利用活性硬焊料或钎焊料接合陶瓷体的方法、具有彼此接合的至少两个陶瓷体的组件,特 ...的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种组件，其包括：利用活性硬焊料或钎焊料(5)的接缝连接的第一陶瓷体和第二陶瓷体(1，2)，其中所述活性硬焊料或钎焊料(5)在连续主体积上均分，所述主体积包括至少50％的所述接缝体积，具有有液相线温度Tl(CH)的平均组成CH。其中，根据本发明，所述接缝的边缘区域具有有液相线温度Tl(CR)的平均组成CR，所述接缝的边缘区域接触所述陶瓷体(1，2)中的至少一个，所述液相线温度Tl(CR)比所述主体积的平均组成CH的液相线温度Tl(CH)高至少20K、优选地至少50K且特别优选地至少100K。
【专利说明】利用活性硬焊料或钎焊料接合陶瓷体的方法、具有彼此接合的至少两个陶瓷体的组件，特别是压力测量单元
【技术领域】
[0001]本发明涉及具有彼此接合的至少两个陶瓷体的组件，特别是压力测量单元，以及利用活性硬焊料或钎焊料接合陶瓷体的方法。
【背景技术】
[0002]由于本发明与压力测量单元的特殊关联性，将首先基于压力测量单元来解释本发明。
[0003]根据尖端科技的压力测量单元组合了陶瓷测量膜和陶瓷平台，其中测量膜与平台沿含有活性硬焊料或钎焊料的周边接缝压密地连接，其中压力室在测量膜和平台之间形成，其中由在压力室中主导的压力和作用于测量膜背对压力室的外部的压力之间的差值产生测量膜的平衡位置。
[0004]充当平台和测量膜用的材料特别是氧化铝陶瓷，其由于弹性性质和中等抗性而适合于制造压力测量单元。所提到的陶瓷组件特别地用活性硬焊料或钎焊料接合，该活性硬焊料或钎焊料优选为含有Zr、Ni和Ti的活性硬焊料或钎焊料。这种活性硬焊料或钎焊料的制造例如公开在欧洲专利申请文件(Offenlegungsschrift)EP O 490 807 A2中。根据其中描述的方法，特别地，可制造活性钎焊材料的环，其可安置在测量膜和平台之间以将它们彼此硬焊或钎焊。
[0005]然而，熔融的活性硬焊料或钎焊料趋于向内径向流动。因此，为了避免向内径向流动，需要另外的措施。在这方面，例如，专利申请文件DE 100 36 433 Al公开了电容式压力测量单元，其同样具有活性硬焊料或钎焊料的接缝，其中在接缝根部，即接缝的内径处，形成环状包围凹槽，其一方面防止局部应力集中在接缝处，且另一方面限定可靠的阻焊层，活性硬焊料或钎焊料不能经该阻焊层进一步向内径向流动。
[0006]限制活性硬焊料或钎焊料向内径向流动的实践方法包括使膜-侧电极的表面氧化，该膜-侧电极含有钽且意在与活性硬焊料或钎焊料电流接触。在相对低的硬焊温度下，这可防止活性硬焊料或钎焊料进入到压力室并提供可接受的产率。然而，当硬焊温度增加时，阻焊层不再可靠，且焊料流过钽电极的边缘进入压力室。
[0007]在又一未公开的专利申请DE 10 2012 103 166中，石墨层作为阻焊层公开。
【发明内容】
[0008]然而，在指定的情况下，在石墨层中的缺陷可使防湿退化。因此，本发明的目的是提供组件，具体地为压力测量单元，在其制造中，可靠地防止焊料流过阻焊层。
[0009]根据本发明通过以下实现该目的:独立专利权利要求1所述的组件、独立专利权利要求12所述的压力测量单元和独立专利权利要求15所述的方法。
[0010]本发明的组件包括第一陶瓷体和第二陶瓷体，其中第一陶瓷体和第二陶瓷体利用接缝连接，其中接缝含有活性硬焊料或钎焊料，其中活性硬焊料或钎焊料在连续主体积上均分(averaged)。所述主体积包括至少50%、特别地至少70%且优选地至少80%的接缝体积，具有有液相线温度T1 (Ch)的平均组成Ch，其中Ch: = (cH1，…，Chn)，其中|CH| = 1，且其中cHi为在主体积中的活性硬焊料或钎焊料的平均组成的组分Ki i = 1，...，N的化学计量分数。其中根据本发明，接缝的边缘区域具有有液相线温度T1(Ck)的平均组成Ck;所述边缘区域接触陶瓷体中的至少一个，且其重叠至多8%的主体积例如至多4%且特别地至多2%且优选位于主体积之外；所述液相线温度T1(Ck)比主体积的平均组成Ch的液相线温度T1 (Ch)高至少20K、优选地至少50K且特别优选地至少100K，其中CK: = (cE1,…，cEN)，其中|cK| = 1，且其中cKi为在边缘区域中的活性硬焊料或钎焊料的平均组成的组分Ki i =1，…，N的化学计量分数。
[0011]在本发明的另一发展中，具有平均组成Ck的边缘区域具有如下体积，其总计不低于接缝体积的0.1 %、例如不低于0.5%且特别地不低于1%。
[0012]在本发明的另一发展中，接缝为环状的，其中主体积由旋转体限定，所述旋转体通过围绕环的转动主轴转动凸多边形、特别是长方形来形成。
[0013]在本发明的另一发展中，具有组成Ck的边缘区域沿环形接缝的内缘延伸。
[0014]在本发明的另一发展中，液相线温度T1 (Ch)随组成从CSlj Ck的改变单调地升高到液相线温度T1 (Ce)。
[0015]在本发明的另一发展中，组成Ch具有液相线温度T JCh),其比在组成空间中具有组成Ce的共晶点的液相线温度T ! (Ce)高至多300K、优选地至多150K且优选地至多50K，所述共晶点相应地为与共晶谷的最靠近的交叉点，其中(；:=(C61，…，cj，其中|C」=I且其中Cei为组分Ki i = I,…，N在共晶点，即与共晶谷的最靠近的交叉点，的化学计量分数。
[0016]与共晶谷的最靠近的交叉点由在共晶谷中的点定义，对于其组成C；，认为矢量差
IC6-Ch I的大小在共晶谷中的所有点之中有最小值。
[0017]在本发明的另一发展中，接缝的合金在在组成空间中的共晶点，即与共晶谷的最靠近的交叉点，具有组成ce，其中Ce: = (cel，…，cj，其中IcJ = 1，其中Cei为在共晶点，即与共晶谷的最靠近的交叉点，的组分Ki i = 1，...，N的化学计量分数；其中在组成C6与组成Ch之间的差可用归一化矢量差D 描述，其中|D』=I ;其中组成Ck与组成Ch之间的差可用归一化矢量差Deh描述，其中:CK= CH+aEH*DEH, Deh = I ;其中aeH和am为正标量,其中,对于标量积，s eE: = Dea.Deh:s eK〈0,特别地，seE<-0.5,优选地，seE<-0.8。
[0018]在本发明的另一发展中，第一陶瓷体和/或第二陶瓷体包含A1203。
[0019]在本发明的另一发展中，活性硬焊料或钎焊料含有Zr、Ni和Ti，其中在本发明的实施方式中，至少在主体积中的活性硬焊料或钎焊料是由这些组分和在指定的情况下的铝构成，在硬焊过程中，铝从陶瓷扩散到接缝中。
[0020]在本发明的这一另一发展的实施方式中，组成Ch包含20原子％?24原子％ N1、13原子％到17原子％ Ti和剩余物Zr以及在指定情况下的铝，铝在所硬焊过程中从陶瓷扩散到接缝中，其中组成Ch特别地包含63原子％ Zr、22原子％Ni和15原子％ Ti，其中在指定情况下，Al扩散在其中，其中在存在铝的情况下，特别地钛分数降低，且其中组成Ck与组成Ch相比较具有增加的Ni分数。
[0021]在本发明的另一发展中，边缘区域的组成Ck含有与主体积的组成Ch相同的金属。在本发明的这一另一发展的实施方式中，除了在指定情况下的杂质之外，组成不含其他元素。在本发明的另一发展中，边缘区域的组成含有选自包括Cu、Fe、Al、Ag和Au的列表的至少一种另外的金属。
[0022]本发明的压力测量单元包括本发明的组件，其中第一陶瓷体为压力测量单元的测量膜的膜体，且其中第二陶瓷体为压力测量单元的平台，其中平台与测量膜利用环状的接缝彼此压密地接合。
[0023]在另一发展中，压力测量单元包括电容式传感器，其中平台的面向测量膜的表面和/或测量膜的面向平台的表面分别具有金属电极，其中所述电极包含金属，与组成C0相比较，所述金属在组成(^中富集。在本发明的另一发展中，这一金属包括镍。
[0024]用于制造第一陶瓷体和第二陶瓷体的组件的其中所述第一陶瓷体和所述第二陶瓷体将利用活性硬焊料或钎焊料接合的本发明方法包括如下步骤:在陶瓷体之间提供活性硬焊料或钎焊料和阻焊层，其中在硬焊之前活性硬焊料或钎焊料具有液相线温度为T1 (Cho)的平均组成Cm均分在连续主体积上，所述主体积包括至少50%、特别地至少70%且优选地至少80%的活性硬焊料或钎焊料体积,其中CH(1: = (cH(ll，…，cH(IN),其中|CH(I| = I且其中Cmi为在主体积中的活性硬焊料或钎焊料的平均组成的组分Ki i = 1，...，N的化学计量分数，其中所述阻焊层具有至少一种材料，其液相线温度高于所述主体积的组成Cm的液相线温度，其中所述阻焊层的材料与所述组成Chci的混合至少在将通过所述方法形成的接缝的边缘区域中产生平均组成CK，其中所述组成Ck具有液相线温度T i (Ck)，其在比所述主体积的平均组成Chci的液相线温度T ! (Cho)高至少20K、优选地至少50K且特别优选地至少100K，其中CK: = (cK1，一,Ckn)，其中|CK| = 1，且其中cKi为在边缘区域中的活性硬焊料或钎焊料的平均组成的组分Ki i = I,…，N的化学计量分数；以及在真空硬焊、钎焊工艺中将陶瓷体、活性硬焊料或钎焊料和阻焊层至少加热至使所述组成Ch熔融，其中活性硬焊料或钎焊料在边缘区域中的熔体与阻焊层的材料混合，由此在边缘区域中的熔体等温凝固或变得更粘并阻塞。阻塞在这方面是指活性硬焊料或钎焊料的流动达到在边缘区域停止的程度。
[0025]在方法的另一发展中，活性硬焊料或钎焊料包含Zr、Ni和Ti。
[0026]在本发明的另一发展中，活性硬焊料或钎焊料的组成Cm在接合之前包含20原子％?24原子％ N1、13原子％?17原子％ T1、剩余物Zr，其中组成Ch特别地包含63原子％ Zr,22原子％ Ni和15原子％ Ti。
[0027]在本发明的另一发展中，与在接合之后为接缝的主体积的组成的组成C0相比较，组成Ck具有增加的Ni分数。
[0028]在本发明的另一发展中，阻焊层通过在至少一个陶瓷体的至少一个表面区段上沉积金属或各种金属的混合物来提供，其中，与活性硬焊料或钎焊料的主体积的组成的液相线温度相比较，金属或金属混合物在活性硬焊料或钎焊料中的富集引起液相线温度增加。
[0029]在本发明的另一发展中，沉积的金属、相应地沉积金属的混合物含有镍。
[0030]在本发明的另一发展中，在其中提供了阻焊层的陶瓷体的表面区段与在接缝与陶瓷体之间的接触表面的重叠为接缝与陶瓷体之间的接触表面的至多25%、优选地至多10%。
【专利附图】
【附图说明】
[0031 ] 现在将基于在附图中示例的实施方式的实施例来解释本发明，附图的图显示如下:
[0032]图1经由二元合金的相图的实例的区段；
[0033]图2本发明的压力测量单元的纵截面；
[0034]图3a在使活性硬焊料或钎焊料的合金熔融之前的组成分布C (r);及
[0035]图3b在接合工艺之后的组成分布C (r)。
【具体实施方式】
[0036]如在图1中所示，由两种金属或两种合金A和B的混合物构成的合金在组成C6处具有共晶点，即，与共晶谷的交叉点。在该组成(；的附近，组成Chci具有，与Ce相比较，量稍微增加的组分B，其与组成Ce相比较，其具有仅略微增加的液相线温度。组分B的进一步富集导致液相线温度显著增加，诸如对于组成Ck所指示的。
[0037]从这些考虑开始，将接合压力测量单元的组件。在接合之前组件的布置提供在图
2中。压力测量单元包括陶瓷平台I和测量膜2，这两者都包含氧化铝。测量膜2和平台将利用活性硬焊料或钎焊料接合。为了保持活性硬焊料或钎焊料在限定的区域中，例如通过溅射将例如具有例如0.5mm的径向尺寸r1-rs的环形阻焊层3沉积在平台I的面向测量膜2的表面上。该阻焊层的涂层厚度总计例如为0.1 μπι?0.5 μπι。该阻焊层可特别地包含镍。相应的阻焊层4沉积在测量膜2面向平台I的表面上，其中在测量膜2上的膜-侧阻焊层4特别地可作为完整的表面圆盘形成，为了随后同时充当电容式传感器的膜-侧电极。并且，以例如0.1 μ m?0.5 μ m的厚度的膜-侧阻焊层4可包含镍。
[0038]在平台上制备阻焊层3期间，同时，可沉积电容式传感器的至少一个平台-侧测量电极6。特别地，测量电极6具有与阻焊层4相同的材料。然而，平台-侧测量电极6应与平台_侧阻焊层4电气绝缘(galvanically isolated)。
[0039]为了制备连接，随后在平台与测量膜之间提供从ri向外延伸到1^的活性硬焊料或钎焊料环5。环5例如包含三元Zr-N1-Ti活性硬焊料或钎焊料，其具有特别是63原子％Zr,22原子％ Ni和15原子％ Ti的组成CH(I。这个硬焊料或钎焊料具有例如870°C的液相线温度T1 (Cho)。参考图1，Zr和Ti的亚组成被视为组分A，而Ni为组分B。在活性硬焊料或钎焊料熔融之前在平台的表面上的金属组分的组成C(r)随半径的变化示于图3a中。在Ni的阻焊层区域中，相应排它地存在组分B，而在活性硬焊料或钎焊料的环的区域中，存在作为组成Chci的A和B的混合物。在高真空硬焊工艺中将在图2的布置加热到例如890°C的硬焊、钎焊温度之后，活性硬焊料或钎焊料环5熔融且其活性组分Ti与测量膜和平台的陶瓷材料反应。同时，在活性硬焊料或钎焊料与阻焊层的界面处，镍从阻焊层迁移到熔体中，其中，经由镍的局部富集，在边缘区域产生其液相线温度T1(Ck)高于当前硬焊温度的组成CK。因此，在边缘区域中的熔体凝固，由此可靠地防止活性硬焊料或钎焊料的进一步流入。实际上，由于该硬焊过程，来自陶瓷的铝可既扩散到主体积中，并且也扩散到边缘区域中，同时来自活性硬焊料或钎焊料的钛扩散到陶瓷中，因此边缘区域的组成Ck除了阻焊层和活性硬焊料或钎焊料的金属之外还含有Al，由此，除了在硬焊之前在活性硬焊料或钎焊料的组成Cm中的元素之外，主体积的组成C 11在硬焊之后还可另外含有铝。
【权利要求】
1.一种组件，其包括: 第一陶瓷体(I)和第二陶瓷体(2)，其中所述第一陶瓷体(I)和所述第二陶瓷体(2)利用接缝连接，其中所述接缝含有活性硬焊料或钎焊料(5)， 其中在连续主体积上均分的所述活性硬焊料或钎焊料具有有液相线温度T1(Ch)的平均组成Ch，所述主体积包括至少50%、特别地至少70%且优选地至少80%的所述接缝的体积， 其中CH: = (cH1，...，?_)，其中|CH| = I，且其中cHi为在所述主体积中的所述活性硬焊料或钎焊料的平均组成的组分Ki i = 1，...，N的化学计量分数， 其特征在于所述接缝的边缘区域具有有液相线温度T1(Ck)的平均组成Ck，所述接缝的边缘区域接触所述陶瓷体中的至少一个且其重叠至多8%的所述主体积，例如至多4%且特别地至多2%的所述主体积，且优选位于所述主体积之外，所述液相线温度T1(Ck)比所述主体积的平均组成Ch的液相线温度T JCh)高至少20K、优选地至少50K且特别优选地至少100K, 其中CK: = (cK1，…，Cen)，其中IckI = 1，且其中cKi为所述活性硬焊料或钎焊料的平均组成的组分Ki i = 1，…，N在所述边缘区域中的化学计量分数。
2.根据权利要求1的所述组件，其中具有所述平均组成Ck的所述边缘区域具有总计不低于所述接缝体积的0.1 %、例如不低于0.5%且特别地不低于I %的体积。
3.根据权利要求1或2的所述组件，其中所述接缝为环状的，且其中所述主体积由旋转体限定，所述旋转体通过围绕所述环的转动主轴转动凸多边形、特别是长方形来形成。
4.根据权利要求3的所述组件，其中具有组成(:,的所述边缘区域沿所述环形接缝的内缘延伸。
5.根据前述权利要求任一项的所述组件，其中所述液相线温度!\(Ch)随着组成从CSlJCk的变化单调地升高到液相线温度T JCk)。
6.根据前述权利要求任一项的所述组件，其中所述组成C11具有液相线温度T JCh)，其比在组成空间中的具有组成C6的共晶点，即与共晶谷的最靠近的交叉点，的液相线温度T1(Ce)高至多300K、优选地至多150K且优选地至多50K， 其中(；:=(cy，cj，其中ICj = 1，且其中Cei为在所述共晶点，即与共晶谷的最靠近的交叉点，的所述组分Ki i = l,…，N的化学计量分数。
7.根据前述权利要求任一项的所述组件，其中所述接缝的合金在在组成空间中的共晶点，即与共晶谷的最靠近的交叉点，具有组成C；， 其中，Ce: = (cel，…，cj，其中|Cj = 1，其中Cei为在所述共晶点，即与共晶谷的最靠近的交叉点，的所述组分Ki i = l,…，N的化学计量分数， 其中所述组成C6与所述组成Ch之间的差可用归一化矢量差D εΗ描述， 其中:Ce=CH+aeH*DeH，其中 |DeH| = 1， 其中所述组成Ck与所述组成Ch之间的差可用归一化矢量差Dkh描述， 其中— c，其中 IdehI — 1， 其中aeH和a EH为正标量， 其中，对于标量积，seE: = Ddl.Deh: seK〈0，特别地，seE<-0.5，优选地，seE<-0.8。
8.根据前述权利要求任一项的所述组件，其中所述边缘区域的组成(:,含有与所述主体积的组成Ch相同的金属或者其他金属。
9.根据前述权利要求任一项的所述组件，其中所述第一陶瓷体(I)和/或所述第二陶瓷体(2)包含A1203。
10.根据前述权利要求任一项的所述组件，其中所述活性硬焊料或钎焊料含有Zr、Ni和Ti。
11.根据前述权利要求任一项的所述组件，其中所述组成(^包含20原子％?24原子％N1、13原子％?17原子％ Ti和剩余物Zr以及在指定情况下的铝，所述铝在硬焊工艺中从所述陶瓷扩散到所述接缝中，其中所述组成Q/t#别地包含63原子％ Zr、22原子％ Ni和15原子％ Ti，其中在指定情况下，Al扩散在其中，其中在Al存在的情况下，特别地，钛分数减小，且其中与所述组成Ch相比较，所述组成Ck具有增加的Ni分数。
12.—种压力传感器，其包括根据前述权利要求任一项的所述组件， 其中所述第一陶瓷体为所述压力传感器的测量膜的膜体， 其中所述第二陶瓷体为所述压力传感器的平台，且 其中所述平台和所述测量膜利用环状的接缝彼此压密地接合。
13.根据权利要求12的所述压力传感器，其中所述压力传感器包括电容式传感器， 其中所述平台的面向所述测量膜的表面和/或所述测量膜的面向所述平台的表面分别具有金属电极，且 其中所述电极包含金属，与所述组成Ch相比较，所述金属在所述组成C ,中富集。
14.根据权利要求13的所述压力传感器，其中所述电极包含的所述金属包括镍。
15.一种制造组件、特别是根据前述权利要求任一项的所述组件的方法，所述组件包括第一陶瓷体(I)和第二陶瓷体(2)，其中所述第一陶瓷体(I)和所述第二陶瓷体(2)利用活性硬焊料或钎焊料(5)接合， 其中所述方法包括如下步骤: 在所述陶瓷体之间提供所述活性硬焊料或钎焊料和阻焊层，其中在连续主体积上均分的所述活性硬焊料或钎焊料具有有液相线温度T1 (Cho)的平均组成Chci,，所述主体积包括至少50%、特别地至少70%且优选地至少90°的所述活性硬焊料或钎焊料体积，其中Cm:=(Cmi，…，Chcin),其中IchciI = 1，且其中Cm为在所述主体积中所述活性硬焊料或钎焊料的平均组成的组分Ki i = I,…，N的化学计量分数，其中所述阻焊层具有至少一种材料，其液相线温度在所述主体积的组成Ch的液相线温度之上，且其中所述阻焊层的材料与所述组成Ch的混合至少在将通过所述方法形成的接缝的边缘区域中产生平均组成Ck，其中所述组成Ck具有液相线温度T1 (Ce)，所述液相线温度T1 (Ce)比所述主体积的平均组成Chci的液相线温度T1(Cho)高至少20K、优选地至少50K且特别优选地至少100K，其中Ck: = (cK1，…，cKN)，其中CeI = 1，且其中cKi为在所述边缘区域中的所述活性硬焊料或钎焊料的平均组成的组分Kii = 1，…，N的化学计量分数，以及 在真空硬焊、钎焊工艺中将所述陶瓷体、所述活性硬焊料或钎焊料和所述阻焊层至少加热到使所述组成Ch熔融，其中所述活性硬焊料或钎焊料在所述边缘区域中的熔体与所述阻焊层的材料混合，由此在所述边缘区域中的熔体等温凝固或变得更粘且阻塞。
16.根据权利要求15的所述方法，其中所述阻焊层通过在至少一个陶瓷体的至少一个表面区段上沉积金属或各种金属的混合物来提供，其中与所述活性硬焊料或钎焊料的主体积的组成的液相线温度相比较，所述金属或所述金属混合物在所述活性硬焊料或钎焊料中的富集弓I起液相线温度增加。
17.根据权利要求16的所述方法，其中所述陶瓷体的在其中提供了所述阻焊层的表面区段与在所述接缝与所述陶瓷体之间的接触表面的重叠为所述接缝与所述陶瓷体之间的接触表面的至多25%、优选地至多10%。
【文档编号】B23K1/00GK104470666SQ201380036655
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年6月7日 优先权日:2012年7月11日
【发明者】尼尔斯·波纳特, 安德烈亚斯·罗斯贝格, 埃尔克·施密特 申请人:恩德莱斯和豪瑟尔两合公司