DE2742922A1 - Verfahren zum mittelbaren verbinden zweier teile - Google Patents
Verfahren zum mittelbaren verbinden zweier teileInfo
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Description
274292?
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 77 P 7 j 3 2 BRD
Verfahren zum mittelbaren Verbinden zweier Teile
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum mittelbaren Verbinden zweier Teile durch Verschweißung zweier Metallauflagen,
bei welchem die Metallauflagen im Vakuum auf die Verbindungsflächen aufgebracht und im Vakuum miteinander verschweißt ws rden.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DT-OS
2 253 913 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren soll zur Herstellung einer akustischen Lichtablenkeinrichtung ein beispielsweise
aus Quarz bestehendes akustooptisches Bauelement mit einem beispielsweise als piezoelektrischer Kristall ausgebildeten
elektromechanischen Wandler verbunden werden. Hierzu werden in einer Vakuumkammer auf die Verbindungsflächen der zu verbindenden
Teile zwei aufeinanderfolgende Schichten aus Gold und Chrom und aus Indium aufgedampft, wobei die aus Gold und Chrom bestehende
Schicht eine Stärke von wenigen tausend Angström-Einheiten und die Indiumschicht etwa die gleiche Stärke erhält.
Anschließend werden die mit Indium überzogenen Oberflächen im Vakuum für einige Minuten mit einem Druck von etwa 2800 bis
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3500 N/cm zusammengedrückt, wobei die beiden Indiumschichten
durch Kaltverschweißen miteinander verbunden werden. Sollen auf diese Welse aus druckempfindlichen Werkstoffen bestehende Teile
miteinander oder mit anderen Teilen verbunden werden, so besteht bei den relativ hohen, für die KaltverschwAßung erforderlichen
Drücken die Gefahr einer Zerstörung dieser Teile. Die Gefahr derartiger Zerstörungen besteht beispielsweise bei akustooptischen
Bauteilen aus Bleimolybdat oder bei elektromechanischen Wandlern aus Lithiumniobat.
Aus der PR-PS 2 162 743 ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung
akustischer Lichtablenkeinrichtungen bekannt, bei welchem ein beispielsweise aus Bleimolybdat bestehendes akustooptisches
Element mittelbar mit einem beispielsweise aus Lithiumniobat
bestehenden elektroakustischen Wandler verbunden werden soll. Hierzu werden auf jede der Verbindungsflächen nacheinander
ca. 200 Angström starke Titanschichten, ca. 200 Angström
starke Schichten aus Titan und Gold, ca. 3000 Angström starke Goldschichten und ca. 3000 Angström starke Indiumschichten in
einer Vakuumkammer aufgedampft. Anschließend werden dann die beiden
insgesamt ca. 6400 Angström starken Metallauflagen Im Vakuum
miteinander verschweißt, wobei bei einer Temperatur von ca. 6O0C
ein Druck in der Größenordnung von 2000 n/cm aufgebracht werden muß. Dieser Druck liegt unterhalb des für das Kaltverschweissen
vorstehend genannten Bereiches von 2800 bis 3500 N/cm , da es sich im vorliegenden Fall bei Schweißtemperatüren um 600C
um eine Art Thermokompressionsschweißen handelt. Bei den durch Erhöhung der Schweißtemperatur geringfügig herabgesetzten Drucken
besteht jedoch immer noch die Gefahr einer Zerstörung der zu verbindenden Teile. Außerdem können bei Teilen mit unterschiedlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten nach dem Abkühlen Spannungsrisse auftreten.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum mittelbaren Verbinden zweier Teile anzugeben, bei
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welchem auch aus durckempfindlichen Werkstoffen bestehende
Teile ohne die Gefahr einer Zerstörung fest und sicher miteinander verbunden werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die Metallauflagen in
Schichtstärken zwischen 0,5 nm und 55 nm aufgebracht werden. Die Schichtstärken werden also mindestens um einen in der Größenordnung
von 10 liegenden Paktor geringer bemessen, als es bei den bekannten Verfahren der Fall ist. Durch diese Maßnahme können
die Metallauflagen überraschenderweise durch bloßes in Berührung bringen im Vakuum praktisch drucklos fest und sicher
miteinander verschweißt werden. Dieser Effekt des Schweißens ohne merklichen Schweißdruck tritt jedoch nur in dem angegebenen
Bereich der Schichtstärken der Metallauflagen auf. Bei unter 0,5 nm liegenden Schichtstärken der Metallauflagen kann keine
sichere Schweißverbindung mehr erzielt werden, während bei oberhalb 55 nm liegenden Schichtstärken wieder ein unerwünscht hoher
Schweißdruck aufgewandt werden muß. Neben der Einsparung an Metall wrd mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens auch eine
äußerst schonende Behandlung der zu verbindenden Teile erreicht, da die Verbindungsflächen praktisch nicht mechanisch beansprucht
werden· Die ohne oder ohne merklichen Schweißdruck hergestellten mittelbaren Verbindungen sind nichi^lösbar. Meist ist die Pestigkeit
der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten mittelbaren Verbindungen höher als die Festigkeit der Grundwerkstoffe,
d.h. beim Abreißversuch liegt die Bruchstelle in dem an die Verbindungsstelle angrenzenden Bereich eines der Teile.
Aus der DT-OS 2 460 207 ist es bereits bekannt, zum mittelbaren
Verbinden zweier Teile zweischichtige Metallauflagen mit Schichtstärken zwischen 5,5 nm und 22 nm zu verwenden. Bei diesen bekannten
mittelbaren Verbindungen werden die Metallauflagen jedoch nicht durch Schweißen, sondern durch Aufsprengen miteinander
verbunden. Diese aus der Optik zur Verbindung von Glas-
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proben bekannte Aufsprengtechnik führt zu lösbaren Verbindungen und kann somit nicht mit den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten unlösbaren Verbindungen verglichen werden. Beim Aufsprengen müssen die Metallauflagen eine höchstmögliche
Planheit und Parallelität aufweisen, so daß sie, bei guter Sauberkeit aneinandergefügt, infolge der Kohäsionskräfte fest aneinanderhaften.
Die mit Hilfe der Aufsprengtechnik hergestellten Verbindungen bleiben auch nach längerer Zeit lösbar, d.h. die
Metallauflagen verschweißen nicht miteinander. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, daß das Aufsprengen manuell außerhalb
des Vakuums durchgeführt werdenmuß und Schweißverbindungen nur innerhalb der Vakuumkammer bei oxidfreien Oberflächen der
Metallauflagen hergestellt werden können.
Vorteilhaft werden aus Titan oder Chrom bestehende Metallauflagen aufgebracht, da diese Metalle auf den Verbindungsflächen
der zu verbindenden Teile besonders gut haften. Einschichtige Metallauflagen aus Titan oder Chrom werden insbesondere dann
angewendet, wenn bei der Verbindung auf eine besonders gute elektrische Leitfähigkeit oder niedrige akustische Impedanz
kein Wert gelegt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden zweischichtige, aus einer unteren Haftschicht und einer oberen Verbindungsschicht bestehende Metallauflagen
aufgebracht. Diese zweischichtigen Metallauflagen können dann so ausgewählt werden, daß die Haftschicht eine besonders gute
Haftung zu der Verbindungsfläche der Teile aufweist und daß die Verbindungsschicht zu besonders sicheren Schweißverbindungen
führt, Hierbei hat es sich als besonders günstig herausgestellt, wenn die Haftschicht in einer Schichtstärke zwischen 0,5 mn
und 5 nm aufgebracht wird und wenn die Verbindungsschicht in einer Schichtstärke zwischen 5 nm und 50 nm aufgebracht wird.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn für die Haftschicht Titan oder Chrom verwendet wird und wenn für die Verbindungsschicht
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eines der Metalle aus der Gruppe Gold, Silber, Platin, Kupfer,
Aluminium und Indium verwendet wird. Das Chrom oder Titan führt hierbei zu einer ausgezeichneten Haftung auf den Verbindungsflächen, während Gold, Silber, Platin, Kupfer, Aluminium und
Indium eine vorzügliche Schweißbarkeit aufweisen. Je nach den gegebenen Erfordernissen können die Metalle für die Verbindungsschicht so ausgewählt werden, daß sie, wie beispielsweise Gold
und Silber eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen oder, wie beispielsweise Silber, Kupfer und Aluminium zu einer besonders
geringen Schallabsorption führen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden die Verbindungsflächen der zu verbindenden Teile auf eine Ebenheit von weniger, als 1/um und eine
Rauhtiefe von weniger als 0,1/um bearbeitet. Durch diese Maßnahme ergibt sich eine auch im Mikrobereich flächige Berührung
der Metallauflagen und somit eine besonders sichere Schweißverbindung .
Werden die zu verbindenden Teile beim Verschweißen der Metall-
auflagen mit einem Druck bis zu 10 N/cm zusammengepreßt, so ergibt
sich insbesondere bei dünnen elastischen Teilen eine bessere flächenhafte Berührung und somit Verschweißung der Teile.
Dieser relativ geringe Druck dient hierbei dazu, Unebenheiten der zu verbindenden Flächen auszugleichen.
Vorzugsweise wird das Verschweißen der Metallauflagen bei Raumtemperatur
vorgenommen. Hierdurch werden bei Teilen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten durch das Abkühlen
auftretende Spannungen ausgeschlossen.
Vorteilhaft wird auf die Verbindungsfläche mindestens eines der
zu verbindenden Teile, vor dem Aufbringen der Metallauflage, im
Vakuum eine maximal 100 nm starke Zwischenschicht eines bleifreien
Glases aufgebracht. Diese Zwischenschicht wirkt als Diffu-
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slonssperre und verhindert somit, daß eventuell vorhandene schädliche Stoffe in die Metallauflagen diffundieren und ein Verschweig·
sen der Metallauflagen verhindern oder erschweren. Ein derartiger
schädlicher Stoff ist beispielsweise Blei, das in Bleimolybdat,
Bleiglas oder in bestirnten plezokermaischen Materialien enthalten ist. Sie aus bleifreien Glas bestehende Diffusionssperrschicht verhindert andererseits auch, daß das Metall der Metallauflagen nach der Herstellung der mittelbaren Verbindung in
eines oder beide der verbundenen Teile diffundiert und die Ver
bindung hierdurch schwächt oder löst. Die Diffusionssperrschicht
führt somit zu besonders dauerhaften und sicheren mittelbaren Verbindungen·
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Figur 1 bis 4- in vereinfachter schematischer Darstellung die
verschiedenen Verfahrensstadien bei der Herstellung einer mittelbaren Verbindung zwischen zwei Teilen und
Figur 5 bis Figur 9 verschiedene Verfahrensstadien bei der Her
stellung einer akustischen Lichtablenkeinrichtung.
Figur 1 zeigt ein Teil 1, welches mit einem in Figur 2 dargestellten Teil 2 mittelbar verbunden werden soll, da eine unmittelbare Verbindung nicht möglich ist. Dieses Erfordernis einer mittel-
baren Verbindung ergibt sich beispielsweise, wenn die Teile 1 und 2 aus nicht miteinander verschmelzbaren und nicht lötbaren
Werkstoffen bestehen. Zur Herstellung dieser mittelbaren Verbindung werden die Verbindungsflächen 10 und 20 der zu verbindenden Teile 1 und 2 zunächst mittels bekannter Läpp- und Schleif-
verfahren eben und glatt gemacht, bis eine Ebenheit von weniger als 1 /um und eine Rauhtiefe von weniger als 0,1/um erreicht ist.
Anschließend werden die Teile 1 und 2 gemäß Figur 3 in einer Vakuumkammer 3 angeordnet, in welcher über eine Saugleitung 4
und eine Vakuumpumpe 5 ein Vakuum erzeugt wird. Daraufhin wird
das in einem Schmelztiegel 6 enthaltene Metall erhitzt und auf
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die Verbindungsflachen 10 und 20 der Teile 1 und 2 aufgedampft,
bis geschlossene Metallauflagen 101 bzw. 201 mit einer gleichmäßigen Schichtstärke von mindestens 0,5 mn und höchstens 55 nm
entstehen. Die Verdampfung der Metalle kann auch mit Hilfe eines Elektronenstrahls vorgenommen werden. Neben dem Aufdampfen
können die Metallauflagen 101 und 201 auch durch Aufstäuben aufgebracht werden. Als Metallauflagen 101 und 102 sind beispielsweise
5 nm starke Titanschichten geeignet. Nach dem Bedampfen der Teile 1 und 2 werden diese gemäß Figur 4- ohne Zwischenbelüftung
der Vakuumkammer 3 so zusammengebracht, daß sich die Metallauflagen 101 und 201 berühren. Dies erfolgt mit Hilfe einer
in der Zeichnung nicht dargestellten Vorrichtung, welche über eine vakuumdichte Durchführung bedient werden kann. Sobald zwischen
den Metallauflagen 101 und 201 eine innige Berührung hergestellt ist, verschweißen sie miteinander und führen somit zu
einer mittelbaren Verbindung zwischen den Teilen 1 und 2. Nach dem Verschweißen wird dann die Vakuumkammer 3 belüftet, worauf
die miteinander verbundenen Teile 1 und 2 entnommen werden können.
Figur 5 zeigt ein aus Bleimolybdat bestehendes akustooptisches Bauelement 7, welches zur Bildung einer akustischen Lichtablenkeinrichtung
mit einem in Figur 6 dargestellten piezoelektrischen Kristall 8 verbunden werden soll. Zur Herstellung einer festen
und dauerhaften Verbindung werden die Verbindungsflächen 70 und 80 der Teile 7 und 8 zunächst mittels bekannter Läpp- und Schleifverfahren
auf eine Ebenheit von 1/um, vorzugsweise 2 bis 3 Newtonringen gebracht. Nach einer sorgfältigen Reinigung der Verbindungsflächen
70 und 80 werden die Teile 7 und 8 gemäß Figur 7 in einer durch die strichpunktierte Linie 9 angedeuteten Vakuumkammer
angeordnet. Innerhalb der Vakuumkammer 9 wird dann zunächst auf die Verbindungsfläche 70 des Teiles 7 eine ca. 75 nm
starke Schicht 701 eines bleifreien Glases aufgedampft oder aufgestäubt. Diese Schicht 701 wirkt als Diffusionssperre und verhindert,
daß das im Teil 7 enthaltene Blei in die spätere Ver-
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bindungszone diffundiert und eine Verbindung erschwert oder verhindert. Wenn das Teil 8 aus einem bleihaltigen piezokeramischen
Werkstoff, wie Blei-Zirkon-Titanat besteht, so wird auf seine
Verbindungsfläche 80 eine der Schicht 701 entsprechende Schicht >
eines bleifreien Glases aufgebracht.
Nach dem Aufbringen der Schicht 701 werden auf die Teile 7 und 8 gleichzeitig jeweils ca. 2 mn starke, aus Titan bestehende
Haftschichten 702 bzw. 802 aufgedampft oder aufgestäubt. Danach werden auf diese Schichten gleichzeitig jeweils ca. 10 nm starke
aus Gold bestehende Verbindungsflächen 703 bzw. 803 aufgebracht. Auf diese Weise erhält das Teil 7 eine zweischichtige Metallauflage 704 und das Teil 8 eine zweischichtige Metallauflage 804.
Nach dem Aufbringen der Metallauflagen 704 und 804 werden gemäß Figur 8 die Teile 8 und 7 innerhalb der Vakuumkammer 9 ohne
vorhergehende Zwischenbelüftung und bei Raumtemperatur so zusammengebracht, daß sich die freien Oberflächen der Verbindungsschichten 703 und 803 berühren. Zur Intensivierung dieser Be-
rührung und zum Ausgleich geringer Unebenheiten wird auf die
Teile 7 und 8 ein in der Größenordnung von ca. 5 N/cm liegender Druck F ausgeübt. Sobald sich die Verbindungsschichten 703 und
803 berühren, verschweißen sie flächig miteinander, so daß sich eine unlösbare und mittelbare Verbindung der Teile 7 und 8 er
gibt. Zur Fertigstellung der akustischen Lichtablenkeinrichtung
brauchen dann nur noch in bekannter Weise die für eine Kontaktierung erforderlichen Elektroden durch weiteres Aufdampfen
oder Aufstäuben von Metall hergestellt zu werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich vorzüglich für die Herstellung von akustooptischen Bauelementen, da die äußerst
dünnen, für die mittelbare Verbindung erforderlichen Metallauflagen den Schall nicht absorbieren. Es können jedoch auch in
anderen Fällen, in denen eine unmittelbare Verbindung nicht
möglich ist, mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens vakuum-
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und druckdichte mittelbare Verbindungen hergestellt werden. So können beispielsweise Fenster aus Quarzglas, Filtergläser oder
Kristalle an Glas-Keramik- oder Metallflächen vakuumdicht befestigt werden, oder in Druckmeßgeräten mittelbare Verbindungen
von Membranen und dem Gehäuse oder dem Meßkörper hergestellt werden. Mit dem erfindungagemäßen Verfahren bei Raumtemperatur
hergestellte Verbindungen zwischen Teilen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zeichnen sich hierbei durch einen
bei Raumtemperatur spannungsfreien Zustand aus.
9 Patentansprüche
8 Figuren
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Claims (9)
1.\ Verfahren zum mittelbaren Verbinden zweier Teile durch Ver-V
/ schweißung zweier Metallauflagen, bei welchem die Metallauflagen
im Vakuum auf die Verbindungsflächen aufgebracht und im Vakuum miteinander verschweißt werden, dadurch ge kennzeichnet
, daß die Metallauflagen (101, 201, 704, 804) in Schichtstärken zwischen 0,5 mn und 55 mn aufgebracht
werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net , daß aus Titan oder Chrom bestehende Metallauflagen
(101, 201) aufgebracht werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net , daß zweischichtige, aus einer unteren Haftschicht
(702, 802) und einer oberen Verbindungsschicht (703, 803) bestehende Metallauflagen (704, 804) aufgebracht werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net
, daß die Haftschicht (702, 802) in einer Schichtstarke zwischen 0,5 mn und 5 mn aufgebracht wird und daß die
Verbindungsschicht (703, 803) in einer Schichtstärke zwischen 5nm und 50 mn aufgebracht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch g e k e η η
zeichnet , daß für die Haftschicht (702, 802) Titan oder Chrom verwendet wird und daß für die Verbindungsschicht
eines der Metalle aus der Gruppe Gold, Silber, Platin, Kupfer, Aluminium und Indium verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Verbindungsflächen
(10, 20, 70, 80) der zu verbindenden Teile (1, 2, 7, 8) auf eine Ebenheit von weniger als 1/um und eine Rauhtiefe
von weniger als 0*1/um bearbeitet werden.
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ORIGINAL INSPECTED
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7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die zu verbindenden Teile
(7, 8) beim Verschweißen der Metallauflagen (704, 804) mit einem Druck (P) bis zu 10 N/cm zusammengepreßt werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Verschweißen der Metallauflagen
(101, 102, 704, 804) bei Raumtemperatur vorgenommen wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß auf die Verbindungsfläche (70) mindestens eines der zu verbindenden Teile (7» 8)
vor dem Aufbringen der Metallauflage (704) im Vakuum eine maximal 100 mn starke Zwischenschicht (701) eines bleifreien
Glases aufgebracht wird.
Ö098U/0U1
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