DE10240161A1

DE10240161A1 - Keramikeinsatzplatte und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE10240161A1
Application number: DE2002140161
Authority: DE
Inventors: Satoshi Nakano; Yohei Fukino
Original assignee: Isolite Insulating Products Co Ltd; Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Current assignee: Isolite Insulating Products Co Ltd; Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2001-09-20
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2022-08-31
Also published as: JP4205902B2; US7008220B2; CN100404467C; CN1408678A; DE10240161B4; JP2003165775A; US20030054120A1; US20060035194A1

Abstract

In einer Keramikeinsatzplatte 10 aus einem plattenförmigen gesinterten Körper 12 aus einem nicht-oxidischen Keramikmaterial, das gebildet wird durch Brennen von Keramikteilchen 11 aus mindestens einer aus der aus SiC, Si¶3¶N¶4¶, BN, AlN, MoSi¶2¶, TiN und ZrB¶2¶ bestehenden Gruppe ausgewählten Verbindung, setzt sich der gesinterte Körper 12 aus einem porösen Körper 12 mit miteinander verbundenen Poren 15 und einem oder einer Vielzahl von Hohlräumen 13 in seinem Inneren im Wesentlichen in der Mitte in Richtung der Dicke zusammen, wobei mindestens einer der Hohlräume 13 in seinem Inneren einen oder eine Vielzahl von verzweigten Teilen 17 aufweist und die Hohlräume 13 sich öffnende Teile an den Seitenteilen des gesinterten Körpers 12 haben. Die Keramikeinsatzplatte verfügt über gute Gasdurchlässigkeit beim Brennen eines Laminats aus grünen Keramiklagen, deren Brenneffizienz gut ist und die wiederholt verwendet werden können.

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Keramikeinsatzplatte zur Verwendung beim Brennen einer Elektronikkomponente oder einer Schaltplatte aus Keramik und insbesondere eine Keramikeinsatzplatte mit ausgezeichneter Gasdurchlässigkeit sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Es ist üblich, Elektronikkomponenten oder Schaltplatten aus Keramik durch Brennen eines Laminats herzustellen. Dieses wird dadurch hergestellt, dass man mehrere grüne Lagen aus Keramik aufeinanderlegt. Bei einer solchen Elektronikkomponente oder Schaltplatte aus Keramik schrumpfen die grünen Keramiklagen durch das Brennen des Laminats. Daher werden die Abmessungen nicht nur kleiner, sondern es kann auch zu Abweichungen in den Abmessungen kommen. Um die Maßgenauigkeit nach dem Brennen zu verbessern, wurde daher kürzlich ein Verfahren entwickelt, bei dem Begrenzungsplatten aus grüner Keramik, die bei der Sintertemperatur der vorstehenden laminierten Lagen aus grüner Keramik nicht sintern, auf beide Oberflächen des Laminats gelegt werden. Darüber hinaus wird das Laminat sandwichartig zwischen zwei Keramikeinsatzplatten gelegt, die gegen die Außenflächen der jeweiligen Begrenzungsplatten aus grüner Keramik gedrückt werden. Anschließend wird bei niedriger Temperatur (1200°C oder weniger) gebrannt, während man Druck auf das Laminat aufbringt. Bei diesem Brennverfahren kann das durch das Brennen verursachte Schrumpfen des Laminats in ebener Richtung gering gehalten werden, und es schrumpft beim Brennen nur in Richtung der Dicke.

Bei diesem Brennen muss eine Behandlung zum Verbrennen des Bindemittels durchgeführt werden. Dabei wird frische Luft eingespeist, um Harz, Weichmacher und Lösungsmittel, die in den grünen Keramiklagen sowie den grünen Keramikbegrenzungsplatten enthalten sind, zu zersetzen sowie das erzeugte Zersetzungsgas auszutreiben. Daher ist es wichtig, Keramikeinsatzplatten zu verwenden, die gasdurchlässig hergestellt wurden. Beispielsweise kann eine integrale Keramikeinsatzplatte mit Hohlräumen verwendet werden. Diese Keramikeinsatzplatte wird aus zwei Keramikeinsatzplatten-Pressteilen gebildet, welche dadurch hergestellt wurden, dass man ein pulverförmiges Keramikrohmaterial so einer Druckbehandlung unterzog, dass sich auf einer der Oberflächen Wellen bildeten. Dann verband man die Keramikeinsatzplatten-Pressteile an ihren konvexen Oberflächen und brannte sie zur Vervollständigung. Alternativ kann man Keramikeinsatzplatten auch dadurch herstellen, dass man die wie vorstehend beschrieben hergestellten Keramikeinsatzplatten-Pressteile mit einem Wellenmuster an einer ihrer Oberflächen brennt. Wenn die so hergestellten Keramikeinsatzplatten zum Brennen eines Laminats aus grünen Keramiklagen verwendet werden, werden auf jede Seite des Laminats zwei gebrannte Keramikeinsatzplatten gelegt und an den konvexen Oberflächen verbunden, um Hohlräume dazwischen auszubilden. Frische Luft wird eingespeist und Zersetzungsgas durch die Hohlräume ausgeleitet.

Bei grünen Keramiklagen kann es darüber hinaus aufgrund von Temperaturschwankungen zwischen verschiedenen Stellen beim Brennen zur Bildung von Rissen oder Verformungen im Substrat kommen. Daher muss beim Brennen darauf geachtet werden, dass die Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Stellen gering sind. Folglich verwendet man eine Keramikeinsatzplatte mit hoher Wärmeleitfähigkeit, so dass sich die Wärme leicht gleichmäßig durch die grünen Keramiklagen überträgt, oder man verringert die Erwärmungs- und Abkühlgeschwindigkeiten während des Brennens, um Temperaturunterschiede zu eliminieren.

Jedoch gibt es bei den vorstehend beschriebenen herkömmlichen Keramikeinsatzplatten und den Verfahren zu ihrer Herstellung nach wie vor Probleme, die gelöst werden müssen.

1. Bei der integralen Keramikeinsatzplatte, bei der Hohlräume durch Verbinden von zwei Keramikeinsatzplatten-Pressteilen mit ausgebildeten Wellen auf jeweils einer Oberfläche an den konvexen Oberflächen und Brennen zur Vervollständigung herstellt werden, ist die Verbundfestigkeit der verbundenen Teile gering. Daher können sie auseinanderbrechen, ihre Lebensdauer ist kurz, und der wiederholte Gebrauch ist nicht möglich. Darüber hinaus sind die Kosten zur Herstellung der Keramikeinsatzplatte hoch. Darüber hinaus kann die Keramikeinsatzplatte nicht dünn ausgebildet werden, was die Brenneffizienz verringert.
2. Bei der Keramikeinsatzplatte, in der Hohlräume durch Verbinden von zwei durch Brennen von zwei Keramikpressteilen mit jeweils Wellen auf einer Oberfläche hergestellten Keramikeinsatzplatten an den konvexen Oberflächen während des Brennens der laminierten grünen Keramiklagen gebildet werden, muss jede der Keramikeinsatzplatten dick sein, um Festigkeit sicherzustellen. Dadurch geht die Brenneffizienz zurück. Darüber hinaus ist es beim Aufeinanderlegen der konvexen Oberflächen der beiden Keramikeinsatzplatten nicht möglich, einen stabilen Parallelitätsgrad zu erreichen, und deshalb ist es schwierig, bei der Herstellung der elektronischen Komponente oder der Schaltplatte gleichmäßig Druck auf das Laminat aufzubringen. Daher können defekte Elektronikkomponenten oder Schaltplatten entstehen, die verformt, gerissen o. ä. sind.
3. Wenn man eine hohe Porosität schafft, um die Gaspermeabilität der Keramikeinsatzplatte sicherzustellen, lässt ihre Wärmeleitfähigkeit nach, und es kommt beim Brennen des Laminats zu Temperaturunterschieden zwischen dessen peripheren Teilen und dem Mittelteil. Folglich wird ein gleichmäßiges Brennen schwerer, was zum Auftreten defekter Elektronikkomponenten oder Schaltplatten führt, die verformt, gerissen o. ä. sind. Darüber hinaus wird durch das Verfahren, bei dem man durch Verringerung der Erwärmungs- und Abkühlgeschwindigkeiten beim Brennen des Laminats Temperaturunterschiede vermeidet, die Brenneffizienz verringert. Ferner lässt die Festigkeit der Keramikeinsatzplatte nach, wenn man zur Sicherstellung der Gasdurchlässigkeit eine hohe Porosität wählt, und die Haltbarkeit sinkt.

Zusammenfassung der Erfindung

Angesichts der vorstehenden Ausführungen ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine mehrfach verwendbare Keramikeinsatzplatte mit guter Gasdurchlässigkeit beim Brennen eines Keramiklaminats mit guter Brenneffizienz sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung zur Verfügung zu stellen.

Die erfindungsgemäße Keramikeinsatzplatte, die diese Aufgabe löst, ist eine Keramikeinsatzplatte aus einem plattenförmigen gesinterten Körper aus einem nicht- oxidischen Keramikmaterial, das gebildet wird durch Brennen von Keramikteilchen aus mindestens einer aus der aus SiC, Si₃N₄, BN, AlN, MoSi₂, TiN und ZrB₂ bestehenden Gruppe ausgewählten Verbindung, wobei der gesinterte Körper aus einem porösen Körper mit miteinander verbundenen Poren und einem oder einer Vielzahl von Hohlräumen in seinem Inneren im Wesentlichen in der Mitte in Richtung der Dicke hergestellt ist, wobei mindestens einer der Hohlräume in seinem Inneren einen oder eine Vielzahl von verzweigten Teilen aufweist und jeder der Hohlräume einen sich öffnenden Teil auf mindestens einem der Seitenteile des gesinterten Körpers hat. Nach den vorstehenden Ausführungen wird die Keramikeinsatzplatte aus einem integrierten gesinterten Körper mit Poren und Vertiefungen gebildet. Daher verfügt er über hohe Festigkeit, bricht kaum und kann wiederholt verwendet werden. Darüber hinaus kann das Auftreten defekter Elektronikkomponenten oder Schaltplatten mit Verformungen, Rissen o. ä. aufgrund des stabilen Parallelitätsgrades verhindert werden. Nachdem die Keramikeinsatzplatte dünner gemacht werden kann, können darüber hinaus in einem Ofen zahlreiche laminierte grüne Lagen gemeinsam gebrannt werden, so dass die Brenneffizienz steigt. Weil der gesinterter Körper ein nicht-oxidisches Keramikmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit umfasst, kann man außerdem eine gute Wärmleitfähigkeit erzielen; daher kann ein Laminat aus grünen Keramiklagen gleichmäßig gebrannt werden und es treten weniger Risse und Verformungen auf. Aufgrund der miteinander verbundenen Poren und der Hohlräume, von denen jeder einen sich öffnenden Teil auf mindestens einem der Seitenteile der Keramikeinsatzplatte sowie verzweigte Teile innerhalb der Keramikeinsatzplatte aufweist, kann viel frische Luft zum Verbrennen des Bindemittels nach innen eingespeist werden, und das erzeugte Zersetzungsgas kann effizient ausgeleitet werden.

Bei der erfindungsgemäßen Keramikeinsatzplatte verläuft bevorzugt mindestens ein Teil der Hohlräume ganz von einem der Seitenteile zu mindestens einem anderen Seitenteil. Folglich kann frische Luft zur Bindemittelverbrennungsbehandlung durch die ganz hindurch verlaufenden Hohlräume eingespeist werden, um in den grünen Keramiklagen und den grünen Keramikbegrenzungsplatten enthaltenes Harz, Weichmacher und Lösungsmittel zu zersetzen. Dann kann das Zersetzungsgas auf einfache Weise ausgeleitet werden.

Darüber hinaus ist es bei der erfindungsgemäßen Keramikeinsatzplatte bevorzugt, dass mindestens einer der Hohlräume, der sich von einem der sich öffnenden Teile nach innen erstreckt, auf der Innenseite blockiert ist. Daher können Hohlräume, die das Einspeisen frischer Luft und die Ausleitung des erzeugten Zersetzungsgases ermöglichen, so ausgebildet werden, dass sie sich öffnende Teile an allen Seitenteilen aufweisen, während die Festigkeit des gesinterten Körpers nach wie vor sichergestellt ist.

Außerdem ist es bei der erfindungsgemäßen Keramikeinsatzplatte bevorzugt, dass die Biegefestigkeit des für die Einsatzplatte verwendeten gesinterten Materials mindestens 30 MPa beträgt. Daher kann man eine Keramikeinsatzplatte erhalten, die nicht verbiegt oder bricht.

Bei der erfindungsgemäßen Keramikeinsatzplatte ist es außerdem bevorzugt, dass die Porosität des für die Einsatzplatte verwendeten gesinterten Materials mindestens 10%, aber weniger als 40% beträgt. Daher kann Luft für die Bindemittelverbrennungsbehandlung effizient eingespeist und durch die Bindemittelverbrennungsbehandlung erzeugtes Zersetzungsgas effizient ausgeleitet werden.

Ferner beträgt die Wärmeleitfähigkeit des für die erfindungsgemäße Keramikeinsatzplatte verwendeten gesinterten Materials bevorzugt mindestens 5 W/m.K. Daher kann das Laminat effizient gebrannt werden, ohne dass die Brenngeschwindigkeit gesenkt wird. Außerdem kann man brennen, ohne dass das Laminat reißt.

Ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Keramikeinsatzplatte, die die vorstehend beschriebene Aufgabe löst, besteht aus einem Verfahren zur Herstellung einer Keramikeinsatzplatte aus einem gesinterten Keramikkörper, umfassend: Herstellung einer plattenförmigen Harzplatte zur Bildung der Hohlräume im gesinterten Körper und Ausbilden eines Kerns durch Verarbeiten der Harzplatte zu einer geometrischen Konfiguration, die der der Hohlräume im Wesentlichen gleich ist; Ausbildung einer Form mit Innenabmessungen, die den Außenabmessungen des gesinterten Körpers im Wesentlichen gleich sind; Einbringen des Kerns in die Form; Einspritzen einer Keramikaufschlämmung aus einem nicht- oxidischen Keramikmaterial, umfassend Keramikteilchen aus mindestens einer aus der aus SiC, Si₃N₄, BN, AlN, MoSi₂, TiN und ZrB₂ bestehenden Gruppe ausgewählten Verbindung, bei der es sich um das Material des gesinterten Körpers handelt, in einen Spalt zwischen der Form und dem Kern, Trocknen derselben und dann Herausnehmen des resultierenden, einen Kern enthaltenden Formgegenstandes aus der Form; Formen eines Formgegenstandes aus dem kernhaltigen geformten Gegenstand durch Auflösen des Kerns unter Verwendung eines organischen Lösungsmittels; Durchführung der Behandlung zum Verbrennen des Bindemittels durch Erwärmen des Formgegenstandes, wodurch der Kern vollständig beseitigt wird, und Brennen des Formgegenstandes. Nach den vorstehenden Ausführungen wird der Kern durch Verwendung eines organischen Lösungsmittels eliminiert. Anschließend wird vor dem Brennen des nicht-oxidischen Keramikmaterials eine Bindemittelverbrennungsbehandlung durchgeführt. Daher kann er leicht eliminiert werden, und man kann eine aus einer einzelnen Platte bestehende Keramikeinsatzplatte herstellen, die über gute Wärmeleitfähigkeit und miteinander verbundene Poren verfügt, in ihren Seitenteilen Hohlräume aufweist, sowie gleichzeitig dünn und stark ist.

Beim Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Keramikeinssatzplatte ist es außerdem bevorzugt, dass der Formgegenstand in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre gebrannt wird. Daher kann man einen Formgegenstand für eine Keramikeinsatzplatte aus einem nicht-oxidischen Keramikmaterial brennen, der über geeignete Biegefestigkeit, Porosität und Wärmeleitfähigkeit verfügt.

Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Perspektivansicht einer Keramikeinsatzplatte nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 ist eine Zeichnung, die die Hohlräume in der Keramikeinsatzplatte veranschaulicht.

Fig. 3 ist eine Zeichnung, die die Hohlräume in einer modifizierten Keramikeinsatzplatte veranschaulicht.

Fig. 4(A) und bis 4(E) sind Zeichnungen, die ein Herstellungsverfahren für die Keramikeinsatzplatte veranschaulichen.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Als nächstes werden anhand der Begleitzeichnungen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern.

Eine Keramikeinsatzplatte 10 nach einer in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung wird beispielsweise für die Herstellung eines bei niedrigen Temperaturen gebrannten Keramiksubstrats verwendet. Hergestellt wird das gebrannte Keramiksubstrat durch Laminieren grüner Keramikbegrenzungsplatten, die bei der Brenntemperatur der vorstehenden grünen Keramiklagen nicht sintern, auf die äußere Oberfläche eines Laminats, das durch Aufeinanderlegen einer Vielzahl grüner, bei niedriger Temperatur brennbaren Keramiklagen und Aufbringen von Druck unter Erwärmen, sandwichartiges Einlegen dieses Laminats über die grünen Keramikbegrenzungsplatten zwischen die Einsatzplatten 10, sowie Brennen des Laminats unter Aufbringen von Druck. Dadurch kommt es beim Brennen nur zum Schrumpfen in Richtung der Dicke des Laminats. Hergestellt wird die Keramikeinsatzplatte 10 aus einem plattenförmigen gesinterten Körper 12 vom nicht-oxidischen Typ mit hoher Wärmeleitfähigkeit, der durch Formen von Keramikteilchen 11 aus mindestens einer aus der aus SiC, Si₃N₄, BN, AlN, MoSi₂, TiN und ZrB₂ bestehenden Gruppe ausgewählten Verbindung und Brennen des Formkörpers hergestellt wird. Der gesinterte Körper 12 weist in seinem Inneren im Wesentlichen in der Mitte in Richtung der Dicke einen oder eine Vielzahl von Hohlräumen 13 auf. Mindestens einer der Hohlräume 13 weist in seinem Inneren einen oder ein Vielzahl verzweigter Teile 17 auf (siehe Fig. 2 oder Fig. 3), wo sich die Verlaufsrichtung ändert und sich in eine Vielzahl von Richtungen aufspaltet. Dies geschieht an anderen als den Kreuzungspunkten 16 (siehe Fig. 2 oder Fig. 3), wo es zu Überkreuzungen im rechten Winkel kommt. Außerdem weisen die Hohlräume 13 an den Seitenteilen des gesinterten Körpers 12 sich öffnende Teile 14 auf. Außerdem hat der gesinterte Körper 12 Poren 15 zwischen den Keramikteilchen 11 und/oder Aggregaten aus den Keramikteilchen 11, wobei die Poren 15 in drei Dimensionen miteinander verbunden sind. Die Hohlräume 13 und die Poren 15 werden während des Sinterns des grünen Keramiklaminats dazu verwendet, die Luft einzuführen, die zur Verbrennungsbehandlung des in den grünen Keramiklagen und den grünen Keramikbegrenzungsplatten enthaltenen Harzes, Weichmachers und der kleinen Menge an Lösungsmittel sowie zur Entfernung des erzeugten Zersetzungsgases gebraucht wird. Durch den Einsatz verzweigter Teile 17 in den Hohlräumen 13 kann gleichmäßig frische Luft in verschiedenen Richtungen zugeführt werden. Außerdem kann das erzeugte Zersetzungsgas breit dispergiert und die Zeit zur Ausleitung nach außen verkürzt werden. Daher kann die Bindemittelverbrennungsbehandlung rasch durchgeführt werden.

Wie Fig. 2 zeigt, ist mindestens einer der Hohlräume 13 in der Keramikeinsatzplatte 10 bevorzugt so ausgebildet, dass er von einem der Seitenteile über den oder die Kreuzungspunkte 16 und/oder den oder die verzweigten Teile 17 bis zu mindestens einem anderen Seitenteil verläuft. Dadurch, dass der Hohlraum 13 auf diese Weise ganz durch verläuft, kann beispielsweise frische Luft von einem Seitenteil zugeführt und das durch die Bindemittelverbrennungsbehandlung erzeugte Zersetzungsgas durch einen anderen Seitenteil ausgetrieben werden. Bemerkenswert ist, dass der direkt durch die Keramikeinsatzplatte 10 verlaufende Hohlraum 13 so beschaffen sein kann, dass er mit allen Seitenteilen verbunden ist. Der Hohlraum 13 kann jedoch auch von einem Seitenteil mit einem oder zwei anderen Seitenteilen verbunden sein. Der Hohlraum 13 kann in einer geraden Linie oder zickzackförmig verlaufen. Außerdem sollte der Hohlraum 13 so groß wie möglich und mit vielen anderen Hohlräumen 13 verbunden sein.

Wie Fig. 3 zeigt, kann mindestens einer der Hohlräume 13, der von einem in der Keramikeinsatzplatte 10 ausgebildeten sich öffnenden Teil 14 zur Innenseite der Keramikeinsatzplatte 10 reicht, an der Innenseite der Keramikeinsatzplatte 10 blockiert sein. Dadurch, dass sich der Hohlraum 13 nicht durch die gesamte Keramikeinsatzplatte 10 erstreckt, kann deren Biegefestigkeit relativ hoch gemacht werden; daher bricht die Keramikeinsatzplatte 10 seltener. Der Abstand zu den blockierten Stellen für die innen blockierten Hohlräume 13 unterliegt keinen besonderen Einschränkungen und kann jeweils frei gewählt werden. Außerdem kann ein solcher Hohlraum 13 in einer geraden Linie oder zickzackförmig verlaufen.

Vorzugsweise hat der die Keramikeinsatzplatte 10 bildende gesinterte Körper 12 eine Biegefestigkeit von mindestens 30 MPa. Wenn die Biegefestigkeit weniger als 30 MPa beträgt, dann kann die Keramikeinsatzplatte 10 möglicherweise das Ziel einer Verwendung von 100 Mal oder mehr nicht erreichen. Außerdem hat der gesinterte Körper 12 vorzugsweise eine Porosität von mindestens 10%, aber weniger als 40%. Wenn die Porosität weniger als 10% beträgt und die Poren 15 darüber hinaus nicht miteinander verbunden sind, dann kann die Fähigkeit zur Verbrennung des Bindemittels während des Brennens der bei niedriger Temperatur brennbaren grünen Keramiklagen o. ä. beeinträchtigt sein, und es kann zur Bildung von Rissen oder zu Verfärbungen des bei niedrigen Temperaturen gebrannten Keramiksubstrats kommen. Übersteigt die Porosität dagegen 40% oder mehr, geht die Wärmeleitfähigkeit zurück und die Temperaturunterschiede innerhalb der Keramikeinsatzplatte 10 werden groß. Daher können beim Brennen Risse im bei niedrigen Temperaturen brennbaren Keramiksubstrat auftreten, wenn es wiederholt verwendet wird. Darüber hinaus wird die Biegefestigkeit der Keramikeinsatzplatte 10 gering, und die Zahl der Einsätze der Keramikeinsatzplatte 10 geht zurück. Ferner hat der gesinterte Körper 12 vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 5 W/m.K. Liegt die Wärmeleitfähigkeit unter 5 W/m.K, können Probleme auftreten, z. B. dadurch, dass die Temperaturunterschiede auf der Substratoberfläche während des Brennens des bei niedrigen Temperaturen brennbaren Keramiksubstrats zu groß werden und daher ein homogenes Brennen nicht möglich ist, was zu Verformungen oder Rissen des bei niedrigen Temperaturen gebrannten Keramiksubstrats führt.

Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung der Keramikeinsatzplatte 10 nach einer Ausführungsform der Erfindung anhand von Fig. 4(A) bis (E) beschrieben.

Wie Fig. 4(A) zeigt, wird eine Harzschaumplatte 18 mit einer Dicke von etwa 1 bis 5 mm, z. B. aus Polystyrolschaum oder Polyethylenschaum, bei denen es sich um Beispiele für Harzschäume handelt, hergestellt, um Hohlräume 13 in den Seitenteilen des gesinterten Körpers 12 herzustellen. Um die Teile herzustellen, die die Hohlräume 13 in der Keramikeinsatzplatte 10 werden, sowie die Teile, die die Stützpfeiler zwischen den Hohlräumen 13 bilden, werden durchgehende Löcher 19 von beispielsweise kreisförmiger oder viereckiger Form durch Ausstanzen o. ä. aus einer Vorderseite der Harzschaumplatte 18 gebildet. Dadurch entsteht ein Kern 20. Bemerkenswerterweise ist der Kern 20 so ausgebildet, dass beim Blick von oben eine Linie, die durch die Mittelteile der an der äußeren Peripherie der Harzschaumplatte 18 ausgebildeten durchgehenden Löcher 19 führt, im Wesentlichen die gleichen Abmessungen hat wie die äußeren Abmessungen der Keramikeinsatzplatte 10. Dies erreicht man durch Abschneiden der äußeren peripheren Teile 21 der Harzschaumplatte 18. Die durchgehenden Löcher 19 werden dazu verwendet, die tragenden Pfeiler zu bilden; die verbleibenden Teile werden zur Ausbildung der Hohlräume 13 verwendet.

Als nächstes wird wie in Fig. 4(B) und (C) gezeigt eine Gießform 22 hergestellt. Deren Innenwände werden mit einer Maßkonfiguration ausgestattet, die man dadurch erhält, dass man zu den Außenabmessungen des gesinterten Körpers 12 eine Menge addiert, die dem Schrumpfen beim Brennen entspricht. Im allgemeinen wird die Form 22 unter Verwendung von Gips o. ä. hergestellt, weist ein am oberen Ende ausgebildetes Gussloch auf und ist so konstruiert, dass der Formgegenstand nach dem Gießen leicht aus der Form 22 genommen werden kann.

Als nächstes wird der Kern 20 so im Mittelteil der Form 22 angebracht, dass er mit einem Spalt zwischen dem Kern 20 und der Innenwand jeder Seite der Form 22 sandwichartig darin liegt. Der Spalt zwischen den Innenwänden auf beiden Seiten der Form 22 entspricht der künftigen Dicke des Formgegenstandes 25 (siehe Fig. 4(D)).

Als nächstes wird eine Keramikaufschlämmung aus einem nicht-oxidischen Keramikmaterial, bei dem es sich um das Material des gesinterten Körpers 12 handelt, aus dem Gussloch unter Druck in den Spaltteil 23 der Form 22 eingespritzt. Hier ist das nicht-oxidische Keramikmaterial eine der Verbindungen SiC, Si₃N₄, BN, AIN, MoSi₂, TiN und ZrB₂ oder eine Kombination aus zwei oder mehr solcher Verbindungen, wobei ein Keramikmaterial wie SiC mit hoher Wärmeleitfähigkeit besonders bevorzugt wird. Die Keramikaufschlämmung wird durch Zugabe eines SiO₂-Sols oder eines Al₂O₃-Sols als wärmebeständiges anorganisches Bindemittel zu SiC, einem Beispiel für das nicht-oxidische Keramikmaterial mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,1 bis 50 µm, und Mischen zu einer Aufschlämmung hergestellt. Die Keramikaufschlämmung wird in die Form 22 eingespritzt, und nach dem Trocknen bei etwa 60°C wird der resultierende kernhaltige Formgegenstand 24 aus der Form 22 genommen.

Wie Fig. 4(D) zeigt, wird als nächstes der Kern 20 aus der Harzschaumplatte 18 durch Auflösen unter Verwendung eines organischen Lösungsmittels aus dem kernhaltigen Formgegenstand genommen. Dadurch entsteht ein Formgegenstand 25. Hohlräume bilden sich an den Stellen, aus denen der Kern 20 entnommen wurde.

Anschließend wird der Formgegenstand 25 getrocknet, indem man ihn 24 Stunden bei 60°C stehen lässt. Dann wird die Temperatur um 2°C/min auf 400°C erhöht, 1 Stunde auf 400°C gehalten, um 10°C/min auf 500°C erhöht und 1 Stunde auf 500°C gehalten. Dadurch wird das Bindemittel verbrannt und der Harzschaum, d. h. die Komponente des Kerns 20, vollständig aus dem Formgegenstand 25 eliminiert.

Als nächstes wird der Formgegenstand 25 in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur im Bereich von 1600 bis 2400°C gebrannt. Wie man in Fig. 4(E) sieht, entsteht dadurch eine Keramikeinsatzplatte 10, die miteinander verbundene Poren 15 im gesinterten Körper 12, sich öffnende Teile 14 an den Seitenteilen des gesinterten Körpers 12 und sich von den sich öffnenden Teilen 14 nach innen erstreckende Hohlräume 13 aufweist.

Beispiele

Mit dem Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Keramikeinsatzplatte haben die Erfinder beispielhafte Keramikeinsatzplatten hergestellt, die SiC enthielten, Außenabmessungen von 240 mm × 240 mm und eine Dicke von 7 mm aufwiesen, innen Hohlräume aufwiesen und 18 sich öffnende Teile der an jedem Seitenteil vorgesehenen Hohlräume hatten, wobei jeder sich öffnende Teil 2 × 7 mm groß war. Die Biegefestigkeit, Porosität und Wärmeleitfähigkeit des gesinterten Körpers wurden variiert. Als Vergleichsbeispiele wurden außerdem Keramikeinsatzplatten aus dem gleichen Material und mit den gleichen Abmessungen wie in den vorstehenden Beispielen hergestellt, ohne dass darin Hohlräume ausgebildet wurden. Die Biegefestigkeit, Porosität und Wärmeleitfähigkeit des gesinterten Körpers wurden auch hier variiert. Als nächstes stellten die Erfinder bei niedrigen Temperaturen brennbare grüne Lagen aus Keramik her, die zu den Produkten werden sollten. Dazu verwendeten sie ein Rakelverfahren, um diese Lagen aus einer Aufschlämmung herzustellen, die durch Vermischen von 60 Gew.-% eines CaO-SiO₂-Al₂O₃-B₂O₃-Glaspulvers und 40 Gew.-% eines Aluminiumpulvers gebildet worden war, um ein bei niedriger Temperatur brennbares Keramikpulver herzustellen, gaben ein Lösungsmittel, ein Bindemittel und einen Weichmacher zu und kneteten kräftig. Außerdem wurden mit dem Rakelverfahren Begrenzungsplatten aus einem grünen Keramikmaterial hergestellt. Damit stellte man Lagen aus einer Aufschlämmung her, die durch Zugabe eines Lösungsmittels, eines Bindemittels und eines Weichmachers zu 100% Aluminiumoxidpulver und gründliches Kneten gebildet worden war.
Anschließend wurden die bei niedrigen Temperaturen brennbaren grünen Keramiklagen auf vorher festgelegte Abmessungen geschnitten. Dann wurden mit einer Stanzform, einer Stanzmaschine o. ä. durchgehende Löcher eingestanzt, diese durch Siebdrucken o. ä. mit einer leitfähigen Paste gefüllt und durch Siebdrucken ein leitfähiges Schaltmuster auf der Oberfläche ausgebildet. Eine Vielzahl der bei niedrigen Temperaturen brennbaren grünen Keramiklagen (5 Lagen in den vorliegenden Beispielen) wurde dann aufeinandergelegt, um ein Laminat zu bilden. Dann legte man zwei grüne Keramikbegrenzungsplatten auf die obere und die untere Oberfläche des Laminats. Durch Erwärmen und Kompressionsverbinden bei beispielsweise 80 bis 150°C und 50 bis 250 kg/cm² bildete man einen durch Kompression verbundenen Körper. Keramikeinsatzplatten aus einem der Beispiele oder Vergleichsbeispiele wurden dann auf die obere und die untere Oberfläche des durch Kompression verbundenen Körpers gelegt, so dass dieser sandwichartig dazwischenlag. Dann brannte man ihn unter Druck bei 800 bis 1000°C. Nach dem Brennen wurde das in der grünen Keramikbegrenzungsplatte verwendete und auf jeder Oberfläche des Laminats verbleibende Aluminiumoxidpulver entfernt. Das Lösungsmittel, das Bindemittel und der Weichmacher waren bereits aus den grünen Keramikbegrenzungsplatten entfernt worden. Auf diese Weise wurde ein bei niedriger Temperatur gebranntes Keramiksubstrat erzeugt. Dann stellte man einen Vergleich zwischen den Keramikeinsatzplatten der Beispiele und Vergleichsbeispiele an, z. B. in Bezug auf die Fähigkeit des Laminats aus bei niedrigen Temperaturen brennbaren grünen Keramiklagen und der grünen Keramikbegrenzungsplatten, das Bindemittel zu verbrennen, die Produktqualität des bei niedrigen Temperaturen gebrannten Keramiksubstrats und die Zahl der Verwendungen der Keramikeinsatzplatten. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Es wurde festgestellt, dass die Fähigkeit, das Bindemittel zu verbrennen, bei den mit Hohlräumen versehenen Keramikeinsatzplatten größer war als bei den Keramikeinsatzplatten ohne Hohlräume. Jedoch ließ bei einer mit Hohlräumen versehenen Keramikeinsatzplatte, die eine Porosität von 9% aufwies, die Gasdurchlässigkeit nach. Daher war auch die Fähigkeit, das Bindemittel zu verbrennen, im Vergleich zu anderen Beispielen schlechter. Im Ergebnis Waten bei einigen der Keramiksubstrate, die man durch wiederholte Verwendung der Keramikeinsatzplatten erhalten hatte, aufgrund von Kohlenstoffrückständen Verfärbungen auf. Außerdem sank bei einer Porosität von 40% die Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu den anderen Beispielen, so dass auch der Temperaturunterschied auf der Keramikeinsatzplatte größer wurde. Folglich war die Keramikeinsatzplatte anfällig für Risse, und die Biegefestigkeit ließ nach. Daher konnte die Keramikeinsatzplatte weniger oft verwendet werden als in den anderen Beispielen. In Fällen, wo eine gewisse Verfärbung akzeptabel ist oder die Einsatzplatten nicht so oft verwendet werden, können auch die Proben Nr. 5 und 6 zum Einsatz kommen. Im Ergebnis wurde festgestellt, dass die wünschenswerten Materialeigenschaften der Keramikeinsatzplatte eine Biegefestigkeit von mindestens 30 MPa, eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 5 W/m.K und eine Porosität von mindestens 10%, aber weniger als 40% sind.
Die erfindungsgemäße Keramikeinsatzplatte ist so beschaffen, dass der gesinterte Körper in seinem Inneren im Wesentlichen in der Mitte der Richtung der Dicke einen oder eine Vielzahl von Hohlräumen aufweist, wobei mindestens einer der Hohlräume in seinem Inneren einen oder eine Vielzahl von verzweigten Teilen aufweist, die Hohlräume an den Seitenteilen des gesinterten Körpers sich öffnende Teile aufweisen und der gesinterte Körper aus einem porösen Körper mit miteinander verbundenen Poren hergestellt ist. Folglich kann man eine gute Wärmeleitfähigkeit erhalten und Gegenstände, die gebrannt werden sollen, können homogen gebrannt werden. Daher treten seltener Risse und Verformungen auf. Darüber hinaus kann wegen der miteinander verbundenen Poren und der Hohlräume, die so ausgelegt sind, dass Gas sich leicht im Inneren der Einsatzplatte ausbreiten kann, die Gasdurchlässigkeit sichergestellt werden, ohne dass dies auf Kosten der Wärmeleitfähigkeit oder Haltbarkeit geht. Folglich lässt sich auch die Behandlung zur Verbrennung des Bindemittels gut durchführen. Weil die Keramikeinsatzplatte als ein Körper mit Poren und Hohlräumen ausgebildet ist, ist außerdem die Festigkeit gut, es kommt selten zum Bruch und eine wiederholte Verwendung ist möglich. Darüber hinaus können viele Gegenstände, die gebrannt werden sollen, gleichzeitig gebrannt werden, weil die Keramikeinsatzplatte dünn hergestellt werden kann, was bedeutet, dass die Brenneffizienz gesteigert werden kann.
Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Keramikeinsatzplatte umfasst folgende Schritte:
Herstellung einer plattenförmigen Harzplatte zur Bildung von Hohlräumen in einem gesinterten Körper und Ausbilden eines Kerns durch Verarbeiten der Harzplatte zu einer geometrischen Konfiguration, die der der Hohlräume im Wesentlichen gleich ist; Ausbildung einer Form mit Innenabmessungen, die den Außenabmessungen des gesinterten Körpers im Wesentlichen gleich sind; Einbringen des Kerns in die Form; Einspritzen einer ein nicht-oxidisches Keramikmaterial umfassenden Keramikaufschlämmung, bei der es sich um das Material des gesinterten Körpers handelt, in einen Spalt zwischen der Form und dem Kern, Trocknen derselben und dann Herausnehmen des resultierenden, einen Kern enthaltenden Formgegenstandes aus der Form; Formen eines Formgegenstandes aus dem kernhaltigen geformten Gegenstand durch Auflösen des Kerns unter Verwendung eines organischen Lösungsmittels; Durchführung der Behandlung zum Verbrennen des Bindemittels durch Erwärmen des Formgegenstandes, wodurch der Kern vollständig beseitigt wird, und Brennen des Formgegenstandes. Folglich kann der Kern zur Herstellung der Hohlraumteile durch Verwendung eines organischen Lösungsmittels leicht entfernt werden, und man kann auf einfache Weise eine nicht-oxidische Keramikeinsatzplatte herstellen, die aus einer einzigen Platte mit guter Wärmeleitfähigkeit und miteinander verbundenen Poren besteht, innen Hohlräume aufweist und gleichzeitig dünn und fest ist.

Claims

1. Keramikeinsatzplatte, hergestellt aus einem plattenförmigen gesinterten Körper aus einem nicht-oxidischen Keramikmaterial, das gebildet wird durch Brennen von Keramikteilchen aus mindestens einer aus der aus SiC, Si₃N₄, BN, AlN, MoSi₂, TiN und ZrB₂ bestehenden Gruppe ausgewählten Verbindung, wobei der gesinterte Körper aus einem porösen Körper mit miteinander verbundenen Poren und einem oder einer Vielzahl von Hohlräumen in seinem Inneren im Wesentlichen in der Mitte in Richtung der Dicke hergestellt ist, wobei mindestens einer der Hohlräume in seinem Inneren einen oder eine Vielzahl von verzweigten Teilen aufweist und jeder der Hohlräume einen sich öffnenden Teil auf mindestens einem der Seitenteile des gesinterten Körpers hat.

2. Keramikeinsatzplatte nach Anspruch 1, in der mindestens einer der Hohlräume durchgehend von einem der Seitenteile zu mindestens einem anderen der Seitenteile verläuft.

3. Keramikeinsatzplatte nach Anspruch 1 oder 2, bei der mindestens einer der Hohlräume, der so angeordnet ist, dass er vom sich öffnenden Teil ins Innere reicht, an der Innenseite der Keramikeinsatzplatte blockiert ist.

4. Keramikeinsatzplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der gesinterte Körper eine Biegefestigkeit von mindestens 30 MPa hat.

5. Keramikeinsatzplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der gesinterte Körper eine Porosität von mindestens 10%, aber weniger als 40% hat.

6. Keramikeinsatzplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der gesinterte Körper eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 5 W/m.K aufweist.

7. Verfahren zur Herstellung der in Anspruch 1 beschriebenen Keramik, umfassend:
Herstellung einer plattenförmigen Harzplatte zur Bildung der Hohlräume im gesinterten Körper und Ausbilden eines Kerns durch Verarbeiten der Harzplatte zu einer geometrischen Konfiguration, die der der Hohlräume im Wesentlichen gleich ist;
Ausbildung einer Form mit Innenabmessungen, die den Außenabmessungen des gesinterten Körpers im Wesentlichen gleich sind;
Einbringen des Kerns in die Form;
Einspritzen einer Keramikaufschlämmung aus einem nicht-oxidischen Keramikmaterial, umfassend Keramikteilchen aus mindestens einer aus der aus SiC, Si₃N₄, BN, AlN, MoSi₂, TiN und ZrB₂ bestehenden Gruppe ausgewählten Verbindung, bei der es sich um das Material des gesinterten Körpers handelt, in einen Spalt zwischen der Form und dem Kern, Trocknen derselben und dann Herausnehmen des resultierenden, einen Kern enthaltenden Formgegenstandes aus der Form;
Formen eines Formgegenstandes aus dem kernhaltigen geformten Gegenstand durch Auflösen des Kerns unter Verwendung eines organischen Lösungsmittels;
Durchführung der Behandlung zum Verbrennen des Bindemittels durch Erwärmen des Formgegenstandes, wodurch der Kem vollständig beseitigt wird, und
Brennen des Formgegenstandes.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Formgegenstand in einer nicht- oxidierenden Atmosphäre gebrannt wird.