DE2357625A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von keramik-metall-bauteilen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum herstellen von keramik-metall-bauteilen

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Description

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Dr.-Inp κ. · _ - v;z Jr.
β München 22, Steinsdorfstr. It
65-21.725PC21.726H) 19. H. 1973
Metalized Ceramics Corporation, Providence (Rhode Island) V. St. A.
Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Keramik-Metall-Bauteilen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Keramik-Metall-Bauteilen, wie Verpackungen, Sokkeln und Bauelementen.
Keramikverpackungen und -sockel wurden bisher nach verschiedenen Verfahren hergestellt. Die frühere Arbeitsweise sah allgemein die Anbringung einer Metallpaste auf einem vorher gebrannten Keramikkörper vor, wonach ein weiteres Brennen stattfand, um das Metall mit dem Keramikmaterial fest zu verbinden. Die Ergebnisse waren häufig unbefriedigend, da sich oft eine ungenügende Verbindung ergab, die Ober-
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flächengüte des Metalles nicht immer glatt genug zur weiteren Verarbeitung zwecks Vornahme hermetischer Abdichtungen'war, die Anpaßbarkeit des Verfahrens an Vielschichtbauteile fehlte und auch die gewünschte Leitermustergeometrie nicht erreicht werden konnte.
Ein anderes Verfahren, das beim Herstellen von Keramik-Metall-Bauteilen weite Verbreitung gefunden hat, ist das als "Metallisierung im grünen" (ungebackenen bzw. ungebrannten) Zustand bekannte Verfahren. Verschiedene Patentschriften und andere Druckschriften beschreiben ein solches Verfahren und zur Verwendung bei diesem Verfahren geeignete "Werkstoffe; als Fundstellen hierfür seien die US-PS 2 582 903 und 3 074 143 unter anderen genannt. Nach den Patentschriften sieht das Verfahren, kurz gesagt, vor, daß zunächst AIuminiumoxid-Schüttmaterial mit Kunstharzen, Plastifizierungsmitteln bzw. Weichmachern und Lösungsmitteln zur Bildung einer homogenen Suspension vermischt werden, die dann zur Erzeugung einer Schicht aus keramischem Material gegossen werden kann, aus der sich die flüchtigen Stoffe austreiben lassen, wobei die Schicht in einem relativ festen, flexiblen Zustand verbleibt, in dem sie sich stanzen, bearbeiten oder in anderer Weise zu einer gewünschten Gestalt formen läßt. Entweder vor oder nach den Formgebungsschritten kann Metall durch Siebdruckverfahren oder Aufsprühen auf die Keramikunterlage in gewünschten Mustern aufgebracht werden. Allgemein dienen die metallischen Muster als Zuführungen oder Schaltkreiselemente, über bzw. auf die zusätzliches dielektrisches· Material durch Siebdruck aufgebracht werden kann. In Abhängigkeit von der Art der Verpackungen oder der Bauteile, die hergestellt werden sollen, lassen sich einzelne Schichten oder mehrlagige Schichten von keramischem Material und
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Metall vereinigen und zusammen zwecks fester Verbindung des Metalls mit dem Keramikmaterial und zwecks Verglasung des Keramikmaterials brennen. : .'"..-
Ausgehend von diesem bekannten Verfahren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Keramik-Metall-Baüteilen anzugeben, womit störungsfreier und auch wirtschaftlicher gearbeitet werden kann und die Gefahren einer Verschmutzung öder Beschädigung der Metalloberflächen oder des Auftretens von Fehlern beim nachfolgenden hermetischen Abdichten verringert sind.
Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein Verfahren zum Herstellen von Keramik-Metall-Bauteilen, mit dem Kennzeichen, daß man Metallmuster in einem halbflüssigen Zustand auf ein Förderband aufbringt, die Metallmuster trocknet, Keramikmuster in einem halbflüssigen Zustand auf die Metallmuster aufbringt, die Keramikmuster trocknet, auf die Metallr und Keramikmuster eine Keramikmaterialschicht größerer Dicke als die Muster zur Bildung einer Verbundstruktür aufbringt, die Verbundstruktur trocknet und sie unter gleichzeitiger Verglasung des Keramikmaterials und festen Verbindung des Metalls mit dem Keramikmaterial brennt.
Statt der Verfahrensschrittfolge nach dem Stand der Technik, bei der zunächst eine Keramikmaterialschicht gegossen wird, auf die Metalle und dielektrische Materialien aufgebracht werden, verwendet man erfindungsgemäß ein bewegtes Plastik- oder Kunststofförderband als
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Unterlage, auf die metallische Muster durch Siebdruck, Aufsprühen oder Gießen aufgebracht werden können. Nach dem Aufbringen des Me-' tails kann dielektrisches oder keramisches Material in gleicher Weise auf die Metallmuster aufgebracht werden. Je nach Bedarf können weitere keramische oder metallische Schichten oder Muster in gleicher Weise aufgebracht werden. Dann wird eine dickere Keramikschicht, die zum Schluß als Unterlage dienen soll, auf die genannten Muster aufgebracht, und die ganze Verbundstruktur kann getrocknet und solchen Formungsarbeitsschritten unterworfen werden, wie sie erforderlich sind- Dann kann das tragende Förderband abgestreift werden, wobei die Verbundstruktur aus metallischen und keramischen Mustern auf der Keramikschicht übrigbleibt, und diese Verbundstruktur ist anschließend zu brennen. Alternativ kann man auch das Kunststofförderband an Ort und Stelle lassen, so daß es während des anschließenden Brennens weggebrannt wird. Nach einer weiteren Alternative kann man auch einen Endlosriemen als Träger verwenden. Ein solcher Riemen wird dann mit Kunststoff der gleichen Eigenschaften wie denen des schon genannten Förderbandes überzogen und nach dem Trockenverfahrensschritt von der Keramik-Metall-Verbundstruktur getrennt. Der endlose Riemen wird dann gereinigt und zur weiteren Verwendung erneut beschichtet.
Die Erfindung gibt also an ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Keramik-Metall-Bauteilen, wie Verpackungen, Sockeln und Bauelementen. Ein umlaufendes Förderband aus einem Kunststoffilm dient als Unterlage auf die die gewünschten Metallmuster und ungebrannten bzw. "grünen" Keramikmuster nacheinander
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siebgedruckt, gegossen oder aufgesprüht werden können. Eine zweite, gewöhnlich dickere Keramikschicht kann aufgetragen werden, um schließlich als eine Grundschicht zu dienen, und zwar durch Gießen, Schaben bzw. Abstreichen oder ein anderes geeignetes Verfahren. Nach dem Trocknen kann die zusammengesetzte Metall-("Grün)-Keramik-Struktur bearbeitet, gestanzt oder sonstwie geformt werden, und zwar entweder vor oder nach dem Abziehen des Kunststoffilms. Die Rohkeramik kann dann in einem Ofen in einem sog. gleichzeitigen Brennprozeß gebrannt werden, um das Metall mit der Keramik anhaftend zu verbinden, wenn diese sintert bzw. verglast.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:
Fig. 1 das Schema eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens bzw. der Vorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 2 einen Schnitt des Förderbandes als Träger für das aufzubringende Material;
Fig. 3 einen Teilschnitt im Zuge eines ersten Verfahrens sehr itts des Aufbringens von .Metallmustern auf das Förderband durch Siebdruck oder Aufsprühen;
Fig. 4 einen Teilschnitt im Zuge eines zweiten Verfahrensschritts, bei dem Keramikmuster auf die metallischen Muster aufgebracht werden;
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Fig. 5 einen ähnlichen Teilschnitt zur Veranschaulichung eines weiteren Siebdruckaufbringschrittes, bei dem metallische Brückenteile über den Keramikmustern aufgebracht werden;
Fig. 6 einen ähnlichen Teilschnitt, mit dem das Aufgießen einer keramischen Schicht über die vorher aufgebrachten Materialien veranschaulicht wird; und
Fig. 7 einen ähnlichen Teilschnitt zur Veranschaulichung der Entfernung des Förderbandes.
Fig. 1 zeigt in vereinfachter Form die Vorrichtung und das damit durchzuführende Verfahren nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Selbstverständlich könnte die Anordnung abgewandelt werden, um Varianten des Verfahrens und der Vorrichtung zu verwirklichen.
Links in Fig. 1 erkennt man eine Rolle oder Spule des Förderbandes 12. Eines von verschiedenen Materialien, wie z. B. "MYLAR" oder "TEFLON" ist hierfür geeignet, doch hat sich ein klarer transparenter "KODACEL"-Film von 50,8 um Dicke als besonders geeignet erwiesen. Die Spule des Bandes 12 ist vorzugsweise zur Drehung um eine geeignete Achse montiert, und durch die Pfeile angedeutete Mittel sind zum Ziehen des Förderbandes 12 längs einer geraden linie über eine flache Abstützoberfläche, wie z. B. einen Tisch, vorgesehen.
In der ersten Verfahrens stellung rechts der Spule des Förder-
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bandes 12 wird eine sogenannte "Dickfilm "-Siebdruckeinrichtung 14 verwendet, um Leitmuster aus Metallpaste mit bestimmter Form auf das Förderband 12 aufzubringen.- Die, Metallpastenmuster werden dann getrocknet, und man verwendet zweckmäßig eine zweite Dickfilm-Siebdrückeinrichtung 16, um Keramikpastenmaterial nach einem gewünschten Muster, wie.es durch den Siebdruck bestimmt wird, aufzubringen. Das Keramikpastenmaterial wird ebenfalls getrocknet, und man kann, falls im Endprodukt erforderlich, entsprechend der Fig. 1 eine dritte Siebdruckeinrichtung 18 zum Aufbringen einer weiteren Metallpastenlage verwenden. Die dritte Beschichtung wird ggf. auch getrocknet. Es sei darauf hingewiesen, daß jeder der Dickfilmsiebdruckschritte nach bekannten Techniken erfolgt, wobei das verwendete Metall allgemein eine Paste oder halbflüssige Aufschlämmung von pulverförmigem Wolfram, Molybdän oder Mangen oder Kombinationen dieser Metalle in Suspension in einem flüchtigen Träger ist. Das keramische oder dielektrische Material besteht allgemein aus schüttfähigem Aluminiumoxid, Kunstharz, Plastifizierungsmitteln und Lösungsmitteln, wie bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik erwähnt wurde, jedoch sind hier die organischen. Materialien in höheren Anteilen vorhanden, um eine zum Siebdruck geeignete halbflüssige Paste zu bilden. Geeignete Viskositätswerte für die durch Siebdruck aufzubringenden Metalle oder keramischen Stoffe sind, in der Größenordnung von 150 000 cP. Die Trocknungs verfahr ens schritte können in jedem Fäll einfaches Lufttrockhen sein, oder aber das Förderband und die aufgebrachten Schichten können unter einer Bank von Heizlampen durchlaufen oder einem Gebläselufttrocknen ausgesetzt werden.
Nach Beendigung der Siebdruckbeschichtungsschritte läuft das
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Förderband 12 unter einem Abstreifmesser 20 durch, das auf eine bestimmte Höhe über dem Förderband eingestellt ist, um die Ablagerung einer Keramikmaterialschicht 22 bestimmter Dicke über den durch Siebdruck aufgebrachten Materialien zu ermöglichen. Hierbei ist das Keramikmaterial vorzugsweise ebenfalls schüttfähiges Aluminiumoxid in der Größenordnung von 94 % wieder mit geeigneten Binde-, Plastifizierungs- und Lösungsmitteln gemischt, jedoch von einer so hohen Viskosität, wie sie in den genannten Patentschriften angegeben ist. Wie in Fachkreisen bekannt ist, hat dieses Material nach dem Trocknen, wie es nach seinem Durchtritt unter dem Abstreifmesser 20 erfolgt, eine halbflexible, lederartige Konsistenz und läßt sich bearbeiten, stanzen, schneiden oder anders formen und gestalten, wie durch das Formwerkzeug 26 und das Stanzwerkzeug 28 angedeutet ist.
Die Ablösung des plastischen Förderbandes 12 ist am Punkt 30 angedeutet, obwohl es in bestimmten Fällen vorzuziehen ist, das plastische Förderband an Ort und Stelle zu belassen. Dann wird die ganze Verbundstruktur in einem Ofen 34 gebrannt, und das Förderband brennt, wenn man es an der Verbundstruktur gelassen hat, bei dem Zusammenbrerinen des keramischen und metallischen Materials völlig weg, wobei das keramische Material verglast wird und sich das Metall mit dem keramischen Material gleichzeitig fest verbindet.
Fig. 2 ist einfach eine Schnittdarstellung des tragenden Förderbandes, wie es von der Spule abgezogen wird, vor Aufnahme der verschiedenen Abscheideschichten.
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Fig. 3 zeigt im Schnitt das Förderband 12, nachdem der erste Siebdruck- und Trocknungsschritt eines Metallmusters stattgefunden hat. Metallinseln 36 sowie auch Metallinseln 40 (Fig. 4) von verschiedenen Abmessungen, die nach Wunsch untereinander verbunden werden können, sind auf das plastische Förderband 12 aufgebracht. Es ist statt dessen auch möglich, das Metall auf das Förderband durch Aufsprühen statt durch Siebdruckyerfahren aufzubringen.
Fig. 4 veranschaulicht das Aussehender Verbundstruktur, nachdem ein Muster aus Keramikmaterial 38 nach dem Siebdruckverfahren auf das Metallmuster aufgebracht und getrocknet ist. Hierbei sieht man, daß einige der Metallinseln, nämlich die mit 36 bezeichneten, im Keramikmaterial 38 völlig eingebettet sind, während die anderen Metallinseln 40 unbedeckt geblieben sind. -
In Fig. 5 sind noch zusätzliche Metallmuster 42 durch Siebdruck oder Aufsprühen aufgebracht und getrocknet, die zum Überbrücken des keramischen Materials 38 und zur Verbindung der Inseln 40 des Metallmusters entsprechend der Darstellung dienen.
Gemäß Fig. 6 wird eine verhältnismäßig dicke Schicht aus Keramikmaterial 44 entsprechend der Schicht 22 in Fig. 1 auf die vorher abgeschiedenen Muster gegossen. Diese Schicht ist nach der Darstellung dicker und außerdem, wie schon erwähnt, von höherer Viskosität als das beim Siebdruckaufbringen verwendete Material. Sie besteht, wie oben angegeben, aus den gleichen allgemeinen Bestandteilen und hat die gleichen Eigenschaften wie das nach dem Stand der Technik als Förderunterlage selbst verwendete Material.
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Fig. 7 veranschaulicht das Abstreifen des plastischen Förderbandes 12, das von Hand oder mit einfachen mechanischen Mitteln erfolgen kann, nachdem die Verbundstruktur mit den Keramik- und Metallmustern getrocknet ist. Alternativ kann, wie schon erwähnt, das Förderband auch an der Verbundstruktur belassen werden, um es einfach wegzubrennen, wenn die Verbundstruktur bei Temperaturen von 1600 C oder mehr im Ofen 34 gebrannt wird.
Die Verwendung des Förderbandes 12 allein oder als Überzug auf einem Förderriemen macht es möglich, die Herstellungskosten von verschiedenen metallisierten Keramikbauteilen stark zu senken, da die Vorteile der automatischen und kontinuierlichen Produktion verwirklicht werden können. Auch ist, vor allem im Fall des metallischen Verbindungsteilmusters 42, das Metall völlig innerhalb des keramischen Materials eingebettet und daher mechanisch eingefaßt sowie chemisch mit dem Keramikmaterial verbunden.
Die Verwendung des Förderbandes 12 ermöglicht auch .ein zwangsläufiges Trocknen der'metallischen und keramischen Muster, die durch Siebdruckverfahren auf das Förderband aufgebracht sind, während eine solche Methode, z.B. mit Gebläseluft, bei dem bekannten Verfahren nicht durchführbar ist, wo das Keramikband selbst als Förderunterlage verwendet wird, weil dann der Trocknungsvorgang eine im Hinblick auf die nötige folgende Hantierung zu starke Trocknung der Keramikunterlage bewirken würde. Auch bietet das erfindungsgemäße Verfahrenden Vorteil einer dauernden Überwachungsmöglichkeit, un d wenn eine Umarbeitung erforderlich wird, kann sie erfolgen, bevor die teure dickere
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Keramikschicht 44 auf die vorher aufgebrachten Muster gegossen wird. Andere Vorteile ergeben sich für den Anwender des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form geringerer Verschmutzung und weniger möglicher Schädigung der Metalloberflächen sowie der Vermeidung späterer Fehler bei hermetischen Abdichtungen.
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Claims (8)

  1. Patentansprüche
    (lJ Verfahren zum Herstellen von Keramik-Metall-Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, daß man Metallmuster (36, 40) in einem halbflüssigen Zustand auf ein Förderband (12) aufbringt, die Metallmuster trocknet, Keramikmuster (38) in einem halbflüssigen Zustand auf die Metallmuster aufbringt, die Keramikmuster trocknet, auf die Metall- und Keramikmuster eine Keramikmaterialschicht (44) größerer Dicke als die Muster zur Bildung einer Verbundstruktur aufbringt, die Verbundstruktur trocknet und sie unter gleichzeitiger Verglasung des Keramikmaterials und festen Verbindung des Metalls mit dem Keramikmaterial brennt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Förderband (12) längs einer geraden Linie gezogen wird und die Aufbring- und Trocknungsschritte nacheinander durchgeführt werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Förderband (12) von der Verbundstruktur nach deren Trocknung abgestreift wird.
  4. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Länge von plastischem Förderband (12), Mittel zum Ziehendes Förderbandes längs
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    einer Linie, Mittel (ζ. B. Siebdruckeinrichtungen 14, 16, 18) zum Aufbringen relativ dünner halbflüssiger Metallmuster (36, 40, 42) und Keramikmuster (38) auf das Förderband, Mittel zum Trocknen der halbflüssigen metallischen und keramischen Muster, Mittel (z. B. Abstreifmesser 20) zur Aufbringung einer verhältnismäßig dicken Schicht aus keramischem Material (22 = 44) auf die metallischen und keramischen Muster, Mittel zum Trocknen dieser keramischen Schicht-zur Bildung einer Verbundstruktur, Mittel (Werkzeuge 26, 28) zur Formung dieser Verbundstruktur in geeignete Formteile und Mittel (z. B. Ofen 34) zum Brennen der Formteile zwecks Verglasung des keramischen Materials und fester Verbindung des Metalls mit dem keramischen Material.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, weiter gekennzeichnet durch eine Spule· mit einem Vorrat des Förderbandes (12), vender das Förderband abgezogen wird.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (34) zum Brennen der Formteile aus einem Ofen besteht, der bei Temperaturen über etwa 1600 C arbeitet.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (14, 16, 18) zum Aufbringen der halbflüssigen, metallischen Muster (36, 40, 42) und keramischen Muster (38) aus Siebdruckeinrichtungen bestehen.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
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    das Mittel zum Aufbringen einer relativ dicken Schicht aus keramischem Material aus einem Abstreifmesser (20) besteht, das in einer bestimmten Höhe über dem Transportband (12) angebracht ist.
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DE2357625A 1973-01-02 1973-11-19 Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen mehrschichtiger Keramik-Metall-Bauteile Expired DE2357625C3 (de)

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