DE112007000835B4

DE112007000835B4 - Keramikheizgerät und Verfahren zum Befestigen eines Thermoelements daran

Info

Publication number: DE112007000835B4
Application number: DE112007000835.0T
Authority: DE
Inventors: Hongy Lin; Jason E. Smith; Daniel J. Block
Original assignee: Watlow Electric Manufacturing Co
Current assignee: Watlow Electric Manufacturing Co
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2007-04-25
Publication date: 2018-07-12
Anticipated expiration: 2027-04-26
Also published as: US7832616B2; CN101433125B; WO2008054519A3; CN101433125A; US20070251938A1; KR20090008352A; JP2009535291A; US20080110963A1; JP5371742B2; WO2008054519A2; KR101486253B1; TWI462629B; TW200746874A; DE112007000835T5

Abstract

Ein Keramikheizgerät (10), aufweisend:ein keramisches Substrat (12);ein Widerstandsheizelement (14), das in das keramische Substrat (12) eingebettet ist; undmindestens ein Thermoelement (16) zum Messen einer Temperatur des keramischen Substrats (12), wobei das mindestens eine Thermoelement (16) zwei Leiterdrähte (22) aus verschiedenen Metallen aufweist, die an einer Verbindungsstelle (26) miteinander verbunden sind, und wobei die Verbindungsstelle (26) durch einen aktiven Hartlötwerkstoff (32) direkt mit dem keramischen Substrat (12) verbunden ist;wobei der aktive Hartlötwerkstoff (32) in direktem Kontakt mit dem keramischen Substrat (12) und der Verbindungsstelle (26) steht und die Verbindungsstelle (26) von dem aktiven Hartlötwerkstoff (32) umgeben ist; undwobei der aktive Hartlötwerkstoff (32) aus einer Gruppe, die aus Au-Cu-Ti-Legierung, Au-Ni-Ti-Legierung und Au-Ti-Legierung besteht, ausgewählt ist.

Description

Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf elektrische Heizgeräte, genauer gesagt auf Keramikheizgeräte und Verfahren zum Befestigen von Thermoelementen an den Keramikheizgeräten.
Allgemeiner Stand der Technik
Die Ausführungen in diesem Abschnitt liefern lediglich Hintergrundinformationen zur vorliegenden Offenbarung und müssen nicht den Stand der Technik wiedergeben.
Ein typisches Keramikheizgerät besitzt allgemein ein keramisches Substrat und ein Widerstandsheizelement, das entweder in das keramische Substrat eingebettet oder an einer Außenfläche des keramischen Substrats befestigt ist. Wärme, die vom Widerstandsheizelement erzeugt wird, kann wegen der ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit von keramischen Werkstoffen rasch zu einem Zielobjekt, das sich nahe dem keramischen Substrat befindet, übertragen werden.
Keramische Werkstoffe sind jedoch dafür bekannt, dass sie sich wegen der schlechten Benetzbarkeit keramischer und metallischer Werkstoffe schlecht mit metallischen Werkstoffen verbinden. Viele der keramischen Werkstoffe und der metallischen Werkstoffe sind nicht benetzbar, weshalb es schwierig ist, geschmolzenes Metall in die Poren eines keramischen Werkstoffs unter Überwindung des Kapillardrucks fließen zu lassen. Zudem ist der Unterschied zwischen den Wärmedehnungskoeffizienten des keramischen Werkstoffs und des metallischen Werkstoffs groß, und somit lässt sich eine Bindung zwischen dem keramischen Werkstoff und dem metallischen Werkstoff bei einer hohen Temperatur nur schwer aufrechterhalten.
Deshalb wird ein Thermoelement zusammen mit dem Keramikheizgerät allgemein durch eine Metallhülse hindurch am keramischen Substrat angebracht. Die Heißlötstelle, oder Messstelle, des Thermoelements zum Messen der Temperatur des Keramikheizgeräts wird in die Metallhülse aufgenommen und ist daran festgeschweißt, und die Metallhülse wiederum ist am keramischen Substrat befestigt. Die Hülse ist typischerweise in der Nähe des keramischen Substrats mechanisch angebracht, etwa durch eine federbelastete Vorrichtung.
Dieses konventionelle Verfahren, das Thermoelement am Keramikheizgerät zu befestigen, hat den Nachteil, dass Temperaturen verzögert gemessen werden, weil das Thermoelement die Temperatur der Metallhülse und nicht direkt die Temperatur des keramischen Substrats misst. Auch wegen der hohen thermischen Masse der Hülse verzögert sich die Temperaturänderung im Thermoelement eher noch weiter. Deshalb hängt eine genaue Temperaturmessung durch das Thermoelement von den thermischen Kennwerten der Metallhülse ab. Wenn das Keramikheizgerät sehr schnell hochgefahren wird, misst das Thermoelement die Temperatur des Keramikheizgeräts möglicherweise nicht genau und sofort, falls die Metallhülse nicht schnell auf die Temperaturänderung des keramischen Substrats reagiert. Dementsprechend kommt es in einem Keramikheizgerät, das mit einer relativ hohen Leistungsdichte gespeist und relativ schnell hochgefahren wird, wahrscheinlich zu einem „Überschießen“, was eine unerwünschte Änderung eines Parameters bezeichnet, die eintritt, wenn beim Übergang des Parameters von einem niedrigeren zu einem höheren Wert der Endwert überschritten wird. Da es nicht möglich ist, die Temperatur über ein Hochfahrprofil genau zu messen und zu regeln, wird das Keramikheizgerät möglicherweise auf eine Temperatur über der Zieltemperatur gebracht mit der Folge, dass das Zielobjekt unerwünscht erwärmt wird.
Weiterer Stand der Technik ist aus US 2004/226514 A1 , US 2004/149718 A1 und DVS Merkblatt: Herstellen von Keramik-Keramik- und Keramik-Metall-Verbindungen durch Aktivlöten, 3102, Düsseldorf, DVS-Verlag, 1993, Seiten 1 bis 7 bekannt.
Zusammenfassung
In einer Form ist ein Keramikheizgerät gemäß Anspruch 1 vorgesehen.
In einer weiteren Form ist ein Keramikheizgerät gemäß Anspruch 10 vorgesehen..
In einer noch weiteren Form ist ein Verfahren gemäß Anspruch 11 vorgesehen.
In einer noch weiteren Form ist ein Verfahren gemäß Anspruch 17 vorgesehen..
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier gegebenen Beschreibung ersichtlich. Es sei darauf hingewiesen, dass die Beschreibung und spezifische Beispiele nur zur Illustration gedacht sind und den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht beschränken sollen.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur der Illustration und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise beschränken.

ist eine perspektivische Ansicht eines Keramikheizgeräts mit einem daran befestigten Thermoelement, ausgeführt gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung;
ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Keramikheizgeräts mit dem Thermoelement in gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung;
ist ein Querschnittsansicht des Keramikheizgeräts und des Thermoelements entlang der Linie 3-3 in gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung;
ist eine vergrößerte Ansicht innerhalb des Details A in und zeigt die Verbindung zwischen dem keramischen Substrat und dem Thermoelement gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
ist eine vergrößerte Ansicht ähnlich und zeigt beispielhaft eine alternative Verbindung zwischen dem keramischen Substrat und dem Thermoelement;
ist ein Fließschema, das ein Verfahren zum Befestigen des Thermoelements an einem Keramikheizgerät gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung zeigt;
ist eine vergrößerte Ansicht ähnlich und zeigt beispielhaft eine alternative Verbindung zwischen dem keramischen Substrat und dem Thermoelement;
ist eine vergrößerte Ansicht ähnlich und zeigt beispielhaft eine alternative Verbindung zwischen dem keramischen Substrat und dem Thermoelement;
zeigt beispielhaft eine Ansicht einer alternativen zweischichtigen Metallisierungsschicht und ihrer Verbindung mit dem keramischen Substrat und dem Thermoelement, bei der die Drähte und Isolierungen des Thermoelements der Übersichtlichkeit halber entfernt sind; und
ist ein Fließschema, das beispielhaft ein Verfahren zum Befestigen des Thermoelements am Keramikheizgerät zeigt.

Überall in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen bezeichnen entsprechende Bezugszeichen gleiche Teile.
Ausführliche Beschreibung
Die folgende Beschreibung hat nur Beispielcharakter und soll die vorliegende Offenbarung, die Anwendung oder die Einsatzmöglichkeiten nicht beschränken. Es sei darauf hingewiesen, dass überall in den Zeichnungen entsprechende n gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen.
In den bis ist ein Keramikheizgerät, das gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung ausgeführt ist, dargestellt und wird allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Das Keramikheizgerät 10 besitzt ein keramisches Substrat 12, ein Widerstandsheizelement 14 (gestrichelt dargestellt), das in das keramische Substrat 12 eingebettet ist, und ein Thermoelement 16. Das Widerstandsheizelement 14 wird an zwei Anschlussflächen 18 (gestrichelt dargestellt) abgeschlossen, an denen Leitungsdrähte (nicht gezeigt) zum Anschließen des Widerstandsheizelements 14 an eine Stromquelle (nicht gezeigt) angebracht sind. Das keramische Substrat 12 ist vorzugsweise aus Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄) hergestellt. Diese Werkstoffe werden jedoch nur als Beispiele genannt, und es sei darauf hingewiesen, dass andere keramische Werkstoffe verwendet werden können, ohne den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen. Das Widerstandsheizelement 14 kann von einer beliebigen, in der Technik bekannten Art sein, beispielsweise eine Widerstandsspule, eine Widerstandsfolie oder dergleichen. Zwar wird das Widerstandsheizelement 14 als in das keramische Substrat 12 eingebettet dargestellt, doch kann das Widerstandsheizelement 14 auf einer Außenfläche des keramischen Substrats 12 angeordnet werden, ohne vom Gedanken der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Das Thermoelement 16 ist am keramischen Substrat 12 befestigt und vorzugsweise innerhalb einer Vertiefung 20 angeordnet, um während des Betriebs des Keramikheizgeräts 10 die Temperatur des keramischen Substrats 12 zu messen. Je nach den Abmessungen des keramischen Substrats 12 und der Anordnung des Widerstandsheizelements 14 können mehr als ein Thermoelement 16 am Keramikheizgerät 10 angebracht werden, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Wenn zum Beispiel das Keramikheizgerät 10 mehrere Heizzonen (nicht gezeigt) hat, ist es eventuell vorzuziehen, mehrere Thermoelemente 16 entsprechend der Vielzahl der Heizzonen vorzusehen, um die Vielzahl der Heizzonen einzeln zu messen und zu regeln.
Wie in deutlicher gezeigt, besitzt das Thermoelement 16 zwei Leiterdrähte 22 aus verschiedenen Metallen. Die Leiterdrähte 22 haben distale Enden 24, die vorzugsweise zusammengeschweißt sind, wodurch eine Perle 26 entsteht. Zusätzlich besitzt das Thermoelement 16 proximale Enden 28, die für den Anschluss an einen Regler oder an eine sonstige, Temperaturen verarbeitende Vorrichtung/Schaltung (nicht gezeigt) eingerichtet ist, sodass die Leiterdrähte 22, die Perle 26 und der Regler einen elektrischen Schaltkreis bilden. Die Perle 26 dient als Heißlötstelle oder Messstelle und ist nahe dem keramischen Substrat 12 platziert. Die proximalen Enden 28 dienen als Kaltlötstelle oder Vergleichslötstelle. In dem Maße, wie die Temperatur des keramischen Substrats 12 und demzufolge der Perle 26 steigt, wird über den elektrischen Schaltkreis eine Spannung erzeugt. Durch das Messen der Spannung über den elektrischen Schaltkreis kann eine Temperaturdifferenz zwischen der Perle 26 und der Kaltlötstelle bestimmt werden, und somit erhält man die Temperatur der Perle 26 und demzufolge des keramischen Substrats 12.
Vorzugsweise weist das Thermoelement 16 zwei Isolierschläuche 30 auf. Wie in deutlicher gezeigt, umgeben die Isolierschläuche 30 die Leiterdrähte 22 dergestalt, dass ein Teil der distalen Enden 24 der Leiterdrähte 22 aus den Isolierschläuchen 30 herausragt, um die Perle 26 zu bilden. Die Isolierschläuche 30 sorgen für die Isolierung und den Schutz der Leiterdrähte 22. Die Isolierschläuche 30 sind vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff, einem organisch gebundenen Glasfaser- oder einem polymerbasierten Isoliermaterial hergestellt.
Das Thermoelement 16 kann unter anderem vom Typ K, J, T, R, C oder B sein. Diese Thermoelementtypen sind durch die Zusammensetzungen der Leiterdrähte gekennzeichnet und eignen sich für unterschiedliche Temperaturbereiche mit unterschiedlicher Empfindlichkeit. Zum Beispiel ist ein Thermoelement vom Typ K, das einen Chromel-Draht (Ni-Cr-Legierung) und einen Alumel-Draht (Ni-Al-Legierung) aufweist, ein universell einsetzbares Thermoelement mit einem Temperaturbereich von etwa 200 °C bis etwa 1200 °C und einer Empfindlichkeit von etwa 41 µV/°C. Ein Thermoelement vom Typ R hat Drähte aus Edelmetall und ist das stabilste unter allen Thermoelementen, hat aber eine relativ niedrige Empfindlichkeit (etwa 10 µV/°C) . Ein Thermoelement vom Typ B hat einen Platindraht und einen Rhodiumdraht und eignet sich für Hochtemperaturmessungen bis etwa 1800 °C.
Wie in deutlich gezeigt, ist die Perle 26 innerhalb einer Vertiefung 20 des keramischen Substrats 12 angeordnet. Die Vertiefung 20 ist im Wesentlichen mit einem aktiven Hartlötwerkstoff 32 gefüllt, der die Perle 26 umgibt und die Perle 26 am keramischen Substrat 12 festhält. Es sei darauf hingewiesen, dass die Perle 26 im direkten Kontakt mit einer Innenfläche 34 der Vertiefung 20 stehen oder vom aktiven Hartlötwerkstoff 32 vollständig umgeben sein kann, ohne dass der Umfang der vorliegenden Offenbarung verlassen wird.
Alternativ dazu ist, wie in gezeigt, die Perle 26 mit einer Außenfläche 36 des keramischen Substrats 12 verbunden und nicht innerhalb einer Vertiefung 20, wie zuvor beschrieben. Vorzugsweise ist die Perle 26 des Thermoelements 16 im Kontakt mit dem aktiven Hartlötwerkstoff 32, und der aktive Hartlötwerkstoff 32 ist im Kontakt mit der Außenfläche 36 des keramischen Substrats 12. Auch hier sei darauf hingewiesen, dass die Perle 26 im direkten Kontakt mit der Innenfläche 34 der Vertiefung 20 stehen oder vom aktiven Hartlötwerkstoff 32 vollständig umgeben sein kann, ohne dass der Umfang der vorliegenden Offenbarung verlassen wird. Der aktive Hartlötwerkstoff 32 ist vorzugsweise eine aktive Hartlötlegierung. Zur bevorzugten aktiven Hartlötlegierung gehören die Legierung Ticusil® (Ag-Cu-Ti-Legierung), verkauft von der Wesgo® Company, die Legierung Silber-ABA® (Ag-Ti-Legierung), verkauft von der Wesgo® Company, Au-Ni-Ti-Legierung und Au-Ti-Legierung.
Unter Bezug auf wird nun ein Verfahren zum Befestigen des Thermoelements 16 am keramischen Substrat 12 gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass die Reihenfolge der hier illustrierten und beschriebenen Schritte abgewandelt oder geändert werden kann, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen, und somit die Schritte lediglich beispielhaft für eine Form der vorliegenden Offenbarung sind. Zuerst wird die Oberfläche des keramischen Substrats 12, mit dem das Thermoelement 16 verbunden werden soll, gereinigt. Die Oberfläche kann die Innenfläche 34 der Vertiefung 20 oder die Außenfläche 36 des keramischen Substrats 12 sein, wie zuvor beschrieben. Vorzugsweise werden ein Ultraschallreinigungsgerät und Azeton oder Alkohol zum Entfernen von Staubpartikeln und von Fett, die auf der Oberfläche haften, verwendet. Die distalen Enden 24 der Leiterdrähte 22 des Thermoelements 16 werden zu einer Perle 26, die als Heißlötstelle oder Messstelle dienen wird, verschweißt.
Danach wird der aktive Hartlötwerkstoff 32 auf die Vertiefung 20 oder die Außenfläche 36 des keramischen Substrats 12 aufgebracht, wonach die Perle 26 des Thermoelements 16 auf dem aktiven Hartlötwerkstoff 32 platziert wird. Der aktive Hartlötwerkstoff 32 wird vorzugsweise in Form einer Paste oder einer Folie aufgebracht, wenngleich andere Formen verwendet werden können, ohne den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen. Wenn der aktive Hartlötwerkstoff 32 in Form einer Paste aufgebracht wird, kann die Perle 26 in die Vertiefung 20 eingesetzt werden, bevor der aktive Hartlötwerkstoff 32 aufgebracht wird, sodass die Perle 26 im direkten Kontakt mit dem keramischen Substrat 12 ist, d.h. mit der Innenfläche 34 der Vertiefung 20. Zusätzlich wird vorzugsweise ein Trocknungsprozess angewandt, um die aktive Hartlötpaste zu trocknen. Der Trocknungsprozess findet vorzugsweise bei Raumtemperatur über einen Zeitraum statt, der ausreicht, um das Lösungsmittel in der Paste zu verdampfen.
Dann wird das keramische Substrat 12 mit dem Thermoelement 16 zum Erwärmen in eine Vakuumkammer (nicht gezeigt) gesetzt. Das Vakuum wird vorzugsweise auf einen Druck von weniger als 5 ×10-6 torr während des Wärmvorgangs geregelt. Der aktive Hartlötwerkstoff 32 und die Perle 26 werden auf eine Temperatur zwischen etwa 950 °C und etwa 1080 °C erwärmt. Wenn eine erwünschte Temperatur erreicht ist, wird die Temperatur etwa 5 bis etwa 60 Minuten lang gehalten. In einer Form wird der aktive Hartlötwerkstoff 32 auf etwa 950 °C erwärmt und etwa 15 Minuten lang während des Wärmvorgangs bei dieser Temperatur gehalten.
Nach dem Wärmvorgang wird die Vakuumkammer auf Raumtemperatur abgekühlt, damit der aktive Hartlötwerkstoff 32 erstarren kann. Wenn der aktive Hartlötwerkstoff 32 erstarrt, wird die Perle 26 des Thermoelements 16 direkt mit dem keramischen Substrat 12 verbunden.
In wird ein Keramikheizgerät mit einem Thermoelement, das nach einem anderen Verfahren befestigt ist, allgemein mit dem Bezugszeichen 40 bezeichnet. Das Keramikheizgerät 40 ist ähnlich dem Keramikheizgerät 10, das in den bis gezeigt wird, ausgeführt mit Ausnahme der Verbindung zwischen dem keramischen Substrat 12 und dem Thermoelement 16. In der folgenden Beschreibung bezeichnen entsprechende Bezugszeichen ähnliche oder entsprechende Teile und Merkmale, die zuvor in Verbindung mit den bis beschrieben wurden.
zeigt, dass die Perle 26 des Thermoelements 16 in einer Vertiefung 20 des keramischen Substrats 12 angeordnet ist. Die Innenfläche 36 der Vertiefung 20 wird von einer Metallisierungsschicht 42 bedeckt. Die Perle 26 ist in der Vertiefung 20 angeordnet, und ein normaler Hartlötwerkstoff 44 anstelle eines aktiven Hartlötwerkstoffs 32 füllt im Wesentlichen den Raum zwischen der Perle 26 und der Metallisierungsschicht 42 aus.
Alternativ dazu ist die Perle 26 des Thermoelements 16 mit einer Außenfläche 36 des keramischen Substrats 12 verbunden, wie in gezeigt. Die Metallisierungsschicht 42 ist zwischen der Außenfläche 34 und dem normalen Hartlötwerkstoff 44 angeordnet.
Die Metallisierungsschicht 42 kann einschichtig ausgeführt sein, wie in gezeigt, oder zweischichtig, wie in gezeigt. Wenn eine einschichtige Ausführung bevorzugt wird, ist die Metallisierungsschicht 42 vorzugsweise eine Ti-Schicht mit einer Dicke von etwa 0,1 bis 1 µm und wird durch fremdstromloses Abscheiden gebildet. Wenn eine zweischichtige Ausführung bevorzugt wird, weist die Metallisierungsschicht 42 vorzugsweise eine erste Schicht 46 auf, die im Kontakt mit dem keramischen Substrat 12 ist, sowie eine zweite Schicht 48, die sich zwischen der ersten Schicht 46 und dem normalen Hartlötwerkstoff 44 befindet. Die erste Schicht 46 ist eine primäre Schicht und wird vorzugsweise aus einem Gemisch aus Mo, MnO, Glasfritte und organischem Binder gebildet. Die zweite Schicht 48 ist vorzugsweise eine Schicht aus Ni, Cu oder Au; sie ist dünn und hat eine geringere Dicke als die erste Schicht 46. Die Dicke der zweiten Schicht 48 beträgt vorzugsweise etwa 2 bis 5 µm. Die erste Schicht 46 dient als Bindeschicht zum Festhalten der metallischen zweiten Schicht 48 auf dem keramischen Substrat 12, sodass das Thermoelement 16 mit Hilfe des normalen Hartlötwerkstoffs 44 über die zweite Schicht 48 mit dem keramischen Substrat 12 verbunden werden kann.
Zum bevorzugten normalen Hartlötwerkstoff 44 gehört eine Ag-Cu- oder eine Au-Ni-Legierung.
Unter Bezug auf wird nun ein zweites Verfahren zum Befestigen des Thermoelements 16 am keramischen Substrat 12 beschrieben. Wie zuvor ausgeführt, kann die Reihenfolge der hier illustrierten und beschriebenen Schritte abgewandelt oder geändert werden. Zuerst wird die Oberfläche des keramischen Substrats 12, mit dem das Thermoelement 16 verbunden werden soll, gereinigt. Die Oberfläche kann die Innenfläche 34 der Vertiefung 20 oder die Außenfläche 36 des keramischen Substrats 12 sein, wie zuvor beschrieben. Dann werden die Drähte 22 des Thermoelements 16 zu einer Perle 26 verschweißt.
Danach wird die Metallisierungsschicht 42 auf der Innenfläche 34 der Vertiefung 20 oder auf der Außenfläche 36 des keramischen Substrats 12 gebildet. Die Metallisierungsschicht 42 kann durch Aufbringen einer dünnen Ti-Schicht in einem Sputter-Prozess gebildet werden. Alternativ dazu kann die Metallisierungsschicht 42 dadurch gebildet werden, dass zuerst eine erste Schicht 46 auf dem keramischen Substrat 12 gebildet wird und anschließend eine zweite Schicht 48 auf der ersten Schicht 46 gebildet wird. Beim Bilden der ersten Schicht 46 wird eine Paste aus einem Gemisch aus Mo, MnO, Glasfritte, organischem Binder und einem Lösungsmittel zubereitet und auf das keramische Substrat 12 aufgebracht. Das keramische Substrat 12 und die Paste werden dann in einer Atmosphäre eines Formiergases gebrannt. Das Formiergas ist vorzugsweise eine Mischung aus Stickstoff und Wasserstoff in einem molekularen Verhältnis von 4:1 oder ein gespaltenes Ammoniak, das eine Mischung aus Wasserstoff und Stickstoff in einem molekularen Verhältnis von 3:1 ist. Wenn der Brennvorgang beendet ist, wird das Lösungsmittel aus der Paste entfernt, und die Paste erstarrt und ist am keramischen Substrat 12 angebracht.
Nachdem die erste Schicht 46 gebildet worden ist, wird die zweite Schicht 48, die eine Schicht aus Ni, Cu oder Au sein kann, durch fremdstromloses Abscheiden auf die erste Schicht 46 aufgebracht, womit die Metallisierungsschicht 42 fertiggestellt ist.
Sofort nach Fertigstellung der Metallisierungsschicht 42, ob einschichtig oder zweischichtig ausgeführt, wird der normale Hartlötwerkstoff 44 auf der Metallisierungsschicht 42 platziert, und die Perle 26 des Thermoelements 16 wird auf dem normalen Hartlötwerkstoff 44 platziert. Der normale Hartlötwerkstoff 44 wird dann geschmolzen und erstarrt, wodurch die Verbindung des Thermoelements 16 mit dem keramischen Substrat 12 fertiggestellt ist. Da der Vorgang des Erwärmens und Erstarrens des normalen Hartlötwerkstoffs 44 dem Vorgang des Erwärmens und Erstarrens des aktiven Hartlötwerkstoffs 32 in Verbindung mit den - im Wesentlichen ähnlich ist, wird seine Beschreibung hier der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
Da die Perle 26 des Thermoelements 16 direkt mit dem keramischen Substrat 12 verbunden ist, wird gemäß der vorliegenden Offenbarung die Wärme aus dem keramischen Substrat 12 direkt in die Perle 26 des Thermoelements 16 übertragen. Infolgedessen zeigt sich in der Temperatur der Perle 26 nahezu sofort die Temperatur des keramischen Substrats 12, und somit kann die Temperatur des Keramikheizgeräts 10 genauer gemessen werden. Zusätzlich besitzt das Thermoelement 16 dadurch, dass der aktive Hartlötwerkstoff oder der normale Hartlötwerkstoff in Verbindung mit der Metallisierungsschicht verwendet wird, selbst dann eine Langzeitstabilität, wenn es erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird.
Das Keramikheizgerät 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung bietet verschiedene Einsatzmöglichkeiten. Zum Beispiel kann das Keramikheizgerät 10 in „Die Bonding“-Apparaten im Back-End der Halbleiterfertigung und in medizinischen Vorrichtungen verwendet werden. Das Keramikheizgerät 10 wird vorzugsweise für das Erwärmen eines Gegenstandes entlang einer relativ steilen Hochfahrrampe verwendet.

Claims

Ein Keramikheizgerät (10), aufweisend: ein keramisches Substrat (12); ein Widerstandsheizelement (14), das in das keramische Substrat (12) eingebettet ist; und mindestens ein Thermoelement (16) zum Messen einer Temperatur des keramischen Substrats (12), wobei das mindestens eine Thermoelement (16) zwei Leiterdrähte (22) aus verschiedenen Metallen aufweist, die an einer Verbindungsstelle (26) miteinander verbunden sind, und wobei die Verbindungsstelle (26) durch einen aktiven Hartlötwerkstoff (32) direkt mit dem keramischen Substrat (12) verbunden ist; wobei der aktive Hartlötwerkstoff (32) in direktem Kontakt mit dem keramischen Substrat (12) und der Verbindungsstelle (26) steht und die Verbindungsstelle (26) von dem aktiven Hartlötwerkstoff (32) umgeben ist; und wobei der aktive Hartlötwerkstoff (32) aus einer Gruppe, die aus Au-Cu-Ti-Legierung, Au-Ni-Ti-Legierung und Au-Ti-Legierung besteht, ausgewählt ist.
Keramikheizgerät (10) gemäß Anspruch 1, bei dem das keramische Substrat (12) aus einem Werkstoff hergestellt ist, der aus einer Gruppe, die aus Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Siliziumnitrid (Si₃N₄) besteht, ausgewählt ist.
Keramikheizgerät (10) gemäß Anspruch 1, bei dem das mindestens eine Thermoelement (16) aus einer Gruppe, die aus Typ K, Typ J, Typ T, Typ R, Typ C und Typ B besteht, ausgewählt ist.
Keramikheizgerät (10) gemäß Anspruch 1, bei dem das keramische Substrat (12) eine Vertiefung (20) aufweist, in der die Verbindungsstelle (26) des mindestens einen Thermoelements (16) angeordnet ist.
Keramikheizgerät (10) gemäß Anspruch 4, bei dem die Vertiefung (20) des keramischen Substrats (12) im Wesentlichen mit dem aktiven Hartlötwerkstoff (32) gefüllt ist.
Keramikheizgerät (10) gemäß Anspruch 1, bei dem die zwei Drähte (22) des mindestens einen Thermoelements einen distalen Endteil (24) aufweisen, wobei die Verbindungsstelle (26) nahe dem distalen Endteil (24) angeordnet ist.
Keramikheizgerät (10) gemäß Anspruch 6, bei dem die distalen Endteile (24) zu einer Perle zusammengefügt sind, wobei die Perle im Kontakt mit dem aktiven Hartlötwerkstoff (32) ist, wodurch das Thermoelement (16) mit dem keramischen Substrat (12) verbunden ist.
Keramikheizgerät (10) gemäß Anspruch 6, bei dem mindestens ein Teil der zwei Drähte (22) von einer Isolierung umgeben ist.
Keramikheizgerät gemäß Anspruch 10, bei dem die Isolierung zwei keramische Schläuche (30) aufweist, die über den zwei Drähten (22) angeordnet sind.
Ein Keramikheizgerät (10), aufweisend: ein keramisches Substrat (12), das mindestens eine Vertiefung (20) aufweist; ein Widerstandsheizelement (14), das innerhalb des keramischen Substrats (12) eingebettet ist; mindestens ein Thermoelement (16) einschließlich zweier Leiterdrähte (22) aus verschiedenen Metallen, die an einer Verbindungsstelle (26) miteinander verbunden sind, wobei die zwei Leiterdrähte (22) einen distalen Endteil (24) aufweisen, wobei die Verbindungsstelle (26) nahe dem distalen Endteil (24) angeordnet ist, und wobei die Verbindungsstelle (26) innerhalb der Vertiefung (20) angeordnet ist; und einen aktiven Hartlötwerkstoff (32), der innerhalb der Vertiefung (20) in direktem Kontakt mit dem keramischen Substrat (12) angeordnet ist, wobei die Verbindungsstelle (26) des mindestens einen Thermoelements (16) im Kontakt mit dem aktiven Hartlötwerkstoff (32) ist und die Verbindungsstelle (26) von dem aktiven Hartlötwerkstoff (32) umgeben ist; und wobei der aktive Hartlötwerkstoff (32) aus einer Gruppe, die aus Au-Cu-Ti-Legierung, Au-Ni-Ti-Legierung und Au-Ti-Legierung besteht, ausgewählt ist.
Ein Verfahren zum Befestigen eines Thermoelements (16) einschließlich zweier Drähte (22), die eine Verbindungsstelle (26) an einem keramischen Substrat (12) definieren, wobei das Verfahren aufweist: das direkte Verbinden der Verbindungsstelle (26) des Thermoelements (16) mit dem keramischen Substrat (12) mittels eines aktiven Hartlötwerkstoffs (32), das Auswählen des aktiven Hartlötwerkstoffs (32) aus einer Gruppe, die aus Au-Cu-Ti-Legierung, Au-Ni-Ti-Legierung und Au-Ti-Legierung besteht, und das Einfüllen des aktiven Hartlötwerkstoffs (32) in eine Vertiefung (20) des keramischen Substrats (12) .
Verfahren gemäß Anspruch 11, weiterhin aufweisend das Aufbringen des aktiven Hartlötwerkstoffs (32) in Form einer Paste auf das keramische Substrat und das Platzieren der Verbindungsstelle (26) des Thermoelements (16) auf der aktiven Hartlötpaste.
Verfahren gemäß Anspruch 12, weiterhin aufweisend das Erwärmen des aktiven Hartlötwerkstoffs (32), auf dem die Verbindungsstelle (26) des Thermoelements (16) angeordnet ist, auf etwa 950 °C bis etwa 1080 °C und Halten der Temperatur etwa 5 bis 60 Minuten lang.
Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem die Erwärmung in einer Vakuumkammer bei weniger als 6.666×10^-7 kPa (5 ×10^-6 torr) durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem der aktive Hartlötwerkstoff (32) auf eine Außenfläche des keramischen Substrats (12) aufgebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem die Verbindungsstelle (26) durch Verschweißen der Drähte (22) an distalen Endteilen (24) der Drähte (22) gebildet wird.
Ein Verfahren zum Befestigen eines Thermoelements (16), das zwei Drähte (22) aufweist, an einem keramischen Substrat (12), aufweisend: Schweißen der Drähte (22) des Thermoelements (16), damit ein Verbindungsstelle (26) entsteht; Reinigen einer Oberfläche des keramischen Substrats (12); Aufbringen eines aktiven Hartlötwerkstoffs (32) auf die Oberfläche des keramischen Substrats (12); Platzieren der Verbindungsstelle (26) auf dem aktiven Hartlötwerkstoff (32); Trocknen des aktiven Hartlötwerkstoffs (32); Erwärmen des aktiven Hartlötwerkstoffs (32) in einer Vakuumkammer; Halten des aktiven Hartlötwerkstoffs (32) auf einer vorher bestimmten Temperatur und für eine vorher bestimmte Zeit in der Vakuumkammer; und Kühlen des aktiven Hartlötwerkstoffs (32) auf Raumtemperatur; wobei der aktive Hartlötwerkstoff (32) aus einer Gruppe, die aus Au-Cu-Ti-Legierung, Au-Ni-Ti-Legierung und Au-Ti-Legierung besteht, ausgewählt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem der aktive Hartlötwerkstoff (32) eine Form hat, die aus einer Gruppe, die aus Folie und Paste besteht, ausgewählt ist.