具有引线框连接的无钎剂陶瓷点火器的制作方法

专利名称：具有引线框连接的无钎剂陶瓷点火器的制作方法
陶瓷材料点火器已在煤气炉、衣物烘干机领域取得很大成功。陶瓷点火器通常包括一个陶瓷热表面元件，该元件为发夹形或U形，有两个导电的末端部分和高电阻的中段部分。当元件的两端连接到通电的引线上时，高电阻部分(即“加热区”)温度升高。
由于这些点火器是电阻加热的，它的两端均需电连接到导电引线，通常是铜引线上。然而，将陶瓷热表面元件的两端连接于引线时产生的问题是人们熟知的。一个常见的问题是陶瓷材料和引线不能很好地结合在一起。EP 0486009(“Miller”)公开了一种常规点火系统，本文图2示出这种系统，该系统中，通过涂刷将钎料91施加在导电陶瓷92的一个端面上，然后真空焙烧该钎料，在其上施加钎剂93，并将引线95固定在钎剂上。施加这种钎剂的方法，是将高温火焰(1600-1800℃)仔细对准已钎焊的陶瓷腿的一端，钎剂与热的腿接触(使钎剂流淌)，然后将引线置于仍呈液态的钎剂中。
然而，这种方法中，使用上述钎剂经常会引起许多问题。首先，这种方法是很灵敏和耗时的操作。第二，使热表面元件处于高温火焰会使点火器中产生裂纹。产生裂纹的一个原因是陶瓷热表面元件(“CHSE”)和钎剂或钎料之间热膨胀系数(“CTE”)的不匹配。另一个原因是CHSE受到温度急变。第三，即使焊接成功，产生的焊接通常仅覆盖在腿的一面(如图2所示)。如果在引线尖端施加过大压力(在结合操作时经常发生)，会从其连接处拉出引线。第四，已知钎剂在使用时极易氧化，因此引起点火器的过早老化。
有些研究人员已努力解决钎剂引起的这些问题。例如，美国专利5,664,618(Axelson)认为钎料和钎剂之间的CTE不匹配会引起焊接时的破裂，所以采用丝网印刷方法使钎料用得尽量少。尽管这种方法消除了焊接期间的一些裂纹，但其余三个问题仍未解决。而且，Axelson方法所需的少量钎料使得钎料、钎剂和引线之间的结合很微弱，导致拉脱试验时的明显失败。
解决CTE不匹配问题的另一种方法中，将陶瓷热表面元件的双腿浸入钎料的储器中，然后真空焙烧将钎料固化。理论上，这种方法应能为腿提供完整甚至360°的涂层，因此，钎料的固化能使腿受到要求的压力。然而，由于浸渍方法不够精确，涂层厚度和其覆盖面积都存在大的差异，导致不符合要求的应力分布。而且，使用钎剂引起的其余三个问题仍未解决。最后，这种方法还使用了大量价格昂贵的钎料。
一些研究人员试图在陶瓷点火器连接系统中不采用钎剂。例如，GB 2,095,959揭示了一种为热表面元件-导线系统提供机械稳定性的一个陶瓷块。将镍铬合金引线放置到该热表面元件上机械加工的孔或槽中，再通过火焰喷射、镀锌(即电镀)、或熔接(玻璃)、或涂布以镍铬合金或银，将该镍铬引线机械固定在位。在引线上固定接线柱和绝缘夹具。这种陶瓷块的特点是可以在引线上安装绝缘夹具。体现在GB’95的整个陶瓷块/延伸槽/夹具系统的机械支撑的累赘性表明，本发明人非常关注引线会从热表面元件上脱离，从而引起该系统发生故障。
美国专利5,804,092(Salzer)揭示了一种组合陶瓷点火器系统，该系统中，陶瓷热表面元件插入一个有导电性接触件的插座中。在其一些实施方案中，这些插座有弹簧样的接触件，该接触件帮助将陶瓷点火器的腿固定在位。其它情况下，插座为管形。然而，这些系统都是插入系统，其连接是暂时性的，它易拉开。
总之，在陶瓷点火器系统使用钎剂已经引起加工和性能方面的诸多问题。试图设计不采用钎剂的系统，但产生的电连接容易损坏，或者是暂时性的。因此，对陶瓷热表面元件，需要一种具有永久性、无钎剂的电连接的陶瓷点火器系统。
本发明人发现使用金属引线框，可以将涂布了活性金属钎料的腿永久地电连接到引线上，可在该系统中不采用钎剂，提供明显优于现有技术陶瓷点火器连接在方法和性能上的优点。
在方法方面的优点，i)将引线框连接到钎料和ii)将引线框连接到引线这两个步骤都是相当牢靠的方法。本发明这种方法可使组装适合自动化。而如上所述，常规的组装方法要使用钎剂，因此对许多要求人工看管的因素很敏感。
在产品特征方面，发现本发明较之要求在钎料和导线之间有个钎剂界面层的常规点火器有许多优点。第一，消除了在钎焊步骤时因CTE不匹配产生的裂纹，可以生产更牢固的点火器。第二，显著减轻使用时的电阻增加，点火器的有效寿命延长，为常规含钎剂点火器的两倍以上。第三，与丝网法相比，由于不存在钎剂导致的裂纹，提高了点火器的剥离强度。最后，不采用钎剂，使点火器可以在450℃以上的高温环境中使用如灶的顶部(range tops)和自清洁炉中，而钎剂在这样高的温度会受损的。
而且，引线框提供的几何形状较其它金属端子设计提供了特别的优点。第一，参见

图1，引线框5可以包括一个衬套56，CHSE 3的腿1能容易地插入其中。这不仅可以精确而且可以重复地组装，制得的不经焙烧的产品相当耐用，因此能承受严格的生产加工。第二，引线框可以包括在其顶部55形成孔9的环形套筒，不仅可以在将腿插入该引线框后施加钎料(从而精确定位钎料垫，不会发生随后的抹动)，而且可用作定向装置，用于精确控制钎料在陶瓷腿中间的位置(并因此远离易于产生机械加工瑕疵的边缘)，控制钎料的表面覆盖量面积。第三，引线框可以在其尾端包括一个V形翼片13，引线的一端11可连接在该翼片上，使每根引线与要放置的热表面元件的各个腿在同一直线上(这就使组装较为牢固，在最后组装点火器的固定操作中不会受到应力)。因此，根据本发明，提供用于陶瓷热表面元件的电连接，包括a)具有第一端的导电陶瓷，b)接触该第一端至少一部分的导电活性金属钎料，c)接触该活性金属钎料的金属端子，其中金属端子化学结合到活性金属钎料上。
在一些较好的实施方案中，该连接是用于陶瓷热表面元件，它包括a)具有第一和第二端的导电陶瓷，b)接触第一端至少一部分的第一导电活性金属钎料垫，c)接触第二端少一部分的第二导电活性金属钎料垫，d)接触第一活性金属钎料垫的第一金属端子，e)接触第二活性金属钎料垫的第二金属端子，其中，各金属端子化学结合到其对应的活性金属钎料垫上。
本发明还提供一种陶瓷点火器，包括a)导电陶瓷，包括两个冷端和其间的电阻区；b)一对端子，各端子是一个有第一端和第二端的衬套；其中，导电陶两个冷各端永久固定在相应衬套的第一端，并与之电连接，各端子(衬套)为金属的，点火器还包括一对金属垫，各金属垫与其对应的陶瓷端和对应的金属端子接触，以提供陶瓷端和金属端子间的电连接，各衬套有一个形成横向孔的环形套筒，各金属垫主要位于各个孔中，与在其衬套中的陶瓷端接触，各环形套筒与各个陶瓷端接触。
根据本发明，还提供制造陶瓷点火器端子装置的方法，该方法包括下列步骤a)提供具有第一和第二端的陶瓷点火器，各端有外表面，
b)提供一对衬套，各衬套有基本对应于上述第一和第二端外表面的内表面，c)将陶瓷点火器的第一和第二端插入该对衬套中，d)将衬套的内表面化学结合到其中接受的腿的外表面上。
图1是本发明未组装连接件的示意图。
图2是使用钎剂的现有技术陶瓷点火器连接系统的图。
图3是制造本发明的较好自动化系统的流程图。
图4是组装件的轴向截面图。
图5是图4的整体组装件的透视图。
图6是本发明一个实施方案的透视图。
图7是本发明单凹处实施方案的图。
图8是本发明双凹处实施方案的图。
图9是本发明单点接触实施方案的图。
图10是本发明钎焊孔和夹子在引线框的相对两面的实施方案图。
现参见图1，制造点火器的一个较好方法中，使用的陶瓷热表面元件3(CHSE)具有桥连接的两个基本上平行的端(或“腿”)1。这些腿滑入引线框5对应的衬套56的第一端88。之后，钎料(未示出)首先沉积在引线框衬套的孔9中，然后真空焙烧，产生陶瓷-钎料和引线框-钎料的结合。最后，引线一端11置于V形引线框翼片13上，将其碾入在位。
在制造本发明点火器的一个较好的自动化系统中，预定数目的陶瓷点火器用滚筒传送到精确的直线轨道上，插入对应的一起连接在冲压的引线框卷材上的多个相应引线框中。参见图3，这个组合然后移动到施加钎料的设备位置，在其中，钎料沉积到引线框的顶部孔中。然后，将这一组装件置于一高温真空炉中，使钎料流淌，形成陶瓷-钎料和引线框-钎料的结合。之后，将该组装件置于一进行分开操作的设备中，割开卷材上引线框之间的金属连接，就制得多个独立的点火器。最后，将引线放置在引线框的翼片上，并电阻焊接到该翼片上。
下面参见图1、图4和图5所示的一些较好实施方案，通过在引线框顶部55的孔9内的钎料7，将陶瓷热表面元件3的每个腿1永久性固定在引线框5的衬套56内。引线11的第一端电连接到引线框15的翼片部分13的上表面，因此是向热表面元件13提供电流的一种方式。引线框5有一平坦底部51，它有上表面81，在其一端有翼片13。引线框还有侧壁53和从平坦底部51与侧壁53平行上升的唇壁54。顶部55通过侧壁53连接到平坦底部51。
图1中，底部51、侧壁53、唇壁54和顶部55形成一个衬套56，其轴向横截面基本对应于CHSE腿1的轴向横截面。图1中，当点火器的腿按A方向插入衬套56时，顶部55向下伸展形成的凹处提供与点火器腿形成干涉配合的方式。
图4中，底部51、侧壁53和顶部5构成衬套56，选择侧壁53的高度略小于CHSE3的腿1的厚度，形成该干涉配合。
可以认为，本发明可应用于制造用于任何常规陶瓷热表面元件的连接。然而，由于这种方法在CHSE有两个基本上平行的腿情况下容易采用自动化，所以这种方法应用于有平行腿的CHSE时具有特别的优势。有些情况下，CHSE是再结晶的SiC陶瓷点火器，如美国专利3,875,477(Fredrikson)中揭示的，此专利的说明书参考结合于此。这些SiC的CHSE中，导电性的冷端和电阻区是由同样的SiC材料构成。其它实施方案中，CHSE是包含AlN/SiC/MoSi2或Si3N4/SiC/MoSi2的充分致密的陶瓷点火器，如美国专利5,045,237(Washburn)所揭示的，此专利的说明书参考结合于此。在Washburn的实施方案中，陶瓷热表面元件包括一对导电性的端71和72，以及它们之间的电阻热区73，如图6所示。
在较好的实施方案中，热区包含(a)约50-75％(体积)的电绝缘材料，选自氮化铝、氮化硼、氮化硅、或它们的混合物，(b)约10-45％(体积)的半导体材料，选自碳化硅、碳化硼、或它们的混合物，(c)约5-25％(体积)的金属性导体材料，选自二硅化钼、二硅化钨、碳化钨、氮化钛、或它们的混合物。
在含AlN的更好的实施方案中，热区是包含50-75％(体积)AlN、13-41.5％(体积)SiC和8.5-12％(体积)MoSi2的第一电阻材料。在含Si3N4的较好实施方案中，热区是包含50-75％(体积)Si3N4、15-45％(体积)SiC和10-25％(体积)MoSi2的第一电阻材料。其它实施方案中，根据美国专利5,514,630(此专利说明书参考结合于此)，热区还包含1-10％(体积)的氧化铝。
导电性冷端71和72是用来将CHSE电连接到引线框和引线的。它们较好的也可以由AlN、SiC和MoSi2构成，但是，其中的导电材料和半导体材料(即SiC和MoSi2)的百分数明显多于较好的热区中的相应材料。因此，冷端的电阻明显小于热区，并不能通电加热到热区所经历的温度。它们较好的包含a)20-65％(体积)的陶瓷，选自氮化铝、氮化硅、氮化硼、或它们的混合物，b)约35-80％(体积)的MoSi2和SiC，两者的体积比约为1∶1至1∶3。
更好的，导电性端包含约60％(体积)的AlN、20％(体积)的SiC和20％(体积)的MoSi2。较好的实施方案中，导电性端9和13的尺寸为0.05cm(宽度)×4.2(深度)×0.1cm(厚度)。通常，导电性冷端的室温电阻不大于1欧姆-厘米，不大于0.1欧姆-厘米为宜。
在进行本发明中，本发明人试用了许多不同的方式电连接热表面元件3到引线框56。一种方法涉及高熔点金属反应结合，其中，再结晶SiC的多孔CHSE的腿上开以槽子，在槽子中放置一条钨，将此线电阻焊接到该钨条上。然而，发现制得的产品遭受严重氧化。第二种方法涉及使用活性金属钎料连接一个夹子(用不锈钢、BeCu合金或Ni/Fe合金制成)到再结晶的多孔SiC点火器腿上。但是，发现制得的点火器剥离强度很低。因此，本发明人获悉，简单制造无钎剂的引线连接件固定在CHSE上并不是容易的事情，即使使用了活性金属钎料。
金属钎料不仅必须是导电的，而且必须能与CHSE和引线框相容。即必须能够与陶瓷和引线框结合，提供机械完整性和导电性，还必须具有和它们各自相容的CTE。然而，由于引线框和钎料通常都是金属，由钎料-陶瓷结合的适合度决定钎料的适合度。钎料组成一般是和CHSE的腿形成电连接的任何钎料组成。一些较好的实施方案中，钎料的CTE必须与CHSE所用陶瓷CET的差在约25％之内。
为使钎料与陶瓷的结合达到要求的程度，钎料通常包含能湿润陶瓷材料并能与之反应的活性金属，因此通过该钎料中包含的填料金属提供化学上结合的附着性。虽不打算拘泥于理论解释，但可以认为活性金属钎料还和金属引线框中的金属进行化学反应，在它们之间也产生化学结合。较好的活性金属钎料披露于美国专利5,564,618，此专利的说明书参考结合于此。具体的活性金属例子包括钛、锆、铌、镍、钯和金。较好的活性金属是钛或锆，最好的是钛。除了这些活性金属外，钎料还包含一种或多种填料金属如银、铜、铟、锡、锌、铅、镉和磷。较好是使用填料金属的混合物。最好的钎料包含作为活性金属的钛和作为填料金属的银和铜的混合物。钎料一般包含约0.1-5％(重量)活性金属和95-99.9％(重量)填料金属。一些合适的钎料可以LucasMilhaupt，Inc.of Cudahy，Wis.和Cusil andCusin of Wesgo，Inc.of Belmont，Cal.，以Lucanex的商品购得。较好的一些实施方案中，钎料是Wesgo Cusin-1-ABA，从Wesgo，Inc.of Belmont，CA购得。特别适用于本发明的具体钎料有Lucanex 721和Cusll Braze，它们各自包含约70.5％(重量)银、约27.5％(重量)铜和约2％(重量)钛。
钎料在CHSE表面沉积后在加热再流淌时，必须仔细控制钎焊操作的温度时间关系。不正确的关系会引起钎料不适当的流淌，从而造成点火器中的电失效。一些实施方案中，在不大于约10-6乇真空下，在约805-850℃和0分钟至10-30分钟的保温时间(取决于热质量达到稳态所需要时间)，进行钎料的再流淌，然后以2-20℃/分钟的速度冷却。尽管冷却速度以慢为宜，但要求并不严格。较好的保温时间和温度设定在上述这些范围的下限。钎料的量也很重要。如果使用的钎料量不足，会损害结合的机械完整性和电完整性。如果使用过量钎料，则存在钎料-陶瓷CTE不匹配导致钎料固化步骤中钎料下面的区域产生裂纹的危险。钎料的合适量一般通过标准有限单元分析法确定。
另外，发现将钎料7位于腿的两个平行边缘82和83(如图6所示)的正中也很重要。如果钎料施加在靠近腿的一个边缘，产生的应力分布会不均匀，可观察到突出的应力最大值。此外，与腿的平坦表面相比，这种腿的边缘常常是机械加工瑕疵更普遍的来源。因此，有些较好的实施方案中，钎料要位于腿的两个平行边缘之间，以减少破裂的可能。
施加钎料过程中，发现当陶瓷热表面元件的密度约为85％时，金属化过程相当长。与此不同，当点火器基本没有开孔(即约大于95％的密度)时，金属化步骤的持续时间实际上是可以接受的。因此，在一些较好的实施方案中，陶瓷点火器基本上没有开孔。
一般，端子的几何形状可以是任何形状，如平面、U形或管状。一些较好的实施方案中，端子是衬套形状。在有一些实施方案中(如图4中)，衬套侧壁53的高度84略小于腿的厚度85，结果插入腿时，衬套将腿以压配合牢固地固定住，提供优于简单平面端子的优点。衬套也可具有凹处61(如图1中)或夹子65(如图10中)，它们使用干涉配合将腿固定在位。
一个简单的衬套实施方案中，衬套是没有内孔的套管，引线的连接通常需要将引线机械卷入此套管中，这个操作费时间并且要求仔细。这一实施方案中，还必须首先在陶瓷点火器的腿插入套管之前，在该腿上施加未焙烧的钎料涂层。所以插入时，钎料经常在腿上抹过到达腿的边缘，产生问题。
与此不同，本发明的引线框实施方案中，引线框的翼片部分提供了可进行电连接的容易到达的平表面，从而消除对机械卷入的需要。引线框这种孔的特征可以在腿滑入衬套后进行有控制的钎料沉积，从而消除抹污的缺点。所以，在较好的实施方案中，每个衬套都有一个贯穿的横向孔，并可以通过下列步骤实施化学结合步骤
i)插入腿后，在孔中沉积活性金属钎料。
ii)使钎料加热再流淌。
最后，参见图1，凹处61有助于将各个腿固定在其衬套56内。所以，在特别好的实施方案中，端子是一个其衬套有一横向孔的引线框，顶部有从其伸展的凹处或夹子，并有从该衬套的第二端伸展的翼片部分。
引线框需要是导电性的(使电流从引线通到钎料)。然而，它不要求具有特别高的耐高温氧化性，因此一般可用金属制成。在一些较好的实施方案中，金属引线框用的是抗氧化材料，选自含至少85％镍(较好为至少95％镍)的镍基组合物、Ni-Cr合金、银、金和铂。一些实施方案中，它主要是在约600-800℃的常规操作温度下对湿度不敏感的抗氧化材料。这种材料的熔点应该至少为485℃，较好至少为600℃。它一般具有和钎料相容的CTE。在一个实施方案中，金属端子是由来自Heyco Metals Inc.of Reading，PA的合金42(镍-铁合金)构成。一些实施方案中，引线框包括由价格相对低廉的金属(如铜或铜基合金)构成的下面基材和价格较贵的抗氧化材料如上面揭示的那些材料的上涂层。通常不考虑这些金属端子材料和活性金属钎料的相容性。
一些实施方案中，CHSE在其两腿之间有一插件，如美国专利5,786,565所揭示的，此专利的说明书参考结合于此。这些含有这类点火器的实施方案中，引线框衬套最好包括由图5中所示的三个壁(即，基本上没有会干涉这类点火器顺利插入的唇壁)。
一些实施方案中，本发明的点火器用作插入式点火器，与上述Salzer专利揭示的相同。这些实施方案中，熔点至少为600℃的高温金属(如Ni-Cr)制成的一根针的一端作为引线连接在翼片上。针的另一端用作插入式连接的插入件。
由于钎料在提供机械连接和电连接方面发挥重要作用，最初曾认为提供尽可能多的钎料覆盖面积可制造优良的点火器。同时，注意到图7中的单凹设计，钎料7的覆盖面必然限于孔9的面积。因此，引线框顶部曾改进为包含两个接触凹处和它们之间的一个钎焊孔。这一改进示于图8。由于图8中的钎焊孔9位于两个接触凹处61之间，点火器表面必然有所抬高，从而使钎料7能在再流淌时自由铺展，对腿的覆盖面达到最大。所以，在一些实施方案中，界定钎焊孔9的环并不接触陶瓷腿1。这种情况下，引线框顶部55有两个凹处61和一个位于其间的钎焊孔9，从而将钎焊孔环从腿抬高，并使钎料在再流淌时能不受限制地铺展。
另外，如果没有唇壁(衬套仅有底部、侧壁和顶部)，点火器腿的取向也可垂直于侧壁，插入衬套，产生如图6所示的配合。当点火器的腿为不规则形状，难以按平行于侧壁的方式插入衬套时，这种插入方式具有特别的优点。这种情况下，每个腿的平行边缘82和83限定着一个中心轴，腿1置于衬套56中时能使中心轴垂直于侧壁53。这一实施方案中的引线框还有从侧壁53伸出的翼片13，使翼片13与腿的中心轴一致。这种腿通过干涉配合固定在位，此时顶部55也起一个二维方向夹子的作用，它先从腿1和底部51伸出，然后对着腿1和底部51与腿1接触。
与此不同，图1中，每个腿的两个平行边缘限定着一个中心轴，腿1置于衬套56中时，使此中心轴平行于侧壁53。
较好的是，点火器的腿和衬套的尺寸应使腿1在插入衬套时为干涉配合。这种干涉配合具有优点，因为它为预钎焊组装件提供了稳定性。这种干涉配合宜通过三种方式达到。第一种方法中，由尺寸偏小的侧壁(如图4所示)基本达到这种干涉作用。即侧壁的高度84小于腿的厚度85，将腿插入衬套时，腿在接触侧壁之前已与顶部55和底部51(有些弯曲，使得彼此略呈角度)接触。第二种方法中，如图1所示，由凹处61提供这种干涉作用。这一实施方案中，侧壁53的高度超过腿1的厚度，顶部或底部有一凹处，此凹处朝着面对的腿，形成一段小于点火器厚度的顶部和底部之间的距离。所以，当点火器的腿插入衬套时，与凹处和对面的壁接触，产生干涉配合。第三种方法中，如图10所示，由单方向夹子提供干涉配合。这一实施方案中，侧壁高度超过腿的厚度，顶部或底部有一外部夹65，从顶部或底部向面对的腿延伸，产生小于点火器厚度的顶部和底部之间的距离。所以，当点火器的腿插入衬套时，与凹处和对面的壁接触，产生干涉配合。可以改变夹子，使用双方向的夹子，如图6所示，这种夹子具有从相对的面伸出的第一部分86，以及向相对的面延伸的第二部分87。
上面讨论的图8的引线框有两个独特的特征。第一，其顶部有两个凹处61。当合适尺寸的点火器滑入该引线框时，双凹的特征产生和点火器的干涉配合，因而将其固定在位。第二，顶部还有一个孔9，可方便地通过该孔施用钎料7。尽管这两个特征提供了明显的益处，本发明人着手对这一设计进行改进，最初提出了三方面的问题用于确保陶瓷腿在引线框中的干涉配合会产生机械应力；由钎焊操作产生的热应力；使用时组装部件中会产生的拉伸应力。本发明人借助有限单元分析法(FEA)，分析了图8所示点火器的三种应力的情况。
关于干涉配合产生的机械应力，发现在与陶瓷实际接触的区域，该干涉作用在陶瓷内会产生无害的压缩机械应力，但是在该接触区域的邻近区域会产生有害的少许拉伸应力。然而，这种拉伸应力实际上并不很大。所以，使用干涉配合本身在这些引线框结构中不会自动产生成问题的应力。
与钎焊有关的应力，发现是使用这些引线框的点火器中最重要的应力。简而言之，钎料在约850℃再流淌和随后使其冷却至室温时，在钎料接触面上产生显著的热应力，而在其周边产生拉伸应力，这些应力的数量级约为200MPa。发现钎焊在陶瓷腿上和陶瓷与钎料界面上引起的应力并不很重要。因此，钎焊本身被认为是点火器最易发生与钎焊有关的破裂的原因。
进一步分析得出这样的结论，即简单取代不同的陶瓷或引线框材料不会使钎焊应力的大小发生什么变化。适当控制这种应力仅能通过改变钎焊本身方面的特征来达到。具体而言，发现这些特征中最重要的因素如下a)控制钎料的表面覆盖面积，b)钎料的类型c)钎料的热膨胀系数惊奇的是，双凹设计的有限单元分析法得出，覆盖腿表面的钎料量存在一个合适范围。钎料覆盖面会影响点火器的电阻、在陶瓷点火器中产生的应力以及抵抗钎焊应力的钎焊强度。所以，如果腿上的钎料盖面太小，有损于电连接，钎焊很弱。相反，如果钎料太多，应力会破坏点火器的完整性。因此，有必要精确控制所使用的钎料量。
鉴于对钎料精确放置的这种需要，本发明人研究了再流淌的钎料在图8所示双凹点火器中的位置，发现钎料再流淌以后，钎料位置的改变很大。由于需要精确控制钎料的面积和位置，需再考虑钎焊孔的位置。本发明人注意到，在双凹型引线框中，孔抬高到点火器表面，考虑到孔9底部和腿1之间的空间能使钎料不受控制地流淌。因此，本发明人重新考虑了图7的单凹设计。与双凹设计不同，当钎料在单凹设计中在流淌时，陶瓷腿和构成钎焊孔的环之间的接触能保持钎料精确地在要求的区域，可消除钎料位置的易变性。因此，在一些较好的实施方案中，构成钎焊孔9的环与陶瓷腿1接触。
双凹设计的有限单元分析法进一步揭示，通常的钎焊操作在钎料位置会产生明显的残余应变，约为15-20％。如上所述，增加钎料面积会降低这个值，但也会增加点火器中的应力。为折衷起见，认为使用增加了失效应变的钎料是可以接受的。所以，在本发明较好的实施方案中，钎焊的残余应变至少为22％，较好的至少为25％。
尽管钎料所经历的应力看来是钎焊操作中最重要的问题，但在钎焊过程中也会在点火器中产生一定的应力，尤其在毗邻钎料边缘的陶瓷区域(微米级)。这种评价中，钎料和陶瓷的CTE相差约50％(即较小值为较大值的一半)。由于该区域的残余应力可通过进一步减小CTE不匹配来降低，在一些实施方案中，钎料和陶瓷间的CTE不匹配在22-850℃范围应小于25％。
关于双凹设计使用中的应力，主要关心的是陶瓷腿、钎料、引线框材料和封装剂之间的CTE不匹配导致的高应力。有限单元分析法表明，其产生的主要应力是在陶瓷内，但不是很大，估计其保留的可能性约为100％。但是可以认为，如果进一步减小陶瓷腿和钎料材料间的CTE不匹配，这些应力可以进一步降低。所以，在一些实施方案中，陶瓷腿和钎料间的CTE不匹配在22-850℃范围小于25％。
尽管单凹设计中使用的钎焊孔能为熟练技工提供精确定位钎料位置的普通方法，但有一些限制。具体而言，当钎料通过图7单夹结构的钎焊孔(可控制铺展的范围)沉积时，钎料和引线框之间的电连接仅发生在钎料周围。该周围区域很细小。由于电流必须穿过这一细小区域，所以该区域的电阻很高。因此，这种设计要求使用大量钎料以便降低该区域的电阻。然而，由于大量钎料会引起和CTE有关的应力问题，同时还存在钎料使用量尽可能小的要求。因此，通过钎料细小边缘导电性的需要存在问题。
所以，一些实施方案中(如图9所示)，引线框和点火器腿通过钎料的大面积的表面发生电连接，这是通过使用称之为“单点接触”达到的。通过半球形钎料7和实心夹子65接触产生这种单点接触。由于这种电接触是从夹子65基本上通过钎料7的整个半球，钎料能更有效地导电，因此所需使用的钎料更少。因此，“单点”设计的优点是在钎焊连接中提供合理电阻所需的钎料量最小。这种设计中，腿1滑过引线框衬套的第一端88和第二端89。
使用具有平坦接触面66的夹子(如图10所示)，图9的单点设计可得到进一步改进。平坦接触面的作用是使钎焊更平整，降低钎焊区的电阻，能更有效地使用钎焊。
即使图9的单点接触引线框设计比单凹和双凹实施方案提供了许多优点，但它仍具有会在常规点火器应用中产生问题的特征。因此，本发明人设法消除这些问题，为此制造如图10所示的引线框结构。下面将描述这种改进的点火器的新特征。
尽管图9的单点设计是改进的，本发明人发现使用期间仍存在电完整性问题，并假设这些问题的原因是在夹子-钎料-腿的连接中缺少机械完整性。首先，本发明人注意到，图1、7-9的各设计中，点火器最终完全嵌埋在粘固剂(如图9中的C)中。本发明人还假设当点火器加热到使用温度时，在夹子和陶瓷腿之间膨胀的粘固剂的高CTE有时会引起夹子与钎料分开，从而破坏不连接过程中钎料位置的电连接。
此外，发现单点实施方案的接触电阻不符合要求，是图1单凹设计(使用钎焊孔来控制钎料面积)的2-4倍。尽管不希望受理论上的限制，可以认为弹簧接触实施方案较之孔实施方案更依赖于表面接触导电率，因此这种连接的导电率更取决于引线框材料的导电率，因此更易于受引线框氧化的影响。
所以，热表面元件和引线框之间的电连接最好通过提供在引线框孔内的钎料来实现。较好的实施方案中(如图10所示)，钎料位置不在夹子上，较好是在与顶部55相对的底部51的孔7中，此时引线框的环接触陶瓷腿。这一实施方案中，粘固剂不能达到钎料附近的引线框和陶瓷腿之间。因此，这一实施方案中，即使在使用期间，高CTE粘固剂会使相对的夹子从点火器腿上分开，关键性的引线框-钎料-腿的连接并不受这种分开的影响，仍保持钎焊的电完整性。
图10设计中，具有平坦接触面66的夹子65会在预钎焊处理时提供更大的机械稳定性。
单凹、双凹和单点接触设计的另一个问题是涉及引线框的内壁(或“唇壁”)。如上所述，这些唇壁有助于保持组装件在预钎焊处理中的稳定性，并确保点火器的腿保持笔直。然而，当引线框56装在发夹型点火器的各个腿的末端位置时，导电性引线框的内壁54彼此相对并且非常靠近。由于腿与腿的在未使用引线框时的距离通常很小(约37/1000英寸)，各引线框内壁又有较大厚度(约10/1000英寸)，内壁的存在就显著减小腿之间的有效距离大约50％，从而明显增加引起短路的危险性(通过壁与壁的接触)。这种危险是特别成问题的，因为众所周知发夹式点火器的腿具有一定的弯曲能力。事实上，图1所示设计的最初试验中，在高电压试验中点火器产生了短路的问题。
另外，图1点火器的唇壁54有另一个设计上的障碍。尽管许多陶瓷点火器有发夹子形状，其它的陶瓷点火器(如美国专利5,786,565)在其腿之间有一个实心插件。尽管这种插件可为点火器提供另外的支撑，但是它成为将点火器腿按照A方向方便插入引线框的一个障碍。
最后，认为这些唇壁的存在阻碍了用于封装点火器的耐火粘固剂的流动。
所以，在较好的实施方案中(如图5和图10所示)，除去引线框的内唇壁，使引线框仅有三个壁。图5和图10的无唇壁设计保持了导电性陶瓷腿之间的有效距离(从而免除短路危险的增加)，并使在其陶瓷腿之间有插件的发夹型陶瓷点火器容易插入。
图1、7-9的单凹和双凹设计的另一个问题涉及使用环形钎焊孔。环形孔的优点是使钎焊达到良好电连接的作用最大，并在其边缘提供均匀的应力。然而，在要求钎料接触面积相对较大的情况，环的持续膨胀会使钎料边缘对着点火器腿的边缘区。已知在腿的边缘上，机械加工引起的瑕疵出现机会很大，钎料膨胀到该边缘区域是不符合要求的。
因此，在一个较好实施方案(如图5所示)中，钎焊孔是沿着腿方向伸长的。这样作的好处是增加钎料的覆盖表面，但又不会距离腿的成问题的侧边太近。所以，一些实施方案中，钎料覆盖面的特点是非等轴形，长径比至少为1.5∶1，其主轴沿腿的长度。其形状宜为椭圆。
图1的单夹子设计的另一个问题涉及使用V形翼片13。如上所述，引线置于翼片13的V形槽中，所以槽的两个侧壁机械地压铆在一起，从而在引线框和导线之间产生机械固定的电连接。然而，发现此组装步骤的力很大，常会导致点火器和/或流淌钎料的破裂。此外，发现这种机械连接的可靠性易变，从而导致点火器电性能产生不符合要求的改变。
所以，在较好的实施方案中(如图5所示)，取消V形槽，被简单的平翼片13取代。这一实施方案中，通过电阻焊接引线至引线框翼片，构成引线和引线框的连接。因为用于构成这一连接的力较小，破坏点火器腿或钎焊区的危险性同样较小。而且，发现钎焊连接在电性能方面可产生重复的结果。由于这两个原因，电阻焊接翼片的办法优于V形槽实施方案。因此，在较好的实施方案中，引线框有翼片13，将引线电阻焊接到翼片上。
图1的单夹子设计的另一个问题涉及其难以适应其各腿中心线距离不同的许多不同点火器的结构。如上所述，要求将钎料垫施加在各陶瓷腿上。然而，还要求为尽可能多不同结构的点火器使用同样的引线框组。由于现有的陶瓷点火器其腿的间距和腿的厚度有很大的不同，所以各点火器的腿中心线间距离彼此各不相同。因此，使用一组预先连接的引线框(施加在顶部的各钎料垫之间的距离固定)不能为各个设计提供要求的将钎料垫施加在点火器腿上。
由于迫切要求为尽可能多的不同结构的点火器提供同样的基本引线框组，本发明人决定改变钎料垫孔的位置，该位置不在引线框的中部，以确保钎料总可以施加在下面的陶瓷腿上。所以，在一些实施方案中(如图5所示)，钎焊孔9是在引线框顶部。
本发明的点火器可用于许多用途，包括气相燃料点火器用途如炉子和炊事器具、护壁板取暖器、煤气或油锅炉和灶顶。由于该系统不再包含对温度敏感的钎剂层(在约635℃熔化)，该系统可用于使用温度超过635℃的用途。这一特征对灶顶的用途有特别的好处，因为用于其中的点火器连接件区域温度超过635℃。
权利要求
1.一种用于陶瓷热表面元件的电连接，包括a)具有第一端的导电陶瓷，b)与所述第一端至少一部分接触的导电活性金属钎料，c)接触该活性金属钎料的金属端子，其中，所述的金属端子化学结合到活性金属钎料上。
2.一种陶瓷热表面元件的连接，包括a)具有第一端和第二端的导电陶瓷，b)与所述第一端至少一部分接触的第一导电活性金属钎料垫，c)与所述第二端至少一部分接触的第二导电活性金属钎料垫，d)接触第一活性金属钎料垫的第一金属端子，e)接触第二活性金属钎料垫的第二金属端子，其中，各金属端子化学结合到对应的活性金属钎料垫上。
3.如权利要求2所述的连接，其特征在于所述各金属端子包括一个有第一端和第二端的衬套，导电陶瓷的各端放置在各自衬套的第一端中。
4.如权利要求3所述的连接，其特征在于所述各衬套有一横向孔，所述各钎料垫基本上位于孔中，并与放置在衬套中的陶瓷端接触。
5.如权利要求4所述的连接，其特征在于还包括有第一端的引线，各金属端子还包括从各衬套第二端伸出的翼片，其中，引线的第一端电连接到翼片。
6.如权利要求5所述的连接，其特征在于所述导电陶瓷包括碳化硅。
7.如权利要求5所述的连接，其特征在于所述导电陶瓷的第一端和第二端包含a)20-65％体积的陶瓷，选自氮化铝、氮化硅、氮化硼或它们的混合物，b)约35-80％体积的MoSi2和SiC，其体积比约为1∶1至1∶3。
8.如权利要求7所述的连接，其特征在于所述活性金属钎料包含a)约0.1-5％重量的活性金属，选自钛、锆、铌、镍、钯或金或它们的混合物，b)约95-99.9％重量的填料金属，选自银、铜、铟、锡、锌、铅、镉、磷或它们的混合物。
9.如权利要求8所述的连接，其特征在于该引线框包括一种选自含有至少85％镍的镍基组合物、Ni-Cr合金、银、金或铂的金属。
10.如权利要求3所述的连接，其特征在于各衬套包括a)有基本平坦上表面的底部，b)基本由底部垂直上升的侧壁，c)连接于侧壁的顶部，该顶部基本平行于底部。
11.如权利要求10所述的连接，其特征在于所述顶部包括伸向底部的一个夹子。
12.如权利要求11所述的连接，其特征在于各底部有一个横向孔，各金属垫基本放置在其各自孔中，并与放置在其各自衬套中的陶瓷端接触。
13.一种陶瓷点火器，包括a)导电陶瓷，包括两个冷端和在其间的电阻区；b)一对端子，各端子包括一个有第一端和第二端的衬套，其中，导电陶瓷各端永久性地放置在其各自衬套的第一端中，并与该衬套电连接；各端子是金属端子，该点火器还包括一对金属垫，各金属垫与其对应陶瓷端和其对应金属端子接触，提供陶瓷端和金属端子之间的电连接，各衬套有一个构成横向孔的环，各金属垫基本上位于其对应孔中，并接触放置在其衬套中的陶瓷端，各环与其对应的陶瓷端接触。
14.如权利要求13所述的陶瓷点火器，其特征在于所述点火器还包括一对引线，各引线有第一端，各金属端子还包括从各衬套的第二端延伸的翼片，翼片有一上表面，各引线的第一端电连接到其相应翼片的上表面。
15.如权利要求14所述的点火器，其特征在于所述导电陶瓷包括碳化硅，各金属垫包含活性金属钎料。
16.如权利要求15所述的点火器，其特征在于所述导电陶瓷的第一端和第二端各自包含a)20-65％体积的陶瓷，选自氮化铝、氮化硅、氮化硼或它们的混合物，b)约35-80％体积的MoSi2和SiC，其体积比约为1∶1至1∶3。
17.如权利要求16所述的点火器，其特征在于所述活性金属钎料包含a)约0.1-5％重量的活性金属，选自钛、锆、铌、镍、钯或金或它们的混合物，b)约95-99.9％重量的填料金属，选自银、铜、铟、锡、锌、铅、镉、磷或它们的混合物。
18.如权利要求17所述的点火器，其特征在于各引线框包括选自含有至少85％镍(较好的至少95％镍)的镍基组合物、Ni-Cr合金、银、金或铂的金属。
19.如权利要求13所述的点火器，其特征在于各衬套包括a)有基本平坦上表面的底部，b)基本由底部垂直上升的侧壁，c)连接于侧壁的顶部，该顶部基本平行于底部的平坦上表面。
20.如权利要求10所述的点火器，其特征在于各陶瓷腿与其对应衬套干涉配合。
21.如权利要求20所述的点火器，其特征在于各侧壁具有一定的高度，各陶瓷腿具有一定的厚度，其中侧壁高度小于其相应陶瓷腿厚度，各陶瓷腿与其对应的顶部和底部接触，形成干涉配合。
22.如权利要求20所述的点火器，其特征在于各衬套还包括具有从其顶部伸展的第一端和第二端的夹子，各夹子的至少一部分伸向其底部，各陶瓷端与其底部和其夹子的第二端接触，形成干涉配合。
23.如权利要求20所述的点火器，其特征在于各顶部具有一个从顶部伸向其底部的凹处，各陶瓷端与该凹处和其底部接触，形成干涉配合。
24.如权利要求23所述的点火器，其特征在于各凹处包含构成横向孔的环，各金属垫基本位于其孔中，并与放置在其衬套中的陶瓷端接触，各环与其相应陶瓷端接触。
25.如权利要求23所述的点火器，其特征在于各顶部具有两个向下伸向其对应底部的凹处，各陶瓷端与其凹处干涉配合。
26.如权利要求25所述的点火器，其特征在于各顶部还包括一个构成横向孔的环，各孔位于其相应的两个凹处之间，各金属垫与放置在其衬套中的陶瓷端接触，各环不与其相应的陶瓷端接触。
27.如权利要求19所述的点火器，其特征在于各陶瓷端构成一个有中心轴的腿，各腿放置在其相应的衬套中，其中心轴与其相应侧壁基本平行。
28.如权利要求19所述的点火器，其特征在于各底部没有从其伸出的唇壁，各陶瓷端构成一个有中心轴的腿，该腿放置在其相应的衬套中，其中心轴与其相应侧壁基本垂直。
29.如权利要求19所述的点火器，其特征在于所述金属垫的CTE与陶瓷CTE之差在25％以内。
30.如权利要求19所述的点火器，其特征在于所述陶瓷的各端是具有一对平行边缘的腿，金属垫对准在这两个平行边缘之间。
31.如权利要求19所述的点火器，其特征在于各陶瓷端的密度至少为理论密度的95％。
32.如权利要求19所述的点火器，其特征在于各金属垫有至少22％的失效应变。
33.如权利要求19所述的点火器，其特征在于各顶部上具有一个向下伸向其底部的夹子，形成下端面，各金属垫与夹子的下端面以及放置在其衬套内的陶瓷端接触。
34.如权利要求33所述的点火器，其特征在于各下端面基本平行于底部的上端面。
35.如权利要求19所述的点火器，其特征在于各陶瓷腿具有第一表面和第二表面，各顶部上具有一个向下伸向其底部的夹子，形成下端面，各夹子与其相应陶瓷端第一表面接触，各底部上还有一个构成横向孔的环，金属垫基本位于各孔中，与放置在其衬套中的陶瓷的第二表面接触，各底部的环与其陶瓷腿接触。
36.如权利要求35所述的点火器，其特征在于各陶瓷腿的第一表面和第二表面为相对的表面。
37.如权利要求19所述的点火器，其特征在于各衬套主要包括a)有基本平坦上表面的底部，b)基本从所述上表面垂直上升的侧壁，c)连接于侧壁的顶部，该顶部基本平行于底部的平坦上表面。
38.如权利要求37所述的点火器，其特征在于所述点火器还包括放置在陶瓷点火器两端之间的插入件。
39.如权利要求19所述的点火器，其特征在于所述陶瓷各端是有一对基本平行边缘的腿，各金属垫与其相应的腿接触，在相应腿的基本平行边缘之间形成拉长形状的表面，各拉长形状的表面有一个轴向长度和一个径向长度，各轴向长度大于其相应的径向长度。
40.如权利要求39所述的点火器，其特征在于各轴向长度是其相应的径向长度的1.5倍。
41.如权利要求39所述的点火器，其特征在于各金属垫为椭圆形。
42.如权利要求19所述的点火器，其特征在于所述点火器还包括一对引线，各引线有第一端，各衬套还具有从其第二端延伸的翼片，该翼片有一平坦上表面，各引线的第一端电阻焊接到其相应翼片的平坦上表面上。
43.如权利要求19所述的点火器，其特征在于各底部有两个基本平行的边缘，所述陶瓷的各端是有一对平行边缘的腿，各底部的平行边缘基本平行于其腿的平行边缘。
44.如权利要求43所述的点火器，其特征在于各底部还包括横向孔，各孔不位于其相应底部的平行边缘之间。
45.如权利要求19所述的点火器，其特征在于所述点火器还包括在基本平行于侧壁的一个平面上，具有基本垂直于各底部上升的唇壁。
46.一种制造陶瓷点火器端子的方法，包括下列步骤a)提供具有第一端和第二端的陶瓷点火器，各端有一外表面，b)提供一对衬套，各衬套有基本对应于上述第一端和第二端的外表面的内表面，c)将陶瓷点火器的第一和第二端插入该对衬套中，d)将衬套的内表面化学结合到放置在其内的腿的外表面上。
47.如权利要求46所述的方法，其特征在于各衬套有横向孔，通过下列步骤实施所述的化学结合步骤i)在步骤c)后，在孔中沉积活性金属钎料，ii)使钎料再流淌。
48.如权利要求46所述的方法，其特征在于所述化学结合步骤是通过下列步骤实施i)在步骤c)之前，用活性金属钎料涂布陶瓷元件的末端，ii)在步骤c)后，使钎料再流淌。
49.如权利要求46所述的方法，其特征在于所述陶瓷点火器基本上没有开孔。
全文摘要
提供一种用于陶瓷热表面元件的电连接,其中,陶瓷热表面元件的末端和金属端子衬套基本上为干涉配合,由直接化学结合到金属端子的活性金属钎料提供与热表面元件的电连接。
文档编号F23Q7/22GK1340143SQ00803841
公开日2002年3月13日 申请日期2000年2月10日 优先权日1999年2月19日
发明者J·库珀, B·纳吉, D·舒玛, B·S·科昌, S·M·哈梅尔 申请人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司