專利名稱：金屬-陶瓷的結(jié)合的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種連接兩種不同材料的方法，該方法包括如下步驟，即在其中一種材料上設(shè)置通孔，熔化另一種材料貼近該通孔處的部分，隨后允許該部分固化在該通孔中。
本發(fā)明還涉及一種金屬和非金屬部分的組合結(jié)構(gòu)。
從美國(guó)專利5,498,850中已知這樣的方法和組合結(jié)構(gòu)。該專利說(shuō)明了一種包括一個(gè)金屬板和一個(gè)半導(dǎo)體材料板的結(jié)構(gòu)，該金屬板具有一個(gè)通孔。該半導(dǎo)體材料隨后受到一個(gè)通過(guò)該通孔的強(qiáng)激光束的照射并被導(dǎo)致熔化。該熔化的半導(dǎo)體材料也導(dǎo)致金屬的一部分熔化。該熔化的金屬形成了一種帶有該熔化的半導(dǎo)體材料的合金。該合金在空氣中不是耐腐蝕的，所以必需被提供一單獨(dú)的覆蓋層。
上述方法具有這樣的缺點(diǎn)，即它具有不同的階段，并不能提供連接金屬和陶瓷材料的解決方案。
本發(fā)明的目的是提供如上所述的一種方法和一種組合結(jié)構(gòu)，其中以高的位置精確性和溫度穩(wěn)定性在陶瓷材料和金屬之間實(shí)現(xiàn)可靠的結(jié)合。
為此，按本發(fā)明的方法的特征在于，一種材料是陶瓷材料，另一種材料是金屬，在金屬的熔化狀態(tài)中，在該金屬遠(yuǎn)離陶瓷材料的一側(cè)和在陶瓷遠(yuǎn)離金屬的一側(cè)之間出現(xiàn)壓差，在金屬遠(yuǎn)離陶瓷材料的一側(cè)出現(xiàn)較大的壓力。
按本發(fā)明，一種組合結(jié)構(gòu)的特征在于，該非金屬部分是一個(gè)陶瓷部分，該陶瓷部分設(shè)有一個(gè)通孔，在熔化狀態(tài)中，金屬部分滲入通孔中并固化。
這樣，便以一種有效的方式導(dǎo)致該熔化的金屬部分滲入該通孔中。它也可以在不需要特別的材料適應(yīng)性和不需要費(fèi)時(shí)的處理，例如熱壓縮的情況下實(shí)現(xiàn)。
按本發(fā)明方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的特征在于，金屬被導(dǎo)致熔化貼近通孔處的部分，該壓差通過(guò)導(dǎo)致金屬遠(yuǎn)離陶瓷材料的一側(cè)的熔化的金屬部分蒸發(fā)而產(chǎn)生。
這意味著除了金屬和陶瓷材料本身外不需要其它的材料和原料，或者意味著只需要使金屬熔化和蒸發(fā)。
按本發(fā)明方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的特征還在于，該蒸發(fā)由于使遠(yuǎn)離陶瓷材料的熔化的金屬部分側(cè)受到激光輻射的照射而發(fā)生，其中該激光輻射導(dǎo)致熔化的金屬部分的表面層蒸發(fā)。
這意味著可以使用足夠功率的單一激光器，首先以較低的功率使金屬貼近通孔的部分熔化，然后當(dāng)金屬已經(jīng)熔化時(shí)，向熔化部分施加高功率的激光脈沖，從而該熔化部分的表面層蒸發(fā)。該蒸發(fā)的金屬確保壓力的增加，從而該熔化部分被壓入通孔中。除了壓力增加外，這樣的事實(shí)也起作用，即蒸發(fā)的金屬帶走指離金屬和陶瓷材料的脈沖，熔化部分中的金屬接收沿通孔方向的脈沖。
按本發(fā)明方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的特征在于，由于熔化的金屬部分的固化，在金屬和陶瓷材料之間產(chǎn)生一種鎖定形式。
通常而言，金屬和陶瓷材料從不或者很難彼此粘結(jié)。即便是產(chǎn)生粘結(jié)，也是在高溫下進(jìn)行，使陶瓷材料和金屬具有大約相同的溫度。
按本發(fā)明方法的本優(yōu)選實(shí)施例可以實(shí)現(xiàn)，陶瓷材料和熔化的金屬不需要具有大約相同的高溫就可以結(jié)合。由于在熔化的金屬固化后生成的鎖定形式，金屬和陶瓷材料之間的結(jié)合強(qiáng)度幾乎完全由該鎖定形式的強(qiáng)度決定。
下面將結(jié)合


本發(fā)明，附圖所示為圖1示出了一個(gè)金屬部分和一個(gè)陶瓷部分；圖2示出了熔化該金屬的步驟；圖3示出了施加壓差的步驟；圖4示出了上述金屬部分和陶瓷部分之間的結(jié)合；圖5示出了上述金屬部分和陶瓷部分之間的結(jié)合的另一個(gè)實(shí)施例；圖6示出了一個(gè)阻攔裝置；圖7示出了激光脈沖功率的時(shí)間函數(shù)；圖8示出了施加壓差的另一種替代方式。
在圖1中，參考標(biāo)號(hào)1表示一個(gè)金屬部分，參考標(biāo)號(hào)2表示一個(gè)陶瓷部分。陶瓷部分2設(shè)有一個(gè)通孔3，該通孔具有向著金屬部分方向變細(xì)的壁4。在圖1中示出的金屬部分1和陶瓷部分2以示例的方式以兩個(gè)平板的橫截面示出。當(dāng)然，板1和2也可以是彎曲的，而且板1和2也可以具有除平板以外的其它形式。
在圖2中，參考標(biāo)號(hào)5表示一條激光束，該激光束沿箭頭6的方向射入金屬部分1遠(yuǎn)離陶瓷部分2的一側(cè)。激光束5具有這樣的強(qiáng)度，從而處于通孔3位置上的金屬部分1被熔化，這一點(diǎn)由熔化部分7示出。激光束5的強(qiáng)度不足以導(dǎo)致熔化部分7沸騰。其結(jié)果狀態(tài)是穩(wěn)定的。應(yīng)該指出的是，附圖中金屬部分1和陶瓷部分2之間的間隙8對(duì)于本發(fā)明是不相關(guān)的，故優(yōu)選被略去。間隙8在附圖中只被示出來(lái)表示金屬部分1和陶瓷部分2之間的區(qū)別。
在激光束5已經(jīng)生成熔化部分7后，激光束5的強(qiáng)度便被增加一段短的時(shí)間，如圖箭頭9所示，以達(dá)到這樣的一個(gè)水平，即熔化部分7的表面層蒸發(fā)成蒸汽云11，其由參考標(biāo)號(hào)11示出。蒸汽云11沿離開(kāi)金屬部分1方向的延展導(dǎo)致一個(gè)如箭頭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，如箭頭13所示。因此，熔化部分7沿箭頭13的方向并由此沿通孔3的方向運(yùn)動(dòng)。在一段短的時(shí)間后，激光束5被關(guān)斷，熔化部分7滲入通孔3。由于激光束5的關(guān)斷，熔化部分7便冷卻下來(lái)并固化，從而形成一種固化的材料14，如圖4中所示。
圖4示出了固化的材料14沿通孔3的變細(xì)的壁4構(gòu)成一個(gè)鎖定形式。該鎖定形式確保金屬部分1和陶瓷部分2通過(guò)固化的材料14而牢固地結(jié)合在一起。
由此在金屬部分1和陶瓷部分2之間得到的結(jié)合具有高水平的位置精確性，即通過(guò)該精確性，通孔3設(shè)置在陶瓷部分2中，通過(guò)該精確性，設(shè)有通孔3的陶瓷部分2和金屬部分1相對(duì)于彼此就位。通過(guò)這種方式得到的結(jié)合也具有較高的溫度穩(wěn)定性。只要固化的材料14不熔化，由此金屬部分1不熔化，金屬部分1和陶瓷部分2就保持它們?cè)谌刍糠?變?yōu)楣袒牟牧?4時(shí)呈現(xiàn)的相對(duì)位置。
從上述部分可以明顯得出，金屬部分1和陶瓷部分2二者除設(shè)置通孔3外，都不經(jīng)受任何處理。特別是，每一部分都不經(jīng)受表面處理，或者用其它材料例如熔劑或粘結(jié)劑的表面處理。
從上述部分還可以明顯得出，不需要附加材料來(lái)進(jìn)行上述結(jié)合。特別應(yīng)該指出的是，不需要焊劑或其它第三種材料來(lái)形成金屬部分1和陶瓷部分2之間的結(jié)合。
在圖1-4所示的實(shí)施例中，通孔3以一個(gè)沿金屬部分1方向變細(xì)的開(kāi)口示出。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，具有除變細(xì)形式以外的其它形式的開(kāi)口也可以在固化的材料1 4和陶瓷部分2之間實(shí)現(xiàn)上述鎖定形式。在圖5中示出了本發(fā)明文中鎖定形式的一種特殊形狀。在圖5中，通孔3具有直壁4，鎖定形式由該熔化部分7形成，由于在該金屬部分1遠(yuǎn)離陶瓷材料的一側(cè)和陶瓷部分2遠(yuǎn)離金屬部分1的一側(cè)之間出現(xiàn)的壓差，在此較大的壓力出現(xiàn)在金屬部分1遠(yuǎn)離陶瓷部分2的一側(cè)，故熔化部分7被推動(dòng)穿過(guò)通孔3，然后流過(guò)邊緣15并固化成固化的材料14。固化的材料14突出超過(guò)邊緣15的邊緣16與邊緣15一起構(gòu)成一個(gè)鎖定形式，該鎖定使固化的材料14、金屬部分1和陶瓷部分2彼此牢固結(jié)合在一起。
在壓差太大和/或出現(xiàn)的時(shí)間太長(zhǎng)的情況下，就會(huì)有這樣的危險(xiǎn)，即熔化部分7被完全推出通孔3，根本不在金屬部分1和陶瓷部分2之間產(chǎn)生結(jié)合。圖6示出了這一問(wèn)題的解決方案。剛好在通孔3之下設(shè)置一個(gè)阻攔裝置21?？紤]到熔化部分7的高溫和考慮到熔化部分7不能被粘結(jié)到阻攔裝置21上的需要，阻攔裝置21面對(duì)通孔3的表面的至少一部分由陶瓷材料加工而成，或者阻攔裝置21由具有高導(dǎo)熱系數(shù)的材料加工而成。熔化部分7和陶瓷部分2之間的溫差越大，熔化部分7粘結(jié)到阻攔裝置21的陶瓷表面上的危險(xiǎn)就越小。熔化部分7和阻攔裝置21的陶瓷材料之間的大于50℃的溫差通常足以確保熔化部分7在高溫時(shí)不粘結(jié)到阻攔裝置21上。如果阻攔裝置21由具有高導(dǎo)熱系數(shù)的材料制成，則滲入通孔3中的熔化的金屬將在接觸時(shí)如此快地冷卻下來(lái)，從而沒(méi)有粘結(jié)或沒(méi)有明顯的粘結(jié)。
圖8示出了得到在該金屬部分1遠(yuǎn)離陶瓷材料的一側(cè)和陶瓷部分2遠(yuǎn)離金屬部分1的一側(cè)之間的壓差的另一種方式。在通孔3周圍，一個(gè)保持件18通過(guò)一個(gè)O形圈17靠放在陶瓷部分2上。保持件18通過(guò)一個(gè)連接管19連接到一個(gè)裝置20上，該裝置用于在保持件18中產(chǎn)生低于大氣壓的壓力。在金屬部分1對(duì)著通孔3的位置上已經(jīng)產(chǎn)生熔化部分7之后，裝置20便確保在在保持件18中有一個(gè)短時(shí)間持續(xù)的低于大氣壓的壓力。該壓差的結(jié)果是，熔化部分7被壓入通孔3中。然后該壓差便又減小，使得熔化部分7不再進(jìn)一步地滲入通孔3中，熔化部分7冷卻以形成固化的材料14。
在圖8所示的實(shí)施例中，阻攔裝置21可以例如剛性地設(shè)置在保持件18中。
圖7以示例的方式示出了如圖2和3的內(nèi)容所述的激光脈沖功率的時(shí)間函數(shù)過(guò)程，但也可應(yīng)用于圖5、6和8所示的實(shí)施例中。
在大約14ms的階段內(nèi)，激光脈沖保持為大約350W的功率P1。因此，金屬部分1熔化一定的直徑，例如600μm。該熔化的結(jié)果是干凈的并且沒(méi)有波峰(peaks)。然后一個(gè)功率為P2的短時(shí)間持續(xù)的激光脈沖射照該熔化部分大約01-0.3ms。根據(jù)這些因素，其中包括金屬部分1和陶瓷部分2之間的裂縫的寬度和熔化部分7的直徑，功率P2的范圍在700W和2.5kW之間。該短時(shí)間持續(xù)的高功率脈沖導(dǎo)致短時(shí)間持續(xù)蒸發(fā)的蒸汽云11(見(jiàn)圖3)。該蒸汽云的形成導(dǎo)致壓力沿陶瓷部分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電子源中的裝置中連接一個(gè)在電子源中形成格柵的金屬板和一個(gè)具有高位置精確性和溫度穩(wěn)定性的陶瓷板。這兩個(gè)板都是平的并在各個(gè)點(diǎn)被連接在一起。這些板具有250-380μm之間的厚度和外廓尺寸為1cm。通孔3具有260-400μm之間的直徑。該陶瓷材料為Al2O3。激光束5具有300-700W之間的功率并以10+15ms的時(shí)間階段照射該金屬。激光束5具有大約600μm的光點(diǎn)直徑。在保持件18中出現(xiàn)120-160mb的低于大氣壓的壓力。通孔4的壁3關(guān)于法線的斜度為20°。
這些給定值提供了以高位置精確性和溫度穩(wěn)定性在金屬部分1和陶瓷部分2之間實(shí)現(xiàn)金屬-陶瓷結(jié)合的可能性。同時(shí)，利用待結(jié)合的金屬本身作為熔化的基部確保不會(huì)有由于例如焊劑或其它熔劑可能造成的污染。利用金屬本身來(lái)產(chǎn)生熔化部分不需要附加的其它材料，同樣也可使結(jié)合非常的牢固。該位置精確性完全由金屬部分和陶瓷部分以其在連接前就位和保持相對(duì)彼此關(guān)系的精確性決定。
通過(guò)上述說(shuō)明，許多實(shí)施例和改型對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的。所有這些改型和實(shí)施例都被認(rèn)為落入在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.連接兩種不同材料(1、2)的方法，該方法包括如下步驟，即在一種材料(2)上設(shè)置通孔(3)，熔化另一種材料(1)貼近該通孔處的部分，隨后允許該部分固化在該通孔中，其特征在于，一種材料是陶瓷材料(2)，另一種材料是金屬(1)，在金屬(1)的熔化狀態(tài)中，在該金屬(1)遠(yuǎn)離陶瓷材料(2)的一側(cè)和在陶瓷(2)遠(yuǎn)離金屬的一側(cè)之間出現(xiàn)壓差，在金屬(1)遠(yuǎn)離陶瓷材料(2)的一側(cè)出現(xiàn)較大的壓力。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該壓差至少通過(guò)在陶瓷材料(2)遠(yuǎn)離金屬(1)的一側(cè)施加低于大氣壓的壓力產(chǎn)生。
3.按權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，該壓差至少通過(guò)在金屬(1)遠(yuǎn)離陶瓷材料(2)的一側(cè)施加高于大氣壓的壓力而產(chǎn)生。
4.按權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，金屬(1)被導(dǎo)致熔化貼近通孔(3)處的部分，該壓差通過(guò)導(dǎo)致金屬(1)遠(yuǎn)離陶瓷材料(2)的一側(cè)的熔化的金屬部分(7)蒸發(fā)而產(chǎn)生。
5.按權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，該蒸發(fā)由于使遠(yuǎn)離陶瓷材料(2)的熔化的金屬部分(7)側(cè)受到激光輻射(5)的照射而發(fā)生，其中該激光輻射導(dǎo)致熔化的金屬部分(7)的表面層(10)蒸發(fā)。
6.按上述權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，由于熔化的金屬部分(7)的固化，在金屬(1)和陶瓷材料(2)之間產(chǎn)生一種鎖定形式。
7.按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在產(chǎn)生壓差的時(shí)間階段內(nèi)，對(duì)著通孔(3)在陶瓷材料(2)遠(yuǎn)離金屬(1)的一側(cè)設(shè)置一個(gè)阻攔裝置(21)。
8.按權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，阻攔裝置(21)的表面材料對(duì)于熔化的金屬部分(7)是不粘結(jié)的。
9.按權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，阻攔裝置(21)的表面材料是一種陶瓷材料。
10.一種金屬(1)和非金屬(2)的組合結(jié)構(gòu)，其特征在于，該非金屬部分是一個(gè)陶瓷部分(2)，該陶瓷部分(2)設(shè)有一個(gè)通孔(3)，在熔化狀態(tài)(7)中，金屬部分(1)滲入通孔(3)中并固化。
11.按權(quán)利要求10所述的組合結(jié)構(gòu)，其特征在于，通孔(3)的形狀和固化的金屬(14)的形狀構(gòu)成一個(gè)鎖定形式。
12.按權(quán)利要求10或11所述的組合結(jié)構(gòu)，其特征在于，兩個(gè)部分(1、2)都是板狀的。
13.按權(quán)利要求10、11或12所述的組合結(jié)構(gòu)，其特征在于，通孔(3)沿金屬部分(1)的方向傾斜(4)。
14.一種金屬(1)和非金屬(2)的組合結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)按權(quán)利要求1-9所述的方法之一得到。
全文摘要
一種連接金屬(1)與陶瓷材料(2)的方法包括在該陶瓷材料中設(shè)置通孔(3)和將待連接到陶瓷材料(2)上的金屬(1)貼近帶有通孔(3)的陶瓷材料(2)放置的步驟。然后，金屬(1)熔化貼近通孔(3)的(7)。在陶瓷(2)遠(yuǎn)離金屬的一側(cè)和在該金屬(1)遠(yuǎn)離陶瓷材料(2)的一側(cè)之間出現(xiàn)壓差。在金屬(1)遠(yuǎn)離陶瓷材料(2)的一側(cè)出現(xiàn)較大的壓力。該壓差導(dǎo)致熔化部分(7)被壓入陶瓷材料(2)中的通孔(3)。通孔(3)具有這樣的形狀，即在固化之后，固化的材料(14)和通孔(3)具有互補(bǔ)鎖定的形式。
文檔編號(hào)B23K26/00GK1486289SQ02801901
公開(kāi)日2004年3月31日 申請(qǐng)日期2002年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月29日
發(fā)明者J·W·維坎普, D·K·迪肯, T·J·M·J·范根尼普, J W 維坎普, M J 范根尼普, 迪肯 申請(qǐng)人:皇家菲利浦電子有限公司