复合材料及其制造方法和应用

本发明涉及一种由一层氧化铝蓝宝石(Aluminiumoxid-Saphir)和一层 氧化铝陶瓷(Aluminiumoxid-Keramik)构成的、真空密封且承受温度交变的 复合材料。本发明还涉及一种制造这类复合材料的方法以及这类复合材料 的一种应用。

氧化铝蓝宝石在此理解为那些夹杂有二氧化钛的氧化铝结晶刚玉结构 (α-Al2O3)。与此相反，氧化铝陶瓷理解为一种基本上通过陶土(硅酸铝)焙烧 而制成的陶瓷材料。这种陶瓷材料的主要成份为处于玻璃相的结晶改型氧 化铝。此外在这种陶瓷中还存在金属氧化物。

一种透光氧化铝陶瓷例如在高压气体放电管中得到应用，这可从欧洲 专利申请公开说明书EP-A-0327049以及在德国专利申请公开说明书 DE-A-2307191得知。在此通常为管形、作为放电容器的氧化铝陶瓷中必须 引入一个需与该氧化铝陶瓷真空密封相连接的金属电流导体。为此，在该 氧化铝陶瓷上烧结金属膏状物，从而得到一金属层。然后该金属电流导体 例如借助一硬焊料以真空密封方式紧密地置于该金属层。在美国专利说明 书US3590468中描述了一种在一纯氧化铝和一金属之间的密封方法。因此， 由现有技术仅得知一种由氧化铝陶瓷和金属构成的复合材料，但不是一种 由氧化铝蓝宝石和氧化铝陶瓷构成的复合材料。

由于氧化铝蓝宝石和氧化铝陶瓷的热膨胀系数彼此不同，两材料之间 承受温度交变的固定连接变得极其困难。在上述两种材料之间满意而持久 的真空密封连接(例如在将一个光导引到一个真空中所要求的情况)，至今还 未被现有技术公知。大量研究表明，这种材料的所有公知连接在温度交变 负荷条件下不能持久。

本发明要解决的技术问题是，提供一种由氧化铝蓝宝石和氧化铝陶瓷 构成的、承受温度交变的真空密封复合材料，其中氧化铝蓝宝石和氧化铝 陶瓷以承受温度交变方式固定连接。此外，本发明还要解决的技术问题是， 提供一种制造这种复合材料的方法。最后，本发明所要解决的技术问题是， 同时提供这种复合材料的一种应用。

按照本发明，所提到的第一个技术问题是这样来解决的：氧化铝蓝宝 石和氧化铝陶瓷经一第一连接层和一第二连接层而彼此烧结，其中第一连 接层与氧化铝陶瓷相邻，且具有一锰硅酸盐玻璃，该锰硅酸盐玻璃至少包 含有钼、钨、钯和铂这组金属中的一种，其中该第二连接层与氧化铝蓝宝 石相邻，且具有一锰硅酸盐玻璃。这里第一连接层的锰硅酸盐玻璃包含氧 化铝和/或二氧化钛。第二连接层的锰硅酸盐玻璃也包含氧化铝和/或二氧化 钛，其中氧化物即氧化铝和氧化钛在第二连接层的锰硅酸盐玻璃中所占的 重量份额总体上比第一连接层的锰硅酸盐玻璃高。

对此，本发明从这样的考虑出发：通过将金属加入到锰硅酸盐玻璃能 使第一连接层的热膨胀系数与氧化铝陶瓷的热膨胀系数相匹配。而锰硅酸 盐玻璃本身的热膨胀系数与氧化铝蓝宝石的热膨胀系数相似。就这方面来 说，经第一连接层和第二连接层，氧化铝蓝宝石的热膨胀系数逐渐与氧化 铝陶瓷热膨胀系数相适配。该材料连接处在温度交变负荷下所出现的应力 减小了。

目前，广泛的研究进一步表明：通过在第一连接层的锰硅酸盐玻璃中 增添至少一种所述金属，则在氧化铝陶瓷上进行烧结时该第一连接层与氧 化铝陶瓷就产生一种牢固的结晶内聚合和玻璃与金属封接(Anglasung)。此 外，在第一连接层和第二连接层之间彼此也发生了该两连接层的结晶内聚 合和玻璃与金属的封接。由于在第二连接层中高的玻璃组分，在烧结时氧 化铝蓝宝石和第二连接层的交界处形成了一表面混合晶体，也就是一种持 久的化合物。

正如研究已指出的那样，在去掉第一连接层时，氧化铝蓝宝石在温度 交变负荷下会从氧化铝陶瓷上剥落。相反，如果不用第二连接层，则氧化 铝蓝宝石就完全不能粘附在该第一连接层添加了金属的锰硅酸盐玻璃上。

如果氧化铝蓝宝石象所描述的那样经第一连接层和第二连接层与氧化 铝陶瓷进行烧结，那么这样一种复合材料就能在一个宽范围内经受住温度 交变负荷。在-60℃和+200℃之间的温度交变负荷下，完全能断定复合材料 不会裂开。

在本发明的一种优选方案中，第一连接层的锰硅酸盐玻璃中金属份额 的总和占重量的65％至85％。如果所提到的金属份额位于此范围内，则第 一连接层的热膨胀系数能与最通用组分的氧化铝陶瓷的热膨胀系数相匹 配，而不会减弱第一连接层与氧化铝陶瓷的连接。

此外，优选第一连接层的锰硅酸盐玻璃附加地包含直到6％重量份额的 氧化铝和/或二氧化钛。这样的份额进一步改善了第一连接层与氧化铝陶瓷 的连接。

在另一个优选方案中，第二连接层的锰硅酸盐玻璃包含有直到30％重 量份额、尤其是15-25％重量份额的氧化铝和/或二氧化钛。通过向第二连接 层的锰硅酸盐玻璃中添加这样一个份额，第二连接层的热膨胀系数改变了， 就这方面来说，对于氧化铝蓝宝石中的不同掺杂份额和对于氧化铝陶瓷的 不同组分，可使该复合材料承受温度交变的能力最佳化。

本发明涉及制造这样一种复合材料的技术问题这样来解决：a)按照下述 步骤制造一种第一丝网印油(Siebdruckpaste)，a1)将一种锰硅酸盐玻璃的粉 末与一种包含至少钼、钨、钯和铂这组金属之一的粉末混合，得到一种混 合粉末，a2)在该混合粉末中掺入一种悬浮剂和/或粘结剂；b)按照下述步 骤制造一种第二丝网印油，b1)在一种包含有比第一锰硅酸盐玻璃中更高重 量份额的氧化铝和/或二氧化钛的锰硅酸盐玻璃的粉末中掺入一种悬浮剂和 /或粘结剂；c)通过将第一丝网印油和第二丝网印油作丝网印刷(Siebdruck) 制成一种按氧化铝陶瓷、第一连接层、第二连接层、氧化铝蓝宝石顺序的 层状材料；最后，d)在1200℃至1500℃下完成焙烧过程。

锰硅酸盐玻璃粉末或者可以作为现成的产品在市场上买来，或者通过 将软锰矿MnO2与硅酸或二氧化硅SiO2混合、将混合粉末熔化、使熔液凝 固、接着将凝固的熔液研磨而制成。混合粉末中MnO2的重量份额为55-63％， SiO2为45-37％。

在制造第一丝网印油的混合粉末时，该锰硅酸盐玻璃的粉末和至少一 种已提到的金属混合，得到紧密的混合粉末。

为了能由粉末制成能作丝网印刷的丝网印油，将悬浮剂和/或粘结剂添 加到混合粉末或粉末中是必要的。通过丝网印刷有可能简单地均匀涂敷具 有所需强度的层厚的的中间层。为制得该复合材料，首先可以通过丝网印 刷在氧化铝陶瓷上涂敷上第一层丝网印油，然后涂敷第二丝网印油，接着 再将氧化铝蓝宝石置于其上，且将以这种方式形成的层状产品在1200℃至 1500℃下焙烧，即烧结。显然，该方法的过程也可以采用相反的顺序进行， 即首先在氧化铝蓝宝石上涂敷第二丝网印油，接着涂敷第一丝网印油，然 后将氧化铝陶瓷置于其上。但由于通常在这样一种复合材料中氧化铝陶瓷 相对于氧化铝蓝宝石体积更大，所以前一种操作方式通常可以更简单地实 现。

除了已阐明的、权利要求6至8中所指明的金属的特定重量份额或者 氧化铝和二氧化钛(对此还可以采用氢化钛作为原材料)的特定重量份额所 带来的优点外，在第一丝网印油作丝网印刷后和/或在将第二丝网印油作丝 网印刷后，各自在1200℃至1500℃条件完成一个独立的焙烧过程，则本 发明的方法更为有利。这样可以避免两层涂敷的丝网印油之间产生溶剂效 应。

就加工来说，如果锰硅酸盐玻璃粉末为一种平均粒径小于10微米、尤 其是小于2微米的粉末，则是十分有利的。

此外，由于同样的原因，如果一种或多种所提到的金属粉末为平均粒 径小于15微米、尤其是小于5微米的粉末，也是十分有利的。

关于丝网印油，如果采用植物油或萜品油(Terpineoloel)作为悬浮剂是有 优点的。已证实将乙基纤维素(Ethylzellulose)作为粘结剂是有利的。所提到 的添加剂是可以在市场上买到的，且在焙烧过程中不会产生污染环境的分 解物。

关于复合材料的耐久性和承受温度交变能力，已证实当第一丝网印油 涂敷厚度为2至20微米、而第二丝网印油涂敷厚度为2至200微米时是 十分有利的。

本发明所述最后一个技术问题是这样解决的，将该复合材料用于将一 块氧化铝蓝宝石窗安装在光激发闸流晶体管(lichtzuendbar Thyristop)的壳体 上。光激发闸流晶体管(如同其名称所表达的)不是由电压信号而是由光来接 通或激发的。闸流晶体管通常用来接通大电流。对此，一个闸流晶体管作 为一种所谓的大功率半导体通常置放于一个带有一个氧化铝陶瓷绝缘环形 壁的壳体中的两金属触头之间。其中，氧化铝陶瓷用来作为施加在闸流晶 体管两极(即两金属触头)之间高电压的电绝缘。该壳体内部通常被抽真空。

对于一种安装在这样一种壳体中的光激发闸流晶体管，目前在将光穿 过壳体耦合到闸流晶体管光敏感部位方面存在问题。为将光耦合到晶体管 上，这里提供了一种设置在壳体上的氧化铝蓝宝石窗，一根光导从外部导 向到该氧化铝蓝宝石窗。由于该壳体内部抽真空，而且在将闸流晶体管安 装后必须将一个或两个所提到的触头与氧化铝陶瓷壁焊接，则位于该氧化 铝蓝宝石窗和壳体之间的复合材料必须是耐久的、牢固的、真空密封和能 承受温度交变的。出于此原因，上述复合材料正好适合用来作为这样一种 应用。

对于这种应用的优选方式是将该氧化铝蓝宝石窗安装在壳体上由氧化 铝构成的局部区域。对此，该窗在其周边区经第一连接层和第二连接层以 所述方式与氧化铝陶瓷烧结在一起。

在另一种应用的优选方式中，该窗设置在由第一金属构成的壳体的局 部区域。这一局部区域例如可以是所述金属触头之一。对此，该窗在其周 边区经第一连接层和第二连接层与由氧化铝陶瓷制成的第一材料件固定连 接，且此第一材料件经金属焊剂与壳体局部区域的第一金属牢固焊接。该 复合材料在此用来将氧化铝蓝宝石窗与该壳体局部区域的第一金属连接。 其中该第一材料件的氧化铝陶瓷与壳体局部区域的第一金属的连接本身是 已知的，且和壳体金属局部区域或壳体金属触头与氧化铝陶瓷环形壁的焊 接方法相当。

在另一种优选的应用实施方式中，第一材料件的氧化铝陶瓷经一金属 焊剂与一由第二金属形成的第二材料件固定连接，且该第二材料件经一金 属焊剂与壳体局部区域的第一金属焊接。这样氧化铝蓝宝石窗和壳体局部 区域的第一金属的热膨胀系数经过该第一材料件和第二材料件而趋于接 近。经过该第一材料件和第二材料件，该氧化铝蓝宝石的热膨胀系数逐渐 过渡成为第一金属的热膨胀系数。

尤其是一种银/铜低共熔质焊剂(L-Ag72，DIN8513)适于作为金属焊剂， 就此而言采用另一种焊剂同样是可能的。

用于接纳大功率半导体的壳体的金属触头通常由铜制成。就第二材料 件与壳体的金属局部区域的良好焊接而言，优选该第二金属为镍/铁合金。

在又一种优选的应用实施方式中，第一材料件与第二材料件彼此这样 成角度相连接，使得在温度变化时所出现的第一金属的局部区域与氧化铝 蓝宝石窗的长度差通过该第一材料件和第二材料件的相对运动而得到补 偿，而在连接处基本上不产生负荷。

通过“成角度连接”形成一个允许第一材料件和第二材料件相对运动 的杠杆结构。由于氧化铝蓝宝石和金属的不同热膨胀系数而在温度交变负 荷下形成的长度差经过该第一材料件和第二材料件的相对运动而彼此补 偿。这种窗与金属局部区域的金属的连接本身减轻了其所承受的机械负载。 以这种方式，氧化铝蓝宝石窗与壳体金属局部区域的金属的连接能经受住 那种特别是在将该金属局部区域与氧化铝陶瓷壳体局部区域进行焊接时所 出现的增大了的温度交变负荷。

下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明：

图1中以断面图方式示出一种由氧化铝蓝宝石和氧化铝陶瓷构成的复 合材料；

图2示意示出图1所示复合材料的制造方法；

图3以局部剖示和透视图的方式示出一个放置光激发闸流晶体管的壳 体，其带有一块安装在一金属触头处的透光窗口；

图4以图3的一个断面示出该安装的氧化铝蓝宝石窗口与金属触头的 连接；

图5以断面图方式示出一块氧化铝蓝宝石窗，该窗口安装在一光激发 闸流晶体管壳体的环行绝缘壁的氧化铝陶瓷上。

图1以断面图方式示出一种带有一层氧化铝陶瓷5的复合材料1，该氧 化铝陶瓷5经一第一连接导层3和一第二连接层4与一层氧化铝蓝宝石2 相连接。该第一连接层3包含有锰硅酸盐玻璃，其填充有占其重量70％的 钼。第二连接层4同样包含有锰硅酸盐玻璃，但其填充有占其重量20％的 氧化铝。所示复合材料1通过将各种材料彼此烧结而制成。其中在氧化铝 蓝宝石2和第二连接层4之间以及在第一连接层3和第二连接层4之间不 仅产生了材料的结晶内聚合，而且产生了金属与玻璃封接。该氧化铝陶瓷5 在烧结后通过一形成的表面混合晶体与第一连接层牢固地连接。

图2示意地描述了图1的复合材料的制造方法。首先准备好一种锰硅 酸盐玻璃的粉末G和一种或多种耐火金属钼、钨、钯或铂的粉末M。通过 将粉末G和M混合和筛选，制成混合粉末P。由于锰硅酸盐玻璃粉末可以 购买到，对其的制备不作详细描述。然而这样一种粉末能象上面已提到过 的那样由软锰矿MnO2和结晶二氧化硅SiO2制成。

通过将悬浮剂和粘结剂S和K掺入到混合粉末P中的掺入步骤9，制 得第一丝网印油SP1。通过将悬浮剂和粘结剂S和K掺入到锰硅酸盐玻璃 粉末G中，再制得第二丝网印油SP2。

借助丝网印刷10将第一丝网印油SP1涂敷在氧化铝陶瓷上。接着将带 有涂敷的第一丝网印油SP1的氧化铝陶瓷在温度1300℃下进行焙烧11。紧 接此焙绕步骤11，借助丝网印刷将第二丝网印油SP2通过涂敷步骤12涂敷 在经焙烧步骤11由第一丝网印油得到的第一连接层上。接着通过步骤13 再将氧化铝蓝宝石置于其上。

最后，将形成的层状材料(Materialabfolg)经过一个随后的焙烧步骤14 再在1300℃下彼此进行烧结。

图3以局部剖开的透视图方式描述了一个用于大功率半导体的壳体 16。该壳体16有一个金属壳盖17，其通过一绝缘壁18与一个金属壳底19 电绝缘。该壳盖17和壳底19由表面镀镍的铜制成。该壳盖17和该壳底19 都各自成为一金属触头，且对此各具有一个伸入壳体内部的加厚部分20和 22以安放该大功率半导体。经加厚部分20和22将一个作为大功率半导体 的光激发闸流晶体管夹紧在壳盖17和壳底19之间。为使壳盖17与壳底19 电压绝缘，该绝缘壁18由氧化铝陶瓷制成。

为激发该光激发闸流晶体管24，该壳盖17有一个孔27，其中安放了 一块由氧化铝蓝宝石制成的窗(图3中不能见到)。在一条位于该壳盖17上 的沟槽26中有一根光导管28通过，其出口终止在置于该孔27中的氧化铝 蓝宝石窗之前。由该光导管28出来的光经氧化铝蓝宝石窗到达壳体16内 部并触及到该光激发闸流晶体管24的光敏感位置。以这样的方式，经该光 导管28发送一光脉冲而接通该光激发闸流晶体管24。

图4描述了图3中沿IV-IV线剖切的局部放大图。可以看到开有孔27 的壳盖17。同样，可以看到终止在直接紧邻氧化铝蓝宝石窗的光导管28的 出口。

该孔27在朝向壳体内部的一侧有一个直径更大一些的凹口30以接纳 该窗29的固定材料。该氧化铝蓝宝石窗29设计成一个在其周边区与一空 心圆柱形的、由氧化铝陶瓷制成的第一材料件31相连接的圆盘。该氧化铝 陶瓷第一材料件再经一盘形的、由镍/铁合金制成的第二材料件32与壳盖 17焊接。

该氧化铝蓝宝石窗29如图1所示复合材料那样经一第一连接层和一第 二连接层35与该第一材料件固定连接(图4中未作进一步描述)。该氧化铝 陶瓷第一材料件再经一金属焊剂(Metalllot)36与镍/铁合金材料件32焊接。 最后该第二材料件32经一金属焊剂37与壳盖17焊接。各采用一种银/铜焊 剂作为金属焊剂。

该氧化铝蓝宝石窗29的厚度为0.55毫米。该空心圆柱形第一材料件的 壁厚为1.33毫米。该盘形第二材料件约0.25毫米厚。采用市场上可买到的 商业名称为Vacodil的真空熔炼镍/铁合金作为第二材料件的镍铁合金。

通过将第一材料件31与第二材料件32成角度相连接，则在壳盖17 受到温度交变应力而造成孔的直径减小或变大时，有可能使该两材料件31、 32作相对运动。这样补偿了该窗29相对于该壳盖17金属的不同热膨胀系 数。该氧化铝蓝宝石窗29与该壳盖17的连接保持真空密封，就是当壳盖 以约600℃的焊接温度焊接在该绝缘壁18上时也是如此。

将图1的复合材料用于将氧化铝蓝宝石窗29安装在放置一光激发闸流 晶体管的壳体的壳盖17上，首先可以使该窗29与该壳盖17形成一种持久 的、真空密封的、能承受温度交变的连接，从而可使光经过窗耦合到壳体 内部。这样就可以不必再费时地将该光导管引入到该壳体抽空的内部。

最后图5示出，图1所示的复合材料被用于直接将该氧化铝蓝宝石窗 29置于氧化铝陶瓷绝缘壁18上。为此该绝缘壁18在合适的位置处切平， 将该窗29安装在那里。

图5清楚地示出图3所示壳体16的绝缘壁18的氧化铝陶瓷40。该氧 化铝陶瓷40经一第一连接层3和一第二连接层4(如对图1所作说明那样) 与氧化铝蓝宝石窗29进行烧结。图1所示复合材料还可以在这样一种应用 中将该氧化铝蓝宝石窗29与该壳体16绝缘壁18的氧化铝陶瓷形成一种可 靠的、真空密封的、能承受温度交变的连接。这种相当简单的方式能再次 不必将光导管引入到该光激发闸流晶体管的光敏感区的内部。