DE2806927C2

DE2806927C2 -

Info

Publication number: DE2806927C2
Application number: DE2806927A
Authority: DE
Inventors: Yves Emile Killowen-Blarney Ie Privas
Original assignee: Panoduz Bv Rotterdam Nl Ste
Current assignee: SOCIETE PANODUZ B.V., ROTTERDAM, NL
Priority date: 1977-02-22
Filing date: 1978-02-17
Publication date: 1987-08-20
Also published as: US4196029A; NL7801981A; IT1094254B; BE869712A; FR2397469B1; DE2806927A1; LU80131A1; GB1595618A; IT7820473A0; FR2397469A1; JPS53121168A; ES467209A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bezeichneten Art.

Ein derartiges Verfahren ist nach der DE-OS 16 21 367 als Vorberei tung für die Vernickelung eines Keramikkörpers bekannt. Die zunächst auf den Keramikkörper mit der Paste aufgebrachte und gebrannte Metal lisierungsschicht wird danach in einer chemischen Lösung vor der Gal vanisierung aktiviert. Die Paste besteht dabei aus Mangan-Molybdän- Pulver und einem hochschmelzenden Material.

Weiterhin ist es nach der GB-PS 14 12 341 bekannt, eine Metallisierungs paste auf eine keramische Oberfläche aufzubringen, die neben einer sich in der Hitze verflüchtigenden Flüssigkeit eine Mischung aus einem Glasurmittel und Aluminium oder einer in der Hitze zu Nickel zerfal lenden Verbindung aufweist, wobei das Glasurmittel Aluminiumoxyd auf zulösen vermag und die keramische Oberfläche im schmelzflüssigen Zu stand benetzt. Ferner ist nach der US-PS 37 03 445 die Beschichtung einer Glasscheibe mit Mustern aus einer aus Metallpulver und Glas fritte enthaltenden Paste bekannt, nach deren Einbrennen die Scheibe stromlos metallisiert werden kann. In der Paste befinden sich Metallpulver gehalte zwischen 20 bis 30% Anwendung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung gedruckter Schaltungen auf einem Träger zu ermöglichen, wie sie auf dem Sektor der Elektro-Haushaltsgeräte in üblicher Weise Verwendung finden. Der aus Stahl blech, Aluminiumblech, Glas oder dergl. bestehende Träger muß also den Beanspruchungen der genannten Verwendung Rechnung tragen und soll keine negative Veränderung seiner Eigenschaften erfahren.

Diese Aufgabenstellung löst die Erfindung durch den Vorschlag gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1, für den die Unteransprüche 2 bis 7 vorteilhafte Weiterentwicklungen vorsehen.

Demgemäß können die Träger aus Stahl- oder Aluminiumblech, Glas oder ähnlichen Werkstoffen bestehen, die einer Emailbeschichtung zugänglich sind. Durch das Emailbrennen kommt es in der aufgebrachten Schicht ent sprechend dem Anteil des Metallpulvers in der Farbpaste zu einem hohen Anteil des Metallpulvers in der gebrannten Schicht. In Verbindung mit der allgemeinen hohen Dichte von Metallen ist für die Erfindung wesent lich, daß die Schmelztemperatur des Email in der Nähe des Erweichungs punktes der äußeren Beschichtung des Trägers liegt. Bei einer merklichen Erweichung der äußeren Beschichtung des Trägers würde nämlich die Gefahr bestehen, daß das Metallpulver in die äußere Schicht eindringen und hier Risse verursachen könnte, die die elektrischen Isoliereigenschaf ten in negativer Hinsicht verändern. Vor allem würden sich hierdurch Schäden bei aus Metallblechen bestehenden Trägern ergeben.

Der Flüssiganteil wird so gewählt, wie es der spezifischen Oberfläche der verwendeten Pulverbestandteile entspricht. Insbesondere eignet sich Öl als Flüssigkeit, wie es zur Zubereitung einer Farbpaste für den Sieb druck geeignet ist. Bei großen spezifischen Oberflächen der verwendeten Pulver sind demgemäß größere Ölmengen erforderlich.

Ein Einsinken des Metallpulvers in die äußere Lage der Beschichtung wird mit Sicherheit dann vermieden, wenn der Erweichungspunkt der äußeren Lage des Trägers auf etwas über den Schmelzpunkt des in der Farbpaste vorgese henen Emails eingestellt wird.

Unter dem Gesichtspunkt eines auf einen erfindungsgemäß behandelten Isolierkörpers später auszubringenden Leitermetalls ist es wichtig, daß das Metallpulver dessen elektrische Eigenschaften nicht verändert. An dererseits sollte das Metallpulver hinreichend leitfähig sein, um ein stromloses Aufgalvanisieren des Leitermetalls zu ermöglichen. Im Falle von Nickel als Leitermetall kann deshalb auch Nickel bei dem Metallpul ver vorgesehen werden. Im übrigen wird das Metall des Metallpulvers so gewählt, daß ein hohes elektrolytisches Potential E₀ gegenüber dem Leitermetall besteht.

Beispiele für die verwendbaren Metallpulver sind Nickel-, Kobalt- und Eisenpulver im Korngrößenbereich zwischen 1 und 10 µm.

Vorzugsweise gelangen Teilchen in offenzelliger oder winkliger Form zur Verwendung, da diese Formen eine gute gegenseitige Haftung der einzelnen Partikel gewährleisten, so daß sie der Behandlung zwecks Freilegens der Metallteilchen durch Sandstrahlen, Bürsten oder Chemi kalienangriff besser standzuhalten vermögen. Diese Teilchenformen be günstigen darüber hinaus die Erzielung einer hohen Dichte, die zweck mäßig ist.

Das Leitermetall zur Ausbildung der gedruckten Schaltung wird maßgeb lich in Abhängigkeit vom jeweils geplanten Verwendungszweck gewählt. Handelt es sich um eine Schaltung mit hohem Widerstand, die für Heiz zwecke eingesetzt werden soll, so wird in aller Regel ein Metall mit hohem spezifischen Widerstand wie beispielsweise Nickel gewählt. Soll dagegen eine Schaltung mit geringem Widerstand hergestellt werden, wie sie beispielsweise zur Herstellung von Verbindungen oder Anschlüssen benutzt wird, so wird die Wahl auf ein hochleitendes Metall wie Kupfer oder Silber fallen.

Der auf den Träger aufgebrachten emaillierten Beschichtung kommt eine große Bedeutung zu insofern, als diese nicht nur klassische Funktionen wie beispielsweise den Schutz des Trägers und die Sicherstellung eines ansprechenden Aussehens erfüllt, sondern darüber hinaus auch die Haf tung der Farbpaste ermöglicht und die elektrische Isolation zwischen Träger und gedruckter Schaltung gewährleistet, wenn der Träger selbst leitend ist.

Die Wahl der Emailbeschichtung des Trägers hängt weitgehend von dessen Eigenschaften, wie dem Schmelzpunkt, dem Wärmeausdehnungskoeffizient, dem spezifischen Widerstand, der Oberflächenbeschaffenheit und der che mischen Zusammensetzung ab. Demnach sind die genannten Eigenschaftswerte insbesondere bei Stahlblech, Kupferblech, Aluminiumblech oder auch bei einem Spezialglas, bei Keramikmaterial oder Calcium-Borosilikat, zu berücksichtigen.

Bei einem Träger aus Stahlblech muß während der Brennbehandlung mit einer Entgasung und demgemäß blasigem Gefüge der Emailschicht gerech net werden. Die isolierenden Eigenschaften sind daher nur gering, so daß darüber weitere Schichten mit höherem spezifischen elektrischen Widerstand notwendig sind.

Die linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten müssen demgegenüber, vom Blech ausgehend, in Richtung auf die Beschichtung kleiner werden, so daß die Beschichtung bei Abkühlung des Bleches auf Druck beansprucht wird.

Demgemäß werden auf ein Blech mit einem im Bereich zwischen 20°C und 320°C bestehenden linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten α von 140 · 10^-7 Grad ^-1 aufgebracht:

eine erste Schicht herkömmlichen Emails mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten α von 100 · 10^-7 Grad^-1 in einer Dicke von 10 bis 12 µm,
eine zweite isolierende Emailschicht mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten α von 85 · 10^-7 Grad^-1 in einer Dicke von 40 µm und
eine dritte isolierende Deckemailschicht mit einem linearen Wärme ausdehnungskoeffizienten α von 80 · 10^-7 Grad^-1 in einer Dicke von 100 bis 150 µm.

Bei Verwendung eines Bleches aus entkohltem Stahl gelangen lediglich die zweite und dritte Schicht zum Auftrag.

Emailschichten mit den vorbeschriebenen Eigenschaften sind für den jeweiligen Verwendungszweck bekannt. Zu beachten ist indes, daß die abschließende Deckschicht mit einem Email erfolgt, dessen Erweichungs punkt zwischen 600 und 650°C liegt.

Das Email der entsprechenden Farbpaste sollte einen etwa gleichen Schmelz punkt von ca. 600°C aufweisen.

Die vorstehend für die Emaillierung von insbesondere für Elektro-Haus haltgeräte-Hersteller vorgesehenen Stahlblechen gemachten Ausführungen gelten im wesentlichen auch für Kupfer. Sofern ein Träger aus Aluminium Anwendung findet, entfällt die erste Emailschicht, weil Aluminium von Hause aus eine sogenannte Emaillierqualität aufweist.

Indes sind in diesem Falle bei besonders niedriger Temperatur schmelzen de Emails erforderlich, deren Erweichungspunkt bei etwa 460°C liegt, wobei dann der Schmelzpunkt des Emails in der Farbpaste ca. 480°C be tragen sollte.

Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient α von Aluminium beträgt 240 · 10^-7 Grad^-1, so daß für die vorgesehenen zwei Emailschichten die erste einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten α von 185 · 10^-7 Grad^-1 bei einer Dicke von ca. 15 µm und die abschließende Isolier emailschicht einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten α von 180 · 10^-7 Grad^-1bei einer Dicke von ca. 30 µm haben sollte. Wegen der bei Aluminium besonders hohen Wärmeleitfähigkeit ist dessen An wendung in einigen Fällen von besonderem Vorteil.

Die ebenfalls für die Herstellung des Trägers oder des Isolierkörpers vorgesehenen Gläser, Calciumborosilikat oder Keramik-Werkstoffe haben in der Regel hochisolierende Eigenschaften bei guter Feuerfestigkeit und sehr niedrigen linearen Wärmekoeffizienten α, der bei einem harten Geräteglas 32 · 10^-7 Grad^-1 und bei Keramikmaterial bis 8 · 10^-7 Grad^-1 betragen kann.

Demgemäß ist bei einem harten Geräteglas eine einzige Emailschicht mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten α von 38 · 10^-7 Grad^-1 ausreichend. Damit besteht eine umgekehrte Beziehung des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Emailschicht zum Träger wie bei aus metallischen Werkstoffen bestehenden Trägern, so daß das Glas relativ zum Email auf Druck beansprucht wird.

Das Metallpulver wird als Paste aufgebracht. Da es als solches nicht in einem pastösen Zustand vorliegt, wird es wie die Pigmentkörperchen in einer Farbe mit anderen Bestandteilen, nämlich mit Email und einem Flüssiganteil, zu einem Produkt vermischt, welches in Anlehnung an die vorerwähnte Farbherstellung als Farbpaste bezeichnet wird. Die Aufbringung auf den emaillierten Träger kann durch Serigraphie unmittelbar erfolgen, wobei die durchlässigen Zonen der Farbpaste dem Muster der herzustellenden Druckschaltung entsprechen.

Ein zweckmäßiges Verfahren stellt jedoch das Abziehbildverfahren dar. Hierbei erfolgt der selektive Auftrag der Metallteilchen enthaltenden Farbpaste auf starkimprägniertes Abziehpapier durch Serigraphie.

Nach dem Trocknen bei einer unter 100°C liegenden Temperatur zur Fi xierung des Musters auf dem Abziehpapier wird eine geschlossene Lack schicht auf die Farbpaste aufgebracht. Die Farbpaste ist also zwischen Abziehpapier und Lackschicht eingeschlossen.

Zur Übertragung der Farbpaste auf den Träger wird das Abziehpapier nach dem Einweichen in Wasser entfernt, wobei die Lackschicht zur Halterung des Farbauftrages dient, und der letztere auf den Träger niedergebracht. Hierauf folgt die Brennbehandlung, in deren Verlauf die Lackschicht py rolytisch beseitigt wird, so daß schließlich nur das Metallpulver ent haltende Email übrigbleibt, daß sich mit dem Trägerbeschichtungsemail verbindet.

Dieses Verfahren bietet die folgenden Vorteile: Aufträge können auch an solchen Stellen vorgenommen werden, die für eine direkte Serigraphie nicht zugänglich sind, beispielsweise am Boden eines vertieften Trägers; es ist ein gleichmäßiger Auftrag auf gewölbten oder unregelmäßigen Oberflächen gewährleistet; und es ist jegliches Hantieren mit den Trä gern überflüssig.

Dieses Verfahren läßt sich außerdem auch für die Aufbrin gung der Emailschicht auf den Träger anwenden. Hierbei ge nügt es, die Emailschicht bzw. Emailschichten auf das Abziehpapier niederzubringen und zu trocknen, wobei die Brennbehandlung entfällt, und schließlich den selektiven Auftrag der Farbpaste auf die trockene Beschichtung vorzu nehmen sowie anschließend wie vorbeschrieben zu verfah ren. Das Brennen des Metallpulverteilchen enthaltenden Emails erfolgt gleichzeitig mit dem Brennen der Träger emailschicht, was die Arbeit beträchtlich vereinfacht.

Herstellung eines Wärmetellers

a) Emaillieren des Blechs

Ein Teller aus Stahlblech in Emaillierqualität mit niedri gem Kohlenstoffgehalt von 1,2 mm Dicke wird in einem Trichloräthylenbad entfettet.

Mittels Spritzpistole wird im Naßverfahren eine 150 µm dicke erste Schicht weißen Feuerfestmaterials aus 100% Fritte mit 4,5% Ton als Suspensionsmittel und 0,3% Natriumnitrat als Elektrolyt, aufgetragen.

Es folgen eine 20minütige Trockenbehandlung bei 80°C und Erhitzen in einem Emailbrennofen mit 850°C auf die kontinuierliche Dauer von 5 Minuten.

Nach dem gleichen Verfahren wird eine 300 µm dicke Schicht eines Emails niedergebracht, das ebenfalls Ton und Natriumnitrat in den gleichen Mengenanteilen sowie 1,5% eines Metalloxides als Pig ment enthält. Es folgen Trockenbehandlung bei 80°C und Brennen unter den gleichen Bedingungen wie für die erste Schicht be schrieben.

b) Herstellen eines Musters auf dem Blech

Es wird ein Gemisch aus 80% prismatischen Nickelteil chen im Größenbereich 2 bis 5 µm und 20% Email fritte mit einem Ausdehnungskoeffizienten α von 70 · 10^-7 Grad^-1 hergestellt und mit Siebdrucköl sowie Sieb drucklösungsmittel mit einem Siedepunkt von etwa 100°C zusammengemischt. Das Ergebnis ist eine Paste, die im Serigraphie- oder Siebdruckverfahren auf ein saug fähiges Abziehpapier entsprechend der Form der herzu stellenden Schaltung aufgebracht wird.

Durch Erhitzen auf 100°C wird das Lösungsmittel ver dampft, und es wird wiederum im Siebdruckverfahren auf die gesamte Papierfläche mit Paste ein Kunst stoff aufgetragen, der bei 100°C polymerisiert, worauf Erhitzung auf 100-120°C zur Aushärtung des Kunststoff films erfolgt.

Das so beschichtete Papier wird in Wasser eingetaucht, um das saugfähige Abziehpapier von der Kunststoffschicht und der Paste zu trennen; anschließend wird die pasten seitige Schaltung auf die emaillierte Fläche des Tellers gegeben, wobei das Restwasser zwischen Schicht und Schaltung herauszutreiben ist.

Es folgen eine 10minütige Trockenbehandlung bei 80°C und das Brennen bei 650°C auf die Dauer von 5 Minuten. Die Kunststoffschicht wird sublimiert, und es wird das Schaltungsmuster in das Email des Blechs integriert.

c) Herstellen der Schaltung

Die Blechoberfläche wird mechanisch bearbeitet, um die vom Email eingeschlossenen Nickelteilchen freizulegen. Hierauf wird das Blech nach dem Naßverfahren unter Einsatz eines Wasserbades sowie von Kieselsäure im Verhält nis von 40 Gewichtsteilen Kieselsäure zu 100 Teilen Wasser einer Mikrosandstrahlbehandlung unterzogen. Das Abstrahlen erfolgt im Abstand von 20 cm mit einem Luftdruck von 0,3 MPa.

Schließlich wird der Teller zur chemischen Aktivierung in ein HCl-Bad eingetaucht, gespült und in ein chemisches Nickel bad gegeben. Das Endprodukt ist eine Heizschaltung auf einem emaillierten Stahlblech.

Claims

1. Verfahren zum Aufbringen einer Schicht leitfähigen Metalls auf einen Isolierkörper, bei dem auf eine Unterlage eine Paste aus mit einem Pulver aus Metall, einer Legierung oder einem metallischen Derivat versetzter, nichtleitfähiger Farbe auf gebracht und erhitzt wird, woraufhin die Oberfläche der Farb schicht zum Freilegen der das Pulver bildenden Teilchen be handelt und die so beschichtete Unterlage in ein Bad einge setzt wird, welches das Leitermetall enthält, das unter den bekannten Bedingungen derart aufzubringen ist, daß es auf die freigelegten Pulverteilchen abgelagert wird, dadurch gekennzeichnet,

daß der Isolierkörper ein Träger aus anorganischem Material mit einer Emailbeschichtung ist, der mit der Metallpulver enthaltenden, durch Erhitzen härtbaren Farbpaste beschich tet wird, die weiterhin Email und einen Flüssiganteil der art aufweist, daß nach dem Emailbrennen in der aufgebrach ten Schicht zwischen 60 und 90 Gew.-% Metallpulver vor liegen, wobei die Schmelztemperatur des Emails in der Nähe des Erweichungspunktes der äußeren Beschichtung des Trägers liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Erweichungspunkt der äußeren Lage der Beschich tung des Trägers auf etwas über den Schmelzpunkt des in der Farbpaste vorgesehenen Emails eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß Nickel-, Kobalt- oder Eisenpulver eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß Metallpulverteilchen von offenzelliger bzw. winkliger Form verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die Farbpaste zur selektiven Aufbringung der auf die Unterlage nach dem Serigraphie- oder Siebdruckverfahren auf Abziehpapier aufgetragen, getrocknet, mit einer Lackschicht überdeckt, das Abziehpapier entfernt, die vom Lack gehaltene Farbpaste auf die Unterlage aufgebracht und die Brennbehandlung durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß der Auftrag der Farbpaste auf einer emaillierten Unterlage vorgenommen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die Emailbeschichtung auf das Abziehpapier ohne Brennen vor dem Auftragen der Farbpaste auf dieses und dann die Farbpaste auf diese Beschichtung aufgebracht werden, und daß die emaillierte Schicht auf die Unterlage bzw. den Träger nach Ausbilden einer Lackschicht auf der Farbpaste aufgebracht, das Abziehpapier entfernt wird, und daß die Emailbeschichtung und die Farbschicht in einem einzigen Arbeitsgang eingebrannt werden.