DE112007000962B4

DE112007000962B4 - Keramikheizelement und Verfahren zum Befestigen eines Anschlusses an einem Keramikheizelement

Info

Publication number: DE112007000962B4
Application number: DE112007000962.4T
Authority: DE
Inventors: Hongy Lin; Thomas M. Laskowski; Jason E. Smith
Original assignee: Watlow Electric Manufacturing Co
Current assignee: Watlow Electric Manufacturing Co
Priority date: 2006-05-03
Filing date: 2007-05-01
Publication date: 2020-04-02
Anticipated expiration: 2027-05-02
Also published as: WO2007130398A3; CN101433126A; JP4806070B2; CN101433126B; TWI362797B; KR20080111561A; DE112007000962T5; US7696455B2; TW200810291A; US20070257022A1; US8242416B2; WO2007130398A2; JP2009535785A; KR101130093B1; US20100154203A1

Abstract

Keramikheizelement (10), das aufweist:ein Keramiksubstrat (12);ein Widerstandsheizelement (14), das an dem Keramiksubstrat (12) angebracht ist;einen Anschlussflecken (18), der in Kontakt mit dem Widerstandsheizelement (14) ist;einen Anschluss (16), der dazu ausgelegt ist, den Anschlussflecken (18) mit einer Leistungsquelle zu verbinden;ein aktives Lötmaterial (32), das in direktem Kontakt zu dem Anschluss (16) steht; undeine Zwischenschicht (30), die zwischen dem aktiven Lötmaterial (32) und dem Keramiksubstrat (12) und in Kontakt mit dem Anschlussflecken (18) angeordnet ist, wobei das Keramiksubstrat (12) eine Aussparung (22) definiert und ein Abschnitt des Anschlusses (16) in der Aussparung (22) angeordnet ist, wobei die Zwischenschicht (30) in der Aussparung (22) angeordnet ist, wobei die Zwischenschicht (30) die ganze Innenfläche der Aussparung (22) einschließlich einer Seitenfläche (26) und einer Bodenfläche (28) der Aussparung (22) abdeckt oder, wenn die Bodenfläche (28) im Wesentlichen durch den Anschlussflecken (18) definiert ist, die Zwischenschicht nur auf der Seitenfläche (26) vorgesehen ist, wobei die Zwischenschicht (30) eine Zusammensetzung aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die Molybdän/Aluminiumnitrid (Mo/AlN) und Wolfram/Aluminiumnitrid (W/AlN) umfasst und die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der zwischen dem des Keramiksubstrats (12) und dem des aktiven Lötmaterials (32) liegt, und die eine höhere mechanische Festigkeit und Bruchzähigkeit aufweist als die des Keramiksubstrats (14), und wobei eine Konzentration des Molybdän (Mo) oder Wolfram (W) der Zwischenschicht (30) an das Keramiksubstrat (12) und die Zusammensetzung des aktiven Lötmaterials (32) und den Bereich der Betriebstemperaturen des Keramikheizers (10) angepasst ist.

Description

GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Keramikheizelement und ein Verfahren zum Befestigen eines Anschlusses an einem Keramikheizelement.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Keramikheizelemente und insbesondere auf Leistungsanschlüsse für Keramikheizelemente und auf Verfahren, um die Leistungsanschlüsse an den Keramikheizelementen zu befestigen.
HINTERGRUND
Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen lediglich Hintergrundinformationen bereit, die mit der vorliegenden Offenbarung in Beziehung stehen, und brauchen keinen Stand der Technik zu bilden.
Ein typisches Keramikheizelement enthält ein Keramiksubstrat und ein Widerstandsheizelement, das entweder in das Keramiksubstrat eingebettet ist oder an einer Außenfläche des Keramiksubstrats befestigt ist. Die durch das Widerstandsheizelement erzeugte Wärme kann auf Grund der hervorragenden Wärmeleitfähigkeit keramischer Materialien schnell zu einem Zielobjekt, das unmittelbar am Keramiksubstrat angeordnet ist, übertragen werden.
Es ist jedoch bekannt, dass es auf Grund der schlechten Schweißbarkeit der keramischen Materialien und der metallischen Materialien schwierig ist, keramische Materialien mit metallischen Materialien zu verbinden.
Außerdem ist der Unterschied des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem keramischen Material und dem metallischen Material signifikant, wobei folglich eine Verbindung zwischen dem keramischen Material und dem metallischen Material schwierig aufrechtzuerhalten ist.
Üblicherweise wird ein Leistungsanschluss mit einem von zwei Verfahren am Keramiksubstrat angebracht. Beim ersten Verfahren wird eine Metallfolie auf einen Abschnitt des Widerstandsheizelements gelötet, um einen Anschlussfleck auszubilden, gefolgt vom Löten des Leistungsanschlusses an die Metallfolie. Die Metallfolie und der Leistungsanschluss werden in einer Kaltzone an das Keramiksubstrat gelötet, um die Erzeugung einer thermischen Beanspruchung bei hohen Temperaturen während des Betriebs zu vermeiden. Die Erzeugung einer Kaltzone ausschließlich zum Zweck der Befestigung des Leistungsanschlusses erscheint jedoch in Anbetracht des Trends zu kompakten Konstruktionen in vielen Bereichen einschließlich der Keramikheizelemente nicht als praktisch und wirtschaftlich.
Das zweite Verfahren umfasst das Bohren eines Lochs in das Keramiksubstrat, um einen Abschnitt des Widerstandsheizelements freizulegen und den Leistungsanschluss in dem Loch anzuordnen, gefolgt vom Füllen des Lochs mit einer aktiven Lötlegierung, um den Leistungsanschluss am Widerstandsheizelement und dem Keramiksubstrat zu befestigen. Ungleich zum ersten Verfahren ist der Leistungsanschluss des zweiten Verfahrens in einer Heizzone am Keramiksubstrat befestigt. Abermals verursacht die inkompatible thermische Ausdehnung zwischen den Keramikmaterialien, der aktiven Lötlegierung und den metallischen Materialien bei hohen Temperaturen an der Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat und der aktiven Lötlegierung eine thermische Beanspruchung, die zu Rissen im Keramiksubstrat unmittelbar am Loch führt.
US 2004/0011287 A1 beschreibt ein Keramikheizelement mit eingebauter Elektrode. Das Keramikheizelement weist ein Keramiksubstrat mit an diesem angebrachtem Widerstandsheizelement auf.
JP 2003 124 296 A offenbart ein Keramikheizelement mit Keramiksubstrat und Widerstandsheizelement.
US 2003/0080110 A1 betrifft eine Heizplatte mit einer Keramiksubstrat mit Aussparung.
Das Dokument „Herstellen von Keramik-Keramik- und Keramik-Metall-Verbindungen durch Aktivlöten“, DVS Merkblatt im DVS 3102, offenbart Aktivlote und deren Verwendung.
DE 697 06 457 T2 offenbart einen Verbundgegenstand mit einem Keramikelement, einem weiteren Element und einer Verbindungsschicht, die zwischen dem Keramikelement und dem anderen Element ausgebildet ist und die beiden Elemente verbindet.
US 2004/0011781 A1 offenbart einen ceramic heater mit einer ceramic plate und einem heating element, welches auf einer Oberfläche der ceramic plate oder innerhalb der ceramic plate angeordnet.
ZUSAMMENFASSUNG
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Keramikheizelement gemäß dem Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 6 gelöst.
In einer Form wird ein Keramikheizelement geschaffen, das ein Keramiksubstrat, ein Widerstandsheizelement, das an dem Keramiksubstrat angebracht ist, einen Anschluss, der dazu ausgelegt ist, das Widerstandsheizelement mit einer Leistungsquelle zu verbinden, und eine Zwischenschicht, die zwischen dem Anschluss und dem Keramiksubstrat angeordnet ist, umfasst. Die Zwischenschicht ist aus einer Gruppe ausgewählt, die Molybdän/Aluminiumnitrid (Mo/AlN) und Wolfram/Aluminiumnitrid (W/AlN) umfasst.
In einer weiteren Form umfasst ein Keramikheizelement ein Keramiksubstrat mit einer Aussparung, ein Widerstandsheizelement, das in dem Keramiksubstrat eingebettet ist, und einen Anschluss zum Verbinden des Widerstandsheizelements mit einer Leistungsquelle. Die Aussparung umfasst eine Innenfläche, um einen Abschnitt des Widerstandsheizelements freizulegen. Eine Zwischenschicht ist auf der Innenfläche und auf dem Abschnitt des Widerstandsheizelements angeordnet. Ein aktives Lötmaterial ist zwischen der Zwischenschicht und dem Anschluss angeordnet, um den Anschluss mit der Zwischenschicht zu verbinden. Die Zwischenschicht ist aus einer Gruppe ausgewählt, die Molybdän/Aluminiumnitrid (Mo/AlN) und Wolfram/Aluminiumnitrid (W/AlN) umfasst.
In einer nochmals weiteren Form wird eine Verbundstruktur geschaffen, die ein Keramiksubstrat, ein Metallelement und eine Zwischenschicht, die zwischen dem Metallelement und dem Keramiksubstrat angeordnet ist, um das Metallelement mit dem Keramiksubstrat zu verbinden, umfasst. Die Zwischenschicht ist aus einer Gruppe ausgewählt, die Molybdän/Aluminiumnitrid (Mo/AlN) und Wolfram/Aluminiumnitrid (W/AlN) umfasst.
In einer nochmals weiteren Form wird ein Verfahren zum Befestigen eines Anschlusses an einem Keramikheizelement geschaffen, wobei das Keramikheizelement ein Keramiksubstrat und ein Widerstandheizelement umfasst. Das Verfahren umfasst: Freilegen eines Abschnitts des Widerstandheizelements; Ausbilden einer Zwischenschicht auf dem Abschnitt des Widerstandheizelements und/oder dem Keramiksubstrat unmittelbar bei dem Abschnitt des Widerstandheizelements; und Verbinden des Anschlusses mit der Zwischenschicht. Die Zwischenschicht ist aus einer Gruppe ausgewählt, die Mo/AlN und W/AlN umfasst.
In einer nochmals weiteren Form wird ein Verfahren zum Befestigen eines Anschlusses an einem Keramikheizelement, das ein Keramiksubstrat und ein Widerstandheizelement umfasst, geschaffen. Das Verfahren umfasst: Ausbilden einer Aussparung im Keramiksubstrat, um einen Abschnitt des Widerstandheizelements freizulegen, wobei die Aussparung eine Innenfläche definiert; Ausbilden einer Zwischenschicht in einer Form einer Paste auf der Innenfläche und auf dem Abschnitt des Widerstandheizelements, wobei die Zwischenschicht aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Mo/AlN und W/AlN umfasst; Sintern der Zwischenschicht, des Widerstandheizelements und des Keramiksubstrats; Einstellen der Zwischenschicht auf eine Größe, um den Anschluss aufzunehmen; Aufbringen eines aktiven Lötmaterials auf die Zwischenschicht; Anordnen des Anschlusses in der Aussparung; und Erwärmen des aktiven Lötmaterials im Vakuum, um dadurch den Anschluss mit der Zwischenschicht zu verbinden.
Weitere Bereiche der Anwendbarkeit werden aus der hierin bereitgestellten Beschreibung offensichtlich. Es sollte selbstverständlich sein, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele lediglich für den Zweck der Veranschaulichung vorgesehen sind, wobei sie nicht vorgesehen sind, um den Umfang der vorliegenden Offenbarung einschränken.
Figurenliste
Die hierin beschriebene Zeichnung dient nur Veranschaulichungszwecken und ist nicht vorgesehen, um den Umfang der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise einzuschränken.

1 ist eine perspektivische Ansicht eines Keramikheizelements und eines Paars von Leistungsanschlüssen, die gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung konstruiert sind;
2 ist eine perspektivische Explosionsansicht des Keramikheizelements und der Leistungsanschlüsse nach 1 gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung;
3 ist eine längs der Linie 3-3 in 1 genommene Querschnittsansicht des Keramikheizelements und der Leistungsanschlüsse gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung;
4 ist eine vergrößerte Ansicht in der Einzelheit A nach 3, die die Verbindung zwischen einem der Leistungsanschlüsse und dem Keramikheizelement gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung zeigt;
5 ist eine vergrößerte Ansicht ähnlich zu 4, die eine alternative Verbindung zwischen dem Leistungsanschluss und dem Keramikheizelement zeigt; und
6 ist ein Ablaufplan, der ein Verfahren zum Befestigen eines Leistungsanschlusses an einem Keramikheizelement gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung zeigt.

Entsprechende Bezugszeichen geben überall in den mehreren Ansichten der Zeichnungen entsprechende Teile an.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist in ihrer Art lediglich beispielhaft, wobei sie nicht vorgesehen ist, um die vorliegende Offenbarung, die Anmeldung oder die Anwendungen einzuschränken. Es sollte selbstverständlich sein, dass überall in der Zeichnung entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
In 1 ist ein gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung konstruiertes Keramikheizelement veranschaulicht und im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 10 angegeben. Das Keramikheizelement 10 umfasst ein Keramiksubstrat 12, ein (gestrichelt gezeigtes) Widerstandsheizelement 14, das in das Keramiksubstrat 12 eingebettet ist, und ein Paar von Leistungsanschlüssen 16. Das Widerstandsheizelement 14 ist mit zwei (gestrichelt gezeigten) Anschlussflecken 18 begrenzt, an denen die Leistungsanschlüsse 16 angebracht sind, um das Widerstandsheizelement 14 durch die Zuleitungsdrähte 20 mit einer (nicht gezeigten) Leistungsquelle zu verbinden. Das Keramiksubstrat 12 ist vorzugsweise aus Aluminiumnitrid (AlN) hergestellt. Das Widerstandsheizelement kann von irgendeinem in der Technik bekannten Typ sein, wie z. B. eine Widerstandsspule, ein Widerstandsfilm u. a.
Die Anschlussflecken 18 besitzen für die Leichtigkeit der Verbindung zwischen dem Leistungsanschluss 16 und dem Widerstandsheizelement 14 vorzugsweise im Vergleich zu den anderen Abschnitten des Widerstandsheizelements 14 eine vergrößerte Fläche. Alternativ können die Anschlussflecken 18 aus einem Material, das von dem des Widerstandsheizelements 14 verschieden ist, und/oder durch ein Verfahren, das von dem des Ausbildens des Widerstandsheizelements 14 verschieden ist, ausgebildet werden. Alternativ sind die Anschlussflecken 18 durch die zwei gegenüberliegenden Enden 19 des Widerstandsheizelements 14 ausgebildet, wobei sie folglich das gleiche Material und die gleiche Breite einer Widerstandsschaltung 21 besitzen (z. B. ein Serpentinenmuster, wie gezeigt ist), die durch das Widerstandsheizelement 14 definiert ist.
In den 2 und 3 definiert das Keramiksubstrat 12 ein Paar von Aussparungen 22, die von den Anschlussflecken 18 zu einer Außenfläche 24 des Keramiksubstrats 12 verlaufen. Das Paar von Leistungsanschlüssen 16 ist in den Aussparungen 22 angeordnet.
Wie in 4 deutlicher gezeigt ist, enthält die Aussparung 22 eine Seitenfläche 26 und eine Bodenfläche 28. Der Anschlussfleck 18 ist in 4 so gezeigt, dass er die Bodenfläche 28 definiert. Wenn jedoch die Aussparung 22 größer als der Anschlussfleck 18 hergestellt ist, kann die Bodenfläche 28 sowohl durch den Anschlussfleck 18 als auch durch das Keramiksubstrat 12 definiert sein. Die Seitenfläche 26 und die Bodenfläche 28 sind durch eine Zwischenschicht 30 abgedeckt, die aus Molybdän/Aluminiumnitrid (AlN) oder Wolfram/Aluminiumnitrid (W/AlN) hergestellt sein kann.
Zwischen der Zwischenschicht 30 und dem Leistungsanschluss 16 ist ein aktives Lötmaterial 32 für die Verbindung des Leistungsanschlusses 16 mit der Zwischenschicht 30 angeordnet. Das aktive Lötmaterial 32 ist vorzugsweise eine aktive Lötlegierung. Die bevorzugte aktive Lötlegierung enthält Ticusil^® (eine Ag-Cu-Ti-Legierung), eine Au-Ti-Legierung, eine Au-Ni-Ti-Legierung und Silver ABA^® (eine Ag-Ti-Legierung).
Wie in 4 gezeigt ist, deckt die Zwischenschicht 30 die ganze Innenfläche der Aussparung 22 einschließlich der Seitenfläche 26 und der Bodenfläche 28 der Aussparung 22 ab. Alternativ kann die Zwischenschicht 30 nur auf der Seitenfläche 26 vorgesehen sein, wenn die Bodenfläche 28 im Wesentlichen durch den Anschlussfleck 18 definiert ist, weil die Verbindung zwischen dem aktiven Lötmaterial 32 und dem Anschlussfleck 18 kein Problem aufwerfen würde, wie es der Fall sein würde, wenn sich das aktive Lötmaterial 32 mit dem Keramiksubstrat 12 in Kontakt befinden würde.
Die Zwischenschicht 30, die aus Mo/AlN oder W/AlN hergestellt ist, besitzt einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der zwischen dem des Keramiksubstrats 12 und dem des aktiven Lötmaterials 32 liegt. Im Ergebnis kann die thermische Beanspruchung, die an der Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat 12 und dem aktiven Lötmaterial 32 bei hohen Temperaturen auftreten könnte, verringert werden. Außerdem besitzt die Zwischenschicht 30 eine höhere mechanische Festigkeit und eine höhere Bruchzähigkeit als die des AIN-Keramiksubstrats 12. Deshalb kann die Zwischenschicht 30 mehr thermische Beanspruchung absorbieren und das Auftreten von Rissen im AIN-Keramiksubstrat 12 verhindern.
Die Zwischenschicht 30 kann so ausgebildet sein, dass sie eine variable Konzentration des Mo oder des W aufweist, um sie an das AlN-Keramiksubstrat 12 und die Zusammensetzung des aktiven Lötmaterials 32 und den Bereich der Betriebstemperaturen des Keramikheizelements 10 anzupassen. Das AIN-Keramiksubstrat 12 besitzt im Allgemeinen eine Biegefestigkeit von etwa 368,6 ± 61,5 MPa und eine Bruchzähigkeit von etwa 2,9 ± 0,2 MPa·m^1/2. Eine Zwischenschicht 30 aus einer Mo/AlN-Schicht mit einem Volumenanteil von 25 % des Mo besitzt im Allgemeinen eine Biegefestigkeit von etwa 412,0 ± 68,8 MPa und eine Bruchzähigkeit von etwa 4,4 ± 0,1 MPa·m^1/2. Eine Zwischenschicht 30 aus einer Mo/AlN-Schicht mit einem Volumenanteil von 45 % des Mo besitzt eine Biegefestigkeit von etwa 561,3 ± 25,6 MPa und eine Bruchzähigkeit von etwa 7,6 ± 0,1 MPa ·m^1/2.
Die Leistungsanschlüsse 16 besitzen vorzugsweise die Form eines Anschlussstifts, wie gezeigt ist, es können jedoch andere Geometrien verwendet werden, während im Umfang der Offenbarung verblieben wird. Ein häufig verwendeter Leistungsanschluss ist ein Kovar^®-Anschlussstift, der aus einer Co-Fe-Ni-Legierung hergestellt ist. Andere bevorzugte Materialien für die Leistungsanschlüsse 16 enthaltenen Nickel, rostfreien Stahl, Molybdän, Wolfram und deren Legierungen. Wenn die Leistungsanschlüsse 16 aus einem Material hergestellt sind, das von Ni verschieden ist, ist eine Ni-Beschichtung 34 über dem Leistungsanschluss 16 bevorzugt, um den Leistungsanschluss 16 vor Oxidation bei hohen Temperaturen zu schützen.
In 5 ist ein Keramikheizelement 10' gezeigt, das eine alternative Verbindung zwischen dem Leistungsanschluss 16' und dem Keramiksubstrat 12' aufweist. Im Folgenden werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um auf gleiche Elemente in den 1 bis 4 Bezug zu nehmen.
Wie gezeigt ist, sind ein Widerstandsheizelement 14' und ein Anschlussfleck 18', der sich vom Widerstandsheizelement 14' erstreckt, auf der Außenfläche 24' des Keramiksubstrats 12' angeordnet. Der Anschlussfleck 18' und das Keramiksubstrat 12' unmittelbar beim Anschlussfleck 18' sind durch eine Zwischenschicht 30' abgedeckt. Die Zwischenschicht 30' enthält eine Mo/AlN-Legierung oder eine W/AlN-Legierung oder beides. Ein aktives Lötmaterial 32' ist auf die Zwischenschicht 30' aufgebracht, um den Leistungsanschluss 16' mit der Zwischenschicht 30' zu verbinden. Der Leistungsanschluss 16' ist vorzugsweise durch eine Nickelbeschichtung 34' abgedeckt, um die Oxidation bei hohen Temperaturen zu vermeiden. Weil die Zwischenschicht 30' einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem des aktiven Lötmaterials 32' und dem des Keramiksubstrats 12' besitzt, kann abermals die im Keramiksubstrat 12' bei hohen Temperaturen erzeugte thermische Beanspruchung verringert werden, wobei dadurch die Erzeugung von Rissen im Keramiksubstrat 12' verringert wird.
Nun wird unter Bezugnahme auf 6 ein Verfahren zum Befestigen der Leistungsanschlüsse 16 am Keramiksubstrat 12 gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es sollte selbstverständlich sein, dass die Reihenfolge der hierin veranschaulichten und beschriebenen Schritte geändert oder verändert werden kann, während im Umfang der vorliegenden Erfindung verblieben wird, wobei die Schritte als solche lediglich beispielhaft für eine Form der vorliegenden Offenbarung sind.
Zuerst wird das Keramiksubstrat 12, das aus einer AlN-Matrix als Rohform hergestellt ist, bereitgestellt, wobei das Widerstandsheizelement 14 darin eingebettet ist. Das Keramiksubstrat 12 kann durch Pulverpressen oder Rohbandbildung, Schlickergießen u. a. Verfahren ausgebildet werden. Das Widerstandsheizelement 14 wird durch irgendeines der herkömmlichen Verfahren, wie z. B. Siebdruck, direktes Schreiben u. a., ausgebildet.
Als Nächstes wird das Keramiksubstrat 12 vorzugsweise gebohrt, um zwei Aussparungen 22 auszubilden, um einen Abschnitt des Widerstandsheizelements 14, insbesondere die Anschlussflecke 18, freizulegen. Die Aussparungen 22 sind etwas größer als der Außendurchmesser der einzusetzenden Leistungsanschlüsse 16.
Danach wird Mo/AlN oder W/AlN in der Form einer Paste in den Aussparungen 22 aufgebracht. Für eine verbesserte Verbindung und einen verbesserten Schutz wird das Mo/AlN oder das W/AlN sowohl auf der Seitenwand 26 als auch auf der Bodenwand 28 aufgebracht, wie vorher beschrieben und veranschaulicht worden ist. Das Keramiksubstrat 12 mit der Mo/AIN- oder W/AIN-Paste wird dann in einem (nicht gezeigten) Ofen angeordnet und erwärmt, um das Lösungsmittel in der Mo/AIN- oder W/AIN-Paste zu entfernen, um die Zwischenschicht 30 auszubilden.
Dann werden das Keramiksubstrat 12 und die Zwischenschicht 30 bei etwa 1700 °C bis 1950 °C während etwa 0,5 bis 10 Stunden gesintert, um das Widerstandsheizelement 14 im Keramiksubstrat 12 und die Zwischenschicht 30 in den Aussparungen 22 zu verfestigen und dadurch ein gesintertes Keramiksubstrat 12 zu schaffen.
Nach dem Sinterungsprozess werden die Aussparungen 22 vorzugsweise durch einen Diamantbohrer geglättet, um eine (nicht gezeigte) poröse Oberflächenschicht zu entfernen, die während des Sinterungsprozesses auf der Zwischenschicht 30 ausgebildet worden ist, um das dichte Mo/AlN oder W/AlN freizulegen.
Als Nächstes wird das aktive Lötmaterial 32 in der Form einer Paste auf die Zwischenschicht 30 aufgebracht, wobei die Leistungsanschlüsse 16 in die Aussparungen 22 eingesetzt werden und folglich vom aktiven Lötmaterial 32 umgeben sind. Vor dem Einsetzen der Leistungsanschlüsse 16 ist es bevorzugt, eine Ni-Schicht durch elektrodenlose Plattierung auf die Leistungsanschlüsse 16 aufzubringen, um die Leistungsanschlüsse 16 zu schützen.
Wenn die Leistungsanschlüsse 16 and der Stelle gehalten werden, wird das aktive Lötmaterial 32 in der Form einer Paste bei Zimmertemperatur oder einer erhöhten Temperatur während einer Zeitdauer getrocknet, die ausreichend ist, um das Lösungsmittel verdunsten zu lassen. Nachdem die Paste getrocknet ist, wird das Keramikheizelement 10 mit den Leistungsanschlüssen 16 in einer Vakuumkammer angeordnet. Die ganze Baugruppe wird unter einem Druck von 5 × 10^-6 Torr während etwa 5 bis 60 Minuten auf 950 °C erwärmt, um den Lötprozess abzuschließen. Dann wird die Vakuumkammer auf Zimmertemperatur abgekühlt, wobei dadurch der Prozess des Befestigens des Leistungsanschlusses 16 am Keramikheizelement 10 abgeschlossen wird.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung sind die Leistungsanschlüsse 16 durch die Zwischenschicht 30 mit dem Anschlussfleck 18 und dem Keramiksubstrat 12 unmittelbar bei den Leistungsanschlüssen 18 verbunden. Weil die Zwischenschicht 30 einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem des Aluminiumnitrid-Keramiksubstrats und dem des aktiven Lötmaterials 32 besitzt, kann die im Keramiksubstrat 12 bei hohen Temperaturen erzeugte thermische Beanspruchung verringert werden, wobei dadurch die Erzeugung von Rissen im Keramiksubstrat 12 unmittelbar bei den Aussparungen 22 verringert wird.
Die Beschreibung der Erfindung besitzt eine lediglich beispielhafte Art, wobei folglich vorgesehen ist, dass Variationen, die nicht vom Hauptpunkt der Erfindung abweichen, im Umfang der Erfindung liegen. Derartige Variationen werden nicht als eine Abweichung vom Erfindungsgedanken und vom Umfang der Erfindung betrachtet.

Claims

Keramikheizelement (10), das aufweist: ein Keramiksubstrat (12); ein Widerstandsheizelement (14), das an dem Keramiksubstrat (12) angebracht ist; einen Anschlussflecken (18), der in Kontakt mit dem Widerstandsheizelement (14) ist; einen Anschluss (16), der dazu ausgelegt ist, den Anschlussflecken (18) mit einer Leistungsquelle zu verbinden; ein aktives Lötmaterial (32), das in direktem Kontakt zu dem Anschluss (16) steht; und eine Zwischenschicht (30), die zwischen dem aktiven Lötmaterial (32) und dem Keramiksubstrat (12) und in Kontakt mit dem Anschlussflecken (18) angeordnet ist, wobei das Keramiksubstrat (12) eine Aussparung (22) definiert und ein Abschnitt des Anschlusses (16) in der Aussparung (22) angeordnet ist, wobei die Zwischenschicht (30) in der Aussparung (22) angeordnet ist, wobei die Zwischenschicht (30) die ganze Innenfläche der Aussparung (22) einschließlich einer Seitenfläche (26) und einer Bodenfläche (28) der Aussparung (22) abdeckt oder, wenn die Bodenfläche (28) im Wesentlichen durch den Anschlussflecken (18) definiert ist, die Zwischenschicht nur auf der Seitenfläche (26) vorgesehen ist, wobei die Zwischenschicht (30) eine Zusammensetzung aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die Molybdän/Aluminiumnitrid (Mo/AlN) und Wolfram/Aluminiumnitrid (W/AlN) umfasst und die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der zwischen dem des Keramiksubstrats (12) und dem des aktiven Lötmaterials (32) liegt, und die eine höhere mechanische Festigkeit und Bruchzähigkeit aufweist als die des Keramiksubstrats (14), und wobei eine Konzentration des Molybdän (Mo) oder Wolfram (W) der Zwischenschicht (30) an das Keramiksubstrat (12) und die Zusammensetzung des aktiven Lötmaterials (32) und den Bereich der Betriebstemperaturen des Keramikheizers (10) angepasst ist.
Keramikheizelement (10) nach Anspruch 1, bei dem das aktive Lötmaterial (32) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die eine Au-Ti-Legierung, eine Au-Ni-Ti-Legierung, eine Ag-Cu-Ti-Legierung und eine Ag-Ti-Legierung umfasst.
Keramikheizelement (10) nach Anspruch 1, bei dem der Anschluss (16) ein Anschlussstift ist, der aus einem Material hergestellt ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die eine Co-Fe-Ni-Legierung, Nickel, Edelstahl, Molybdän und Wolfram umfasst.
Keramikheizelement (10) nach Anspruch 1, bei dem der Anschluss (16) eine Nickelbeschichtung enthält.
Keramikheizelement (10) nach Anspruch 1, bei dem das Keramiksubstrat (10) aus Aluminiumnitrid (AlN) hergestellt ist.
Verfahren zum Befestigen eines Anschlusses (16) an einem Keramikheizelement (10), wobei das Keramikheizelement (10) ein Keramiksubstrat (12) und ein Widerstandheizelement (14) aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Bilden einer Aussparung (22) in dem Keramiksubstrat (12), um einen Abschnitt des Widerstandheizelements (14) freizulegen, wobei die Aussparung (22) eine innere Oberfläche definiert, und wobei die innere Oberfläche eine Seitenfläche (26), die einen Rand der Aussparung (22) definiert, und eine Bodenfläche (28), welche zumindest teilweise durch das Widerstandsheizelement (14) definiert ist, aufweist wobei das Keramiksubstrat (12) die Aussparung (22) definiert und ein Abschnitt des Anschlusses (16) in der Aussparung (22) angeordnet wird; Aufbringen von Material auf die Seitenfläche (26) der inneren Oberfläche der Aussparung, um eine Zwischenschicht (30) auszubilden, wobei das Material in einer Form ist, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die eine Paste, einen Puder und ein Band umfasst, wobei die Zwischenschicht (30) in der Aussparung (22) angeordnet ist, wobei die Zwischenschicht (30) die ganze Innenfläche der Aussparung (22) einschließlich der Seitenfläche (26) und der Bodenfläche (28) der Aussparung (22) abdeckt oder, wenn die Bodenfläche (28) im Wesentlichen durch den Anschlussflecken (18) definiert ist, die Zwischenschicht nur auf der Seitenfläche (26) vorgesehen ist; Aufbringen eines aktiven Lötmaterials (32) auf die Zwischenschicht (30), wobei die Zwischenschicht (30) eine Zusammensetzung aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die Molybdän/Aluminiumnitrid (Mo/AlN) und Wolfram/Aluminiumnitrid (W/AlN) umfasst und die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der zwischen dem des Keramiksubstrats (12) und dem des aktiven Lötmaterials (32) liegt, und die eine höhere mechanische Festigkeit und Bruchzähigkeit aufweist als die des Keramiksubstrats (14), und wobei eine Konzentration des Molybdän (Mo) oder Wolfram (W) der Zwischenschicht (30) an das Keramiksubstrat (12) und die Zusammensetzung des aktiven Lötmaterials (32) und den Bereich der Betriebstemperaturen des Keramikheizers (10) angepasst ist; und Verbinden des Anschlusses (16) mit der Zwischenschicht (30) durch das aktive Lötmaterial (32), um den Anschluss (16) mit dem Widerstandsheizelement (14) durch die Zwischenschicht (30) hindurch elektrisch zu verbinden, wobei ein Abschnitt des Anschlusses (16) von der Zwischenschicht (30) und dem aktiven Lötmaterial (32) umgeben ist.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Material auf der gesamten inneren Oberfläche der Aussparung (22) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, das ferner das Sintern des Materials zum Bilden der Zwischenschicht (30) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Schritt des Sinterns bei etwa 1700 °C bis etwa 1950 °C während etwa 0,5 bis 10 Stunden ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, das ferner das Bearbeiten der Zwischenschicht (30) auf eine Größe umfasst, so dass sie nach dem Schritt des Sinterns zum Anschluss (16) passt.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner das Erwärmen des aktiven Lötmaterials (32) auf etwa 950 °C bis etwa 1100 °C und das Aufrechterhalten der Temperatur während etwa 5 bis etwa 60 Minuten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, das ferner das Aufbringen einer Nickelbeschichtung auf den Anschluss (16) umfasst.