部分都不经受表面处理，或者用其它材料例如熔剂或粘结剂的表面处理。
从上述部分还可以明显得出，不需要附加材料来进行上述结合。特别应该指出的是，不需要焊剂或其它第三种材料来形成金属部分1和陶瓷部分2之间的结合。
在图1-4所示的实施例中，通孔3以一个沿金属部分1方向变细的开口示出。对于本领域的技术人员而言，具有除变细形式以外的其它形式的开口也可以在固化的材料1 4和陶瓷部分2之间实现上述锁定形式。在图5中示出了本发明文中锁定形式的一种特殊形状。在图5中，通孔3具有直壁4，锁定形式由该熔化部分7形成，由于在该金属部分1远离陶瓷材料的一侧和陶瓷部分2远离金属部分1的一侧之间出现的压差，在此较大的压力出现在金属部分1远离陶瓷部分2的一侧，故熔化部分7被推动穿过通孔3，然后流过边缘15并固化成固化的材料14。固化的材料14突出超过边缘15的边缘16与边缘15一起构成一个锁定形式，该锁定使固化的材料14、金属部分1和陶瓷部分2彼此牢固结合在一起。
在压差太大和/或出现的时间太长的情况下，就会有这样的危险，即熔化部分7被完全推出通孔3，根本不在金属部分1和陶瓷部分2之间产生结合。图6示出了这一问题的解决方案。刚好在通孔3之下设置一个阻拦装置21。考虑到熔化部分7的高温和考虑到熔化部分7不能被粘结到阻拦装置21上的需要，阻拦装置21面对通孔3的表面的至少一部分由陶瓷材料加工而成，或者阻拦装置21由具有高导热系数的材料加工而成。熔化部分7和陶瓷部分2之间的温差越大，熔化部分7粘结到阻拦装置21的陶瓷表面上的危险就越小。熔化部分7和阻拦装置21的陶瓷材料之间的大于50℃的温差通常足以确保熔化部分7在高温时不粘结到阻拦装置21上。如果阻拦装置21由具有高导热系数的材料制成，则渗入通孔3中的熔化的金属将在接触时如此快地冷却下来，从而没有粘结或没有明显的粘结。
图8示出了得到在该金属部分1远离陶瓷材料的一侧和陶瓷部分2远离金属部分1的一侧之间的压差的另一种方式。在通孔3周围，一个保持件18通过一个O形圈17靠放在陶瓷部分2上。保持件18通过一个连接管19连接到一个装置20上，该装置用于在保持件18中产生低于大气压的压力。在金属部分1对着通孔3的位置上已经产生熔化部分7之后，装置20便确保在在保持件18中有一个短时间持续的低于大气压的压力。该压差的结果是，熔化部分7被压入通孔3中。然后该压差便又减小，使得熔化部分7不再进一步地渗入通孔3中，熔化部分7冷却以形成固化的材料14。
在图8所示的实施例中，阻拦装置21可以例如刚性地设置在保持件18中。
图7以示例的方式示出了如图2和3的内容所述的激光脉冲功率的时间函数过程，但也可应用于图5、6和8所示的实施例中。
在大约14ms的阶段内，激光脉冲保持为大约350W的功率P1。因此，金属部分1熔化一定的直径，例如600μm。该熔化的结果是干净的并且没有波峰(peaks)。然后一个功率为P2的短时间持续的激光脉冲射照该熔化部分大约01-0.3ms。根据这些因素，其中包括金属部分1和陶瓷部分2之间的裂缝的宽度和熔化部分7的直径，功率P2的范围在700W和2.5kW之间。该短时间持续的高功率脉冲导致短时间持续蒸发的蒸汽云11(见图3)。该蒸汽云的形成导致压力沿陶瓷部分2中通孔3的方向施加到熔化部分7上。
示例需要在保持在真空电子源中的装置中连接一个在电子源中形成格栅的金属板和一个具有高位置精确性和温度稳定性的陶瓷板。这两个板都是平的并在各个点被连接在一起。这些板具有250-380μm之间的厚度和外廓尺寸为1cm。通孔3具有260-400μm之间的直径。该陶瓷材料为Al2O3。激光束5具有300-700W之间的功率并以10+15ms的时间阶段照射该金属。激光束5具有大约600μm的光点直径。在保持件18中出现120-160mb的低于大气压的压力。通孔4的壁3关于法线的斜度为20°。
这些给定值提供了以高位置精确性和温度稳定性在金属部分1和陶瓷部分2之间实现金属-陶瓷结合的可能性。同时，利用待结合的金属本身作为熔化的基部确保不会有由于例如焊剂或其它熔剂可能造成的污染。利用金属本身来产生熔化部分不需要附加的其它材料，同样也可使结合非常的牢固。该位置精确性完全由金属部分和陶瓷部分以其在连接前就位和保持相对彼此关系的精确性决定。
通过上述说明，许多实施例和改型对于本领域的技术人员是显而易见的。所有这些改型和实施例都被认为落入在本发明的范围之内。
权利要求
1.连接两种不同材料(1、2)的方法，该方法包括如下步骤，即在一种材料(2)上设置通孔(3)，熔化另一种材料(1)贴近该通孔处的部分，随后允许该部分固化在该通孔中，其特征在于，一种材料是陶瓷材料(2)，另一种材料是金属(1)，在金属(1)的熔化状态中，在该金属(1)远离陶瓷材料(2)的一侧和在陶瓷(2)远离金属的一侧之间出现压差，在金属(1)远离陶瓷材料(2)的一侧出现较大的压力。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，该压差至少通过在陶瓷材料(2)远离金属(1)的一侧施加低于大气压的压力产生。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该压差至少通过在金属(1)远离陶瓷材料(2)的一侧施加高于大气压的压力而产生。
4.按权利要求3所述的方法，其特征在于，金属(1)被导致熔化贴近通孔(3)处的部分，该压差通过导致金属(1)远离陶瓷材料(2)的一侧的熔化的金属部分(7)蒸发而产生。
5.按权利要求4所述的方法，其特征在于，该蒸发由于使远离陶瓷材料(2)的熔化的金属部分(7)侧受到激光辐射(5)的照射而发生，其中该激光辐射导致熔化的金属部分(7)的表面层(10)蒸发。
6.按上述权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，由于熔化的金属部分(7)的固化，在金属(1)和陶瓷材料(2)之间产生一种锁定形式。
7.按上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在产生压差的时间阶段内，对着通孔(3)在陶瓷材料(2)远离金属(1)的一侧设置一个阻拦装置(21)。
8.按权利要求7所述的方法，其特征在于，阻拦装置(21)的表面材料对于熔化的金属部分(7)是不粘结的。
9.按权利要求8所述的方法，其特征在于，阻拦装置(21)的表面材料是一种陶瓷材料。
10.一种金属(1)和非金属(2)的组合结构，其特征在于，该非金属部分是一个陶瓷部分(2)，该陶瓷部分(2)设有一个通孔(3)，在熔化状态(7)中，金属部分(1)渗入通孔(3)中并固化。
11.按权利要求10所述的组合结构，其特征在于，通孔(3)的形状和固化的金属(14)的形状构成一个锁定形式。
12.按权利要求10或11所述的组合结构，其特征在于，两个部分(1、2)都是板状的。
13.按权利要求10、11或12所述的组合结构，其特征在于，通孔(3)沿金属部分(1)的方向倾斜(4)。
14.一种金属(1)和非金属(2)的组合结构，其特征在于，该结构按权利要求1-9所述的方法之一得到。
全文摘要
一种连接金属(1)与陶瓷材料(2)的方法包括在该陶瓷材料中设置通孔(3)和将待连接到陶瓷材料(2)上的金属(1)贴近带有通孔(3)的陶瓷材料(2)放置的步骤。然后，金属(1)熔化贴近通孔(3)的(7)。在陶瓷(2)远离金属的一侧和在该金属(1)远离陶瓷材料(2)的一侧之间出现压差。在金属(1)远离陶瓷材料(2)的一侧出现较大的压力。该压差导致熔化部分(7)被压入陶瓷材料(2)中的通孔(3)。通孔(3)具有这样的形状，即在固化之后，固化的材料(14)和通孔(3)具有互补锁定的形式。
文档编号B23K26/00GK1486289SQ02801901
公开日2004年3月31日 申请日期2002年5月24日 优先权日2001年5月29日
发明者J·W·维坎普, D·K·迪肯, T·J·M·J·范根尼普, J W 维坎普, M J 范根尼普, 迪肯 申请人:皇家菲利浦电子有限公司