SE530400C2 - Uppvärmningsenhet med ett motståndselement format som ett ledningsmönster - Google Patents

Description

530 4130 Dessutom krävs vid vissa tillämpningar att motståndselementet kan utsättas för oxiderande miljöer.

Traditionellt används t.ex.

W, Mo, Ta, olika refraktära metaller såsom Pt och Pd. Nackdelen med W, Mo, Ta är dess begrän- sade oxidationsmotstånd vilket begränsar användningstempera- turen i oxiderande och korrosiva miljöer, t.ex. ett krets- mönster i W på en underlagsplatta av Al2O3 i luftatmosfär fun- gerar inte vid högre än några hundra grader. Pt, Pd och andra inerta, ädla metaller är i många sammanhang otillåtet dyra.

Föreliggande uppfinning erbjuder en dylik uppvärmningsenhet med ett motståndselement format som ett ledningsmönster som ger god vidhäftning mot underlagsplattan och lång livslängd hos uppvärmningsenheten.

Föreliggande uppfinning hänför sig således till en uppvärm- ningsenhet med ett motstàndselement format som ett lednings- mönster, vilket motstàndselement är förbundet med ett sub- strat, såsom en underlagsplatta, pà vilken motståndselementet utbreder sig och vilket motståndselement är anordnat att elektriskt spänningssättas, vilket motståndsmaterial är pla- cerat pà en fri yta av underlagsplattan och utmärkes av att motståndselementet och nämnda underlag har samma eller vä- sentligen samma termiska expansionskoefficienter och av att motståndselementet förbundits med substratet genom sintring och av att motståndselementets respektive underlagsplattans termiska expansionskoefficienter skiljer sig från varandra med mindre är lO%. 10 15 20 25 30 53Ü 4Û0 Nedan beskrives uppfinningen närmare, delvis i samband med ett på bifogade ritningar visade utföringsexempel av uppfin- ningen, där - figur 1 visar exempel på en uppvärmningsenhet med ett mot- ståndselement som har ett ledningsmönster, sedd ovanifrån - figur 2 schematiskt visar ett första utförande enligt upp- finningen på en uppvärmningsenhet i tvärsnitt - figur 3 schematiskt visar ett andra utförande enligt upp- finningen på en uppvärmningsenhet i tvärsnitt - figur 4 schematiskt visar ett tredje utförande enligt upp- finningen pà en uppvärmningsenhet i tvärsnitt.

Föreliggande uppfinning avser en uppvärmningsenhet l med ett motståndselement 2 format som ett ledningsmönster, vilket motståndselement är förbundet med ett substrat, såsom en un- derlagsplatta 3, pà vilken motståndselementet 2 utbreder sig och vilket motståndselement är anordnat att spänningssättas medelst icke visade elektriska ledare, se figur l.

Dylika uppvärmningsenheter l används för att uppvärma före- mål, såsom s.k. eller som sub- wafers i elektronikindustri, stratvärmare i beläggningsprocesser, vilka vilar på under- lagsplattan. De används också som infrarödstrålande paneler.

Enligt uppfinningen har motståndselementet 2 och nämnda un- derlag 3, eller substrat, samma eller väsentligen samma ter- miska expansionskoefficienter. Vidare har motståndselementet 2 förbundits med substratet 3 genom sintring.

Genom att de båda materialens termiska expansionskoefficien- ter har samma eller väsentligen samma värden minimeras meka- niska spänningar mellan skikten under tillverkning respektive under användning, något som är speciellt viktigt vid återkom- 10 15 20 25 30 530 400 mande temperaturväxlingar, såsom i en värmeelementsapplika- tion.

Problem som uppstår i olika utsträckning vid skillnader i de båda materialens termiska expansionskoefficienter är dålig vidhäftning, buckling och skevning (warping) av tunna och tjocka metalliska skikt på diverse substrat.

Enligt en föredragen utföringsform skiljer sig motståndsele- mentets respektive underlagsplattans termiska expansionskoef~ ficienter från varandra med mindre är l0%.

Enligt en ytterligare föredragen utföringsform skiljer sig motståndselementets respektive underlagsplattans termiska expansionskoefficienter från varandra med mindre är 5%.

Motståndsmaterialet 2 består enligt en föredragen utförings- form av ett Ti-Al-C-material eller detta material legerat med Nb samtidigt som underlagsplattan 3 består av Al2O3.

Motståndsmaterialet 2 består enligt en ytterligare föredragen utföringsform av motståndsmaterialet Ti2AlC eller detta mate- rial legerat med Nb, nämligen TiXNb%¶AlC, samtidigt som un- derlagsplattan 3 består av Al2O3.

Både Al2O3och.Ti2AlC har en termisk expansionskoefficient av 8 x 10* /°K.

I TiXNb@¶AlC ligger X i intervallet 1.8 - 2.0.

Fördelar med användning av Ti2AlC eller TiXNb2¶AlC är dess höga maximalt tillåtna användningstemperatur, som uppgår till 10 15 20 25 30 530 400 ca. l400°C i oxiderande miljöer samt högre än l400°C i syre- fattiga och reducerande atmosfärer.

Motståndselementet 2 i form av en slinga med ledningsmönster binds via laminering och sintras i ett efterföljande steg till en underlagsplatta av Algh, d.v.s. en samsintrad keram.

Underlagsplattan 3 kan vara tät, porös eller innefatta omväx- lande porösa och täta skikt för att bättre tåla termisk cyk- ling från rumstemperatur till l400°C.

Exempelvis används s.k. tejpgjutning för att pålägga led- ningsmönstret. Detta tillgår så att en tejp med viss bredd uppbär motståndsmaterialet i osintrat, men pressat skick.

Tejpen anbringas i grönt tillstånd på underlagsplattan i grönt tillstånd, varefter motstàndsmaterialet och den osint- rade underlagsplattan ihoppressas. Därefter sintras materia- len ihop vid en temperatur av l400° - l500°C. Vid sintringen förgasas tejpen och motstàndsmaterialet sintrar ihop med underlagsplattan.

Ledningsmönstret kan vara exempelvis 0.1 - l mm tjockt och varje ledare kan ha en lämplig bredd med hänsyn till tillämp- ningen, exempelvis en bredd av l - 3 mm och elektriskt mot- stånd.

Alternativt kan motståndsmaterial i form av screentryckpasta beläggas på isolerande skikt av Al2O3. På detta Sätt kan 0,1 um tjocka tejper lamineras till millimetertjocka skikt. Även skiktet av Ti2AlC kan tillverkas med laminering av täta tejpgjutna skikt av karbiden för att uppnå önskad tjocklek, varefter ledningsmönstrets form stansas eller på annat sätt 10 15 20 25 30 530 400 tas ut från laminatet som lamineras ihop med aluminiumoxid- skiktet. Denna metod ger helt täta material efter sintring.

Ledningsskiktet sintras ihop med underlagsplattan av alumini- umoxid.

Andra beläggningsmetoder är också möjliga såsom termisk sprutning, CVD och PVD.

Enligt en föredragen utföringsform kan motstàndsmaterialet 2 före sintring vara utblandat med en förutbestämd andel Al2O3 Härigenom ökar motståndsmaterialets elektriska motstånd. An- delen Al2O3 ges av den motståndsökning som önskas.

I samband med figur l visas ett utförande där motståndsele- mentet 2 är direkt exponerat mot omgivningen. Ti2AlC har ett utmärkt oxidationsmotstånd och bildar ett skikt av Alfib på ytan vid uppvärmning. Exempelvis kan detta användas som ett fristrålande värmeelement upp till l400°C på ledningsmonst- ret.

Enligt en föredragen utföringsform är motståndselementet 2 förbundet med en ytterligare underlagsplatta 4 på motstående sida om nämnda underlagsplatta 3, se figur 3. Motståndstråden blir således innesluten mellan två elektriska isolatorer 3, 4. På så sätt kan ett objekt, exempelvis i form av en tunn skiva, såsom en wafer, vila direkt på Alflh-skiktet och därvid uppvärmas.

Enligt en annan föredragen utföringsform är ett laminat ut- bildat av omväxlande motståndselement 2 och underlagsplattor 4 och 5, där varje motstàndselement 2 är förbundet med omgi- vande på motstående sidor förefintliga underlagsplattor, se 10 15 20 25 30 5313 4ÜG figur 4. I figur 4 betecknar siffran 6 en kopplingsenhet för att koppla motståndselementen till en spänningskälla.

Antalet skikt i en flerskiktsstruktur av det slag som illust- reras i figur 4 kan vara många och bero på aktuell tillämp- ning. Exempelvis kan komponenter av laminerade keramiska kretsar tillverkas till exempel genom att en pasta för screentryckning bereds av Ti2AlC och trycks på ett Algh- substrat. Enligt ytterligare en utföringsform är ett mot- ståndselement 2 beläget mellan två underlagsplattor 3 uppde- lat i två eller flera sektioner, vilka sektioner är anordnade att styras med spänning individuellt.

Enligt en föredragen utföringsform är två eller flera av mot- ståndselementen 2 förbundna med varandra medelst ledare 7, som anges med streckade linjer i figur 4, löpande vinkelrätt mot underlagsplattornas 3-5 plan och genom underlagsplattor- na, där ledarna utgöres av motståndsmaterial.

Ovan har ett antal utföringsexempel beskrivits. Emellertid kan ett uppvärmningselement enligt uppfinningen ges en annan utformning än vad som ovan sagts, liksom att det kan tillver- kas med någon annan metod än de ovan beskrivna. Exempelvis kan motstàndselement och den elektriskt isolerande aluminium- oxiden ges andra än ett plant utförande, såsom cirkulära ut- föranden som benämns ”Rod-type” eller ”Tube-type”.

Föreliggande uppfinning skall därför inte anses begränsad till ovan angivna utföringsexempel, utan kan varieras inom dess av bifogade patentkrav angivna ram.

Claims (10)

10 15 20 25 30 530 400 Patentkrav

1. l. Uppvärmningsenhet (l) med ett motståndselement (2) format som ett ledningsmönster, vilket motståndselement är förbundet med ett substrat (3), såsom en underlagsplatta, på vilken motstàndselementet utbreder sig och vilket motståndselement är anordnat att elektriskt spänningssättas, vilket motstånds- material är placerat på en fri yta av underlagsplattan, k ä n n e t e c k n a d 0Ch a v att motståndselementet (2) nämnda underlag (3) har samma eller väsentligen samma termis- ka expansionskoefficienter och av att motståndselementet för- bundits med substratet genom sintring och av att motstånds- elementets (2) respektive underlagsplattans (3) termiska ex- pansionskoefficienter skiljer sig från varandra med mindre är 10%.

2. Uppvärmningsenhet enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att motståndselementets (2) respektive underlagsplattans (3) termiska expansionskoefficienter skiljer sig från varand- ra med mindre är 5%.

3. Uppvärmningsenhet enligt krav 1 eller 2, k ä n n e - t e c k n a d består av ett a v att motstàndsmaterialet (2) Ti-Al-C-material eller detta material legerat med Nb och av att underlagsplattan (3) består av Al2O3.

4. Uppvärmningsenhet enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d a v att motståndsmaterialet (2) består av motståndsmaterialet Ti2AlC eller detta material legerat med Nb, nämligen TiXNb& xAlC och av att underlagsplattan (3) består av Al2O¿ där X ligger inom intervallet 1.8 - 2.0. 10 15 20 25 30 530 4ÜÜ

5. Uppvärmningsenhet enligt krav l, 2, 3 eller 4, k ä n n e - t e C k n a d är förbundet a V att motståndselementet (2) med en ytterligare underlagsplatta (4) på motstående sida om nämnda underlagsplatta (3).

6. Uppvärmningsenhet enligt krav l, 2, 3, 4 eller 5, k ä Û ' n e t e c k n a d a v att ett laminat är utbildat av omväx- lande motstàndselement (2) (3“5), och underlagsplattor där varje motståndselement (2) är förbundet med omgivande på mot- stående sidor förefintliga underlagsplattor (3-5).

7. Uppvärmningsenhet enligt krav l, 2, 3, 4, k ä n n e t e c k n a d 5 eller 6, be- läget mellan två underlagsplattor (3) är uppdelat i två eller a v att ett motståndselement (2) flera sektioner, vilka sektioner är anordnade att styras med spänning individuellt.

8. Uppvärmningsenhet enligt något av föregående krav, k ä n- n e t e c k n a d a v att motstàndsmaterialet förbundits med underlagsplattan genom att motståndsmaterialet sintrats till underlagsplattan vid en temperatur av omkring 1400 - 1500 °C.

9. Uppvärmningsenhet enligt krav 7 eller 8, t e c k n a d k ä n n e - a v att att två eller flera av motståndsele- menten (2) är förbundna med varandra medelst ledare löpande vinkelrätt mot underlagsplattornas (3-5) plan och genom un- derlagsplattorna, där ledarna utgöres av motstàndsmaterial.

10. Uppvärmningsenhet enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d a v att motståndsmaterialet (2) före sintring är utblandat med en förutbestämd andel Al2O¿