DE1248244B - Verfahren zur Herstellung eines auf einem Glas-Kristall-Mischkoerper befindlichen Metallfilmes - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines auf einem Glas-Kristall-Mischkoerper befindlichen MetallfilmesInfo
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Description
AUSLEGESCHRIFT
DeutscheKI.: 32 b-3/22
Nummer: 1 248 244
Aktenzeichen: E 20675 VI b/32 b
1 248 244 Anmeldetag: 28. Februar 1961
Auslegetag: 24. August 1967
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines auf einem Glas-Kristall-Mischkörper befindlichen
Metallfilmes.
In der Technik besteht häufig das Problem, einen Metallfilm fest auf einem Isolierkörper anzubringen.
Insbesondere bei den in der Elektronik verwendeten gedruckten Schaltungen kommt es darauf an, daß
das die gedruckte Schaltung bildende Metall sehr fest auf dem Grundmaterial haftet. Bekannte Trägerstoffe
aus Isoliermaterial, wie z. B. harzgebundene Hartgewebe, sind nicht gegen hohe Temperaturen widerstandsfähig.
Außerdem ist bei den bekannten isolierenden Trägerstoffen häufig ein Abblättern des aufgebrachten
Metalls festzustellen.
Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines auf einem Glas-Kristall-Mischkörper
befindlichen Metallfilmes zu schaffen, welcher außerordentlich fest auf dem Grundkörper haftet und auch
bei ungünstigen Betriebsbedingungen sich nicht von dem Grundkörper löst.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß ein Glasgegenstand mit der Zusammensetzung
45 bis 88 Gewichtsprozent SiO2, 0,5 bis 7,5 Gewichtsprozent CuO, 0,5 bis 6,0 Gewichtsprozent P2Os,
0 bis 36 Gewichtsprozent
0 bis 32 Gewichtsprozent
0 bis 27 Gewichtsprozent
0 bis 2 Gewichtsprozent
0 bis 5 Gewichtsprozent
0 bis 10 Gewichtsprozent
0 bis 10 Gewichtsprozent
0 bis 6 Gewichtsprozent
Al2O3, MgO, Li2O, Snb,
Na2O u./od. K2O, ZnÖ,
CaO u./od. BaO,
5-, Al2O3-
wobei die Summe der SiO2-, CuO-, P2Ol
MgO-, Li2O- und SnO-Gehalte mindestens 90 Gewichtsprozent beträgt, folgenden nacheinander ausgeführten
Wärmebehandlungen unterworfen wird:
a) Glühen des Glasgegenstandes für 1 Stunde bei einer Temperatur, die 20° C unterhalb seines
Erweichungspunktes liegt und anschließendes Abkühlen des Gegenstandes auf Raumtemperatur;
b) Erwärmen des Glasgegenstandes in einer reduzierenden Atmosphäre mit einer Geschwindigkeit
von nicht größer als 2° C pro Minute von Raumtemperatur bis auf eine Temperatur, die in der
Nähe des Erweichungspunktes des Glases liegt;
Verfahren zur Herstellung eines auf einem Glas-Kristall-Mischkörper befindlichen
Metallfilmes
Anmelder:
The English Electric Company Limited, London Vertreter:
Dipl.-Ing. C. Wallach, Patentanwalt, München 2, Kaufingerstr. 8
Als Erfinder benannt:
Peter William McMillan,
Brian Purdam Hodgson,
Blackheath Lane, Stafford (Großbritannien)
Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 29. Februar 1960 (7087)
c) Glühen des Glasgegenstandes in reduzierender Atmosphäre bei einer in der Nähe seines Erweichungspunktes
liegenden Temperatur für die Dauer von mindestens einer Stunde;
d) Erwärmen des Glasgegenstandes in reduzierender Atmosphäre mit einer Geschwindigkeit von
nicht mehr als 5° C in der Minute von einer Temperatur in der Nähe des Erweichungspunktes
bis auf eine Temperatur zwischen 850 und 1050° C;
e) Glühen des Glasgegenstandes in reduzierender Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen 850
und 1050° C für eine Zeitdauer von mindestens einer Stunde;
f) Abkühlen des Gegenstandes auf Raumtemperatur, wobei die reduzierende Atmosphäre so lange
aufrechterhalten wird, bis die Temperatur des Gegenstandes auf 150° C abgefallen ist.
Bei der Behandlung in der reduzierenden Atmosphäre findet eine Ionendiffusion der Metallverbindung
zur Oberfläche des Grundkörpers statt, wo dann die Metallverbindung zu metallischem Zustand
reduziert wird und sich ein elektrisch leitender Metallfilm bildet. Dieser ist mit dem Glas-Kristall-Mischkörper
außerordentlich fest verbunden, weil er mit
709 638/212
diesem aus einem Stück besteht. Der so hergestellte, mit einem Metallfilm versehene Isolierkörper behält
seine Eigenschaften auch noch bei hoher Feuchtigkeit und bei hohen Temperaturen.
Besonders geeignete Metalle für die Herstellung von haftenden Filmen, auf durch Kristallisation von
Glas hergestellten Glas-Kristall-Mischkörpem, sind Kupfer, Silber und Gold. Diese Metalle werden in
Form von Verbindungen in die Glasgemenge-Rohstoffe vor dem Schmelzen eingebracht.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Beispielen erläutert. Zwei Glas-Zusammensetzungsbereiche sind zur Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens besonders bevorzugt.
Der erste Zusammensetzungsbereich umfaßt die folgenden Hauptbestandteile:
0 bis 27,0 Gewichtsprozent
Li2O
MgO
Al2O3
SiO2
SnO
MgO
Al2O3
SiO2
SnO
O bis 32,0 Gewichtsprozent
O bis 36,0 Gewichtsprozent
45 bis 88,0 Gewichtsprozent
0 bis 2,0 Gewichtsprozent
CuO 0,5 bis 7,5 Gewichtsprozent
P2O5 0,5 bis 6,0 Gewichtsprozent
Diese Hauptbestandteile machen mindestens 90 Gewichtsprozent der Zusammensetzung aus.
Neben den genannten Hauptbestandteilen können noch verschiedene Bestandteile von zweitrangiger
Bedeutung vorhanden sein, nämlich:
I) Alkalimetalloxide (Na2O oder K2O) bis zu 5 Gewichtsprozent,
entweder allein oder zusammen; II) Zinkoxid (ZnO) bis zu 10 Gewichtsprozent;
III) Boroxid (B2O3) bis zu 10 Gewichtsprozent;
III) Boroxid (B2O3) bis zu 10 Gewichtsprozent;
IV) Erdalkalioxide (CaO oder BaO) bis zu 5 Gewichtsprozent, entweder allein oder zusammen.
Der zweite Zusammensetzungsbereich umfaßt die folgenden Hauptbestandteile:
Li2O 2,0 bis 27,0 Gewichtsprozent
ZnO 10,0 bis 59,0 Gewichtsprozent
SiO2 34,0 bis 81,0 Gewichtsprozent
SnO 0 bis 2,0 Gewichtsprozent
CuO 0,5 bis 7,5 Gewichtsprozent
P2O5 0,5 bis 6,0 Gewichtsprozent
Die genannten Hauptbestandteile machen mindestens 90 Gewichtsprozent der Zusammensetzung aus.
Neben diesen Hauptbestandteilen , des zweiten Zusammensetzungsbereiches können noch verschiedene
Bestandteile von sekundärer Bedeutung vorhanden sein, nämlich:
I) Alkalimetalloxide (Na2OoderK2O) bis zu 5 Gewichtsprozent,
entweder allein oder zusammen; II) Aluminiumoxid (Al2O3) bis zu 10 Gewichtsprozent;
III) Magnesiumoxid (MgO) bis zu 10 Gewichtsprozent;
IV) Boroxid (B2O3) bis zu 10 Gewichtsprozent;
V) Erdalkalioxide (CaO oder BaO) bis zu 5 Gewichtsprozent.
Nachstehend werden als nicht beschränkende Beispiele in Gewichtsprozent einige typische Gemenge-Zusammensetzungen
für hitzeempfindliche Gläser ausführlich beschrieben, die zu befriedigenden Ergebnissen
führten.
I | II | III | IV | V | VI | VII | vm | |
SiO2 | 59,0 | 58,4 | 59,0 | 59,3 | 56,6 | 62,8 | 63,7 | 80,1 |
Li2O | 9,8 | 9,7 | 9,8 | 9,9 | 9,4 | 17,7 | 18,0 | 10,7 |
ZnO | 26,6 | 26,3 | 26,6 | 26,7 | 25,5 | |||
MgO | 3,6 | |||||||
AI2O3 P2O5 |
10,7 | 10,9 | ||||||
2,6 | 2,6 | 2,6 | 2,6 | 2,5 | 4,3 | 4,4 | 2,6 | |
CuO | 2,0 | 2,0 | LO | 0,5 | 5,0 | 3,5 | 2,0 | 2,0 |
SnO | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 |
Für die Herstellung dieser Gläser werden folgende Rohmaterialien verwendet:
Gemahlener Quarz SiO2,
Lithiumkarbonat Li2CO3,
Zinkoxid ZnO,
Lithiumkarbonat Li2CO3,
Zinkoxid ZnO,
Zinkorthophosphat Zn3(PO4)2,
Magnesiumoxid MgO,
Lithiumorthophosphat Li3PO4,
Kupferoxid CuO,
Kupferkarbonat CuCO3,
Kupfernitrat Cu(NO3)2 · 3 H2O,
Stannooxid SnO,
Aluminiumoxid Al2O3.
Magnesiumoxid MgO,
Lithiumorthophosphat Li3PO4,
Kupferoxid CuO,
Kupferkarbonat CuCO3,
Kupfernitrat Cu(NO3)2 · 3 H2O,
Stannooxid SnO,
Aluminiumoxid Al2O3.
Lithiumorthophosphat und Zinkorthophosphat dienen alternativ als Quellen für Phosphorpentoxid in
den Glaszusammensetzungen und wirken beide als kernbildende Agens bei der gelenkten Entglasung.
Kupferoxid, Kupferkarbonat und Kupfernitrat bilden alternative Quellen für Cu(II)-Oxid in den Glaszusammensetzungen.
Es können auch andere als die obenerwähnten Rohstoffe für die Zusammenstellung des Glasgemenges
verwendet werden, vorausgesetzt, daß sie glasbildende Eigenschaften haben. So kann z. B. eine
gute Sorte von glasbildendem Sand an Stelle des gemahlenen Quarzes als Quelle für Siliciumdioxid
verwendet werden. In ähnlicher Weise kann ein Teil des Lithiumoxidgehaltes des Glases von einem anderen
geeigneten lithiumhaltigen Mineral, wie es z. B. gemahlener Petalit ist, stammen.
Das Glasgemenge wird durch vollständiges Vermischen der erforderlichen Rohstoffmengen zusammen
mit 5 Gewichtsprozent Wasser bereitet, wodurch das Entmischen des Glases verhindert wird und die
Reaktionen während des Glasschmelzens gefördert werden.
1
Das Glas wird in einem elektrisch oder mit Gas beheizten Ofen bei einer Temperatur zwischen 1250
und 1450° C geschmolzen, wobei Schmelzhäfen verwendet werden, die aus einem feuerfesten Material
hergestellt sind, das einen hohen Gehalt an Zirkon, Sillimanit oder anderen geeigneten, beim Glasschmelzen
widerstandsfähigen Materialien aufweist. Das Glas wird so lange bei der Schmelztemperatur
gehalten, bis es frei von nicht in Reaktion getretenen Gemengestoffen sowie frei von Gasblasen ist. Das
geläuterte Glas wird dann in die gewünschten Formen durch Gießen, Pressen oder eine andere Glasformungstechnik
gebracht.
Die Glaswaren werden dann in einen Temperofen gebracht, der auf einer 20° C unter dem Erweichungspunkt
des Glases (450 bis 650° C) liegenden Temperatur gehalten wird. Das Glas wird bei dieser Temperatur
ungefähr 1 Stunde gehalten und dann langsam auf Raumtemperatur abgekühlt, um es zu
tempern.
Die Oberfläche des Glases, auf der schließlich der Metallfilm erscheinen soll, kann gewünschtenfalls
geschliffen und poliert werden; jedoch ist dies kein wesentliches Merkmal des Verfahrens, da der Metallfilm
ganz leicht auf der feuerbehandelten, während des Formens der Glasgegenstände gebildeten Glasoberfläche
entsteht.
Nach einem zufriedenstellenden Verfahren zur Bildung des gewünschten Metallfilmes werden nun
die Glasgegenstände bei Zimmertemperatur in einen Ofen gebracht. Während des gesamten Bildungsvorganges wird in dem Ofen eine reduzierende Atmosphäre
aufrechterhalten. Dies wird dadurch erreicht, daß man durch die Ofenkammer einen Gasstrom
leitet, z. B. Wasserstoff, Formgas (90% Na+ 10<>/o H2)
oder andere Gemische von Stickstoff und Wasserstoff. Formgas wird vorzugsweise verwendet, da dieses Gas
leicht zu erhalten ist und ohne Gefahr angewendet werden kann. Die Temperatur des Ofens wird mit
einer 2° C pro Minute nicht übersteigenden Geschwindigkeit auf eine Temperatur in der Nähe des
Erweichungspunktes des Glases gebracht, und diese Temperatur wird mindestens 1 Stunde gehalten.
Darauf wird die Temperatur mit einer 5° C pro Minute nicht übersteigenden Geschwindigkeit auf die
endgültige Kristallisationstemperatur gebracht, die je nach der Zusammensetzung des Glases zwischen 850
und 1050° C liegt; diese Temperatur wird mindestens 1 Stunde lang aufrechterhalten. Die Ofentemperatur
wird dann bis auf Zimmertemperatur erniedrigt. Die Abkühlungsgeschwindigkeit ist nicht kritisch, beträgt
jedoch normalerweise nicht mehr als 10° C pro Minute. Die reduzierende Atmosphäre wird in der
Ofenkammer aufrechterhalten, bis die Temperatur unter 150° C gefallen ist.
Nach einer anderen, vorzugsweise angewendeten Arbeitsweise werden verbesserte Metallfilme erhalten,
wenn im niedrigen Temperaturgebiet der Hitzebehandlungsperiode eine oxydierende Atmosphäre
angewendet wird. Eine reduzierende Gasatmosphäre wird dann noch in den höheren Temperaturbereichen
dieser Periode und während des Kühlens angewendet.
Bei dieser alternativen Arbeitsweise werden die Glaswaren in einen Ofen gebracht, in dem eine oxydierende
Atmosphäre, aus Sauerstoff, Luft oder einem Sauerstoff-Luft-Gemisch bestehend, gehalten wird.
Die Ofentemperatur wird mit einer 2° C pro Minute nicht übersteigenden Geschwindigkeit auf eine Tem-
244
peratur in der Nähe des Erweichungspunktes des Glases gebracht, und diese Temperatur wird mindestens
1 Stunde lang aufrechterhalten. Die Temperatur wird dann weiter mit einer 2° C pro Minute nicht
übersteigenden Geschwindigkeit auf eine 50 bis 200° C über dem Erweichungspunkt des Glases
liegende Temperatur erhöht. Diese Temperatur wird mindestens 1 Stunde lang gehalten. Am Ende dieses
Zeitabschnittes wird dann die Ofenatmosphäre mittels ίο Stickstoff gereinigt und durch eine reduzierende Gasatmosphäre
der oben beschriebenen Art ersetzt. Das weitere Vorgehen folgt dann genau der oben beschriebenen
Arbeitsweise.
Dieser andere Bildungsprozeß wird durch das ig folgende Beispiel erläutert:
Ein Gemisch von Rohmaterialien, das die Glas-Zusammensetzung II der obigen Tabelle ergibt, wird
in einem feuerfesten, einen hohen Gehalt an Zirkon aufweisenden Schmelzofen bei 1300° C geschmolzen,
bis das Glas gut geläutert ist. Das Glas wird dann in üblicher Weise geformt und 1 Stunde bei 480° C
getempert, worauf ein langsames, eine Geschwindigkeit von 5° C pro Minute nicht übersteigendes Kühlen
folgt.
Die Glasgegenstände werden dann bei Zimmertemperatur in einen Ofen gebracht, in welchem eine
Sauerstoffatmosphäre aufrechterhalten wird. Die Ofentemperatur wird mit einer 5° C pro Minute nicht
übersteigenden Geschwindigkeit auf 500° C erhöht; diese Temperatur wird 1 Stunde lang gehalten. Die
Temperatur wird dann weiter mit einer 5° C pro Minute nicht übersteigenden Geschwindigkeit auf
600° C erhöht; diese höhere Temperatur wird 1 Stunde lang gehalten. Am Ende dieses Zeitabschnittes
wird die Ofenatmosphäre rasch mittels Stickstoff gereinigt, und es wird eine Formgasatmosphäre eingebracht.
Die Hitzebehandlung wird dann fortgesetzt, indem die Temperatur mit einer 5° C pro Minute
nicht übersteigenden Geschwindigkeit auf die endgültige Kristallisationstemperatur von 850° C erhöht
wird. Diese Endtemperatur wird mindestens 1 Stunde lang gehalten, und dann mit einer 10° C pro Minute
nicht überschreitenden Geschwindigkeit bis auf Zimmertemperatur herabgesetzt. Die reduzierende
Atmosphäre wird in dem Ofen aufrechterhalten, bis seine Temperatur unter 100° C gefallen ist.
Bei Beendigung dieser Hitzebehandlungsperiode ist der Stoff in einen schwer schmelzbaren Glas-Kristall-Mischkörper
umgewandelt. Muster, die in 2%>iger Fluorwasserstoffsäure etwa 50 Minuten lang geätzt
wurden, zeigten eine hochrefiektierende Kupferschicht mit guter elektrischer Leitfähigkeit.
Eine Abwandlung des vorstehenden Verfahrens besteht darin, das früher beschriebene Tempern zu
unterlassen und die Glasgegenstände unmittelbar vom Formungsvorgang in einen Ofen zu bringen, der beim
Erweichungspunkt des Glases gehalten ist und in dem eine reduzierende oder eine oxydierende Atmosphäre
aufrechterhalten wird. Die Hitzebehandlung erfolgt darauf nach einer der beiden oben näher beschriebenen
alternativen Hitzebehandlungsarten.
Während der Hitzebehandlung, welche auf das in beschriebener Weise vor sich gehende Tempern folgt,
findet die gelenkte Kristallisation statt. Bei dieser wirken Kerne als Katalysator, welche während der
anfänglichen Haltezeit ausgeschieden werden. Während des nachfolgenden Erhitzens findet die Kristallisation
des Glases statt, so daß der Endstoff bis auf
Claims (4)
1. Verfahren zur Herstellung eines auf einem Glas-Kristall-Mischkörper befindlichen Metallfilmes,
dadurch gekennzeichnet, daßein Glasgegenstand mit der Zusammensetzung
bis 88 Gewichtsprozent SiO2,
0,5 bis 7,5 Gewichtsprozent CuO,
0,5 bis 7,5 Gewichtsprozent CuO,
wobei die Summe der SiO2-, CuO-, P2O5-, Al2O3-,
MgO-, Li2O- und SnO-Gehalte mindestens 90 Gewichtsprozent beträgt, folgenden nacheinander
ausgeführten Wärmebehandlungen unterworfen wird:
a) Glühen des Glasgegenstandes für 1 Stunde bei einer Temperatur, die 20° C unterhalb
seines Erweichungspunktes liegt und anschließendes Abkühlen des Gegenstandes auf Raumtemperatur;
b) Erwärmen des Glasgegenstandes in einer reduzierenden Atmosphäre mit einer Geschwindigkeit
von nicht größer als 2° C pro Minute von Raumtemperatur bis auf eine Temperatur, die in der Nähe des Erweichungspunktes
des Glases liegt;
c) Glühen des Glasgegenstandes in reduzierender Atmosphäre bei einer in der Nähe seines
Erweichungspunktes liegenden Temperatur für die Dauer von mindestens einer Stunde;
d) Erwärmen des Glasgegenstandes in reduzierender Atmosphäre mit einer Geschwindigkeit
von nicht mehr als 5° C in der Minute von einer Temperatur in der Nähe des Erweichungspunktes
bis auf eine Temperatur zwischen 850 und 1050° C;
e) Glühen des Glasgegenstandes in reduzierender Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen
850 und 1050° C für eine Zeitdauer von mindestens einer Stunde;
f) Abkühlen des Gegenstandes auf Raumtemperatur, wobei die reduzierende Atmosphäre
so lange aufrechterhalten wird, bis die Temperatur des Gegenstandes auf 150° C abgefallen ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Glas mit der Zusammensetzung
bis 81 Gewichtsprozent SiO2,
bis 59 Gewichtsprozent ZnO,
bis 59 Gewichtsprozent ZnO,
bis 27 Gewichtsprozent Li2O,
0,5 bis 7,5 Gewichtsprozent CuO,
0,5 bis 6,0 Gewichtsprozent P2O5,
O bis 5 Gewichtsprozent Na2OoderK2O,
O bis 10 Gewichtsprozent Al2O3,
O bis 10 Gewichtsprozent MgO,
O bis 10 Gewichtsprozent B2O3,
O bis 5 Gewichtsprozent CaO oder BaO ausgegangen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Glasgegenstand an Stelle
des Kupfers eine reduzierbare Verbindung des Silbers oder Goldes enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die reduzierende
Atmosphäre aus etwa 10% Wasserstoff und 90% Stickstoff besteht.
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