DE112007000835T5 - Keramikheizgerät und Verfahren zum Befestigen eines Thermoelements daran - Google Patents
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Abstract
Ein
Keramikheizgerät,
aufweisend:
ein keramisches Substrat und
mindestens ein Thermoelement zum Messen einer Temperatur des keramischen Substrats, wobei das mindestens eine Thermoelement eine Verbindungsstelle aufweist, die direkt mit dem keramischen Substrat verbunden ist.
ein keramisches Substrat und
mindestens ein Thermoelement zum Messen einer Temperatur des keramischen Substrats, wobei das mindestens eine Thermoelement eine Verbindungsstelle aufweist, die direkt mit dem keramischen Substrat verbunden 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.
- Zusammenfassung
- In einer Form wird ein Keramikheizgerät vorgesehen, das ein keramisches Substrat und mindestens ein Thermoelement zum Messen einer Temperatur des keramischen Substrats besitzt. Das mindestens eine Thermoelement hat eine Verbindungsstelle, die direkt mit dem keramischen Substrat verbunden ist.
- In einer weiteren Form weist ein Keramikheizgerät ein keramisches Substrat auf, das mindestens eine Vertiefung, ein in das keramische Substrat eingebettetes Widerstandsheizelement, mindestens ein Thermoelement und einen aktiven Hartlötwerkstoff aufweist. Das Thermoelement besitzt zwei Drähte, die einen distalen Endteil und eine Verbindungsstelle, die nahe dem distalen Endteil angeordnet ist, definieren. Die Verbindungsstelle ist innerhalb der Vertiefung angeordnet. Der aktive Hartlötwerkstoff ist innerhalb der Vertiefung angeordnet, und die Verbindungsstelle des mindestens einen Thermoelements ist in Kontakt mit dem aktiven Hartlötwerkstoff.
- In einer noch weiteren Form wird ein Verfahren zum Befestigen eines Thermoelements einschließlich zweier Drähte vorgesehen, die eine Verbindungsstelle an ein keramisches Substrat definieren. Das Verfahren weist ein direktes Verbinden der Verbindungsstelle des Thermoelements mit dem keramischen Substrat auf.
- In einer noch weiteren Form wird ein Verfahren zum Befestigen eines Thermoelements einschließlich zweier Drähte an einem keramischen Substrat vorgesehen. Das Verfahren weist auf: Schweißen der Drähte des Thermoelements zur Bildung einer Verbindungsstelle; Reinigen einer Oberfläche des Substrats des Keramikheizgeräts; Aufbringen eines aktiven Hartlötwerkstoffs auf die Oberfläche des Substrats des Keramikheizgeräts; Platzieren der Verbindungsstelle auf dem aktiven Hartlötwerkstoff; Trocknen des aktiven Hartlötwerkstoffs; Wärmen des aktiven Hartlötwerkstoffs in einer Vakuumkammer; Halten des aktiven Hartlötwerkstoffs auf einer vorher bestimmten Temperatur und für eine vorher bestimmte Zeit in der Vakuumkammer; und Kühlen auf Raumtemperatur.
- 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.
- Zeichnungen
- Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur der Illustration und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise beschränken.
-
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Keramikheizgeräts mit einem daran befestigten Thermoelement, ausgeführt gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung; -
2 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Keramikheizgeräts mit dem Thermoelement in1 gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung; -
3 ist ein Querschnittsansicht des Keramikheizgeräts und des Thermoelements entlang der Linie 3-3 in1 gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung; -
4 ist eine vergrößerte Ansicht innerhalb des Details A in3 und zeigt die Verbindung zwischen dem keramischen Substrat und dem Thermoelement gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; -
5 ist eine vergrößerte Ansicht ähnlich4 und zeigt eine alternative Verbindung zwischen dem keramischen Substrat und dem Thermoelement gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; -
6 ist ein Fließschema, das ein Verfahren zum Befestigen des Thermoelements an einem Keramikheizgerät gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung zeigt; -
7 ist eine vergrößerte Ansicht ähnlich4 und zeigt eine alternative Verbindung zwischen dem keramischen Substrat und dem Thermoelement gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; -
8 ist eine vergrößerte Ansicht ähnlich7 und zeigt eine alternative Verbindung zwischen dem keramischen Substrat und dem Thermoelement gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; -
9 zeigt eine Ansicht einer alternativen zweischichtigen Ausführung einer 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 -
10 ist ein Fließschema, das ein weiteres Verfahren zum Befestigen des Thermoelements am Keramikheizgerät gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung 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
1 bis3 ist ein Keramikheizgerät, das gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung ausgeführt ist, dargestellt und wird allgemein mit dem Bezugszeichen10 bezeichnet. Das Keramikheizgerät10 besitzt ein keramisches Substrat12 , ein Widerstandsheizelement14 (gestrichelt dargestellt), das in das keramische Substrat12 eingebettet ist, und ein Thermoelement16 . Das Widerstandsheizelement14 wird an zwei Anschlussflächen18 (gestrichelt dargestellt) abgeschlossen, an denen Leitungsdrähte (nicht gezeigt) zum Anschließen des Widerstandsheizelements14 an eine Stromquelle (nicht gezeigt) angebracht sind. Das keramische Substrat12 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 Widerstandsheizelement14 kann von einer beliebigen, in der Technik bekannten Art sein, beispielsweise eine Widerstandsspule, eine Widerstandsfolie oder dergleichen. Zwar wird das Widerstandsheizelement14 als in das keramische Substrat12 eingebettet dargestellt, doch kann das Widerstandsheizelement14 auf einer Außenfläche des keramischen Substrats12 angeordnet werden, ohne vom Gedanken der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. - Das Thermoelement
16 ist am keramischen Substrat12 befestigt und vorzugsweise innerhalb einer Vertiefung20 angeordnet, um während des Betriebs des Keramikheizgeräts10 die Temperatur des keramischen Substrats12 zu messen. Je nach den Abmessungen des keramischen Substrats12 und der Anordnung des Widerstandsheizelements14 können mehr als ein Thermoelement16 am Keramikheizgerät10 angebracht werden, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Wenn zum Beispiel das Keramikheizgerät10 mehrere Heizzonen (nicht gezeigt) hat, ist es eventuell vorzuziehen, mehrere Thermoelemente16 entsprechend der Vielzahl der Heizzonen vorzusehen, um die Vielzahl der Heizzonen einzeln zu messen und zu regeln. - Wie in
2 deutlicher gezeigt, besitzt das Thermoelement16 zwei Leiterdrähte22 aus verschiedenen Metallen. Die Leiterdrähte22 haben distale Enden24 , die vorzugsweise zusammengeschweißt sind, wodurch eine Perle26 entsteht. Zusätzlich besitzt das Thermoelement16 proximale Enden28 , die für den Anschluss an einen Regler oder an eine sonstige, Temperaturen verarbeitende Vorrichtung/Schaltung (nicht gezeigt) eingerichtet ist, sodass die Leiterdrähte22 , die Perle26 und der Regler einen elektrischen Schaltkreis bilden. Die Perle26 dient als Heißlötstelle oder Messstelle und ist nahe dem keramischen Substrat12 platziert. Die proximalen Enden28 dienen als Kaltlötstelle oder Vergleichslötstelle. In dem Maße, wie die Temperatur des keramischen Substrats12 und demzufolge der Perle26 steigt, wird über den elektrischen Schaltkreis eine Spannung erzeugt. Durch das Messen der Spannung über den elektrischen Schaltkreis kann eine Temperaturdifferenz zwischen der Perle26 und der Kaltlötstelle bestimmt werden, und somit erhält man die Temperatur der Perle26 und demzufolge des keramischen Substrats12 . - Vorzugsweise weist das Thermoelement
16 zwei Isolierschläuche30 auf. Wie in4 deutlicher gezeigt, umgeben die Isolierschläuche30 die Leiterdrähte22 dergestalt, dass ein Teil der distalen Enden24 der Leiterdrähte22 aus den Isolierschläuchen30 herausragt, um die Perle26 zu bilden. Die Isolierschläuche30 sorgen für die Isolierung und den Schutz der Leiterdrähte22 . Die Isolierschläuche30 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
4 deutlich gezeigt, ist die Perle26 innerhalb einer Vertiefung20 des keramischen Substrats12 angeordnet. Die Vertiefung20 ist im Wesentlichen mit einem aktiven Hartlötwerkstoff32 gefüllt, der die Perle26 umgibt und die Perle26 am keramischen Substrat12 festhält. Es sei darauf hingewiesen, dass die Perle26 im direkten Kontakt mit einer Innenfläche34 der Vertiefung20 stehen oder vom aktiven Hartlötwerkstoff32 vollständig umgeben sein kann, ohne dass der Umfang der vorliegenden Offenbarung verlassen wird. - Alternativ dazu ist, wie in
5 gezeigt, die Perle26 mit einer Außenfläche36 des keramischen Substrats12 verbunden und nicht innerhalb einer Vertiefung20 , wie zuvor beschrieben. Vorzugsweise ist die Perle26 des Thermoelements16 im Kontakt mit dem aktiven Hartlötwerkstoff32 , und der aktive Hartlötwerkstoff32 ist im Kontakt mit der Außenfläche36 des keramischen Substrats12 . Auch hier sei darauf hingewiesen, dass die Perle26 im direkten Kontakt mit der Innenfläche34 der Vertiefung20 stehen oder vom aktiven Hartlötwerkstoff32 vollständig umgeben sein kann, ohne dass der Umfang der vorliegenden Offenbarung verlassen wird. Der aktive Hartlötwerkstoff32 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
6 wird nun ein Verfahren zum Befestigen des Thermoelements16 am keramischen Substrat12 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 Substrats12 , mit dem das Thermoelement16 verbunden werden soll, gereinigt. Die Oberfläche kann die Innenfläche34 der Vertiefung20 oder die Außenfläche36 des keramischen Substrats12 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 Enden24 der Leiterdrähte22 des Thermoelements16 werden zu einer Perle26 , die als Heißlötstelle oder Messstelle dienen wird, verschweißt. - Danach wird der aktive Hartlötwerkstoff
32 auf die Vertiefung20 oder die Außenfläche36 des keramischen Substrats12 aufgebracht, wonach die Perle26 des Thermoelements16 auf dem aktiven Hartlötwerkstoff32 platziert wird. Der aktive Hartlötwerkstoff32 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 Hartlötwerkstoff32 in Form einer Paste aufgebracht wird, kann die Perle26 in die Vertiefung20 eingesetzt werden, bevor der aktive Hartlötwerkstoff32 aufgebracht wird, sodass die Perle26 im direkten Kontakt mit dem keramischen Substrat12 ist, d. h. mit der Innenfläche34 der Vertiefung20 . 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 Thermoelement16 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 Hartlötwerkstoff32 und die Perle26 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 Hartlötwerkstoff32 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 Hartlötwerkstoff32 erstarrt, wird die Perle26 des Thermoelements16 direkt mit dem keramischen Substrat12 verbunden. - In
7 wird ein Keramikheizgerät mit einem Thermoelement, das nach einem anderen Verfahren gemäß der Lehre der vorliegenden Offenbarung befestigt ist, allgemein mit dem Bezugszeichen40 bezeichnet. Das Keramikheizgerät40 ist ähnlich dem Keramikheizgerät10 , das in den3 bis5 gezeigt wird, ausgeführt mit Ausnahme der Verbindung zwischen dem keramischen Substrat12 und dem Thermoelement16 . In der folgenden Beschreibung bezeichnen entsprechende Bezugszeichen ähnliche oder entsprechende Teile und Merkmale, die zuvor in Verbindung mit den1 bis5 beschrieben wurden. -
7 zeigt, dass die Perle26 des Thermoelements16 in einer Vertiefung20 des keramischen Substrats12 angeordnet ist. Die Innenfläche36 der Vertiefung20 wird von einer Metallisierungsschicht42 bedeckt. Die Perle26 ist in der Vertiefung20 angeordnet, und ein normaler Hartlötwerkstoff44 anstelle eines aktiven Hartlötwerkstoffs32 füllt im Wesentlichen den Raum zwischen der Perle26 und der Metallisierungsschicht42 aus. - Alternativ dazu ist die Perle
26 des Thermoelements16 mit einer Außenfläche36 des keramischen Substrats12 verbunden, wie in8 gezeigt. Die Metallisierungsschicht42 ist zwischen der Außenfläche34 und dem normalen Hartlötwerkstoff44 angeordnet. - Die Metallisierungsschicht
42 kann einschichtig ausgeführt sein, wie in8 gezeigt, oder zweischichtig, wie in9 gezeigt. Wenn eine einschichtige Ausführung bevorzugt wird, ist die Metallisierungsschicht42 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 Metallisierungsschicht42 vorzugsweise eine erste Schicht46 auf, die im Kontakt mit dem keramischen Substrat12 ist, sowie eine zweite Schicht48 , die sich zwischen der ersten Schicht46 und dem normalen Hartlötwerkstoff44 befindet. Die erste Schicht46 ist eine primäre Schicht und wird vorzugsweise aus einem Gemisch aus Mo, MnO, Glasfritte und organischem Binder gebildet. Die zweite Schicht48 ist vorzugsweise eine Schicht aus Ni, Cu oder Au; sie ist dünn und hat eine geringere Dicke als die erste Schicht46 . Die Dicke der zweiten Schicht48 beträgt vorzugsweise etwa 2 bis 5 μm. Die erste Schicht46 dient als Bindeschicht zum Festhalten der metallischen zweiten Schicht48 auf dem keramischen Substrat12 , sodass das Thermoelement16 mit Hilfe des normalen Hartlötwerkstoffs44 über die zweite Schicht48 mit dem keramischen Substrat12 verbunden werden kann. - Zum bevorzugten normalen Hartlötwerkstoff
44 gehört eine Ag-Cu- oder eine Au-Ni-Legierung. - Unter Bezug auf
10 wird nun das zweite Verfahren zum Befestigen des Thermoelements16 am keramischen Substrat12 gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Wie zuvor ausgeführt, kann die Reihenfolge der hier illustrierten und beschriebenen Schritte abgewandelt oder geändert werden, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Zuerst wird die Oberfläche des keramischen Substrats12 , mit dem das Thermoelement16 verbunden werden soll, gereinigt. Die Oberfläche kann die Innenfläche34 der Vertiefung20 oder die Außenfläche36 des keramischen Substrats12 sein, wie zuvor beschrieben. Dann werden die Drähte22 des Thermoelements16 zu einer Perle26 verschweißt. - Danach wird die Metallisierungsschicht
42 auf der Innenfläche34 der Vertiefung20 oder auf der Außenfläche36 des keramischen Substrats12 gebildet. Die Metallisierungsschicht42 kann durch Aufbringen einer dünnen Ti-Schicht in einem Sputter-Prozess gebildet werden. Alternativ dazu kann die Metallisierungsschicht42 dadurch gebildet werden, dass zuerst eine erste Schicht46 auf dem keramischen Substrat12 gebildet wird und anschließend eine zweite Schicht48 auf der ersten Schicht46 gebildet wird. Beim Bilden der ersten Schicht46 wird eine Paste aus einem Gemisch aus Mo, MnO, Glasfritte, organischem Binder und einem Lösungsmittel zubereitet und auf das keramische Substrat12 aufgebracht. Das keramische Substrat12 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 Substrat12 angebracht. - Nachdem die erste Schicht
46 gebildet worden ist, wird die zweite Schicht48 , die eine Schicht aus Ni, Cu oder Au sein kann, durch fremdstromloses Abscheiden auf die erste Schicht46 aufgebracht, womit die Metallisierungsschicht42 fertiggestellt ist. - Sofort nach Fertigstellung der Metallisierungsschicht
42 , ob einschichtig oder zweischichtig ausgeführt, wird der normale Hartlötwerkstoff44 auf der Metallisierungsschicht42 platziert, und die Perle26 des Thermoelements16 wird auf dem normalen Hartlötwerkstoff44 platziert. Der normale Hartlötwerkstoff44 wird dann geschmolzen und erstarrt, wodurch die Verbindung des Thermoelements16 mit dem keramischen Substrat12 fertiggestellt ist. Da der Vorgang des Erwärmens und Erstarrens des normalen Hartlötwerkstoffs44 dem Vorgang des Erwärmens und Erstarrens des aktiven Hartlötwerkstoffs32 in Verbindung mit den4 –8 im Wesentlichen ähnlich ist, wird seine Beschreibung hier der Übersichtlichkeit halber weggelassen. - Da die Perle
26 des Thermoelements16 direkt mit dem keramischen Substrat12 verbunden ist, wird gemäß der vorliegenden Offenbarung die Wärme aus dem keramischen Substrat12 direkt in die Perle26 des Thermoelements16 übertragen. Infolgedessen zeigt sich in der Temperatur der Perle26 nahezu sofort die Temperatur des keramischen Substrats12 , und somit kann die Temperatur des Keramikheizgeräts10 genauer gemessen werden. Zusätzlich besitzt das Thermoelement16 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 Keramikheizgerät10 in „Die Bonding"-Apparaten im Back-End der Halbleiterfertigung und in medizinischen Vorrichtungen verwendet werden. Das Keramikheizgerät10 wird vorzugsweise für das Erwärmen eines Gegenstandes entlang einer relativ steilen Hochfahrrampe verwendet. - Die Beschreibung der Erfindung hat lediglich Beispielcharakter, somit sollen Variationen, die nicht vom Hauptpunkt der Erfindung abweichen, im Umfang der Erfindung enthalten sein. Solche Variationen sind nicht als Abweichung vom Gedanken und vom Umfang der Erfindung zu betrachten.
- Zusammenfassung
- Ein Keramikheizgerät ist vorgesehen, das ein Thermoelement mit einer Heißlöt- oder Messstelle in Form einer Perle aufweist, die durch einen aktiven Hartlötwerkstoff direkt mit einem keramischen Substrat verbunden ist. Alternativ dazu ist eine Metallisierungsschicht auf dem keramischen Substrat vorgesehen, und die Perle des Thermoelements ist durch einen normalen Hartlötwerkstoff direkt mit der Metallisierungsschicht verbunden. Aufgrund der direkten Verbindung der Perle mit einem keramischen Substrat zeigt sich in der Temperatur der Perle nahezu sofort die Temperatur des Keramikheizgeräts, sodass das Thermoelement die Temperatur des Keramikheizgeräts genauer messen kann.
Claims (31)
- Ein Keramikheizgerät, aufweisend: ein keramisches Substrat und mindestens ein Thermoelement zum Messen einer Temperatur des keramischen Substrats, wobei das mindestens eine Thermoelement eine Verbindungsstelle aufweist, die direkt mit dem keramischen Substrat verbunden ist.
- Keramikheizgerät gemäß Anspruch 1, bei dem die Verbindungsstelle durch einen aktiven Hartlötwerkstoff mit dem keramischen Substrat verbunden ist.
- Keramikheizgerät gemäß Anspruch 2, bei dem der aktive Hartlötwerkstoff aus einer Gruppe, die aus Au-Cu-Ti-Legierung, Ag-Ti-Legierung, Au-Ni-Ti-Legierung und Au-Ti-Legierung besteht, ausgewählt ist.
- Keramikheizgerät gemäß Anspruch 1, bei dem das keramische Substrat aus einem Werkstoff hergestellt ist, der aus einer Gruppe, die aus Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumoxid (Al2O3) und Siliziumnitrid (Si3N4) besteht, ausgewählt ist.
- Keramikheizgerät gemäß Anspruch 1, bei dem das mindestens eine Thermoelement aus einer Gruppe, die aus Typ K, Typ J, Typ T, Typ R, Typ C und Typ B besteht, ausgewählt ist.
- Keramikheizgerät gemäß Anspruch 1, bei dem das keramische Substrat eine Vertiefung definiert, in der die Verbindungsstelle des mindestens einen Thermoelements angeordnet ist.
- Keramikheizgerät gemäß Anspruch 6, bei dem die Vertiefung des keramischen Substrats im Wesentlichen mit einem aktiven Hartlötwerkstoff gefüllt ist.
- Keramikheizgerät gemäß Anspruch 1, bei dem das mindestens eine Thermoelement zwei Drähte aufweist, die einen distalen Endteil definieren, wobei die Verbindungsstelle nahe dem distalen Endteil angeordnet ist.
- Keramikheizgerät gemäß Anspruch 8, bei dem die distalen Endteile zu einer Perle zusammengefügt sind, wobei die Perle im Kontakt mit einem auf dem keramischen Substrat angeordneten, aktiven Hartlötwerkstoff ist, wodurch das Thermoelement mit dem keramischen Substrat verbunden ist.
- Keramikheizgerät gemäß Anspruch 8, bei dem mindestens ein Teil der zwei Drähte von einer Isolierung umgeben ist.
- Keramikheizgerät gemäß Anspruch 10, bei dem die Isolierung zwei keramische Schläuche aufweist, die über den zwei Drähten angeordnet sind.
- Keramikheizgerät gemäß Anspruch 1, weiterhin aufweisend eine Metallisierungsschicht, die im Kontakt mit dem keramischen Substrat ist, wobei die Verbindungsstelle mit der Metallisierungsschicht verbunden ist.
- Keramikheizgerät gemäß Anspruch 12, bei dem die Metallisierungsschicht eine erste Schicht aufweist, die aus einem Gemisch aus Mo, MnO, Glasfritte und organischem Binder hergestellt ist.
- Keramikheizgerät gemäß Anspruch 13, bei dem die Metallisierungsschicht weiterhin eine zweite Schicht aufweist, die aus einem Werkstoff, ausgewählt aus einer Gruppe, die aus Ni, Cu und Au besteht, hergestellt ist.
- Keramikheizgerät gemäß Anspruch 12, bei dem die Metallisierungsschicht eine Ti-Schicht ist.
- Keramikheizgerät gemäß Anspruch 12, bei dem die Verbindungsstelle durch einen Hartlötwerkstoff mit der Metallisierungsschicht verbunden ist.
- Keramikheizgerät gemäß Anspruch 16, bei dem der Hartlötwerkstoff aus einer Gruppe, die aus Ag-Cu-Legierung und Au-Ni-Legierung besteht, ausgewählt ist.
- Ein Keramikheizgerät, aufweisend: ein keramisches Substrat, das mindestens eine Vertiefung definiert; ein Widerstandsheizelement, das innerhalb des keramischen Substrats eingebettet ist; mindestens ein Thermoelement einschließlich zweier Drähte, die einen distalen Endteil und eine Verbindungsstelle definieren, die nahe dem distalen Endteil angeordnet ist, wobei die Verbindungsstelle innerhalb der Vertiefung angeordnet ist; und einen aktiven Hartlötwerkstoff, der innerhalb der Vertiefung angeordnet ist, wobei die Verbindungsstelle des mindestens einen Thermoelements im Kontakt mit dem aktiven Hartlötwerkstoff ist.
- Ein Verfahren zum Befestigen eines Thermoelements einschließlich zweier Drähte, die eine Verbindungsstelle an ein keramisches Substrat definieren, wobei das Verfahren das direkte Verbinden der Verbindungsstelle des Thermoelements mit dem keramischen Substrat aufweist.
- Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem das direkte Verbinden durch die Verwendung eines aktiven Hartlötwerkstoffs erreicht wird.
- Verfahren gemäß Anspruch 20, weiterhin aufweisend das Aufbringen des aktiven Hartlötwerkstoffs in Form einer Paste auf das keramische Substrat und das Platzieren der Verbindungsstelle des Thermoelements auf der aktiven Hartlötpaste.
- Verfahren gemäß Anspruch 21, weiterhin aufweisend das Erwärmen des aktiven Hartlötwerkstoffs, auf dem die Verbindungsstelle des Thermoelements angeordnet ist, auf etwa 950°C bis etwa 1080°C und Halten der Temperatur etwa 5 bis 60 Minuten lang.
- Verfahren gemäß Anspruch 22, bei dem die Erwärmung in einer Vakuumkammer bei weniger als 5 × 10–6 torr durchgeführt wird.
- Verfahren gemäß Anspruch 20, bei dem der aktive Hartlötwerkstoff in eine Vertiefung des keramischen Substrats gefüllt wird.
- Verfahren gemäß Anspruch 20, bei dem der aktive Hartlötwerkstoff auf eine Außenfläche des keramischen Substrats aufgebracht wird.
- Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem die Verbindungsstelle durch Verschweißen der Drähte an distalen Endteilen der Drähte gebildet wird.
- Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem das direkte Verbinden das Herstellen einer Metallisierungsschicht auf dem keramischen Substrat und das Verbinden der Verbindungsstelle mit der Metallisierungsschicht durch einen Hartlötwerkstoff einschließt.
- Verfahren gemäß Anspruch 27, bei dem das Herstellen einer Metallisierungsschicht das Aufbringen eines Gemischs aus Mo, MnO, Glasfritte, organischem Binder und Lösungsmittel auf das keramische Substrat zur Bildung einer ersten Schicht und das Aufbringen eines Werkstoffs, ausgewählt aus einer Gruppe, die aus Ni, Cu und Au besteht, zur Bildung einer zweiten Schicht einschließt.
- Verfahren gemäß Anspruch 27, bei dem das Herstellen einer Metallisierungsschicht das Herstellen einer Ti-Schicht auf dem keramischen Substrat einschließt.
- Ein Verfahren zum Befestigen eines Thermoelements, das zwei Drähte aufweist, an einem keramischen Substrat, aufweisend: Schweißen der Drähte des Thermoelements, damit ein Verbindungsstelle entsteht; Reinigen einer Oberfläche des keramischen Substrats; Aufbringen eines aktiven Hartlötwerkstoffs auf die Oberfläche des keramischen Substrats; Platzieren der Verbindungsstelle auf dem aktiven Hartlötwerkstoff; Trocknen des aktiven Hartlötwerkstoffs; Erwärmen des aktiven Hartlötwerkstoffs in einer Vakuumkammer; Halten des aktiven Hartlötwerkstoffs auf einer vorher bestimmten Temperatur und für eine vorher bestimmte Zeit in der Vakuumkammer; und Kühlen des aktiven Hartlötwerkstoffs auf Raumtemperatur.
- Verfahren gemäß Anspruch 30, bei dem der aktive Hartlötwerkstoff eine Form hat, die aus einer Gruppe, die aus Folie und Paste besteht, ausgewählt ist.
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