DE102006041048A1

DE102006041048A1 - Keramische Verdampferschiffchen, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung

Info

Publication number: DE102006041048A1
Application number: DE200610041048
Authority: DE
Inventors: Dietrich Lange; Martin Seifert
Original assignee: ESK Ceramics GmbH and Co KG
Current assignee: ESK Ceramics GmbH and Co KG
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2006-09-01
Publication date: 2008-03-20
Also published as: WO2008025447A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verdampferschiffchen aus elektrisch leitfähigem Keramikmaterial für die Verdampfung von Metall, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verdampferfunktionsfläche, von welcher die Verdampfung des Metalls erfolgt, ein oder mehrere Strömungsleitkanäle einer Breite von mindestens 1,5 mm und einer Tiefe von bis zu 3 mm vorgesehen sind, wobei mindestens eine der Begrenzungsflächen der Strömungsleitkanäle benetzungsfördernd modifiziert ist. Die erfindungsgemäßen Verdampferschiffchen zeigen eine ausgezeichnete Abdampfleistung und/oder eine erhöhte Lebensdauer.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Verdampferschiffchen aus elektrisch leitfähigem Keramikmaterial, Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung zum Bedampfen von Substraten mit Metallen.
Stand der Technik
Das gebräuchlichste Verfahren zum Beschichten von flexiblen Substraten mit Metallen, insbesondere mit Aluminium, ist die so genannte Hochvakuum-Bandbedampfung. Hierbei wird das zu beschichtende Substrat über eine gekühlte Walze geführt und dabei dem Aluminiumdampf ausgesetzt, der sich auf der Substratoberfläche als dünne Metallschicht niederschlägt.
Zur Erzeugung des erforderlichen konstanten Dampfstromes werden keramische Verdampfer, so genannte Verdampferschiffchen, im direkten Stromdurchgang auf etwa 1450°C erhitzt. Aluminiumdraht wird kontinuierlich zugeführt, auf der Keramikoberfläche verflüssigt und bei einem Vakuum von etwa 10^–4 mbar verdampft. In Metallisierungsanlagen sind eine Reihe von Verdampferschiffchen so angeordnet, dass sich über die gesamte Breite des Substrates eine gleichmäßig dicke Aluminiumschicht niederschlägt.
Die chemische Zusammensetzung der Verdampferschiffchen aus elektrisch leitfähigem Keramikmaterial besteht in der Regel aus Titandiborid (TiB₂), Bornitrid (BN) und wahlweise Aluminiumnitrid (AIN). Hierbei ist TiB₂ die elektrisch leitende Komponente, die es erlaubt, den Verdampfer wie einen Ohmschen Widerstand aufzuheizen.
Die herkömmlichen keramischen Verdampferschiffchen, in welchen als Verdampferfunktionsfläche eine mehr oder weniger glatte Kavität eingeschliffen wurde, sind jedoch im Hinblick auf ihre Abdampfleistung hinsichtlich des zu verdampfenden Metalls als auch im Hinblick auf ihre Lebensdauer nicht ganz zufriedenstellend. Um wirtschaftlicher produzieren zu können, besteht daher ein ständiger Bedarf nach Verdampferschiffchen, welche hinsichtlich der Abdampfleistung und der Lebensdauer verbessert sind.
Es wurden verschiedene Versuche unternommen, um verbesserte Verdampferschiffchen vorzusehen. So beschreibt die EP 0 960 956 B1 ein Verfahren zur oberflächlichen Modifizierung der Verdampferfunktionsfläche eines Verdampferschiffchens aus elektrisch leitfähigem Keramikmaterial mit dem Ziel, insbesondere das Erstbenetzungsverhalten zu verbessern. Um dies zu erreichen, wird die Verdampferfunktionsfläche mit Hilfe eines energiereichen Laserstrahls derart erhitzt, dass die elektrisch nichtleitenden Komponenten des Keramikmaterials verdampfen und gleichzeitig die elektrisch leitende Komponente nur geschmolzen und somit an der Oberfläche konzentriert wird. Bei dieser Behandlung wird die Oberfläche zwar chemisch, nicht aber topographisch verändert. Durch die Laserbehandlung wird somit lediglich eine TiB₂-Anreicherung auf der Verdampferfunktionsfläche erreicht, die zu einer Verbesserung der Erstbenetzung führt. Nachteilig ist hierbei, dass sich die Verbesserung der Benetzung nur in der Einfahrphase bemerkbar macht. Nach der Einfahrphase, in der Regel nach etwa 10 Minuten, wird kaum noch eine Benetzungsförderung erreicht und die zu Beginn etwa rechteckige Verdampfungsfläche aus geschmolzenem Metall wird nach der Einfahrphase elliptisch. Zur Erzielung höherer Abdampfraten können diese Verdampferschiffchen daher nicht eingesetzt werden.
Die EP 1 688 514 A1 beschreibt Verdampferschiffchen aus elektrisch leitfähigem Keramikmaterial, in deren Verdampferfunktionsfläche durch mechanische Bearbeitungsverfahren Rillen mit einer Breite von bis zu 1,5 mm und einer Tiefe von bis zu 1 mm ausgebildet sind, wobei die Rillen nicht parallel zur Stromleitungsrichtung verlaufen. Hierdurch soll eine bessere Benetzung durch die Metallschmelze und eine verlängerte Lebensdauer der Schiffchen erreicht werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass solche Rillen die Benetzung nicht wesentlich verbessern und eine rechteckige Schmelzbadausbildung nur in den ersten 10 bis 15 Minuten des Betriebs erreicht wird. Danach stellt sich nur noch eine elliptische Schmelzbadausbildung mit entsprechend verkleinerter Abdampffläche ein. In den Ausführungbeispielen werden daher auch nur Abdampfraten von 6,5 g Aluminium/Minute erwähnt, was für ein Verdampferschiffchen der Größe 10 × 30 × 150 mm³ eine unbefriedigende Abdampfrate darstellt. Üblicherweise werden in modernen Verdampfungsanlagen mit keramischen Verdampferschiffchen solcher Größe Abdampfraten von 8-9 g Aluminium/Minute erzielt.
Der elektrische Widerstand von Verdampferschiffchen variiert in Abhängigkeit der Veränderung des Verhältnisses von elektrisch leitfähiger Phase zu elektrisch isolierender Phase. Es ist bekannt, dass hochohmige Verdampfer, also solche mit geringem Gehalt an leitfähiger Phase, beispielsweise aus TiB₂, schlechter von der Metallschmelze benetzt werden als solche mit hohem Gehalt an leitfähiger Phase. Daraus ergibt sich der weitere Nachteil, dass die Wirkung der in EP 1 688 514 A1 vorgeschlagenen Verdampferschiffchen von der Zusammensetzung des Keramikmaterials abhängt, was nicht erwünscht ist.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Verdampferschiffchen aus elektrisch leitfähigem Keramikmaterial für die Verdampfung von Metall zur Verfügung zu stellen, deren Abdampfleistung und/oder Lebensdauer erhöht sind. Darüber hinaus soll die Verbesserung der Abdampfleistung und/oder Lebensdauer nicht von der Zusammensetzung des Keramikmaterials abhängig sein. Ferner sollen Verfahren zur Herstellung solcher Verdampferschiffchen vorgesehen werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Verdampferschiffchen für die Verdampfung von Metall gemäß Anspruch 1 sowie durch Verfahren gemäß den Ansprüchen 18, 19 und 20.
Bevorzugte bzw. besonders zweckmäßige Ausführungsformen des Anmeldungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäßen Verdampferschiffchen zeigen eine ausgezeichnete Abdampfleistung und/oder eine erhöhte Lebensdauer gegenüber konventionellen Verdampferschiffchen. Unter Lebensdauer wird hierbei die Zeit verstanden, in der ein Verdampferschiffchen ohne erhöhten Regelungsaufwand und ohne zu spritzen betrieben werden kann. Ferner zeigen die erfindungsgemäßen Verdampferschiffchen eine ausgezeichnete Erstbenetzung durch die zu verdampfenden Metalle, wie beispielsweise Aluminium, und haben daher auch eine gute Einfahrcharakteristik.
Es hat sich nämlich überraschenderweise gezeigt, dass die Kombination einer Reliefstruktur aus Strömungsleitkanälen mit einer benetzungsfördernden Modifikation der Begrenzungsflächen der Strömungsleitkanäle einen weitaus größeren Effekt hat, als die Summe der Effekte der Einzelmaßnahmen. Erst durch die Kombination von geeigneter Reliefstruktur und benetzungsfördernder Modifikation der Kanäle konnte erstmals erfindungsgemäß ein Verdampferschiffchen vorgesehen werden, das mit erhöhten Abdampfraten betrieben werden kann.
Kurze Beschreibung der beigefügten Zeichnungen
Die 1-7 zeigen schematisch verschiedene Ausführungsformen von Verdampferfunktionsflächen erfindungsgemäßer Verdampferschiffchen mit darin ausgebildeten Strömungsleitkanälen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verdampferschiffchen aus elektrisch leitfähigem Keramikmaterial für die Verdampfung von Metall, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verdampferfunktionsfläche, von welcher die Verdampfung des Metalls erfolgt, eine oder mehrere Strömungsleitkanäle einer Breite von mindestens 1,5 mm und einer Tiefe von bis zu 3 mm vorgesehen sind, wobei mindestens eine der Begrenzungsflächen der Strömungsleitkanäle benetzungsfördernd modifiziert ist.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist hierbei mindestens eine der Begrenzungsflächen der Strömungsleitkanäle dadurch benetzungsfördernd modifiziert, dass die elektrisch leitende Komponente des Keramikmaterials an der Oberfläche dieser Begrenzungsfläche angereichert ist. Vorzugsweise ist hierbei der Gehalt an elektrisch leitender Komponente an der Oberfläche dieser Begrenzungsfläche relativ um mindestens 2% höher, als im übrigen Bereich des Verdampferschiffchens.
Geeigneterweise enthält das Keramikmaterial eines erfindungsgemäßen Verdampferschiffchens als Hauptkomponenten Titandiborid als elektrisch leitende Komponente und Bornitrid sowie gegebenenfalls Aluminiumnitrid als elektrisch nichtleitende Komponente und wird durch Heißpressen dieser Kompo nenten hergestellt. Beispielsweise besteht das Keramikmaterial aus 45-60 Gew.-% TiB₂, 20-55 Gew.-% BN und 0-20 Gew.-% AIN, wobei weiterhin übliche Zusatzstoffe und Hilfsmittel enthalten sein können.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens eine der Begrenzungsflächen der Strömungsleitkanäle dadurch benetzungfördernd modifiziert, dass sie mit einer der folgenden Beschichtungen versehen ist:

a) einer Beschichtung aus mindestens einem Übergangsmetall der vierten bis sechsten Nebengruppe des Periodensystems und/oder deren Boriden,
b) einer Beschichtung aus einer Mischung des zu verdampfenden Metalls und mindestens einem Übergangsmetall der vierten bis sechsten Nebengruppe des Periodensystems und/oder deren Boriden,
c) einer Beschichtung aus mindestens einem Übergangsmetall der vierten bis sechsten Nebengruppe des Periodensystems und/oder deren Boriden und einer darauf aufgebrachten Beschichtung aus dem zu verdampfenden Metall.

Eine solche Beschichtung weist vorzugsweise eine mittlere Dicke von 1-750 μm, weiter vorzugsweise 15-500 μm, insbesondere vorzugsweise 30-100 μm, auf.
Als Übergangsmetalle der vierten bis sechsten Nebengruppe des Periodensystems sind Titan, Zirkon, Vanadium, Molybdän und Wolfram bevorzugt, insbesondere Wolfram, und als Boride insbesondere Wolframboride, wie WB und W₂B₅. Eine solche Beschichtung eignet sich nicht nur ausgezeichnet für die Verdampfung von Aluminium, sondern ebenfalls von Kupfer oder Silber, da hierbei von Einsatzbeginn an eine gute und gleichmäßige Benetzung auftritt, die zu einer zeitlich und räumlich spritzarmen konstanten Abdampfrate des Metalls führt. Für die Verdampfung von Kupfer eignet sich insbesondere eine Beschichtung aus einer Mischung von Kupfer und Wolfram und/oder Wolframboriden, wobei der Kupferanteil in der Beschichtung vorzugsweise höchstens 50 Vol.-%, weiter vorzugsweise 20 Vol.-% oder weniger zur Erzielung eines bevorzugten Erstbenetzungsverhaltens beträgt. Für die Verdampfung von Silber eignet sich gemäß einer anderen Ausführungsform insbesondere eine Beschichtung aus einer Mischung von Silber und Wolfram und/oder Wolframboriden. Für die Verdampfung von Aluminium kann gemäß einer weiteren Ausführungsform die Beschichtung aus einer Mischung von Aluminium und Wolfram und/oder Wolframboriden bestehen. Bei diesen Ausführungsformen beträgt der Silberanteil bzw. der Aluminiumanteil in der jeweiligen Beschichtung vorzugsweise höchstens 50 Vol.-%, weiter vorzugsweise 20 Vol.-% oder weniger zur Erzielung eines guten Erstbenetzungsverhaltens.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass mindestens die Bodenbegrenzungsfläche der Strömungsleitkanäle benetzungsfördernd modifiziert ist, wobei jedoch weiter vorzugsweise sämtliche Begrenzungsflächen der Strömungsleitkanäle benetzungsfördernd modifiziert sind.
Die Strömungsleitkanäle besitzen vorzugsweise eine Breite von 1,5-3, weiter vorzugsweise 1,6-2,8, noch weiter vorzugsweise 1,2-2,4, insbesondere bevorzugt etwa 2 mm, und eine Tiefe von vorzugsweise 0,1-3, weiter vorzugsweise 0,1-1, insbesondere bevorzugt 0,1-0,5 mm.
Weiterhin weisen die Strömungsleitkanäle vorzugsweise einen im Wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt auf und sind somit beispielsweise rechteckig oder quadratisch in ihrer Form. In Abhängigkeit vom Herstellungsverfahren können sich auch nicht rechtwinklige Querschnitte ergeben, z.B. solche mit abgerundeten Ecken oder auch Trapezformen.
Die Anzahl der Strömungsleitkanäle beträgt vorzugsweise mindestens 10, weiter vorzugsweise mindestens 20 und kann auch 30 oder mehr betragen.
Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, kann die Wirkungsweise der erfindungsgemäß vorgesehenen Strömungsleitkanäle wie folgt erklärt werden. Die treibende Kraft bei der Ausbreitung der Metallschmelze auf der Verdampferfunktionsfläche ist die durch die Verminderung der Grenzflächenenergie erzeugte Benetzung. Zusätzlich kann der Schwerkraft und auch der Kapillarkraft ein positiver Einfluss auf die Ausbreitung der Metallschmelze zugeschrieben werden. Dies erklärt den ausgeprägten Einfluss der erfindungsgemäß vorgesehenen Strömungsleitkanäle auf die Ausbildung der Schmelzbadgeometrie. Da aber die Benetzungskräfte einen wesentlich größeren Einfluss ausüben als die Schwer- oder Kapillarkräfte, ist der positive Effekt von Rillen alleine auf die Ausbildung der Badgeometrie nicht sehr ausgeprägt. So ist es bekannt, dass Benetzungs- und Kapillarkräfte eine Ausbrei tung von Flüssigkeit entgegen der Schwerkraft ermöglichen. Dies ist offensichtlich auch der Grund dafür, dass die Verdampferschiffchen gemäß der eingangs diskutierten EP 1 688 514 A1 kaum eine Verbesserung gegenüber konventionellen Verdampferschiffchen erzielen.
Der Verschleiß von Verdampferschiffchen wird zum einen durch einen chemischen Angriff der überhitzten Metallschmelze verursacht, andererseits wirkt auch die Strömung der Metallschmelze, vor allem in der näheren Umgebung des Metalldrahtauftreffpunktes, erodierend. Die Wirkung der erodierenden Strömung erkennt man an den tiefen Einfurchungen (so genannte "Canyons"), die sich im Laufe der Gebrauchsdauer der Verdampfer ausbilden. Oftmals sind diese Einfurchungen das Standzeitkriterium des Verdampfers. Wenn nämlich die Einfurchungen zu tief werden, bildet sich zwangsläufig eine unterschiedliche Metallschmelzbadtiefe aus, was einen starken Temperaturgradienten im Bad zur Folge hat. Die tiefen Schichten des Schmelzbades sind heißer als die oberflächennahen, was eine starke vertikale Konvektionsströmung nach sich zieht, die zum gefürchteten Spritzen der Verdampfer führt. Sobald ein Verdampfer spritzt, beschädigt er das zu bedampfende Substrat, bei dem es sich typischerweise um eine Folie oder Papier handelt, und muss ausgewechselt werden.
Erfindungsgemäß hat sich gezeigt, dass die Wirkung von Strömungsleitkanälen wesentlich größer ist, wenn die Kanäle von der Metallschmelze gut benetzt werden. Durch die lokal verbesserte Benetzung kann auf den Verlauf und die Ausbildung der Schmelzbadgeometrie und der Schmelzbadströmung besser Einfluss genommen werden.
Durch die günstige Beeinflussung der Schmelzbadströmung kann auch die erodierende Wirkung der Metallschmelze reduziert werden. Bei den erfindungsgemäßen Verdampfern sind die "Canyons" auch nach längerer Gebrauchsdauer deutlich weniger tief eingefurcht als bei den konventionellen Verdampferschiffchen, so dass die erfindungsgemäßen Schiffchen mit höheren Abdampfraten betrieben werden können bzw. bei gleicher Abdampfrate eine längere Lebensdauer erreicht wird.
Es hat sich gezeigt, dass die Strömungsverhältnisse in der Kavität des Verdampfers nicht konstant sind, was zur Folge hat, dass Zonen mit verschiede nen Strukturen in der Verdampferfunktionsfläche einen deutlich erkennbaren Einfluss auf die Strömungsverhältnisse haben.
Erfindungsgemäß kann die Schmelzbadströmung insbesondere dadurch günstig beeinflusst werden, dass die Strömungsleitkanäle in der Verdampferfunktionsfläche ein Muster bilden, umfassend, bezogen auf die Längsachse des Verdampferschiffchens, eine Mittelzone sowie zwei sich links und rechts der Mittelzone anschließende Randzonen. Die Richtung der Strömungsleitkanäle richtet sich hierbei nach ihrer jeweiligen Aufgabe und der Position auf der Verdampferfunktionsfläche.
Die Mittelzone dient hierbei als Badverbreiterungszone, deren Aufgabe es ist, die nahe des Metalldrahtauftreff- und Schmelzpunktes hohe Strömungsgeschwindigkeit der Metallschmelze zu bremsen und dadurch die erodierende Wirkung des Schmelzstromes zu vermindern. Hierbei hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Strömungsleitkanäle in der Mittelzone im wesentlichen quer zur Längsachse des Verdampferschiffchens verlaufen. Als besonders vorteilhaft hat sich weiterhin erwiesen, wenn an den Rändern der Mittelzone zusätzliche Strömungsleitkanäle parallel zur Längsachse des Verdampferschiffchens verlaufen. Diese seitlichen Kanäle verhindern insbesondere das Überlaufen von Metallschmelze durch Leitung des Metallschmelzbades in Längsrichtung der Verdampferschiffchen.
Die Randzonen dienen als Badformzonen, deren Aufgabe es ist, die Metallschmelze mittels den benetzungsfördernd modifizierten Strömungsleitkanälen bis in die Ecken der Verdampferfunktionsfläche zu leiten, wodurch die Schmelzbadfläche vergrößert wird und eine im wesentlichen rechteckige Schmelzbadgeometrie entsteht. Außerdem wird durch die Badformzonen die Kühlung durch das verdampfende Metall verbessert. Durch die rechteckige Schmelzbadform wird zudem die Stromdichteverteilung über den Querschnitt des Verdampfers vergleichmäßigt, was lokale Überhitzungen verhindert und damit zu einer längeren Lebensdauer des Verdampfers beiträgt.
Die Funktion der in den Randzonen liegenden Strömungsleitkanäle besteht somit im wesentlichen darin, die bei Verdampferschiffchen gemäß dem Stand der Technik auftretende elliptische Form des Schmelzbades in eine möglichst rechteckige Form auszudehnen. Dadurch wird die Oberfläche des Schmelzba des vergrößert und damit die Abdampfleistung des Verdampfers erhöht. Die rechteckige Form der Abdampffläche bleibt bei den erfindungsgemäßen Verdampfern im Unterschied zu herkömmlichen Verdampfern auch über eine längere Zeit erhalten. Dadurch wird ebenfalls verhindert, dass Metallschmelze in die Einspannung der Verdampferschiffchen läuft, was bei herkömmlichen Verdampferschiffchen häufig zu Spritzern führt. Darüber hinaus ist in die üblicherweise aus Kupfer bestehenden Einspannung eingelaufenes Metall, wenn überhaupt, nur schwer entfernbar und führt zu einem Angriff der Kupferbacken der Einspannungen.
Die Strömungsleitkanäle in den Randzonen können ebenfalls quer zur Verdampferlängsachse verlaufen. Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die Strömungsleitkanäle in den Randzonen in einem Winkel von 30-90° zur Längsachse des Verdampferschiffchens verlaufen. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können die Strömungsleitkanäle in den Randzonen auch einen gekrümmten Verlauf aufweisen, wobei die an den gekrümmten Kanälen angelegten Tangenten einen Winkel von > 0 bis < 90° zur Längsachse des Verdampferschiffchens aufweisen. Solche Strömungsleitkanäle können somit als Teile von Kreisen, Ellipsen oder Parabeln ausgeführt sein.
Aus Gründen der Bearbeitbarkeit und Beliebigkeit der Einbauposition weisen die Muster aus den Strömungsleitkanälen vorteilhafterweise einen bezüglich der Längs- und Querachse des Verdamfers spiegelsymmetrischen Aufbau auf. Prinzipiell sind aber auch unsymmetrische Muster möglich.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Verdampferschiffchens gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man durch mechanische Bearbeitung einen oder mehrere Strömungsleitkanäle in der Verdampferfunktionsfläche ausbildet und die so gebildeten Strömungsleitkanäle dann mit Hilfe eines Laserstrahls derart erhitzt, dass die elektrisch nicht leitenden Komponenten des Keramikmaterials verdampfen und gleichzeitig die elektrisch leitende Komponente des Keramikmaterials nur geschmolzen und somit an der Oberfläche mindestens einer der Begrenzungsflächen der Strömungsleitkanäle angereichert wird.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein alternatives Verfahren zur Herstellung eines Verdampferschiffchens gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man durch Laserablation einen oder mehrere Strömungsleitkanäle in der Verdampferfunktionsfläche ausbildet, wobei aufgrund des sich hierbei einstellenden Temperaturtiefenprofils bei der Ausbildung der Strömungsleitkanäle das Keramikmaterial in den oberen Bereichen vollständig verdampft, während es in den unteren Bereichen der Strömungsleitkanäle lediglich derart erhitzt wird, dass die elektrisch nicht leitenden Komponenten des Keramikmaterials verdampfen und gleichzeitig die elektrisch leitende Komponente nur geschmolzen und somit an den unteren Begrenzungsflächen der Strömungsleitkanäle angereichert wird.
Gegenstand der Erfindung ist ebenso ein Verfahren zur Herstellung eines Verdampferschiffchens gemäß der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man durch mechanische Bearbeitung oder Laserablation einen oder mehrere Strömungsleitkanäle in der Verdampferfunktionsfläche ausbildet und danach die Verdampferfunktionsfläche mit den darin gebildeten Strömungsleitkanälen mit einer Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 4-7 versieht.
Die mechanische Bearbeitung kann hierbei durch Fräsen, Schleifen oder Abrasivstrahlen erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die mechanische Bearbeitung durch Fräsen, da hierdurch in einfacher Weise eine rechteckige Form der Kanäle erzeugt werden kann, die sich als vorteilhaft erwiesen hat.
Unter Laserablation wird hierin der Materialabtrag von der Verdampferfunktionsfläche durch Verdampfen mittels Laser verstanden, um eine Reliefstruktur aus den Strömungsleitkanälen zu bilden. Als Laser kann beispielsweise ein Gas-, Festkörper- oder Halbleiterlaser verwendet werden. Bei der Laserablation ist die Energiedichte des Laserstrahls so zu wählen, dass er die Oberfläche auf Temperaturen erhitzt, bei denen im Bereich des Laserstrahlauftreffpunktes eine vollständige Verdampfung des Keramikmaterials stattfindet. Bei der Laserablation werden der Materialabtrag und die benetzungsfördernde Oberflächenmodifikation in einem Schritt durchgeführt. Aufgrund des sich einstellenden Temperaturtiefenprofils ist der Laserstrahl am Auftreffpunkt energiereicher, so dass dort das gesamte Keramikmaterial verdampft wird und ein Materialabtrag stattfindet. In dem Bereich unterhalb des Laserstrahlauftreffpunktes ist der Laserstrahl energieärmer, so dass hier die elektrisch leitende Komponente, in der Regel TiB₂, nur geschmolzen und somit an den unteren Begrenzungsflächen der Strömungsleitkanäle angereichert wird. Wenn der Laserablationsprozess beendet wird, nachdem die gewünschte Tiefe erreicht ist, haben die Strömungsleitkanäle somit automatisch im unteren Bereich die benetzungsfördernd modifizierten Oberflächen, ohne dass eine zusätzliche Behandlung erforderlich ist.
Wenn andererseits der Laserstrahl lediglich dazu dient, mindestens eine der Begrenzungsflächen der bereits mechanisch ausgebildeten Strömungsleitkanäle benetzungsfördernd zu modifizieren, ist die Energiedichte des Laserstrahls so zu wählen, dass die nicht elektrisch leitenden Komponenten, wie BN (Zersetzung ab 2000°C) und AIN (Zersetzung ab 2100°C) verdampfen und gleichzeitig die elektrisch leitende Komponente, üblicherweise TiB₂ (Schmelzpunkt 2980°C) nur geschmolzen und somit an der Oberfläche mindestens einer der Begrenzungsflächen der Strömungsleitkanäle angereichert wird. Vorzugsweise wird der Energiegehalt des Laserstrahls hierbei so gewählt, dass er die Oberfläche des Verdampferschiffchens im Bereich des Laserstrahlauftreffpunktes auf mehr als 2900°C aber nicht weniger als 2700°C erhitzt. Geeignet sind beispielsweise ein CO₂-Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 μm und ein YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1,064 μm. Ebenso geeignet sind auch Halbleiterlaser mit Wellenlängen von 0,808 μm, 0,940 μm oder 0,980 μm. Vorzugsweise erfolgt das Erhitzen der Strömungsleitkanäle unter Inertgasbedingungen, wie beispielsweise unter Helium oder Argon.
Die Herstellung einer Beschichtung gemäß der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform erfolgt beispielsweise durch Aufbringen einer Suspension des Beschichtungsmaterials, wie etwa Wolframborid in einem Lösungsmittel, auf die Verdampferfunktionsfläche mit den darin gebildeten Strömungsleitkanälen, anschließende Trocknung zur Verdampfung des Lösungsmittels und schließlich Aushärtung. Die Beschichtung erfolgt jedoch vorzugsweise durch ein an sich bekanntes Schmelz- oder Plasmaspritzverfahren, da hierbei eine sehr gleichmäßige Beschichtung erreicht wird.
Wahlweise kann die Beschichtung auf der Verdampferfunktionsfläche anschließend soweit mechanisch abgetragen werden, dass die Beschichtung nur noch in den Strömungsleitkanälen vorhanden ist.
Die erfindungsgemäßen Verdampferschiffchen eignen sich für die Bedampfung von Substraten mit Metallen, wie Aluminium, Kupfer, Silber oder Gold, insbesondere für die Vakuum-Bandbedampfung von flexiblen Substraten, wie Folien oder Papier, mit solchen Metallen.
Die Metall-Verdampfung erfolgt analog der im Stand der Technik bekannten Aluminium-Verdampfung unter Verwendung von Metalldraht. Der verwendete Metalldraht kann beispielsweise eine Stärke von 1,0-2,0 mm aufweisen.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen und nachfolgenden Beispiele näher erläutert.
Die 1-7 zeigen schematisch verschiedene Ausführungsformen von Verdampferfunktionsflächen erfindungsgemäßer Verdampferschiffchen mit darin ausgebildeten Strömungsleitkanälen. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren zeigen gleiche Teile.
Wie in 1 gezeigt, sind in der Verdampferfunktionsfläche 1 Strömungsleitkanäle in Form eines Musters ausgebildet. In der Mittelzone verlaufen zwei Kanäle 2 quer zur Verdampferlängsachse. Ferner sind in der Mittelzone an den Rändern zusätzlich zwei Randkanäle 3 vorgesehen, die parallel zur Verdampferlängsachse verlaufen. In den Randzonen sind ebenfalls Kanäle 4 vorgesehen, die quer zur Verdampferlängsachse verlaufen, sowie einen Winkel bildende Kanäle 5, die zur Verdampferlängsachse einen Winkel < 90° und > 30° aufweisen. Sämtliche Kanäle weisen eine Breite von etwa 2 mm auf. Ferner besitzt das Muster einen bezüglich der Längs- und Querachse des Verdampfers spiegelsymmetrischen Aufbau.
In 2 bis 4 sind Strömungsleitkanäle mit einem ähnlichen Muster wie in 1 gezeigt, wobei jedoch die Anzahl der Kanäle in der Mittelzone und in den Randzonen größer ist. Wie insbesondere in 4 gezeigt, können in der Mittelzone auch Kanäle 6 vorgesehen sein, die quer zur Verdampferlängsachse verlaufen, jedoch nicht durchgehend sind.
Die 5 und 6 zeigen ein Kanalmuster, bei dem die Mittelzone ähnlich strukturiert ist wie in 3. Die Randzonen weisen jedoch Kanäle 7 auf, die einen gekrümmten Verlauf haben, wobei die an den gekrümmten Kanälen angelegten Tangenten einen Winkel > 0° und < 90° zur Verdampferlängsachse aufweisen.
7 zeigt eine Ausführungsform, bei der zwei Randkanäle 8 vorgesehen sind, die sich im wesentlichen über die gesamte Länger der Verdampferfunktionsfläche erstecken. Weiterhin verlaufen die Strömungsleitkanäle 9 sowohl in der Mittelzone als auch in den Randzonen quer zur Verdampferlängsachse.
Beispiel 1 (Laserablation)
Eine Mischung aus 48,2 Gew% TiB₂ und 51,8 Gew.% BN wird homogen vermischt und anschließend bei 1840°C und einem spezifischen Druck von 180 bar zu einem Block der Größe 300 × 300 × 350 mm³ heißgepresst. Das Material hat nach dem Heißpressen eine Dichte von 97,2% der theoretischen Dichte. Aus diesem Block werden dann Prismen der Geometrie 9 × 35 × 130 mm³ mittels Diamantsägeblättern geschnitten.
An erfindungsgemäßen keramischen Verdampfern der Zusammensetzung TiB₂-BN der Größe 9 × 35 × 130 mm³ wird die Funktionsfläche durch Laserablation wie in 3 dargestellt bearbeitet. Die Strömungsleitkanäle haben eine Breite von 2,05 mm und eine mittlere Tiefe von 0,28 mm. Durch die Laserbearbeitung sind die Strömungsleitkanäle deutlich dunkler gefärbt als das Substratmaterial.
Man erkennt die Badverbreiterungszone in der Mitte des Verdampfers und die beiden aussenliegenden Badformzonen.
Ein Set (= 12 Stück) derartig bearbeiteter Verdampfer wird in einer Bandmetallisierungsmaschine TopMet 2450 (Hersteller Applied Materials, Alzenau) eingebaut und betrieben. Das zu verdampfende Aluminium wird mit einem Aluminiumdraht ∅ 1,8 mm zugeführt. Dabei erreichen die Verdampfer eine Abdampfleistung von 12,6 Gramm Aluminium/Minute, was einer Drahtzuführgeschwindigkeit von 183 cm/Minute entspricht. Die Lebensdauer der Verdampfer war ca. 10,5 Stunden.
Wird die Abdampfleistung auf 10 Gramm Aluminium/Minute gesenkt, verlängert sich die Lebensdauer der Verdampfer im Vergleich zu einem Set ohne Bearbeitung der Funktionsoberfläche (also mit nur glatt geschliffener Kavität) bzw. zu einem Set gemäß EP 0 960 956 B1 um 25%.
Beispiel 2 (Fräsen + Lasern)
An keramischen Verdampfern der Zusammensetzung wie bei Beispiel 1 und der Größe 9 × 35 × 130 mm³ wird die Funktionsfläche zunächst durch Fräsen von Strömungsleitkanälen wie in 3 dargestellt, bearbeitet. Der Querschnitt der Strömungsleitkanäle ist B = 2 mm, T = 0,25 mm. Die Bearbeitung erfolgt auf einer CNC-gesteuerten Fräsmaschine unter Verwendung von Diamantfräswerkzeugen. Anschließend werden die Begrenzungsflächen der Strömungsleitkanäle mit einem Laser so behandelt, daß ein Abdampfen von BN auftritt und dadurch eine Aufkonzentration von benetzungsförderndem TiB₂ erreicht wird. Zur Laserbearbeitung wird ein CNC-gesteuerter Laser eingesetzt, in dem das gleiche Programm wie für die Fräsbearbeitung abgearbeitet wird. Dadurch ist sicher gestellt, daß nur die Begrenzungsflächen der Strömungsleitkanäle thermisch behandelt werden.
Ein Set (= 12 Stück) derartig bearbeiteter Verdampfer wird in einer Bandmetallisierungsmaschine eingebaut und betrieben. Dabei erreichen die Verdampfer eine Abdampfleistung von 11,8 Gramm Aluminium/Minute. Die Lebensdauer der Schiffchen betrug 10,5 Stunden.
Wird die Abdampfleistung auf 10 Gramm Aluminium/Minute gesenkt, verlängert sich die Lebensdauer der Verdampfer im Vergleich zu einem Set ohne Veränderung der Funktionsoberfläche bzw. zu einem Set gemäß EP 0 960 956 B1 um 23%.
Vergleichsbeispiel (zu EP 1 688 514 A1 )
Verdampferschiffchen der Geometrie 9 × 35 × 130 mm werden auf einer Fräsmaschine mit einer Struktur wie in EP 1 688 514 A1 beschrieben, bearbeitet. Es werden Rillen von 0,15 mm Tiefe und einer Breite von 0,60 mm in einem Abstand von 1,8 mm (= Distanz Mitte Rille/Mitte Rille) quer zur Längsachse des Verdampferschiffchens eingebracht. Die Verdampferschiffchen wurden gemäß 1 der EP 1 688 514 A1 gefertigt.
Ein Set von Schiffchen wurde gefahren. Die Abdampfrate lag bei 6,9 g/min. Die Gebrauchsdauer lag bei 10 Stunden und wurde durch die Bildung von „Canyons" begrenzt. Nach einer Einfahrphase von ca. 10 Minuten, während der eine rechteckige Badausbildung beobachtet wurde, verkleinerte sich die Abdampffläche und wies eine elliptische Form auf. Die Form der Ablagerungen wies ebenfalls eine elliptische Form auf und entsprach dem von herkömmlichen Verdampferschiffchen bekannten Bild.

Claims

Verdampferschiffchen aus elektrisch leitfähigem Keramikmaterial für die Verdampfung von Metall, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verdampferfunktionsfläche, von welcher die Verdampfung des Metalls erfolgt, eine oder mehrere Strömungsleitkanäle einer Breite von mindestens 1,5 mm und einer Tiefe von bis zu 3 mm vorgesehen sind, wobei mindestens eine der Begrenzungsflächen der Strömungsleitkanäle benetzungsfördernd modifiziert ist.
Verdampferschiffchen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Begrenzungsflächen der Strömungsleitkanäle dadurch benetzungsfördernd modifiziert ist, dass die elektrisch leitende Komponente des Keramikmaterials an der Oberfläche dieser Begrenzungsfläche angereichert ist.
Verdampferschiffchen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an elektrisch leitender Komponente an der Oberfläche dieser Begrenzungsfläche relativ um mindestens 2% höher ist, als im übrigen Bereich des Verdampferschiffchens.
Verdampferschiffchen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Begrenzungsflächen der Strömungsleitkanäle dadurch benetzungsfördernd modifiziert ist, dass sie mit einer der folgenden Beschichtungen versehen ist: a) einer Beschichtung aus mindestens einem Übergangsmetall der vierten bis sechsten Nebengruppe des Periodensystems und/oder deren Boriden, b) einer Beschichtung aus einer Mischung des zu verdampfenden Metalls und mindestens einem Übergangsmetall der vierten bis sechsten Nebengruppe des Periodensystems und/oder deren Boriden, c) einer Beschichtung aus mindestens einem Übergangsmetall der vierten bis sechsten Nebengruppe des Periodensystems und/oder deren Boriden und einer darauf aufgebrachten Beschichtung aus dem zu verdampfenden Metall.
Verdampferschiffchen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine mittlere Dicke von 1-750 μm, vorzugsweise 15-500 μm, weiter vorzugsweise 30-100 μm, aufweist.
Verdampferschiffchen nach Anspruch 4 und/oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsmetalle der vierten bis sechsten Nebengruppe des Periodensystems aus Titan, Zirkon, Vanadium, Molybdän und Wolfram gewählt sind.
Verdampferschiffchen nach mindestens einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus Wolfram und/oder Wolframboriden besteht.
Verdampferschiffchen nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Bodenbegrenzungsfläche der Strömungsleitkanäle benetzungsfördernd modifiziert ist.
Verdampferschiffchen nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Begrenzungsflächen der Strömungsleitkanäle benetzungsfördernd modifiziert sind.
Verdampferschiffchen nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitkanäle eine Breite von 1,5-3, vorzugsweise 1,6-2,8, weiter vorzugsweise 1,8-2,4, insbesondere bevorzugt etwa 2 mm, und eine Tiefe von 0,1-3, vorzugsweise 0,1-1, insbesondere bevorzugt 0,1-0,5 mm aufweisen.
Verdampferschiffchen nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitkanäle einen im wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt aufweisen.
Verdampferschiffchen nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Strömungsleitkanäle mindestens 10, vorzugsweise mindestens 20 beträgt.
Verdampferschiffchen nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitkanäle in der Ver dampferfunktionsfläche ein Muster bilden, umfassend, bezogen auf die Längsachse des Verdampferschiffchens, eine Mittelzone sowie zwei sich links und rechts der Mittelzone anschließende Randzonen.
Verdampferschiffchen nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitkanäle in der Mittelzone im Wesentlichen quer zur Längsachse des Verdampferschiffchens verlaufen.
Verdampferschiffchen nach Anspruch 13 und/oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass an den Rändern der Mittelzone zuzätzliche Strömungsleitkanäle parallel zur Längsachse des Verdampferschiffchens verlaufen.
Verdampferschiffchen nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitkanäle in den Randzonen in einem Winkel von 30-90° zur Längsachse des Verdampferschiffchens verlaufen.
Verdampferschiffchen nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitkanäle in den Randzonen einen gekrümmten Verlauf aufweisen, wobei die an den gekrümmten Kanälen angelegten Tangenten einen Winkel von > 0 bis < 90° zur Längsachse des Verdampferschiffchens aufweisen.
Verfahren zur Herstellung eines Verdampferschiffchens nach mindestens einem der Ansprüche 1-3 und 8-17, dadurch gekennzeichnet, dass man durch mechanische Bearbeitung einen oder mehrere Strömungsleitkanäle in der Verdampferfunktionsfläche ausbildet und die so gebildeten Strömungsleitkanäle dann mit Hilfe eines Laserstrahls derart erhitzt, dass die elektrisch nicht leitenden Komponenten des Keramikmaterials verdampfen und gleichzeitig die elektrisch leitende Komponente des Keramikmaterials nur geschmolzen und somit an der Oberfläche mindestens einer der Begrenzungsflächen der Strömungsleitkanäle angereichert wird.
Verfahren zur Herstellung eines Verdampferschiffchens nach mindestens einem der Ansprüche 1-3 und 8-17, dadurch gekennzeichnet, dass man durch Laserablation einen oder mehrere Strömungsleitkanäle in der Verdampferfunktionsfläche ausbildet, wobei aufgrund des sich hierbei einstellenden Tem peraturtiefenprofils bei der Ausbildung der Strömungsleitkanäle das Keramikmaterial in den oberen Bereichen vollständig verdampft, während es in den unteren Bereichen der Strömungsleitkanäle lediglich derart erhitzt wird, dass die elektrisch nicht leitenden Komponenten des Keramikmaterials verdampfen und gleichzeitig die elektrisch leitende Komponente nur geschmolzen und somit an den unteren Begrenzungsflächen der Strömungsleitkanäle angereichert wird.
Verfahren zur Herstellung eines Verdampferschiffchens nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 4-17, dadurch gekennzeichnet, dass man durch mechanische Bearbeitung oder Laserablation einen oder mehrere Strömungsleitkanäle in der Verdampferfunktionsfläche ausbildet und danach die Verdampferfunktionsfläche mit den darin gebildeten Strömungsleitkanälen mit einer Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 4-7 versieht.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Bearbeitung durch Fräsen, Schleifen oder Abrasivstrahlen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass man die Beschichtung durch Aufbringen einer Suspension des Beschichtungsmaterials, anschließende Trocknung und Aushärtung vorsieht.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass man die Beschichtung durch ein Plasmaspritzverfahren vorsieht.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 20-23, dadurch gekennzeichnet, dass man die Beschichtung auf der Verdampferfunktionsfläche soweit mechanisch abträgt, dass die Beschichtung nur noch in den Strömungsleitkanälen vorhanden ist.
Verwendung eines Verdampferschiffchens nach mindestens einem der Ansprüche 1-17 für die Bedampfung von Substraten mit Metallen.
Verwendung eines Verdampferschiffchens nach Anspruch 25 für die Vakuum-Bandbedampfung von flexiblen Substraten mit Metallen.