Aktivhartlötung zweier Bauteile

Die Erfindung betrifft einen keramischen Drucksensor mit einer mit einem Druck beaufschlagbaren, druckabhängig elastisch verformbaren Messmembran, einem keramischen Grundkörper, und einer einen äußeren Rand einer ersten Seite der

Messmembran unter Einschluss einer Druckkammer mit einem äußeren Rand einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers verbindenden Aktivhartlötung, sowie ein Verfahren zur Aktivhartlötung zweier Bauteile.

Keramische Drucksensoren umfassen Absolutdrucksensoren, die einen auf die

Messmembran einwirkenden Druck gegenüber Vakuum messen, Relativdrucksensoren, die den auf die Messmembran einwirkenden Druck bezogen auf einen der Druckkammer zugeführten Referenzdruck, z.B. einen Atmosphärendruck, messen, sowie

Differenzdrucksensoren, die eine Druckdifferenz zwischen einem auf eine erste Seite der Messmembran einwirkenden ersten Druck und einem auf eine zweite Seite der

Messmembran einwirkenden zweiten Druck erfassen.

Keramische Drucksensoren der eingangs genannte Art finden heute weit gefächerte Anwendung in nahezu allen Bereichen der industriellen Messtechnik.

In der EP 490 807 A1 ist ein keramischer Drucksensor beschrieben, mit

- einer mit einem Druck beaufschlagbaren, druckabhängig elastisch verformbaren

Messmembran,

- einem keramischen Grundkörper, und

- einer einen äußeren Rand einer ersten Seite der Messmembran unter Einschluss einer Druckkammer mit einem äußeren Rand einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers verbindenden Aktivhartlötung. Messmembran und Grundkörper dieser Drucksensoren bestehen z.B. aus Aluminiumoxid und sind mittels einer mit einem eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisenden ternären Aktivhartlot ausgeführten Aktivhartlötung druckdicht gefügt. Beim Aktivhartlöten reagiert die aktive Komponente des Aktivhartlots, hier Titan, mit der Keramik. Dabei wird durch Reduktion der Keramik eine mechanisch hochfeste chemische Verbindung zwischen der Keramik und dem Aktivhartlot bewirkt. In der EP 490 807 A1 ist die Aktivhartlötung mittels eines ringförmigen Lotformteils beschrieben , dessen Höhe der Höhe der unter der Messmembran eingeschlossenen Druckkammer entspricht.

Die Lötung erfolgt, in dem eine durch den Grundkörper, das Lotformteil und die

Messmembran gebildete Anordnung insgesamt auf eine oberhalb der Schmelztemperatur des Lots liegende Löttemperatur aufgeheizt, und dort über einen längeren Zeitraum, insb. einen Zeitraum von 5 min bis 15 min, gehalten wird. In Verbindung mit den oben genannten eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisenden ternären Aktivhartloten sind hierzu regelmäßig Temperaturen oberhalb von 800°C, insb. Temperaturen im Bereich von 890°C bis 920°C, erforderlich. Das Löten ist somit ein zeit- und energieintensiver Prozess.

Da Grundkörper, Lotformteil und Messmembran insgesamt auf diese vergleichsweise hohe, über der Schmelztemperatur des Aktivhartlots liegende Temperatur gebracht werden müssen, dauert es entsprechend lange, bis sich die Fügung im Anschluss an den

Lötvorgang abkühlt. Lange Abkühldauern begünstigen die Ausbildung grobkörnigerer Strukturen durch Phasenauscheidungen innerhalb der Fügung. Dies kann zu

Inhomogenitäten innerhalb der Fügung führen, die die Festigkeit der Fügung

beeinträchtigen. Bei kapazitiven keramischen Drucksensoren, die mindestens einen, durch eine auf die Messmembran aufgebrachte Elektrode und eine auf die der Messmembran zugewandte Stirnseite des Grundkörpers aufgebrachte Gegenelektrode gebildeten Kondensator mit einer von der druckabhängigen Durchbiegung der Messmembran abhängigen Kapazität aufweisen, hängt der Abstand zwischen Elektrode und Gegenelektrode regelmäßig von der Dicke der Messmembran und Grundkörper verbindenden Aktivhartlötung ab. Die in der EP 490 807 A1 beschriebenen Lotformteile weisen aufgrund des zu deren Herstellung verwendeten Melt-Spinning-Verfahrens eine Mindestdicke in der Größenordnung von 30 μιη auf. Eine geringere Mindestdicke der Messmembran und Grundkörper verbindenden

Aktivhartlötung, und damit einhergehend ein zur Erzielung einer höheren Messgenauigkeit vorteilhafterer geringerer Elektrodenabstand kann gemäß einem in der DE 10 2010 043 1 19 A1 beschriebenen Verfahren erzielt werden. Dabei wird das für die Aktivhartlötung benötigte Aktivhartlot mittels Gasphasenabscheidung auf die Fügeflächen aufgebracht. Hierdurch können Fügestellen geringerer Bauhöhe, z.B. mit einer Dicke von 10 μιη, hergestellt werden.

Um die Reaktion des Aktivhartlots mit den keramischen Fügeflächen zu erleichtern, ist in der DE 10 2010 043 1 19 A1 beschrieben, vor der Lötung eine Beschichtung aus einer aktiven Komponente des Aktivhartlots, z.B. eine Beschichtung mit einer Dicke in der

Größenordnung von 100 nm, auf die keramischen Fügeflächen aufzubringen, auf die dann eine dickere Schicht des Aktivhartlots, z.B. eine Schicht mit einer Dicke von 5 μιη - 10 μιη, abgeschieden wird. Auch bei diesen Aktivhartlötungen müssen die zu fügenden Bauteile über einen längeren Zeitraum auf einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Aktivhartlots gehalten werden, so dass der Lötvorgang auch hier ein energieintensiver Prozess ist, und sich innerhalb der Fügung aufgrund der entsprechend langen Abkühldauer Inhomogenitäten ausbilden können, die die Festigkeit der Aktivhartlötung beeinträchtigen.

In der US 7,361 ,412 B2 sind sowohl Hartlötverfahren als auch Weichlötverfahren beschrieben, bei denen für die Lötung erforderliche Wärmeenergie durch reaktive, als Folie bereitgestellte Mehrschichtsysteme erzeugt wird. Reaktive Mehrschichtsysteme bestehen aus alternierend aufeinander abgeschiedenen dünnen Lagen miteinander exotherm reagierender Reaktionspartner, wie z.B. Nickel und Aluminium. Ausgelöst durch eine lokale Aktivierung des Mehrschichtsystems bilden die Reaktionspartner intermetallische Phasen aus. Bei ausreichend hoher Reaktionsenthalpie der Phasenbildung führt die hierdurch lokal frei gesetzte Reaktionswärme dazu, dass sich die exotherme Reaktion selbsttätig entlang des Mehrschichtsystems fortsetzt. Dieser Prozess läuft umso schneller ab, je dünner die einzelnen Lagen sind. Je nach Dicke der Lagen werden Ausbreitungsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 30 m/s erreicht. Die dabei frei gesetzte Wärmeenergie ist umso größer, je dicker das Mehrschichtsystem ist. Dabei werden kurzzeitig Temperaturen von über 1000 °C erreicht. Da die Wärmeenergie nur sehr kurzzeitig und sehr lokal zugeführt wird, kühlt die Fügestelle im Anschluss an den Lötprozess sehr schnell wieder ab.

Aufgrund der schnelleren Abkühlung bilden sich feinkörnigere, homogenere und somit eine höhere Festigkeit aufweisende Fügungen aus.

Die in der US 7,361 ,412 B2 beschriebenen Lötverfahren folgen alle dem gleichen

Grundprinzip, bei dem ein Mehrschichtsystem zwischen zwei zu verlötenden Bauteilen angeordnete wird, und auf beiden Seiten des Mehrschichtsystems jeweils mindestens eine Lotschicht zwischen dem Mehrschichtsystem und dem jeweiligen Bauteil angeordnet wird. Es wird also eine Anordnung mit der Stapelreihenfolge: Bauteil, Lot, Mehrschichtsystem, Lot, Bauteil gebildet. Die Fügung der beiden Bauteile erfolgt, in dem diese Anordnung bei Raumtemperatur mit Druck beaufschlagt wird, und die Reaktion des Mehrschichtsystem ausgelöst wird.

In der US 7,361 ,412 B2 sind Verfahren zur Verbindung eines keramischen Bauteils, z.B. aus SiC oder Al ₂ 0 ₃ , mit einem metallischen Bauteil, z.B. aus Titan oder Aluminium, beschriebenen, bei denen die Fügeflächen der zu fügenden Bauteile vorab mit Hartlot, z.B. Incusil, beschichtet werden. Eines dieser Verfahren sieht vor, das Mehrschichtsystem unmittelbar zwischen den beiden vorbeschichteten Bauteilen anzuordnen. Ein weiteres Verfahren sieht vor zwischen den beiden vorbeschichteten Bauteilen ein beidseitig mit Incusil beschichtetes Mehrschichtsystem anzuordnen. Ein drittes Verfahren sieht vor zwischen den beiden vorbeschichteten Bauteilen ein beidseitig mit Incusil beschichtetes Mehrschichtsystem anzuordnen und zusätzlich zu beiden Seiten des beschichteten Mehrschichtsystems zwischen dem Mehrschichtsystem und dem jeweiligen Bauteil eine Lotschicht, z.B. eine Hartlotschicht, vorzusehen. Je nach Vorgehensweise gemäß der US 7,361 ,412 B2 sind zur Bereitstellung der erforderlichen Energiemenge zum Weichlöten Mehrschichtsysteme mit einer Dicke von mindestens 30 μιη, zum Hartlöten sogar 150 μιη und mehr, erforderlich. Das führt dazu, dass die Bauhöhe auf diese Weise gefertigter Fügestellen entsprechend hoch ist, so dass diese Verfahren zur Fügung von Messmembran und Grundkörper kapazitiver keramischer Drucksensoren regelmäßig ungeeignet sind.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen keramischen Drucksensor mit einer

energieeffizient herstellbaren Aktivhartlötung von Messmembran und Grundkörper, sowie wie ein energieeffizient ausführbares Aktivhartlötverfahren anzugeben.

Hierzu umfasst die Erfindung einen keramischen Drucksensor, mit

- einer mit einem Druck beaufschlagbaren, druckabhängig elastisch verformbaren

Messmembran,

- einem keramischen Grundkörper, und

- einer einen äußeren Rand einer ersten Seite der Messmembran unter Einschluss einer Druckkammer mit einem äußeren Rand einer der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers verbindenden Aktivhartlötung,

der sich dadurch auszeichnet, dass

- die Aktivhartlötung eine mittels einer Anordnung erzeugte Aktivhartlötung ist, in der auf einer Fügefläche der Messmembran und einer Fügefläche des Grundkörpers jeweils ein reaktives Mehrschichtsystem aus alternierend aufeinander abgeschiedenen Lagen miteinander exotherm reagierender Reaktionspartner angeordnet ist, und zwischen den beiden reaktiven Mehrschichtsystemen eine Lotschicht aus einem Aktivhartlot angeordnet ist, und

- die Aktivhartlötung eine bei vorgeheizter Anordnung auf eine unterhalb der

Schmelztemperatur des Aktivhartlots liegende, in Abhängigkeit von einer bei der exothermen Reaktion der Mehrschichtsysteme frei werdenden Energie und der

Schmelztemperatur des Aktivhartlots vorgegebene Grundtemperatur durch die exothermen Reaktion der beiden reaktiven Mehrschichtsysteme bewirkte Aktivhartlötung ist, bei der an die reagierenden Mehrschichtsysteme angrenzendes aufschmelzendes

Aktivhartlot der Lotschicht durch das jeweilige Mehrschichtsystem zur jeweils daran angrenzenden Fügefläche hindurch tritt.

Gemäß einer Ausgestaltung weisen die Mehrschichtsysteme eine Dicke von kleiner gleich 5 μιη, insb. kleiner gleich 3 μιη, auf. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Lotschicht eine Dicke auf, die größer gleich einer Summe der Dicken der beiden Mehrschichtsysteme ist.

Gemäß einer Weiterbildung umfasst die Anordnung zwischen jeder Fügefläche und dem jeweils daran angrenzenden Mehrschichtsystem eine auf die jeweilige Fügefläche aufgebrachte, insb. aufgesputterte, Beschichtung aus dem Aktivhartlot oder aus einer aktiven Komponente des Aktivhartlots.

Gemäß einer Ausgestaltung ist das Aktivhartlot ein eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisendes ternäres Aktivhartlot.

Gemäß einer Weiterbildung

- ist die Lotschicht aus einem vorgefertigten Lotformteil, insb. einem Lotring, gebildet, und

- die Mehrschichtsysteme sind auf die in der Anordnung der Messmembran und/oder dem Grundkörper zugewandte Stirnseite des Lotformteils und/oder auf die Fügefläche der

Messmembran und/oder die Fügefläche des Grundkörpers aufgebrachte, insb. Lage für Lage aufgesputterte, Mehrschichtsysteme.

Ein weitere Weiterbildung sieht vor, dass

- die Mehrschichtsysteme auf die Fügefläche der Messmembran und die Fügefläche des Grundkörpers aufgebrachte, insb. Lage für Lage aufgesputterte, Mehrschichtsysteme sind, und

- die Lotschicht eine auf eines der beiden Mehrschichtsysteme aufgebrachte, insb.

aufgesputterte, Lotschicht ist.

Weiter umfasst die Erfindung ein Aktivhartlötverfahren zur Aktivhartlötung eines eine Fügefläche aufweisenden ersten Bauteils, insb. eines ersten keramischen Bauteils, und eines eine Fügefläche aufweisenden zweiten Bauteils, insb. eines zweiten keramischen Bauteils, gemäß dem

- eine Anordnung erzeugt wird, in der auf der Fügefläche des ersten Bauteils und der Fügefläche des zweiten Bauteils jeweils ein reaktives Mehrschichtsystem aus alternierend aufeinander abgeschiedenen Lagen miteinander exotherm reagierender Reaktionspartner angeordnet ist, und zwischen den beiden reaktiven

Mehrschichtsystemen eine Lotschicht aus einem Aktivhartlot angeordnet ist,

- die Anordnung auf eine in Abhängigkeit von einer bei der exothermen Reaktion der Mehrschichtsysteme frei werdenden Energie und der Schmelztemperatur des

Aktivhartlots vorgegebene, unterhalb der Schmelztemperatur des Aktivhartlots liegende Grundtemperatur aufgeheizt wird, und

- eine exotherme Reaktion der beiden reaktiven Mehrschichtsysteme ausgelöst wird, durch die an das jeweilige Mehrschichtsystem angrenzendes Aktivhartlot der Lotschicht aufgeschmolzen wird und durch das jeweilige Mehrschichtsystem zur jeweils daran angrenzenden Fügefläche hindurch tritt.

Eine Weiterbildung des Aktivhartlötverfahrens sieht vor, dass

- die Lotschicht in Form eines Lotformteils bereitgestellt wird, und

- die Mehrschichtsysteme auf die in der Anordnung der Fügefläche des ersten Bauteils und/oder der Fügefläche des zweiten Bauteils zugewandte Stirnseite des Lotformteils und/oder auf die Fügefläche des ersten Bauteils und/oder die Fügefläche des zweiten Bauteils aufgebracht, insb. Lage für Lage aufgesputtert, werden.

Eine weitere Weiterbildung sieht vor, dass

- die Mehrschichtsysteme auf die Fügeflächen der Bauteile aufgebracht, insb. Lage für Lage aufgesputtert werden, und

- die Lotschicht auf eines der beiden Mehrschichtsysteme aufgebracht, insb. aufgesputtert, wird.

Eine weitere Weiterbildung des Aktivhartlötverfahrens sieht vor, dass auf mindestens einer der Fügeflächen, insb. auf beiden Fügeflächen, eine Beschichtung aus dem Aktivhartlot oder aus einer aktiven Komponente des Aktivhartlots aufgebracht, insb. aufgesputtert wird, die sich in der Anordnung zwischen der jeweiligen Fügefläche und dem dieser Fügefläche zugewandten Mehrschichtsystem befindet.

Weitere Ausgestaltungen des Aktivhartlötverfahrens sehen vor,

- dass die Mehrschichtsysteme eine Dicke von kleiner gleich 5 μιη, insb. kleiner gleich 3 μιη, aufweisen,

- dass die Lotschicht eine Dicke aufweist, die größer gleich einer Summe der Dicken der beiden Mehrschichtsysteme ist, sowie

- dass das Aktivhartlot ein eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisendes ternäres

Aktivhartlot ist.

Die erfindungsgemäßen Drucksensoren weisen den Vorteil auf, dass für die Aktivhartlötung von Messmembran und Grundkörper aufgrund der beiden exotherm reagierenden

Mehrschichtsysteme deutlich weniger Zeit und Energie benötigt wird, als das bei heute zur Herstellung von Drucksensoren eingesetzten, ausschließlich durch Aufheizen der zu fügenden Bauteile und des zwischen den Bauteilen angeordneten Aktivhartlots bewirkten Aktivhartlötungen der Fall ist.

Da die exotherme Reaktion der Mehrschichtsysteme für die Lötung genutzte zusätzliche Energie genau dort liefert, wo sie benötigt wird, müssen Messmembran und Grundkörper für die Aktivhartlötung nicht mehr insgesamt über die Schmelztemperatur des Aktivhartlots erwärmt werden. Dies führt dazu, dass die Aktivhartlötung im Anschluss an den Lötprozess schneller abkühlt. Hierdurch wird die Ausbildung grobkörnigerer Strukturen innerhalb der Fügung drastisch reduziert. Damit lassen sich feinkörnigere, und damit zwangsläufig homogenere und somit eine höhere Festigkeit aufweisende Fügungen erzielen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindungen besteht darin, dass die Aktivhartlötungen mit vergleichsweise geringer Bauhöhe, insb. mit Bauhöhen größer gleich 4μιτι hergestellt werden können.

Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt: einen erfindungsgemäßen keramischen Drucksensor;

Fig. 2 zeigt: einen erfindungsgemäßen keramischen Differenzdrucksensor;

Fig. 3 zeigt: eine Explosionsdarstellung einer Anordnung zur Herstellung einer

Aktivhartlötung;

Fig. 4a zeigt: eine Anordnung gemäß Fig. 3, bei der die beiden Mehrschichtsysteme auf gegenüberliegende Stirnseiten der Lotschicht aufgebracht sind;

Fig. 4b zeigt: eine Anordnung gemäß Fig. 3, bei der die beiden Mehrschichtsysteme auf die

Fügeflächen aufgebracht sind;

Fig. 4c zeigt: eine Anordnung gemäß Fig. 3, bei der sowohl auf die beiden Fügeflächen, als auch auf die diesen gegenüberliegenden Stirnseiten der Lotschicht jeweils ein Teilsystem eines Mehrschichtsystems aufgebracht ist;

Fig. 4d zeigt: eine Anordnung gemäß Fig. 3, bei der die beiden Mehrschichtsysteme auf die

Fügeflächen aufgebracht sind, und die Lotschicht auf dem auf dem

Grundkörper aufgebrachten Mehrschichtsystem aufgebracht ist; und

Fig. 4e zeigt: eine Anordnung gemäß Fig. 3, bei der die beiden Mehrschichtsysteme auf die

Fügeflächen aufgebracht sind, und die Lotschicht auf dem auf der

Messmembran aufgebrachten Mehrschichtsystem aufgebracht ist.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen keramischen Drucksensors. Dieser umfasst eine mit einem Druck p beaufschlagbare und druckabhängig elastisch verformbare Messmembran 1 , die auf einem keramischen Grundkörper 3 angeordnet ist. Messmembran 1 und Grundkörper 3 bestehen aus Keramik, z.B. aus Aluminiumoxid (AI2O ₃ ) oder aus Zirkoniumoxid (ZrÜ2), und sind miteinander unter Einschluss einer Druckkammer 5 druckdicht verbunden. Hierzu ist ein äußerer Rand einer dem Grundkörper 3 zugewandten Seite der Messmembran 1 unter Einschluss der Druckkammer 5 mittels einer Aktivhartlötung 7 mit einem äußeren Rand einer der

Messmembran 1 zugewandte Stirnseite des Grundkörpers 3 verbunden.

Der dargestellte Drucksensor kann als Absolutdrucksensor ausgebildet sein. In dem Fall ist die unter der Messmembran 1 eingeschlossene Druckkammer 5 evakuiert. Alternativ kann er als Relativdrucksensor ausgebildet werden, indem der Druckkammer 5 über eine durch den Grundkörper 3 hindurch führende, in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnete Bohrung 9 ein Referenzdruck p _ref , z.B. ein Atmosphärendruck zugeführt wird, bezogen auf den der auf die Messmembran 1 einwirkende Druck p erfasst werden soll.

Der Drucksensor umfasst einen elektromechanischen Wandler, der dazu dient, eine druckabhängige Verformung der Messmembran 1 messtechnisch zu erfassen. In den hier dargestellten Ausführungsbeispielen ist hierzu ein kapazitiver Wandler vorgesehen, der mindestens einen Kondensator mit einer sich in Abhängigkeit von der druckbedingten Auslenkung der Messmembran 1 verändernden Kapazität aufweist. Ein solcher

Kondensator umfasst eine auf einer dem Grundkörper 3 zugewandten Seite der

Messmembran 1 aufgebrachte Messelektrode 1 1 und eine auf einer der Messmembran 1 zugewandten Stirnseite des Grundkörpers 3 aufgebrachte Gegenelektrode 13. Die druckabhängige Kapazität dieses Kondensators bzw. deren Änderungen werden über eine an die Elektrode 1 1 und die Gegenelektrode 13 angeschlossene, hier nicht dargestellte Messelektronik erfasst, und in ein druck-abhängiges Messsignal umgewandelt, das dann zur Anzeige, zur weiteren Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung steht.

Alternativ können die erfindungsgemäßen Drucksensoren auch als Differenzdrucksensoren ausgebildet sein, die eine Druckdifferenz Δρ zwischen einem ersten Druck p-ι und einem zweiten Druck p ₂ messen. Ein Ausführungsbeispiel hierzu ist in Fig. 2 dargestellt. Es unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten Referenzdrucksensor dadurch, dass auf der vom Grundkörper 3 des Relativdrucksensors von Fig. 1 abgewandten zweite Seite der Messmembran 1 ein zweiter Grundkörper 3 vorgesehen ist, der vorzugsweise identisch zu dem mit der ersten Seite der Messmembran 3 verbundenen Grundkörper 3 ist. Der zweite Grundkörper 3 ist vorzugsweise über eine identisch zu der ersten Aktivhartlötung 7 ausgeführte Aktivhartlötung 7 unter Einschluss einer zweiten Druckkammer 5 druckdicht mit der zweiten Seite der Messmembran 1 verbunden. Im Messbetrieb wird die erste Seite der Messmembran 1 über die Bohrung 9 im ersten Grundkörper 3 mit einem ersten Druck p-i , und die zweite Seite der Messmembran 1 über die Bohrung 9 im zweiten Grundkörper 3 mit einem zweiten Druck p ₂ beaufschlagt. Dies bewirkt eine von der Druckdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druck p-i , p ₂ abhängige Auslenkung der Messmembran 1 , die z.B. mittels eines kapazitiven

elektromechanischen Wandlers messtechnisch erfasst, und in einem entsprechendes Differenzdruckmesssignal umgewandelt wird.

Erfindungsgemäß sind die Aktivhartlötungen 7 jeweils mittels eines erfindungsgemäßen Aktivhartlötverfahrens zur Fügung eines eine Fügefläche 15 aufweisenden ersten Bauteils A, insb. eines ersten keramischen Bauteils, und eines eine Fügefläche 17 aufweisenden zweiten Bauteils B, insb. eines zweiten keramischen Bauteils, hergestellte

Aktivhartlötungen. Auch wenn die Erfindung nachfolgend am Beispiel von Aktivhartlötungen von zwei keramischen Bauteilen beschrieben ist, kann sie völlig analog auch zur Aktivhartlötung von Bauteilen aus anderen aktivhartlötbaren Materialien eingesetzt werden. Entsprechend müssen Messmembran 1 und Grundkörper 3 der erfindungsgemäßen Drucksensoren nicht zwingend beide aus Keramik bestehen. Insb. kann z.B. die Messmembran 1 aus einem anderen, z.B. metallischen, aktivhartlötbaren Material bestehen.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Anordnung hergestellt, in der auf der Fügefläche 15 des ersten Bauteils A und der Fügefläche 17 des zweiten Bauteils B jeweils ein reaktives Mehrschichtsystem 19 aus alternierend aufeinander abgeschiedenen Lagen miteinander exotherm reagierender Reaktionspartner angeordnet ist, und zwischen den beiden reaktiven Mehrschichtsystemen 19 eine Lotschicht 21 aus einem Aktivhartlot angeordnet ist.

Als Aktivhartlot eignet sich insb. ein eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisendes ternäres Aktivhartlot, wie es beispielsweise aus der eingangs genannten EP 490 807 A2 bekannt ist. Eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisende ternäre Aktivhartlote weisen den Vorteil auf, dass sie einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der sehr gut an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Keramik angepasst werden kann. Hierdurch werden temperaturabhängige Verspannungen zwischen der Aktivhartlötung und den damit gefügten keramischen Bauteilen minimiert oder sogar ganz vermieden.

Als reaktive Mehrschichtsystem 19 können aus dem Stand der Technik bekannte

Mehrschichtsysteme aus alternierend aufeinander aufgebrachten Lagen miteinander exotherm reagierender Reaktionspartner, wie z.B. Aluminium und Nickel, eingesetzt werden. Alternativ können Mehrschichtsystem aus anderen Reaktionspartnerkombinationen wie z.B.

- Aluminium in Kombination mit CuO _x , Fe2C>3, Pd, Pt oder Zr,

- Titan in Kombination mit B oder Si, Zr,

- Nickel oder Palladium in Kombination mit Si, oder

- Palladium oder Platin in Kombination mit Sn oder Zn,

oder auch Mehrschichtsysteme mit mehr als zwei exotherm miteinander reagierenden Reaktionspartnern eingesetzt werden. Jedes der Mehrschichtsysteme 19 umfasst eine Vielzahl alternierend auf einander aufgebrachter Lagen, und die einzelnen Lagen weisen vorzugsweise eine Dicke im Bereich weniger Nanometer auf.

Fig. 3 zeigt eine Explosionsdarstellung einer solchen Anordnung, wobei das erste Bauteil A in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Messmembran 1 des keramischen

Drucksensors von Fig. 1 und das zweite Bauteil B der Grundkörper 3 des keramischen Drucksensors von Fig. 1 ist.

Die Herstellung dieser Anordnung kann beispielsweise derart erfolgen, dass die Lotschicht 21 als vorgefertigtes Lotformteil, hier als Lotring, bereitgestellt wird. Derartige Lotformteile aus den oben genannten eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisenden ternären

Aktivhartloten sind mit einer Mindestdicke in der Größenordnung von 30 μιη herstellbar. In dem Fall werden die Mehrschichtsysteme 19 vorzugsweise auf die dem jeweiligen Bauteil A zugewandte Stirnseite des Lotformteils und/oder die Fügefläche 15, 17 des jeweiligen Bauteils A, B aufgebracht, insb. Lage für Lage aufgesputtert, oder auf andere Weise abgeschieden.

Fig. 4a zeigt hierzu eine Variante, bei der die beiden Mehrschichtsysteme 19 auf die beiden, den Fügeflächen 15, 17 zugewandten Stirnseiten der Lotschicht 21 aufgebracht sind. Fig. 4b zeigt ein alternative Variante, bei der die Mehrschichtsysteme 19 auf die Fügeflächen 15, 17 aufgebracht sind. Alternativ kann natürlich auch eines der

Mehrschichtsysteme 19 auf eine der Fügeflächen 15 oder 17, und das andere

Mehrschichtsystem 19 auf die der jeweils anderen Fügefläche 17 bzw. 15 zugewandte Stirnseite der Lotschicht 21 aufgebracht werden.

Fig. 4c zeigt eine weitere Alternative, bei der die beiden Mehrschichtsysteme 19' jeweils aus zwei Teilsystemen 19a, 19b bestehen, von denen eins auf die jeweilige Fügeflächen 15, 17 und das andere auf die der jeweiligen Fügefläche 15, 17 zugewandte Stirnseiten der Lotschicht 21 aufgebracht ist. Das schichtweise Aufbringen der Mehrschichtsysteme 19, 19' auf die Stirnseiten des Lotformteils und/oder die Fügeflächen 15, 17 bietet den Vorteil, dass hierdurch

Mehrschichtsysteme hergestellt werden können, die dünner sind als im Handel als Folien erhältliche vorgefertigte Mehrschichtsysteme. Hierdurch können insb. Mehrschichtsysteme 19, 19' mit einer Dicke in der Größenordnung von 1 μιτι hergestellt werden. Das gilt auch für aus zwei Teilsystemen 19a, 19b gebildeten Mehrschichtsystemen 19', deren Dicke durch der Summe der Dicken der beiden Teilsysteme 19a, 19b gegeben ist.

Eine weitere Alternative besteht darin, die Mehrschichtsysteme 19 auf die Fügeflächen 15, 17 der beiden Bauteile A, B aufzubringen, insb. Lage für Lage aufzus puttern, oder auf andere Weise abzuscheiden, und die Lotschicht 21 aus Aktivhartlot entweder - wie in Fig. 4d dargestellt - auf das auf dem Bauteil B aufgebrachte Mehrschichtsystem 19

aufzubringen, insb. aufzusputtern, oder

- wie in Fig. 4e dargestellt - auf das auf dem Bauteil A aufgebrachte Mehrschichtsystem 19 aufzubringen, insb. aufzusputtern.

Durch das Aufsputtern des Aktivhartlots können im Vergleich zu den oben genannten Lotformteilen deutlich dünnere Lotschichten 21 , insb. Lotschichten 21 mit einer Dicke in der Größenordnung von 2 μιτι bis 10 μιη hergestellt werden.

In einem ersten Verfahrensschritt wird die auf diese Weise gebildete Anordnung in einem Ofen auf eine in Abhängigkeit von einer bei der exothermen Reaktion der

Mehrschichtsysteme 19, 19' frei werdenden Energie und einer Schmelztemperatur des Aktivhartlots vorgegebene, unterhalb der Schmelztemperatur des Aktivhartlots liegende, Grundtemperatur aufgeheizt. Das Aufheizen erfolgt vorzugsweise unter Vakuum oder unter Schutzgasatmosphäre.

Anschließend werden die reaktiven Mehrschichtsysteme 19, 19' bei aufgeheizter

Anordnung zur Reaktion gebracht. Diese Reaktionen können z.B. elektrisch, thermisch, elektromagnetisch oder mittels Laserimpulsen ausgelöst werden. Entsprechende Verfahren zur Auslösung dieser Reaktionen sind aus dem Stand der Technik bekannt, und daher hier nicht im Detail beschrieben.

Durch die bei aufgeheizter Anordnung durch diese exothermen Reaktionen zusätzlich zugeführte Energie wird an das jeweilige Mehrschichtsystem 19, 19' angrenzendes

Aktivhartlot der Lotschicht 21 aufgeschmolzen. Dabei tritt aufgeschmolzenes Aktivhartlot durch das jeweilige reagierende Mehrschichtsystem 19, 19' hindurch zu der an das jeweilige Mehrschichtsystem 19, 19' angrenzenden Fügefläche 15, 17. Im Unterschied zum Reaktionsschweißen mittels reaktiver Mehrschichtsysteme, bei dem die Fügeflächen zu fügender Bauteile durch von unmittelbar daran angrenzenden

Mehrschichtsystemen frei gesetzte Reaktionswärme aufgeschmolzen werden, bewirkt das erfindungsgemäße Verfahren eine Aktivhartlötung. Dabei bewirkt die aktive Komponente des durch das jeweilige reagierende Mehrschichtsystem 19, 19' zur jeweiligen Fügefläche 15, 17 hindurch tretenden Aktivhartlots die für die Aktivhartlötung charakteristische chemische Reduktion der jeweiligen Fügefläche 15, 17.

Zur Erzielung einer vollständigen Benetzung der Fügeflächen 15, 17 mit dem

aufgeschmolzenen Aktivhartlot ist es von Vorteil, wenn die Mehrschichtsysteme 19, 19' eine geringe Dicke aufweisen. Die Mehrschichtsysteme 19, 19' weisen daher vorzugsweise eine Dicke von kleiner gleich 5 μιη, vorzugsweise sogar kleiner gleich 3 μιη auf. Dabei ist die Dicke der Lotschicht 21 vorzugsweise größer gleich der Summe der Dicken der beiden Mehrschichtsysteme 19, 19'.

Zur Unterstützung und zur Beschleunigung der Benetzung der Fügeflächen 15, 17 ist auf den Fügeflächen 15, 17 vorzugsweise eine Beschichtung 23 aus dem Aktivhartlot oder aus einer aktiven Komponente des Aktivhartlots vorgesehen. In Verbindung mit eine Zr-Ni- Legierung und Titan aufweisenden ternären Aktivhartloten kann auf den Fügeflächen 15, 17 hierzu jeweils eine Beschichtung 23 aus dem eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisenden ternären Aktivhartlot oder eine Beschichtung 23 aus aus Titan oder aus Zirkonium aufgebracht werden. Die Beschichtungen 23 weisen vorzugsweise eine Dicke im Nanometerbereich, z.B. eine Dicke in der Größenordnung von 100 nm, auf, und werden vorzugsweise unmittelbar auf die Fügeflächen 15, 17 abgeschieden, z.B. aufgesputtert. Die Beschichtungen 23 befinden sich somit in der Anordnung zwischen der jeweiligen

Fügefläche 15 bzw. 19 und dem jeweils daran angrenzenden Mehrschichtsystem 19, 19'.

Je geringer die Dicke der Mehrschichtsysteme 19, 19' ist, umso geringer ist auch die durch deren exotherme Reaktion freigesetzte Energie. Entsprechend ist die Grundtemperatur, auf die die Anordnung vorgeheizt wird, umso höher anzusetzen, je geringer die Dicke der

Mehrschichtsysteme 19, 19' ist. Je höher die Grundtemperatur ist, umso höher ist natürlich auch der zum Aufheizen der Anordnung auf die Grundtemperatur benötigte Energiebedarf. Mit dem erfindungsgemäßen Aktivhartlötverfahren ist bereits mit Mehrschichtsystemen 19, 19' mit einer geringen Dicke von nur 1 μιτι eine deutliche Energieeinsparung gegenüber ausschließlich durch Aufheizen der zu fügenden Bauteils und des zwischen den Bauteilen angeordneten Aktivhartlots bewirkten Aktivhartlötungen erzielbar.

Während die gesamte Anordnung bei ausschließlich durch Aufheizen von zwischen den Fügepartnern angeordnetem Aktivhartlot bewirkten Aktivhartlötungen über mehrere Minuten auf einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Aktivhartlots, in der Regel also deutlich oberhalb von 800°C gehalten werden muss, genügt es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, wenn die Anordnung über den für die Reaktion der Mehrschichtsysteme 19, 19' benötigten Zeitraum auf der unterhalb der Schmelztemperatur liegenden Grundtemperatur gehalten wird.

In Verbindung mit einem eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisenden ternären Aktivhartlot mit einem Schmelzpunkt von 890°C, und zwei reaktiven Aluminium-Nickel- Mehrschichtsystemen 19, 19' mit einer Dicke von 1 μιτι genügt hierzu eine

Grundtemperatur in der Größenordnung von 600°C. Da die Reaktion der

Mehrschichtsysteme 19, 19' extrem schnell, in der Regel innerhalb weniger Millisekunden, abläuft, ist die Dauer, während der die Anordnung auf der Grundtemperatur gehalten werden muss, ebenfalls entsprechend kurz.

Das bewirkt eine deutliche Zeit- und Energieeinsparung bei der Herstellung der

Aktivlötungen 7.

Aufgrund der geringen Dicke der Mehrschichtsysteme 19, 19' und den entsprechend dünn realisierbaren Dicken der Lotschicht 21 können mit dem erfindungsgemäßen

Aktivhartlötverfahren Aktivhartlötungen 7 mit entsprechend geringer Bauhöhe hergestellt werden. So kann zum Beispiel bei einer Dicke der Mehrschichtsysteme 19, 19' von 1 μιτι und einer entsprechenden Dicke der Lotschicht 21 von 2 μιτι eine Aktivhartlötung 7 mit einer Bauhöhe von

4 μιτι hergestellt werden. Derartig dünne Aktivhartlötungen 7 kapazitiver Drucksensoren bieten den Vorteil eines entsprechend geringen Elektrodenabstands. Ein geringer

Elektrodenabstand bewirkt eine entsprechend hohe Grundkapazität der Kondensatoren der kapazitiven Wandler und erhöht somit die mit dem Drucksensor erzielbare

Messgenauigkeit.

Da die zu fügenden Bauteile A und B, insb. Messmembran 1 und Grundkörper 3 der erfindungsgemäßen Drucksensoren, nur noch auf die deutlich unterhalb der

Schmelztemperatur des Aktivhartlots liegende Grundtemperatur erwärmt werden müssen, kühlt die Aktivhartlötung 7 im Anschluss an den Lötprozess entsprechend schneller ab. Hierdurch wird die Ausbildung grobkörnigerer Strukturen innerhalb der Fügung drastisch reduziert. Damit lassen sich feinkörnigere und damit zwangsläufig homogenere und somit eine höhere Festigkeit aufweisende Fügungen erzielen.

Darüber hinaus bietet die Erfindung insb. in Verbindung mit dickeren Lotschichten 21 den Vorteil, dass nur das unmittelbar an die Mehrschichtsysteme 19, 19' angrenzende

Aktivhartlot aufgeschmolzen wird, und das aufschmelzende Aktivhartlot durch die beiden reaktiven Mehrschichtsysteme 19, 19' gebunden wird. Während bei herkömmlichen ausschließlich durch Aufheizen von Messmembran, Grundkörper und einem dazwischen angeordnete Lotformteil bewirkten Aktivhartlötungen die Gefahr besteht, dass aufschmelzendes Lot in die Druckkammer 5 fließt, und damit die Bauhöhe der Aktivhartlötung verändert, wird ein Eindringen von Aktivhartlot in Richtung der Druckkammer 5 bei der erfindungsgemäßen Aktivhartlötung vermieden.

Messmembran

Grundkörper

Druckkammer

Aktivhartlötung

Bohrung

Messelektrode

Gegenelektrode

Fügefläche

Fügefläche

reaktives Mehrschichtsystem

reaktives Mehrschichtsystem

Lotschicht aus Aktivhartlot

Beschichtung aus einer aktiven Komponente des Aktivhartlots