DE2357625C3

DE2357625C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen mehrschichtiger Keramik-Metall-Bauteile

Info

Publication number: DE2357625C3
Application number: DE2357625A
Authority: DE
Inventors: John F. Barrington R.I. Mcmahon (V.St.A.)
Original assignee: Metalized Ceramics Corp Providence Ri (vsta)
Current assignee: Metalized Ceramics Corp Providence Ri (vsta)
Priority date: 1973-01-02
Filing date: 1973-11-19
Publication date: 1978-03-30
Also published as: JPS4999608A; DE2357625B2; GB1419200A; JPS5230164B2; DE2357625A1; US3870776A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von mehrschichtigen Keramik-Metall-Bauteilen, wie Verpackungen, L>ockeln

■ο und Bauelementen.

Keramikverpackungen und -sockel wurden bisher nach verschiedenen Verfahren hergestellt. Die frühere Arbeitsweise sah allgemein die Anbringung einer Metallpaste auf einem vorher gebrannten Keramikkör per 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 Oberflächengüte des Metalls nicht immer glatt genug zur weiteren

ίο Verarbeitung zwecks Vornahme hermetischer Abdichtungen war, die Anpaßbarkeit des Verfahrens an Vielschichtbauteile fehlte 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 u. a. die US-PS 25 82 903 und 30 74 143 genannt Nach den Patentschriften sieht das Verfahren, kurz gesagt, vor, daß zunächst Aluminiumoxid-Schüttmaterial mit Kunstharzen, Plasti fizierungsmitteln bzw. Weichmachern und Lösungsmit teln 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 austreibe-; 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 Metall vereinigen und zusammen zwecks fester Verbindung des Metalls mit dem Keramikmaterial und zwecks Verglasung des Keramikmatertals brennen.

Andererseits ist aus der US-PS 33 22 871 ein Verfahren zur Herstellung von Ferritspeicherelementen bekannt, nach dem auf einer stationären Silikonkau tschukunterlage zunächst Leitermuster und dann Ferritmasse angebracht, dann getrocknet und schließlich nach Ablösung von der Unterlage gebrannt werden. Ausgehend von einem Verfahren und einer Vorrichtung nach der US-PS 25 82 903 oder der US-PS 30 74 143 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen mehrschichtiger Keramik-Metall-Bauteile zu entwikkeln, womit störungsfreier und auch wirtschaftlicher

gearbeitet werden kann und die Gefahren einer Verschmutzung oder Beschädigung der Metalloberflächen oder des Auftretens von Fehlern beim nachfolgenden hermetischen Abdichten verringert sind.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist zunächst ein Verfahren zur Herstellung mehrschichtiger Keramik-Metall-Bauteüc aus einem dielektrischen Keramikwerkstoff auf Basis von Aluminiumoxid-Schüttmaterial mit Kunstharz, Plastifizierungsmitteln und Lösungsmitteln und einer Plaste oder halbflüssigen Aufschlämmung von pulverförmigem Wolfram, Molybdän oder Mangan oder einem Gemisch davon, bei dem die vereinigten Keramik- und Metallschichten unter Verglasung des Keramikwerkstoffs gebrannt werden, mit dem Kennzeichen, daß man die Metallpaste auf ein Förderband unter Bildung eines Metallmusters aufbringt, das Metallmuster trocknet, über dem Metallmuster und dem Förderband eine Schicht des dielektrischen Keramikwerkstoffs im halflüssigen Zustand größerer Dicke als der des Metallmusters aufbringt, die Kerümikschicht unter Bildung einer grünen Verbundstruktur trocknet und diese Verbundstruktur bei einer Temperatur von 1600⁰C oder mehr brennt, wobei das Förderband entweder beim Brennvorgang weggebrannt oder vor dem Brennvorgang abgestreift wird.

Eine Weiterbildung dieses Verfahrens ist im Anspruch 2 gekennzeichnet.

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 also erfindungsgemäß ein bewegtes Plastik- oder Kunststoffförderband als Unterlage, auf die metallische Muster durch Siebdruck, Aufsprühen oder Gießen aufgebracht werden können. Nach dem Aufbringen des Metalls 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 /ann man auch das Kunststoffförderband an Ort und Stelle lassen, so daß es während des anschießenden 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.

Diese Verfahrensweise ist störungsfreier Und wirtschaftlicher als die bekannte und beseitigt praktisch völlig die Gefahren einer Beeinträchtigung der Metalloberflächen oder von Fehlern bei der späteren hermetischen Abdichtung.

Gegenstand dei Erfindung ist außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den im Anspruch 3 gekennzeichneten Merkmalen.

Ausgestaltungen dieser Vorrichtung sind in den Ansprüchen 4 bis 7 gekennzeichnet.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 das Schema eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens bzw. der Vorrichtung gemäß der Erfindung; F i g. 2 einen Schnitt des Förderbandes als Träger für das aufzubringende Material;

ίο Fig.3 einen Teilschnitt im Zuge eines ersten Verfahrensschritts 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;

Fig.5 einen ähnlichen Teilschnitt zu.· Veranschaulichung eines weiteren Siebdruckaufbringschrittes, bei dem metallische Briickenteile überdenKeramikmustern aufgebracht werden;

Fig.6 einen ähnlichen Teilschn'H, mit dem das Aufgießen einer keramischen Schicr.r über die vorher aufgebrachten Materialien veranschaulicnt wird; und

Fig.7 einen ähnlichen Teilschnitt zur Veranschaulichung der Entfernung des Förderbandes.

Fig. 1 zeigt in vereinfachter Form die Vorrichtung und daj damit durchzuführende Verfahren nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Links in F i g. 1 erkennt man eine Rolle oder Spule des Förderbandes 12. Eines von verschiedenen Materialien, wie z. B. Polyester oder Polytetrafluoräthylen ist hierfür geeignet, doch hat sich ein klarer transparenter »KODACEL«-Film von 50,8 μιτι 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 Verfahrensstellung rechts der Spule des Förderbandes 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-Siebdruckeinrichtung !6, um Kzramikpastenmaterial 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. I eine dritte Siebdruckeinrichtung 18 zum Aufbringen einer weiteren Metallpastenlage verwenden. Die dritte Beschichtung wird ggf. auch getrocknet. Es sei darauf hingewiesen, daß jeder der Dickiilrnsiebdruckschritte nach bekannten Techniken erfolgt, wobei das verwendete Metall allgemein eine Paste oder halbflüssige Aufschlämmung von pulverförmigem Wolfram, Molybdän oder Mangan oder Kombinationen dieser Metalle in Suspension in einem flüchtigen Träger ist. Das keramische oder dielektrische Material besteht allgemein aus schüttfähigem Aluminiumoxid, Kunstharz, Plastifizierüfigsmitteln Und Lösungsmitteln, wie bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik erwähnt wurde, jedoch sind hier die organischen Materialien in höheren Anteilen vorhan-

6j den, um eine zurr 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 Trocknungsverfahrensschritte können in jedem Fall einfaches Lufttrocknen sein, oder aber das Förderband und die aufgebrachten Schichten können unter einer Band von Heizlampen durchlaufen oder einem Gebläselufttrocknen ausgesetzt werden.

Nach Beendigung der Siebdruckbeschichtungsschritte läuft das Förderband 12 unter einem Abstreifmesser 20 durch, daß 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 B^;nde-. Plastifizierungs- und Lösungsmitteln gemischt, jedoch von einer so hohen Viskosität, wie sie in den genannten Patentschriften angegeben ist. Dieses Material hat 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 Zusammenbrennen des keramischen und _J0 metallischen Materials völlig weg, wobei das keramische Material verglast wird und sich das Metall mit dem keramischen Material gleichzeitig fest verbindet.

F i g. 2 ist einfach eine Schnittdarstellung des tragenden Förderbandes, wie es von der Spule abgezogen wird, vor Aufnahme der verschiedenen Abscheideschichten.

Fig. 3 zeigt im Schnitt das Förderband 12. nachdem der erste Siebdruck- und Trocknungsschritt eines Mciallmusters stattgefunden hat. Metallinseln 36 sowie #, auch Metallinseln 40 (Fig. 4) von verschiedenen Abmessungen, die nach Wunsch untereinander verbunden «.erden können, sind auf das plastische Förderband 12 aufgebracht. Es ist statt dessen auch möglich, das Metall auf das Förderband durch Aufsprühen statt ^₅ durch Siebdruckverfahren aufzubringen.

F 1 g. ί veranschaulicht das Aussehen der 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 Keramikma'erial 38 völlig eingebettet sind, während die anderen Metallinseln 40 unbedeckt geblieben sind.

F i g. 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 F i g. 6 wird eine verhältnismäßig dicke Schicht aus Keramikmaterial 44 entsprechend der Schicht 22 in F i g. I auf die vorher abgeschiedenen Muster gegossen. Diese Schicht ist nach der Darstellung dicker und außerdem, wie schon erwähnt, von höherer Viskos^;tät 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.

F i g. 7 veranschaulicht das Abstreifen des plastischen Förderbandes 12, das von Hand oder mit einfachen mechanischen Mitteln erfolgen kann, nachdem die Verhundstruktur 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 Keramikb^iteilen 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 aul 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 Fiantierung zu starke Trocknung der Keramikunterlage bewirken würde. Auch bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil einer dauernder Überwachungsmöglichkeit, und wenn eine Umarbeitung erforderlich wird, kann sie erfolgen, bevor die teure dickere Keramikschicht 44 auf die vorher aufgebrachter Muster gegossen wird. Andere Vorteile ergeben sich füi den Anwender des erfindungsgemäßen Verfahrens ir Form geringerer Verschmutzung und weniger mr^li eher Schädigung der Metalloberfläche sowie dei Vermeidung späterer Fehler bei hermetischen Abdich tungen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung mehrschichtiger Keramik-Metall-Bauteile aus einem dielektrischen Keramikwerkstoff auf Basis von Aluminiumoxid-Schüttmaterial mit Kunstharz, Plastifizierungsmitteln und Lösungsmitteln und einer Paste oder halbflüssigen Aufschlämmung von pulverförmigem Wolfram, Molybdän oder Mangan oder einem Gemisch davon, bei dem die vereinigten Keramik- und Metallschichten unter Verglasung des Keramikwerkstoffs gebrannt werden, dadurch gekennzeichnet, daß man die Metallpaste auf ein Förderband unter Bildung eines Metallmusters aufbringt, das Metallmuster trocknet, über dem Metallmuster und dem Förderband eine Schicht des dielektrischen Keramikwerkstoffs im halbflüssigen Zustand größerer Dicke als der des Metallmusters aufbringt, die Keramikschicht unter Bildung einer grünen Verbundstruktur trocknet und diese Verbundstruktur bei einer Temperatur von 1600° C oder mehr brennt, wobei das Förderband entweder beim Brennvorgang weggebrannt oder vor dem Brennvorgang abgestreift wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zwischen dem Trocknen des Metallmusters und dem Aufbringen der im Vergleich damit dickeren Keramikwerkstoffschicht eine dünne Keramikwerkstoffschicht auf das Metallmuster und das Förderband unter Freilassen von Teilen des Metallmusters aufbringt, das Keramikwerkstoffschichtmuster trocknet, eine zweite Menge der Metallpaste auf das Keramikwerkstoffschichtmuster und die freigelassenen Teile des Metallmusters unter Bildung von Verbindungen dieser freigelassenen Teile aufbringt und diese Metallverbindungen trocknet

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet durch ein plastisches Förderband (12), Mittel zum Ziehen des Förderbandes längs einer Linie, Mittel zum Aufbringen dünner halbflüssiger Metallmuster (36, 40, 42) und Keramikmuster (38) auf das Förderband, Mittel zum Trocknen der halbflüssigen metallischen und keramischen Muster, Mittel zur Aufbringung einer dicken Schicht aus keramischem Material (22 bzv/. 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 zum Brennen der Formteile.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, weiter gekennzeichnet durch eine Spule mit einem Vorrat des Förderbandes (12), von der das Förderband abgezogen wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (34) zum Brennen der Formteile aus einem Ofen besteht, der bei Temperaturen über 1600⁰C arbeitet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (14,16,18) zum Aufbringen der halbflüssigen metallischen Muster (36, 40, 42) und keramischen Muster (38) aus Siebdruckeinrichtungen bestehen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Aufbringen einer dicken Schicht aus keramischem Material aus einem Abstreifmesser (20) besteht, das in einer bestimmten Höhe über dem Transportband (12) angebracht ist.