DE2329424A1

DE2329424A1 - Widerstand, insbesondere flaechenheizelement mit hoher belastbarkeit

Info

Publication number: DE2329424A1
Application number: DE19732329424
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dr Phil Bauer; Gerhard Haala; Emil Dr Rer Nat Singer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-06-08
Filing date: 1973-06-08
Publication date: 1975-01-02

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen,7. Juni 1973 Berlin und München Werner-von-Siemens-Str.50

Unser Zeichen:

VPA 73/7568 Td/Dm

Widerstand, insbesondere Flächenheizelement mit hoher Belastbarkeit

Elektrische Heizdrahtwiderstände aus Spiraldraht isoliert mit Lack, Glas- oder Einbettmassen sind bekannt. Soweit dabei zur Isolierung Lack verwendet wird, ergeben sich Begrenzungen bezüglich der Anwendungstemperatur. Durch Oxidation geht die Isoliereigenschaft verloren. Außerdem kommen Alterungs- und Erweichungseffekte hinzu, so daß in der Regel schon bei ca. 100 C eine Anwendungsgrenze gesetzt ist. Verwendet man dagegen Glas oder Einbettmassen, so sind gegenüber der vorliegenden Erfindung wegen der geringeren Wärmeleitfähigkeit, geringeren Festigkeit und geringeren Isoliervermögen wesentlich größere Abmessungen erforderlich. Außerdem kann das Kühlproblem nicht in gleich guter Weise wie bei den vorgeschlagenen Flächenwiderständen gelöst werden. Hieraus hergestellte Heizelemente genügen insbesondere bei hoher Belastung nicht im Hinblick auf Baugröße bei Glas und Oxidation bei Lack. Die Lebensdauer ist beschränkt und vielfach ist die Betriebssicherheit unzureichend. Solche Bauteile sind insbesondere im Transport sehr gefährdet.

Gemäß der Erfindung werden Widerstände, insbesondere Flächenheizelemente hergestellt, die diese Nachteile nicht aufweisen. Sie bestehen erfindungsgemäß aus einer dichten Keramik von 0,5 bis 1,5 mm Dicke, von hoher elektrischer Durchschlagefestigkeit, die im Innern eine gedruckte Leiterbahn aus einem hochschmelzenden leitenden Stoff enthält.

Die Leiterbahn befindet sich entweder zwischen zwei Keramikfolien oder zwischen einer Keramikfolie und einer Glasur. Für die elektrischen Zuleitungen sind mindestens zwei Stellen

409881/0626 -2-

- 2 - VPA 73/7568

frei von isolierenden Schichten. Diese Stellen werden nach dem Brand galvanisch vernickelt, damit die Anschlußdrähte mit Hilfe der Löttechnik angebracht werden können.

Verwendet man zur Isolierung zwei Keramikfolien aus Aluminiumoxid, so werden bei höheren Temperaturen Isoliereigenschaften von unübertroffener Qualität erreicht. Verwendet man anstelle der zweiten Keramikfolie eine Glasurschicht oder verbindet man durch Glasur zwei Keramikfolien, dann sind zwar die Isoliereigenschaften bei höheren Temperaturen nicht so vortrefflich wie im vorgenannten Pail, aber es ergeben sich fertigungstechnische Vorteile.

Vorteilhaft ist die Verwendung einer Keramik auf Basis von AIpO, oder BeO oder MgO wegen der günstigen Wärmeleitfähigkeit. Bei geringer Beanspruchung sind auch silikatische Massen gut geeignet. Die Leiterbahnen sind vorzugsweise nach dem Siebdruckverfahren aufgebracht. Sie können herkömmliche Form, insbesondere Spiral-, Schnecken- oder Mäanderform haben. Technisch besonders interessant und wertvoll ist eine Leiterbahn, die parallel und in verschiedenen Abstand zueinander geführt ist, wobei der Abstand zur Mitte zunehmend größer wird. Die Einbettungen sind gas-, wasser- und luftdicht. Die Wärmekapazität ist relativ gering, und sie sind hochbelastbar. Bei einer Platte gemäß der Erfindung ist beispielsweise die Wärmeverteilung sehr günstig; es erfolgt keine Wärmespeicherung.

Die Zuleitungen können mittels Aussparungen, die an der Keramikdeckfolie bzw. Glasur sind, auf die Leiterbahn angebracht, beispielsweise angelötet sein. Gemäß einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung sind die für die Zuleitungen metallisierten Stellen der Aussparungen ein Bestandteil der Leiterbahn. Hierbei können die Zuleitungen auch in ringförmigen von der Leiterbahn begrenzten Ausschnitten angebracht, vorzugsweise angelötet sein. Bohrungen können vorhanden sein in dem keramischen Leiterbahnträger an den für den Anschluß der Zuleitungen vorgesehenen Aussparungen, in welchen die Zuleitungen zug- und biegeent-

409881/0626 "³"

- 3 - VPA 73/7568

lastend aufgehängt werden können und durch Lötung elektrisch einwandfrei leitend verbunden sind. Es können mehrere Anschlußmöglichkeiten vorgesehen sein, um die Leistung bzw. den Widerstand variieren zu können.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Widerstände und Heizelemente wird eine Keramikfolie gegossen, vorzugsweise auf der Basis von Aluminiumoxid mit hohem AIpO,-Gehalt, vorzugsweise 97 Gew.# AIpO,. Hierzu kann der Schlicker auf eine Kunststoffolie gegossen und getrocknet werden und anschließend von der Folie abgezogen werden. Die Folien habe*eine Dicke von 0,4-0,9, vorzugsweise 0,7 mm. Der Schlicker kann eine wäßrige Suspension sein, die insbesondere zur Erleichterung der Formgebung organische Substanzen enthält, wie z.B. Alkohol, Toluol, Glykol, Polyvinylalkohol, Polyvinylglykol, die beim Brand wieder entfernt werden.

Auf die getrocknete dichte Keramik bzw. Folie, die ungebrannt verglüht oder gesintert sein kann, wird eine Leiterbahn aus einem hochschmelzenden leitenden Stoff aufgebracht. Hierzu wird bevorzugt nach dem Trocknen an der Luft im Siebdruckverfahren eine Paste aus einem hochschmelzenden leitenden Stoff enthaltend 0,1-30 Gew.# eines organischen Bindemittels und 5-30 Gew.^ mindestens eines Haftvermittlers aufgetragen. Der Zusatz eines Haftvermittlers empfiehlt sich vor allem dann, wenn man die Befestigung der Anschlußdrähte im Hartlötverfahren durchführen will, da hierdurch gleichzeitig die Haftfestigkeit erhöht wird. Ein Zusatz von 20 Gew.# Haftvermittler hat sich als besonders günstig erwiesen. Für den Metallisierungsdruck können je nach technischer Notwendigkeit beliebige Muster verwendet werden. Bevorzugt werden Spiral-, Schnecken- und Mäanderformen. Als besonders günstig haben sich parallel verlaufende Leiterbahnen, deren gegenseitiger Abstand sich zur Mitte zunehmend vergrößert, erwiesen.

Geeignete leitende Stoffe sind z.B. die Metalle der YI. lie be ngruppe des Periodischen Systems wie Molybdän und Wolfram oder

4Ü9881/0626 ~⁴~

- 4 - VPA 73/756(i

die Elemente der IV., Y., VI. und VIII. Nebengruppe des Periodischen Systems der Elemente.

Geeignete Haftvermittler sind Schwermetalloxide und -Silikate wie z.B. MnO„, SiO₂, BaO, SrO, CaO und Fe₃O₅, die als Glasbildner wirken.

Auf die mit Metall bedruckte ungebrannte, geglühte oder gesinterte Keramikgrundfolie wird eine nichtbedruckte ungebrannte oder verglühte Keramikdeckfolie zur Kapselung des Widerstandes gelegt, wobei gegebenenfalls die Verbindung durch eine dünne Glasurzwischenschicht verbessert wird. Oder es wird nur eine Glasur aufgebracht. Die Plättchen bzw. Schichten werden mit Öffnungen zum Durchführen der Zuleitungen versehen. Hierzu können gemäß weiterer Erfindung an der Keramikdeckfolie bzw. Glasur (an einer Kante) Aussparungen für den Anschluß und das Anlöten der Zuleitungsdrähte angebracht werden. Bei Verwendung von mindestens zwei ungebrannten Keramikfolien werden diese in einem Ofen, vorzugsweise in einer Heißpreßform mit einem Druck von 10-30 N/mm und einer Temperatur von 5O-2OO°C aufeinander fest verbunden. Der Brand des flachen Heizelementes erfolgt danach in reduzierender Atmosphäre, vorzugsweise bei niedrigen Temperaturen bis 165O⁰C. Bei den besonders günstigen niedrigeren Temperaturbereichen kann bei Verwendung einer Keramik mit einem niedrigeren AlpO^-Gehalt gearbeitet werden. Bei einem AIpO,,-Gehalt von ca. 80 # kann je nach verwendeten Rohstoffen eine Temperatur im Bereich von 1300-150O⁰C gewählt werden; bei einem Gehalt von 96 i» Al₂O₅ zwischen 1500 und 1700⁰C; bei 99,7 % ^A12°3 ^{auch bis l800}°· ^{Bel den} Ausführungen mit Glasur als Isolier- oder Bindeschicht kann es zweckmäßig sein, drei getrennte Brände durchzuführen, nämlich die Keramikfolie in oxidierender Atmosphäre bei 1300 bis 1800⁰C je nach Al₂0,-Gehalt, die mit der Leiterbahn bedruckte Folie in reduzierender Atmosphäre bei 1200 bis 1600° je nach Art des Haftvermittlers und den nach dem Glasurauftrag erforderlichen Glasurbrand in reduzierender Atmosphäre bei 1000 bis 1400⁰C je nach Glasurzusammensetzung.

-5-UÜ9881/0626

₅ _ VPA 73/7568

Durch das Bedrucken der Folie und das Verbinden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhält man siebbedruckte Flächen, die bis auf zwei Kontaktstellen völlig isoliert sind. Bei dünner 0,5 mm dicker Isolationsschicht ist die Einbettung gas- und wasserdicht. An den beiden Kontaktstellen werden Zuführungsdrähte im Hartlötverfahren befestigt. Hierzu wird in einem chemischen, galvanischen oder Direktverfahren die Molybdän- oder Wolframschicht vorher vernickelt.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich vor allem zum Herstellen von Flächenheizelementen für Elektrogeräte, Präzisionswiderständen und Hochlast-Plättchenwiderständen.

In den Figuren 1 bis 4 sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.

Fig. 1 zeigt ein Flächenheizelement aus einer Keramikgtundfolie 1. Die Leiterbahn 2 ist wendelförmig nach dem Siebdruckverfahren aufgebracht. Die Enden 3 der Leiterbahnen liegen frei in Aussparungen 4, die sich an einer Kante der Keramikdeckfolie 5 befinden.

Fig. 2 zeigt eine Flachspule aus einer Keramikgrundfolie Auf ihrer Oberfläche enthält sie eine im Siebdruckverfahren aufgebrachte schneckenförmige Wicklung als Leiterbahn 7. Mit 8 ist die Keramikdeckfolie bezeichnet.

Die Figuren 3A und 4A zeigen Flächenheizelemente. Die Leiterbahn ist jeweils mit 11 bezeichnet. Sie sind unter Berücksichtigung der Vermeidung eines Wärmestaues so auf einer Keramikgrundfolie angeordnet, daß der gegenseitige Abstand zur Mitte zu gröBer wird. Die Enden der Leiterbahn 11, die ringförmig vergrößert 12, mit einer Bohrung in der Keramikgrundfolie versehen 3ind und in der Deckschicht mit einer kreisförmig begrenzten Aussparung 4 versehen sein können, dienen als Anschlüsse für die Zuleitungen 14. Mit 13 ist jeweils die Deckschicht bezeichnet, die eine Glasur 10 oder eine

409881 /0626

- 6 - VPA 7 3/7568

Keramikdeckfolie 15 sein kann.

Die Figuren 3B, 3C und 4B zeigen vorteilhafte Ausführungsformen gemäß der Erfindung im Längsschnitt. Die Figuren 3B und 3C zeigen ein Bauelement J_6 bzw. einen Widerstand 17, der aus einem oder mehreren Bauelementen bestehen kann, wobei sich die Leiterbahn 11 auf der Keramikgrundfolie 9 befindet. Mit 10 ist jeweils die Glasur bezeichnet. Gemäß Fig. 4B befindet sich die Leiterbahn 11 zwischen Keramikfolien, den Keramikgrundfolien 9 und der Keramikdeckfolie 15.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1

Eine im Gießverfahren hergestellte Folie aus Aluminiumoxidkeramik (ca. 97 # Al^O,) mit den Abmessungen 40 χ 50 mm und einer Dicke von 0,7 mm wird nach dem Trocknen an Luft oder.in einem üblichen Trockengerät mit einer mäanderförmigen Leiterbahn aus 80 io Molybdän und 20 fo Zusätzen bedruckt. Dann wird in einem Warmpreßverfahren mit ca. 15O⁰C und einem Druck von 20 N/mm eine nichtbedruckte Folie als isolierende Deckplatte auf die Leiterbahn gepreßt. Anschließend wird diese Baueinheit bei ca. 165O°C zu einem dicht abgeschlossenen Körper zusammengesintert.

Beim Deckplättchen bleiben zapfen- oder kreisförmige Aussparungen zum Anlöten der Anschlußdrähte frei. Nach dem Brand werden diese Stellen galvanisch vernickelt, nach einem Stabilisierungsbrand bei 1100⁰C können an diesen Stellen Kupferdrähte oder vorzugsweise Nickeldrähte mit einem Durchmesser von 0,3-0,8 mm mit Hartlot befestigt werden.

Die so erhaltenen Flächenheizelemente haben durch ihren luftdichten Verschluß eine hohe Lebensdauer, hohe Betrieteaicherheit und hohe Belastbarkeit.

Beispiel 2

Eine im Gieß- oder Preßverfahren hergestellte Aluminiumoxid-

409881/0626 -7-

folie (z.B. 92 i» Al^O,) mit einer Dicke von 0,8-1 mm und der Abmessung 40 χ 30 mm wird bei ca. 1600 C dicht gesintert. Danach wird im Siebdruckverfahren eine Leiterbahn, die aus einem leitfähigen, hochfeuerfesten Metall besteht wie z.B. Wolfram, Molybdän oder Palladium aufgebracht. Danach wird diese Metallschicht durch ein Sinterverfahren mit der Keramikplatte fest verbunden. Dazu sind Temperaturen von ca. 1300-H00°C erforderlich. Danach wird die Leiterbahn durch einen Glasur- oder Engobebelag geschützt, die bei ca. 1000-1400⁰C eingebrannt wird. Um diese Glasur gegenüber der Metallschicht beim Sinterverfahren weniger aggressiv zu machen, können auch Beimengungen wie Aluminiumoxid, z.B. bis zu 70 #, zugefügt werden, so daß die isolierende Schicht den Charakter einer Engobe erhält. Auch bei diesem Verfahren werden Aussparungen für den Anschluß der Zuleitungsdrähte vorgesehen. Nach dem Glasiervorgang wird galvanisch vernickelt und anschließend bei ca. 820⁰C gebrannt.

Beispiel 3

Eine gemäß Beispiel 2 hergestellte Aluminiumoxidfolie wird mit der im Siebdruckverfahren aufgebrachten Leiterbahn bei ca. 1300 bis 1400⁰C fest verbunden.

Danach wird ein Glasurbelag auf die mit der Leiterbahn bedruckten Seite aufgetragen und eine zweite gebrannte Keramikfolie aufgelegt. In reduzierender Atmosphäre bis 130O⁰C werden die beiden Folien fest und gasdicht miteinander verbunden und isolieren die Leiterbahn.

Nach dem Verbundbrand wird galvanisch vernickelt und anschließend bei ca. 820⁰C die Nickelschicht
Anlöten der Drähte mit Hartlot.

bei ca. 820 C die Nickelschicht eingebrannt. Danach erfolgt das

26 Patentansprüche

4 Figuren -8-

AC988 1/0626

Claims

- 8 - VPA 73/7568

Patentansprüche

Widerstand, insbesondere Flächenheizelement, mit hoher Belastbarkeit, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus einer dichten Keramik (1, 5) von 0,5-1»5 mm Dicke und hoher elektrischer Durchschlagsfestigkeit besteht, die im Innern eine gedruckte Leiterbahn (2, 7, 11) aus einem hochschmelzenden leitenden Stoff enthält und Aussparungen (4) für die Zuleitungen hat, wobei gegebenenfalls mehrere solcher Bauelemente zu einem leistungsfähigen Widerstand verbunden sein können.
2. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die dichte Keramik aus mindestens zwei Keramikfolien besteht
3. Widerstand nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer dichten Keramik oder Keramikfolie aus 0,, BeO oder MgO besteht.
4. Widerstand nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dichte Keramik aus mindestens einer Keramikfolie (9) und einer Glasurschicht (10) besteht.
5. Widerstand nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dichte Keramik aus zwei Keramikfolien (9) besteht, die mit einer Glasur (1O) verbunden sind.
6. Widerstand nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er eine im Siebdruckverfahren aufgebrachte Leiterbahn (2, 7, 11) enthält.
7. Widerstand nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen (14) mittels Aussparungen (4) in der Keramikdeckfolie (5, 8, 13) auf der Leiterbahn (2, 11) angebracht sind.
8. Widerstand nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (4) für die Durchführung der Zuleitungen (14) ein Bestandteil der Leiterbahn (2, 7, 11) sind bzw. in diese überführen. -9-

4U9881 /0626

- 9 - VPA 73/7568
9. Widerstand nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen (14) in ringförmigen (12) von der Leiterbahn (11) begrenzten Ausschnitten (4) angebracht sind.
10. Widerstand nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, da3 die gedruckte Leiterbahn (7) Schneckenform hat.
11. Widerstand nach Anspruch 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die gedruckte Leiterbahn (11) eine mäanderähnliche Form hat.
12. Verfahren zur Herstellung eines Widerstandes nach Anspruch bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Keramikfolie gegossen, auf die getrocknete Folie eine Leiterbahn aus einem hochschmelzenden leitenden Stoff aufgebracht und daß die mit Metall bedruckte Keramikgrundfolie mit einer ungebrannten Keramikdeckfolie oder einer Glasur abgedeckt wird und die Plättchen bzw. Schichten mit Auftragungen, Öffnungen und Bohrungen zum₍Anbringen und Durchführen der Zuleitungen versehen werden und daß nachfolgend die beiden Folien bzw. Schichten durch Hitze und/oder Druck fest miteinander verbunden und reduzierend gebrannt werden.
13. Verfahren zur Herstellung eines Widerstandes nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine ungebrannte Keramikfolie mit einer Leiterbahn aus einem hochschmelzenden leitenden Metall beschichtet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine geglühte Keramikfolie mit einer Leiterbahn aus einem hochschmelzenden leitenden Metall beschichtet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine gesinterte Keramikfolie mit einer Leiterbahn aus einem hochschmelzenden leitenden Metall beschichtet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß AIpO,-, BeO- oder MgO-Keramikfolien verwendet werden.

409881/0626 ~¹°-

- 10 - VPA 73/7568
17. Verfahren nach Anspruch 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Keramikfolie auf der Basis von Aluminiumoxid mit hohem AIpO,-Gehalt, vorzugsweise 92 bis 97 Gew.$ AIpO-, verwendet wird.
18. Verfahren nach Anspruch 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Keramikfolie mit einer Dicke von 0,70 mm verwendet wird.
19. Verfahren nach Anspruch 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Keramikfolie ein Schlicker bestehend aus einer wäßrigen Suspension, die beim Brand entfernbare organische Substanzen enthält, verwendet wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlicker Polyvinylalkohol als organische Substanz enthält.
21. Verfahren nach Anspruch 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn im Siebdruckverfahren auf die Keramikfolie aufgebracht wird.
22. Verfahren nach Anspruch 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein hochschmelzbarer leitender Stoff in Form einer Paste, die 0,1 bis 30 Gew.# Bindemittel und 20 Gew.# eines Haftvermittlers enthält, aufgetragen wird.
23. Verfahren nach Anspruch 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine alkalifreie Glasur verwendet wird.
24. Verfahren nach Anspruch 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß eine Glasur aus ungefähr 70 Gew.# SiO₂, 18 Gew.# Al₃O₅, 10,3 Gew.# CaO und 1 Gew.# MgO verwendet wird.
25. Verfahren nach Anspruch 12 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß an der Keramikdeokfolie bzw. Glasur Aussparungen für den Anschluß und das Anlöten der Zuleitungadrähte angebracht werden.

409881/0626 ¹¹~

- 11 - VPA 73/7568
26. Verfahren nach Anspruch 6 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß Bohrungen in dem Leiterbahnträger zur Zug- und Biegeentlastung der Anschlüsse angebracht werden.

AÜ9881 /0626