WO2018019530A1 - Infrarotflächenstrahler und verfahren zur herstellung des infrarotflächenstrahlers - Google Patents

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conductor track
conductor
infrared
infrared surface
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Lotta Gaab
Thomas Piela
Christoph STERNKIKER
Jürgen Weber
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Heraeus Noblelight Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing an infrared surface radiator with a substrate made of an electrically insulating material, on the surface of which a conductor track made of an electrically conductive and heat flow current-generating resistance material is applied, comprising the method steps:
  • the present invention relates to an infrared surface radiator with a substrate made of an electrically insulating material, on the surface of which a conductor track of an electrically conductive and, when current flows through, heat-generating resistance material is applied.
  • Infrared surface radiators in the context of the invention show a two-dimensional or three-dimensional radiation characteristic that is extended over a large area; They are used for example for polymerizing plastics or for curing paints or for drying paints on a heating material, but also for the thermal treatment of semiconductor wafers in the semiconductor or photovoltaic industry.
  • Infrared radiators according to the invention can be easily adapted to the geometry of a surface to be heated of a heating material due to their particular, especially areal radiation characteristic, so that a homogeneous irradiation two- or three-dimensionally designed Schugut surfaces is made possible.
  • the resistance element serves to heat another component, here as The heat transfer from the electrical resistance element to the substrate may be based on conduction, convection and / or thermal radiation.
  • radiators frequently have a plurality of infrared radiators with a cylindrical radiator tube of quartz glass.
  • the radiator tubes are arranged so that their longitudinal axes parallel to each other in a plane, whereby a flat lamp arrangement is obtained, the geometry of which is adaptable to that of a heating material to be irradiated.
  • Within the radiator tube is usually a helical resistance wire, which has no or no significant contact with the radiator tube. The heat transfer from the resistance wire to the radiator tube is essentially due to thermal radiation.
  • infrared surface radiators are known in which a heating element is applied directly to a support (substrate).
  • the substrate can have different spatial forms; For example, it can be plate-shaped, tile-shaped, planar, tubular or polyhedron-shaped.
  • the heating element of this radiator is in direct contact with the carrier, so that a heat transfer from the conductor track to the carrier takes place primarily by heat conduction.
  • an infrared surface radiator is known in which an electrical resistance element is in direct contact with a substrate made of quartz glass.
  • the resistance element has meandering shape, for example, and is applied to the substrate surface by means of film, screen printing or thin-film technology and then baked.
  • the printed conductor is in planar, direct contact with the quartz glass substrate, so that the heat transfer from the resistor element to the quartz glass substrate takes place predominantly by heat conduction and convection, which can have a positive effect on the power efficiency.
  • a substrate made of quartz glass has a good corrosion, temperature and thermal shock resistance and it is available in high purity. Therefore, it is also suitable as a substrate material for an infrared radiator in high-temperature heating processes with high demands on purity and inertness.
  • quartz glass basically has a comparatively low thermal conductivity and is even used as a heat insulator.
  • the printed conductors applied to the substrate usually have a small cross-sectional area, so that they are expensive to manufacture and have low resistance under mechanical stress. Therefore, it is possible that a defective trace is applied to the substrate during the manufacturing process.
  • the application of faulty traces to a substrate is associated with high rejects and high manufacturing costs. This is especially true for printed conductors, which are produced using printing techniques - for example by screen printing or inkjet printing - in which any errors in the heating element are detectable only after completion of the printing process and thus after application to the substrate.
  • the production of printed circuit traces is costly because the ink used for printing often contains high levels of precious metals, such as platinum, gold or silver.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a simple and cost-effective method for producing an infrared surface radiator, which exhibits a homogeneous radiation emission with high radiation power per unit area.
  • the object of the present invention is to provide an infrared surface radiator which has a high radiation power per unit area and, in particular, enables homogeneous heating with thin substrate wall thicknesses.
  • the abovementioned object is achieved on the basis of a method of the type mentioned at the outset by providing, in accordance with method step (a), a substrate which is manufactured from a composite material which is an amorphous matrix component as well as an additional component in the form of a semiconductor material, and that the conductor is provided as a shaped piece with geometrically solid form, which is applied in accordance with method step (b) on the surface of the substrate, that the conductor track and the substrate are permanently interconnected.
  • the present invention is based on the idea that an infrared surface radiator with high radiation power, such as a radiation power above 150,000 W / m 2 , can be produced in a particularly simple and cost-effective manner if it is made on the one hand from a thermally excitable material and on the other hand as the conductor track is provided as a semi-finished product.
  • the conductor is provided as a prefabricated fitting with geometrically solid form, it is possible manufacturing defects in the production the track can occur early to detect.
  • the printed conductor can simply be subjected to a voltage.
  • Compared to printed conductors has a prefabricated, provided as a semifinished conductor further has the advantage that can be dispensed with the use of costly materials, such as expensive printing ink, on the one hand mostly a high proportion of precious metals, such as platinum, and on the other high demands their suitability as an ink.
  • the production of a conductor can be done by various manufacturing methods, for example by punching, laser beam cutting or casting.
  • the fitting is made from a sheet using a thermal separation process or by punching.
  • thermal cutting or punching processes enables the production of printed conductors in large quantities and thus helps to keep material and manufacturing costs low.
  • the conductor track is made of an electrically conductive and heat flow during heat flow generating resistance material, this acts as a heating element.
  • a flat, homogeneously radiating infrared radiator with high radiation power is only obtained when the conductor is brought into contact with the substrate.
  • the conductor track is applied as a shaped piece on the surface of the substrate and permanently connected to the substrate.
  • the conductor track can be joined to the substrate both mechanically and thermally. be connected to or via a non-conductive layer.
  • the interconnect is attached to the substrate in loose composite.
  • the trace acts as a "local" heating element that can locally heat at least a portion of the substrate, and the trace is sized to heat a portion of the substrate made from the composite material
  • the heat transfer from the electrical resistance element to Victoria takes place primarily by heat conduction; but it can also be based on convection and or heat radiation.
  • the substrate comprises an amorphous matrix component and an additional component in the form of a semiconductor material
  • a substrate is obtained which can take a high-energy, excited state in which an emission of infrared radiation with high radiation power is particularly favored.
  • the composition of the composite material is chosen so that the composite material forms the actual infrared radiation emitting element.
  • the composite material contains the following components:
  • the amorphous matrix component represents the largest part of the composite material in terms of weight and volume. It significantly determines the mechanical and chemical properties of the composite material; For example, its temperature resistance, strength and corrosion properties.
  • the fact that the matrix component is amorphous - it is preferably made of glass - the geometric shape of the substrate compared to a substrate made of crystalline materials can be more easily adapted to the requirements of the specific application of the infrared surface radiator according to the invention.
  • the matrix component can consist of undoped or doped quartz glass and, if appropriate, contain other oxidic, nitridic or carbidic components in addition to S1O2 in an amount of up to a maximum of 10% by weight.
  • an additional component in the form of a semiconductor material is incorporated in the matrix component. It forms its own amorphous or crystalline phase dispersed in the amorphous matrix component.
  • a semiconductor has a valence band and a conduction band that can be separated by a forbidden zone of width up to ⁇ »3 eV.
  • the width of the forbidden zone is for example Ge 0.72 eV, Si 1, 12 eV, InSb 0.26 eV, GaSb 0.8 eV, AlSb 1.6 eV, CdS 2.5 eV.
  • the conductivity of a semiconductor depends on how many electrons can pass the forbidden zone and enter the conduction band from the valence band. In principle, only a few electrons can jump over the forbidden zone at room temperature and enter the conduction band, so that a semiconductor usually has only a low conductivity at room temperature. However, the degree of conductivity of a semiconductor depends substantially on its temperature.
  • the additional component is distributed evenly or deliberately unevenly as a separate phase.
  • the additional component significantly determines the optical and thermal properties of the substrate; more precisely, it causes absorption in the infrared spectral range, that is the wavelength range between 780 nm and 1 mm.
  • the additional component exhibits an absorption which is higher than that of the matrix component for at least part of the radiation in this spectral range.
  • the phase regions of the additional component act as optical defects in the matrix and lead, for example, to the composite material - depending on the layer thickness - may appear visually black or grayish-black at room temperature.
  • the impurities themselves have a heat-absorbing effect.
  • the additional component is preferably present in a type and amount which causes a spectral emissivity ⁇ of at least 0.6 for wavelengths between 2 pm and 8 pm in the composite material at a temperature of 600 ° C.
  • a particularly high emissivity can be achieved if the additional component is present as an additional component phase and has a non-spherical morphology with maximum dimensions of on average less than 20 ⁇ m, but preferably more than 3 ⁇ m.
  • the non-spherical morphology of the additional component phase also contributes to a high mechanical strength and a low cracking tendency of the composite material.
  • maximum dimension refers to the longest extent of an isolated region with additional component phase, which is recognizable in the form of a cut
  • the median value of all longest extensions in a micrograph forms the above-mentioned mean value.
  • the additional component thus causes the substrate material to emit infrared radiation.
  • spectral emissivity is understood to mean the “spectral normal emissivity”. This is determined using a measurement principle known as “Black-Body Boundary Conditions” (BBC), published in “DETERMINING THE TRANSMISSION AND EMITTANCE OF TRANSPARENT AND SEMITRANSPARENT MATERIALS AT ELEVATED TEMPERATURES”; J. Manara, M. Keller, D. Kraus, M. Arduini-Schuster; 5th European Thermal Sciences Conference, The Netherlands (2008).
  • BBC Black-Body Boundary Conditions
  • the amorphous matrix component has a higher heat radiation absorption in the composite material, ie in conjunction with the additional component, than would be the case without the additional component. This results in improved heat conduction from the conductor into the substrate, a faster distribution of the heat and a higher radiation rate to the substrate. This makes it possible to provide a higher radiant power per unit area and to produce a homogeneous radiation and a uniform temperature field even with thin substrate wall thicknesses and / or with a comparatively low trace occupancy density. A substrate with a low wall thickness has a low thermal mass and allows rapid temperature changes. Cooling is not required for this.
  • the additional component is present in a type and amount which causes a spectral emissivity ⁇ of at least 0.75 for wavelengths between 2 pm and 8 ⁇ m in the composite material at a temperature of 1000 ° C.
  • the composite material has a high absorption and emission capacity for thermal radiation between 2 ⁇ m and 8 ⁇ m, that is to say in the wavelength range of the infrared radiation. This reduces the reflection on the composite material Oberf laugh, so that, assuming a negligible transmission, a reflectance for wavelengths between 2 pm and 8 pm and at temperatures above 1000 ° C at a maximum of 0.25 and at temperatures of 600 ° C of maximum 0.4 results. Non-reproducible heating By reflected heat radiation tongues are thus avoided, which contributes to a uniform or desired non-uniform temperature distribution.
  • connection between conductor track and substrate is produced by a joining method, preferably by mechanical joining, by gluing or by welding.
  • Joining techniques provide a permanent connection of at least 2 components.
  • the cohesion between the components can be created at least at individual joints.
  • the conductor track is present as a shaped piece, that is to say it has a geometrically fixed shape.
  • the substrate may be present in a geometrically solid form or as a shapeless material.
  • the substrate is also in geometrically solid form. This allows a particularly simple positioning of the conductor on the substrate.
  • the conductor track and the substrate can advantageously be connected to one another by mechanical joining, gluing, soldering, welding.
  • the substrate may be provided with a recess which corresponds to the shape of the conductor track, for example with a groove into which the conductor track is pressed.
  • a connection of a glass substrate to a conductor track can alternatively take place with a glass solder.
  • Glass solders are characterized by a particularly low softening temperature; they can be used for the production of thermally generated compounds of materials with glasses.
  • the manufacturing process is similar to the soldering of metals, but glass solder joints are systematically attributed to the adhesive bonds. Adhesive bonds have the advantage that they are particularly easy to manufacture.
  • the properties of the adhesive can be matched to the material properties of the materials to be joined.
  • the coefficient of thermal expansion of the adhesive (glass solder) is chosen so that it lies between the thermal expansion coefficient of the conductor track and the thermal expansion coefficient of the substrate.
  • a weld joint is created by introducing energy into the trace and the substrate.
  • both the conductor track and the substrate are at least partially melted and bonded together during cooling in the melting region.
  • the conductor track is connected to the surface of the substrate via a non-conductive layer.
  • a nonconductive layer acts electrically as an insulator; Although it can transport the heat generated by the track to the substrate, but can hardly generate heat itself.
  • the non-conductive layer therefore contributes only to a limited extent to the heating of the substrate.
  • the main energy input takes place through the conductor track, so that the geometric shape of the conductor track on the one hand determines the area of the substrate which is thermally excited, and on the other hand determines the extent of the heat input into the substrate. Therefore, deviations in the layer thickness of the nonconducting layer, and in particular uneven - possibly only partial - application of the non-conductive layer to the substrate have no significant effect on the heat input into the substrate and the substrate temperature distribution.
  • the aforementioned materials silicon carbide (SiC), molybdenum disilicide (M0S12), tantalum (Ta) or high temperature steel are inexpensive compared to precious metals such as gold, platinum or silver.
  • the aforementioned materials are difficult to process with printing process, but they can be easily converted into a shaped body, which can be used as a semi-finished product in the production of the infrared surface radiator.
  • these materials have the advantage that they are resistant to oxidation in air, so that an additional, the conductor track covering layer (cover layer) for the protection of the conductor is not absolutely necessary.
  • a cover layer is provided, which is made of opaque quartz glass.
  • Such a cover layer acts as a diffuse reflector and at the same time protects and stabilizes the conductor track.
  • the production of such a covering layer of opaque quartz glass is described, for example, in WO 2006/021416 A1. It is produced from a dispersion containing amorphous SiO 2 particles in a liquid. This is applied to the conductor surface facing the substrate, dried to a greensheet and sintered at high temperature.
  • the shaped piece has a section with a spiral or meandering line pattern. This allows a uniform coverage of the substrate surface with a single trace. A single trace can be connected and controlled particularly easily to a power source.
  • the shaped piece prior to the application of the conductor track to the surface of the carrier according to method step (b), the shaped piece is provided at its ends with a conductor track whose cross-sectional area is greater than the cross-sectional area of the line pattern.
  • the line pattern extends in a plane.
  • the conductor track has a lower temperature in the region of its electrical contacting than in the heating area.
  • the conductor track can be provided with a conductor track which has a larger cross-sectional area than the conductor track. Due to its larger cross-sectional area, the conduction path has a lower resistance; It is therefore much less heated than the tracks themselves.
  • the conductor track and the conductor track can form a unit which is formed in one piece or several pieces.
  • An integral unit of conductor track and conductor track can be manufactured in a single method step, for example by punching out of a metal sheet or by laser beam cutting. In this case, for example, given a sheet thickness, the conductor path has a greater width than the conductor track.
  • the conductor track and conductor track can be welded together. It has proven to be advantageous if contact elements are provided at the conductor track ends. Contact elements serve for the simplified electrical contacting of the conductor track; they preferably form a plug-in element of a plug connection.
  • the connector is used for releasable connection of the contact element with an electrical power supply. As a result, a simple separation and connection of the interconnect to an electrical supply line, in particular with a current / voltage source, is made possible.
  • the conductor track is made of the same material as the conductor track.
  • a connection between the conductor track and the conductor track can be produced particularly easily if both components are made of the same material, for example by soldering.
  • the substrate is made of a grain posit- material comprising an amorphous matrix component and an additional component in the form of a semiconductor material, and that the conductor as Form fitting geometrically solid form is applied to the surface of the substrate, that conductor track and carrier are permanently connected to each other.
  • the infrared surface radiator according to the invention has, on the one hand, a substrate of a thermally applicable material and, on the other hand, a geometrically fixed shape connected to the substrate.
  • the conductor is a shaped piece with a geometrically solid shape, this has a particularly high mechanical stability; It can also be manufactured with high accuracy.
  • Compared to printed conductors has a prefabricated, provided as a semifinished conductor further has the advantage that can be dispensed with the use of costly materials, such as expensive printing ink, on the one hand mostly a high proportion of precious metals, such as platinum, and on the other high demands their suitability as an ink.
  • the production of the conductor can be done by various manufacturing methods, for example by punching, laser beam cutting or casting.
  • the printed conductor forms a flat, homogeneously radiating infrared radiator; it acts as a "local" heating element with which at least a portion of the substrate can be locally heated
  • the conductor is dimensioned to heat a portion of the substrate made of a particular material, namely a composite material, which is a
  • a substrate comprising an amorphous matrix component and an additional component in the form of a semiconductor material, a substrate is obtained which contains a high-energy,
  • the composition of the composite material reference is made to the above explanations of the method according to the invention.
  • a plurality of conductor tracks are applied to the substrate with a geometrically solid shape, which are each individually electrically actuated bar.
  • the provision of a plurality of conductor tracks allows individual control and adaptation of the irradiance achievable with the infrared surface radiator.
  • the radiation power of the substrate can be adjusted by a suitable choice of the distances between adjacent conductor track sections. In this case, portions of the substrate are heated to different degrees so that they emit infrared radiation with different irradiances.
  • the tracks can be individually controlled electrically, so that they are operated with different operating voltages or operating currents. In fact, it has been shown that, in particular, the edge regions of the substrate are frequently heated to a low level than the center region of the substrate.
  • the amorphous matrix component is quartz glass, and the semiconductor material is present in elemental form, wherein the weight fraction of the semiconductor material is in the range between 0.1% to 5%.
  • the amorphous matrix component and the additional component have electrically insulating properties at temperatures below 600 ° C.
  • Quartz glass is an electrical insulator and, in addition to high strength, has good corrosion, temperature and thermal shock resistance; It is also available in high purity. Therefore, it is also suitable as a matrix material for high-temperature heating processes with temperatures up to 1,100 ° C. Cooling is not required.
  • the finely divided areas of a semiconductor phase act as optical impurities in the matrix on the one hand and cause the substrate material - depending on the layer thickness - to appear visually black or grayish-blackish at room temperature.
  • the impurities also affect the overall heat absorption of the composite material. This is mainly due to the properties of the finely distributed phases of the elementary semiconductor, according to which on the one hand the energy between valence band and conduction band (band gap energy) decreases with temperature and on the other hand with sufficiently high activation energy electrons are lifted from the valence band in the conduction band, what with a significant increase in the absorptive onscoefficient.
  • the thermally activated occupation of the conduction band results in the semiconductor material being able to be somewhat transparent at room temperature for certain wavelengths (such as from 1000 nm) and becoming opaque at high temperatures. With increasing temperature of the composite material, therefore, absorption and emissivity may increase dramatically. This effect depends, among other things, on the structure (amorphous / crystalline) and doping of the semiconductor.
  • the additional component is elemental silicon.
  • Pure silicon shows, for example, from about 600 ° C, a significant increase in emissions, which reaches a saturation from about 1,000 ° C.
  • the semiconductor material and in particular the preferably used, elemental silicon therefore cause blackening of the glassy matrix component at room temperature, but also at elevated temperature above, for example, 600 ° C. This achieves a good emission characteristic in the sense of a broadband, high emission at high temperatures.
  • the semiconductor material, preferably the elemental silicon forms a self-dispersed Si phase dispersed in the matrix. This may contain a plurality of semimetals or metals (but metals up to a maximum of 50% by weight, better still not more than 20% by weight, based in each case on the weight fraction of the additional component), the composite material exhibiting no open porosity but instead at most a closed porosity of less than 0.5% and a specific gravity of at least 2.19 g / cm 3 .
  • He is therefore suitable for carrier hordes, where it depends on purity or gas-tightness of the material from which the carrier Horde is made.
  • the heat absorption of the composite material depends on the proportion of the additional component.
  • the proportion by weight of the additional component should therefore preferably be at least 0.1%.
  • a high volume fraction of the additional component can impair the chemical and mechanical properties of the matrix.
  • the proportion by weight of the additional components is preferably in the range between 0.1% and 5%. It has proven particularly useful if the amorphous matrix component is quartz glass and preferably has a chemical purity of at least 99.99% S1O2 and a cristobalite content of at most 1%.
  • a low cristobalite content of the matrix of 1% or less ensures a low devitrification tendency and thus a low risk of cracking when used as an infrared surface radiator so that high demands are also made on particle freedom, purity and inertness, as is generally the case in semiconductor manufacturing processes ,
  • Figure 1 shows a first embodiment of an infrared surface radiator according to the invention, on the substrate surface, a prefabricated conductor molding is applied
  • Figure 2 shows an embodiment of a method for producing an infrared surface radiator, wherein a prefabricated conductor is provided as a molded piece and connected to the surface of the substrate .
  • FIG. 3 shows a side view of a second embodiment of an infrared surface radiator according to the invention, in which a glass layer is applied to the surface covered with a conductor track,
  • FIG. 4 shows a side view of a third embodiment of an infrared surface radiator according to the invention, in which the conductor track is connected to the substrate surface via a glass solder
  • FIG. 5 shows a side view of a fourth embodiment of an infrared surface radiator according to the invention, in which the conductor track and the substrate are connected to one another mechanically by press-fitting are.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of an infrared surface radiator according to the invention, to which the reference number 100 is assigned overall.
  • the infrared surface radiator 100 has a plate-shaped substrate 101, a conductor 102 and two conductor tracks 103a, 103b for electrically contacting the conductor track 5102.
  • the plate-shaped substrate 101 comprises an amorphous matrix component in the form of quartz glass.
  • a phase of elemental silicon in the form of non-spherical regions is homogeneously distributed.
  • the plate-shaped substrate 101 has a length l of 100 mm, a width b of 100 mm and a thickness of 2 mm.
  • the conductor 102 is made of one piece; It forms a flat, planar, three-dimensional shaped piece that can be easily placed on the plate-shaped substrate 101.
  • the conductor 102 is made of high-temperature steel (2.4816) and produced by punching from a steel plate plate. At the ends of the conductor 102, a respective line path 103a, 103b is arranged, which was punched out of the steel plate together with the conductor track 102.
  • the conductor paths 03a, 103b are welded to ends of the conductor track 102.
  • the grinding balls are removed from the base schicker and it is a supplement in the form of silicon powder mixed in an amount until a solids content of 83 wt .-% is reached.
  • the silicon powder contains mainly non-spherical powder particles with a narrow particle size distribution whose D97 value is about 10 ⁇ m and whose fine fraction has been removed in advance with particle sizes of less than 2 ⁇ m.
  • the slurry filled with the silicon powder is homogenized for a further 12 hours.
  • the weight fraction of the silicon powder in the total solids content is 5%.
  • the SiO 2 particles in the finished homogenized slip show a particle size distribution which is characterized by a D 50 value of about 8 ⁇ m and by a D 9 o value of about 40 ⁇ m.
  • the slurry is poured into a die casting mold of a commercial die casting machine and dewatered through a porous plastic membrane to form a porous green body.
  • the green body has the shape of a rectangular plate.
  • the green body is dried at about 90 ° C for 5 days in a ventilated oven.
  • the resulting porous blank is mechanically machined almost to the final dimension of the quartz glass plate to be produced with the plate thickness of 4 mm.
  • the blank this is heated in a sintering oven under air within 1 hour to a heating temperature of 1390 ° C and held at this temperature for 5 hours.
  • the quartz glass plate thus obtained forms the substrate 101. It consists of a gas-tight composite material with a density of 2.1958 g / cm 3 , in which in a matrix of opaque quartz glass separate, non-spherical regions are distributed homogeneously from elemental Si phase whose size and morphology largely correspond to those of the Si powder used.
  • the maximum dimensions are on average (median value) in the range of about 1 pm to 10 pm.
  • the matrix is visually translucent to transparent. On microscopic examination it shows no open pores and possibly closed pores with maximum dimensions of on average less than 10 ⁇ m; the density calculated on the basis of the density is 0.37%.
  • the composite material is stable in air up to a temperature of about 1 .150 ° C.
  • a shaped piece is punched out of a tantalum sheet having a thickness of 0.2 mm, a width of 500 mm and a length of 2000 mm, which is to form the conductor.
  • the punching is done with a punch in the form of a punch, with a flat base serves as a counterpart.
  • the punched-out conductor track 102 has a meander-shaped line course and comprises two meandering structures arranged next to one another in a plane.
  • Figure 2-1 shows the punched conductor 102.
  • the conductor tracks 102 extends over a length of 60 mm and a width of
  • Purpose conductor paths 103a, 103b welded to the ends of the conductor 102.
  • the conductor paths 103a, 03b are identical; they have a length of 40 mm, a width of 5 mm at a thickness of 0.4 mm.
  • FIG. 2-III shows the printed conductor 102 provided with the conductor tracks 103a, 103b as it is applied to the substrate 101.
  • the conductor 102 placed on top of the substrate 101.
  • a glass solder is applied and then heated to softening temperature, so that liquid glass solder closes the conductor 102 and the substrate surface.
  • the conductor 2 and the substrate 101 are allowed to cool to form the glass solder joining compound.
  • a slurry layer is applied to the upper side of the substrate 101 and the printed conductor 102 applied thereon.
  • This slip is obtained by modifying the SiO 2 base slip, as already described above (without an addition of silicon powder), by mixing amorphous SiO 2 grain in the form of spherical particles having a grain size of 5 ⁇ m into the homogeneous, stable base slip until a solids content of 84 wt .-% is reached. This mixture is homogenized for 12 hours in a drum mill at a speed of 25 rpm. The slip thus obtained has a solids content of 84% and a density of about 2.0 g / cm 3 .
  • the SiO 2 particles in the slurry obtained after grinding the quartz glass grains show a particle size distribution which is characterized by a D 50 value of about 8 ⁇ m and by a D 90 value of about 40 ⁇ m.
  • the slip is sprayed on top of the pre-alcoholic cleaned substrate 101 for a few seconds. On the substrate 101 thereby forms a uniform slurry layer with a thickness of about 2 mm.
  • the dried slurry layer is crack-free and has an average thickness of slightly less than 2 mm.
  • the dried slurry layer is then sintered under air in a sintering furnace.
  • FIG. 3 shows a side view of a second embodiment of an infrared surface radiator according to the invention, to which the reference number 300 is assigned overall.
  • the infrared surface radiator 300 has a plate-shaped substrate 301, a conductor 302 and a cover layer 303.
  • the plate-shaped substrate 301 has a rectangular shape with a plate thickness of 2.5 mm. It consists of a composite material with a matrix of quartz glass. The matrix is visually translucent to transparent. It shows under microscopic observation no open pores and possibly closed pores with maximum dimensions of on average less than 10 ⁇ . In the matrix, a phase of elemental silicon in the form of non-spherical regions is homogeneously distributed. Their weight content is 5%.
  • the maximum dimensions of the silicon phase ranges are on average (median value) in the range of about 1 ⁇ to 10 ⁇ .
  • the composite material is gas-tight, has a density of 2.19 g / cm 3 and is stable in air up to a temperature of about 150 ° C.
  • the embedded silicon phase contributes to the opacity of the composite material as a whole, and it has effects on the optical and thermal properties of the composite material.
  • the emissivity of the composite material is measured using an integrating sphere. This allows the measurement of the directed hemispheric spectral reflectance Rgh and the directed hemispherical spectral transmittance Tgh, from which the normal spectral emissivity is calculated.
  • the measurement of the emissivity at elevated temperature takes place in the wavelength range of 2 to 18 pm by means of an FTIR
  • the sample chamber has temperature-controllable blackbody environments in front of and behind the sample holder in the half-chambers and a beam exit opening with detector.
  • the sample is heated to a predetermined temperature in a separate oven and taken for measurement in the beam path of the sample chamber with the blackbody environments set at a predetermined temperature.
  • the intensity detected by the detector is composed of an emission, a reflection and a transmission component, namely intensity emitted by the sample itself, intensity incident on and reflected from the front half-space, and intensity from the back hemisphere to the sample falls and is transmitted by this.
  • three measurements must be carried out.
  • the emissivity measured in the wavelength range from 2 ⁇ to about 4 ⁇ depends on the temperature. The higher the temperature, the higher the emission. At 600 ° C, the normal emissivity in the wavelength range from 2 ⁇ to 4 ⁇ is above 0.6. At 1000 ° C, the normal emissivity in the entire wavelength range between 2 pm and 8 ⁇ m is above 0.75.
  • the conductor 302 is made of a tantalum sheet by cutting it with a laser beam into a molding.
  • the fitting has a geometrically fixed shape; it is integrally formed and has the shape of an Archimedean spiral, in which adjacent portions of the conductor 302 have a distance a of 2 mm.
  • the conductor 302 has a cross-sectional area of at least 0.02 mm 2 at a width of 1 mm and a thickness of 20 ⁇ .
  • the contacts have a cross-sectional area of at least 0.5 mm 2 .
  • the conductor track 302 is fixedly connected to the substrate 301 by applying a cover layer 303 made of glass to the surface 304 of the substrate 301 provided with the conductor track.
  • the cover layer 303 is made of a glass whose thermal expansion coefficient is in a range between the thermal expansion coefficient of the substrate and the thermal expansion coefficient of the wiring.
  • the thermal expansion coefficient of the substrate 301 is 0.54 10 -6 K -1
  • the thermal expansion coefficient of the conductor 302 is 6.4 10 -6 K -1
  • the thermal expansion coefficient of the cover layer 303 is approx 0.54 10 "6 K -1.
  • the cover layer 303 has an average layer thickness of 1 to 8 mm.
  • the cover layer 303 covers the entire heating area of the substrate 301. It covers the conductor 302 and thus fully shields the conductor 302 from chemical or mechanical influences from the environment.
  • FIG. 4 shows a side view of a third embodiment of an infrared surface radiator according to the invention, to which the reference numeral 400 as a whole is assigned.
  • the infrared surface radiation 400 comprises a substrate 301, as described in the description of FIG. 3, as well as a conductor track 402 and a cover layer 403.
  • the track 402 is connected to the substrate surface 404 via a glass solder 407.
  • the conductor track 402 shows a meander-shaped course which covers a heating surface of the substrate 301 so tightly that a uniform spacing of 1.5 mm remains between adjacent conductor track sections.
  • the conductor 402 has a cross-sectional area of 0.05 mm 2 with a width of 1 mm and a thickness of 50 ym.
  • Glass solders are low-softening glasses; they belong to the group of adhesives.
  • the glass soldering process is similar to soldering metals. Due to the low softening temperature of the glass solder this is liquid at the processing temperature. The substrate, however, is solid at the processing temperature.
  • a glass paste of glass powder and an organic binder is used, for example, the glass solder no. G018-385 Schott AG, Mainz, Germany.
  • This glass solder has a thermal expansion coefficient ⁇ (20-300) of 8.4 ppm / K, a density of 3.14 g / cm 3 , a glass transition temperature of 992 ° C and a melting temperature of 1000 ° C.
  • the conductor track is first produced as a shaped piece by punching out of a sheet of high-temperature steel. Subsequently, it is heated to the surface of the substrate 301 and applied a glass solder layer. On the glass solder layer, the track 402 is on and this together with the glass solder layer heated until the glass solder layer softens so that upon cooling of the glass solder layer, a joint between glass solder layer and substrate 301 on the one hand and glass solder layer and tracks 402 on the other.
  • FIG. 5 shows a side view of a fourth embodiment of an infrared surface radiator 500 according to the invention, in which conductor track 402 and substrate 501 are mechanically connected to one another by being pressed in.
  • the substrate 501 is made of the same material as the substrate 301 of FIG. 3. It differs from the substrate 301 known from FIG. 3 in that the surface of the substrate 501 is provided with a groove 502 corresponding to the geometric shape of the conductor 402.
  • the groove width at the base is 1, 2 mm; the groove depth is 0.04 mm.
  • the side surfaces of the groove 502 are slightly inclined; This facilitates the mechanical connection between conductor 402 and substrate 501.
  • a cover layer 503 made of quartz glass is applied on the surface of the substrate 502 and the conductor 402, a cover layer 503 made of quartz glass is applied. In an alternative embodiment (not shown) no cover layer is provided.
  • the cover layer 503 has the function of protecting the track 402 from chemical and mechanical influences.
  • conductor tracks made of highly heat-resistant steel or molybdenum disilicide have a high temperature resistance, so that it is possible to dispense with a cover layer.

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Abstract

Bekannte Verfahren zur Herstellung eines Infrarotflächenstrahlers mit einem Substrat aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, auf dessen Oberfläche eine Leiterbahn aus einem elektrisch leitenden und bei Stromdurchfluss wärmeerzeugenden Widerstandsmaterial aufgebracht ist umfassen die Verfahrensschritte: (a) Bereitstellen des Substrats, (b) Aufbringen der Leiterbahn auf eine Oberfläche des Substrats. Um hiervon ausgehend ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines Infrarotflächenstrahlers anzugeben, der eine homogene Strahlungsemission bei hoher Strahlungsleistung pro Flächeneinheit zeigt, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass gemäß Verfahrensschritt (a) ein Substrat bereitgestellt wird, das aus einem Komposit-Werkstoff gefertigt ist, der eine amorphe Matrixkomponente sowie eine Zusatzkomponente in Form eines Halbleitermaterials umfasst, und dass die Leiterbahn als Formstück mit geometrisch fester Form bereitgestellt wird, das gemäß Verfahrensschritt (b) derart auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht wird, dass Leiterbahn und Substrat dauerhaft miteinander verbunden sind.

Description

Infrarotflächenstrahler und Verfahren zur Herstellung des Infrarotflächenstrahlers Technischer Hinterqrund
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Infrarotflächenstrahlers mit einem Substrat aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, auf dessen Oberfläche eine Leiterbahn aus einem elektrisch leitenden und bei Stromdurchfluss wärmeerzeugenden Widerstandsmaterial aufgebracht ist, umfassend die Verfahrensschritte:
(a) Bereitstellen des Substrats,
(b) Aufbringen der Leiterbahn auf eine Oberfläche des Substrats.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen Infrarotflächenstrahler mit einem Substrat aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, auf dessen Oberfläche eine Leiterbahn aus einem elektrisch leitenden und bei Stromdurchfluss wärmeerzeugenden Widerstandsmaterial aufgebracht ist.
Infrarotflächenstrahler im Sinne der Erfindung zeigen eine flächig ausgedehnte zwei- oder dreidimensionale Abstrahlcharakteristik; sie werden beispielsweise zum Polymerisieren von Kunststoffen oder zum Aushärten von Lacken oder zum Trocknen von Farben auf einem Heizgut eingesetzt, aber auch zur thermischen Behandlung von Halbleiterscheiben in der Halbleiter- oder Photovoltaik-Industrie.
Erfindungsgemäße Infrarotstrahler können aufgrund ihrer besonderen, insbesondere flächenhaften Abstrahlcharakteristik einfach an die Geometrie einer zu beheizenden Oberfläche eines Heizguts angepasst werden, sodass eine homogene Bestrahlung zwei- oder dreidimensional gestalteter Heizgut-Oberflächen ermöglicht wird.
Im Gegensatz zu Infrarotflächenstrahlern, bei denen ein elektrisches Widerstandselement aus einem Widerstandsmaterial das eigentliche Heizelement des Infrarotflächenstrahlers bildet, dient bei erfindungsgemäßen Infrarotflächenstrahlern das Widerstandselement zur Erwärmung eines anderen Bauteils, das hier als „Substrat" bezeichnet wird. Der Wärmetransport vom elektrischen Widerstandselement zu dem Substrat kann auf Wärmeleitung, Konvektion und/oder Wärmestrahlung beruhen.
Stand der Technik Bekannte Infrarotflächenstrahler weisen häufig mehrere Infrarotstrahler mit einem zylinderförmigen Strahlerrohr aus Quarzglas auf. Bei diesen Flächenstrahlern sind die Strahlerrohre so angeordnet, dass ihre Längsachsen parallel zueinander in einer Ebene verlaufen, wodurch eine flächige Lampenanordnung erhalten wird, deren Geometrie an die eines zu bestrahlenden Heizguts anpassbar ist. Innerhalb des Strahlerrohrs befindet sich meist ein wendeiförmiger Widerstandsdraht, der keinen oder keinen wesentlichen Kontakt zum Strahlerrohr hat. Die Wärmeübertragung vom Widerstandsdraht zum Strahlerrohr erfolgt im Wesentlichen durch Wärmestrahlung.
Darüber hinaus sind Infrarotflächenstrahler bekannt, bei denen ein Heizelement unmittelbar auf einen Träger (Substrat) aufgebracht ist. Das Substrat kann unterschiedliche Raumformen haben; es kann beispielsweise plattenförmig, kachelför- mig, planar, rohr- oder polyederförmig ausgestaltet sein. Das Heizelement dieser Strahler steht in unmittelbarem Kontakt mit dem Träger, sodass eine Wärmeübertragung von der Leiterbahn auf den Träger vorrangig durch Wärmeleitung erfolgt. Aus der WO 1999/025154 A1 ist ein solcher Infrarotflächenstrahler bekannt, bei dem ein elektrisches Widerstandselement in direktem Kontakt mit einem Substrat aus Quarzglas steht. Das Widerstandelement hat beispielsweise Mäanderform und wird über Folien-, Siebdruck- oder Dünnschichttechnik auf die Substrat- Oberfläche aufgebracht und anschließend eingebrannt. Die Leiterbahn steht dabei in flächenhaftem, unmittelbarem Kontakt mit dem Quarzglas-Substrat, sodass der Wärmeübertrag von dem Widerstandselement auf das Quarzglas-Substrat überwiegend durch Wärmeleitung und Konvektion erfolgt, was sich auf die Leistungseffizienz positiv auswirken kann. Ein Substrat aus Quarzglas besitzt eine gute Korrosions-, Temperatur- und Temperaturwechselbeständigkeit und es steht in hoher Reinheit zur Verfügung. Daher bietet es sich auch bei Hochtemperatur-Heizprozessen mit hohen Anforderungen an Reinheit und Inertheit als Substratmaterial für einen Infrarotstrahler an. Aller- dings zeigt Quarzglas grundsätzlich eine vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit und wird sogar als Wärmeisolator eingesetzt. Daher besteht bei dünnen Substrat-Wandstärken die Gefahr einer inhomogenen Wärmeverteilung, die sich im Extremfall auf der gegenüberliegenden Substrat-Seite als Abbildung der Form des elektrischen Widerstandselements zeigt. Dem kann nur durch eine hohe Bele- gungsdichte mit Leiterbahnen begegnet werden, was aber kostspielig ist. Bei dicken Substrat-Wandstärken leidet hingegen die Leistungseffizienz und die Reaktionszeit (das heißt, es sind keine schnellen Temperaturwechsel möglich, die ein rasches Aufheizen und Abkühlen des Substrats voraussetzen).
Die auf das Substrat aufgebrachten Leiterbahnen haben meist eine geringe Quer- schnittsfläche, sodass sie aufwendig zu fertigen sind und bei mechanischer Beanspruchung eine geringe Widerstandsfähigkeit aufweisen. Daher ist es möglich, dass während des Herstellungsvorgangs eine fehlerhafte Leiterbahn auf das Substrat aufgebracht wird. Das Aufbringen fehlerhafter Leiterbahnen auf ein Substrat geht mit hohem Ausschuss und hohen Herstellungskosten einher. Dies gilt insbesondere für Leiterbahnen, die unter Einsatz von Drucktechniken hergestellt sind - beispielsweise mittels Siebdruck oder Tintenstrahldruck -, bei denen eventuelle Fehler im Heizelement erst nach Abschluss des Druckvorgangs und damit nach dem Aufbringen auf das Substrat feststellbar sind. Darüber hinaus ist die Herstellung gedruckter Leiterbahnen kostenintensiv, da die zum Druck ver- wendete Tinte häufig hohe Anteile an Edelmetallen enthält, beispielsweise Platin, Gold oder Silber.
Häufig werden gedruckte Leiterbahnen auf eine Kunststofffolie aufgebracht. Eine auf einen Kunststoff aufgebrachte Leiterbahn hat bei der Herstellung von Infrarotflächenstrahlern darüber hinaus den Nachteil, dass diese nur in einem engen Temperaturbereich einsetzbar ist, da Kunststofffolien in der Regel nur eine begrenzte Temperaturbeständigkeit aufweisen. Insbesondere bei Leiterbahnen, die das Widerstandselement eines Heizelements bilden, hat sich daher der Einsatz von Leiterbahnen-Folien als nachteilig erwiesen.
Technische Aufgabe
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines Infrarotflächenstrahlers anzugeben, der eine homogene Strahlungsemission bei hoher Strahlungsleistung pro Flächeneinheit zeigt.
Darüber hinaus liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Infrarotflächenstrahler anzugeben, der eine hohe Strahlungsleistung pro Flächenein- heit aufweist, und insbesondere bei dünnen Substrat-Wandstärken ein homogenes Aufheizen ermöglicht.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung eines Infrarotstrahlers wird die oben genannte Aufgabe ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gat- tung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass gemäß Verfahrensschritt (a) ein Substrat bereitgestellt wird, das aus einem Komposit-Werkstoff gefertigt ist, der eine amorphe Matrixkomponente sowie eine Zusatzkomponente in Form eines Halbleitermaterials umfasst, und dass die Leiterbahn als Formstück mit geometrisch fester Form bereitgestellt wird, das gemäß Verfahrensschritt (b) derart auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht wird, dass Leiterbahn und Substrat dauerhaft miteinander verbunden sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zu Grunde, dass ein Infrarotflächenstrahler mit hoher Strahlungsleistung, wie beispielsweise einer Strahlungsleistung oberhalb von 150.000 W/m2, besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden kann, wenn dieser einerseits aus einem thermisch anregbaren Werkstoff gefertigt ist und andererseits die Leiterbahn als Halbzeug bereitgestellt wird.
Dadurch, dass die Leiterbahn als vorgefertigtes Formstück mit geometrisch fester Form bereitgestellt wird, ist es möglich, Fertigungsfehler, die bei der Herstellung der Leiterbahn auftreten können, frühzeitig zu erkennen. Insbesondere gegenüber einer unter Einsatz von Drucktechniken hergestellten Leiterbahn ist es möglich, die Leiterbahn-Formstücke vor dem Verfahrensschritt des Fügens mit dem Substrat auf ihre Funktionsfähigkeit zu überprüfen. Als separates Bauteil kann die Lei- terbahn beispielsweise einfach mit einer Spannung beaufschlagt werden. Hierdurch ist es möglich, eine fehlerhafte Leiterbahn auszusortieren, und zwar bevor die fehlerhafte Leiterbahn mit dem Substrat verbunden wird, sodass die Entstehung von Ausschuss verringert und dadurch Herstellungskosten gesenkt werden können. Gegenüber gedruckten Leiterbahnen hat eine vorgefertigte, als Halbzeug bereitgestellte Leiterbahn weiterhin den Vorteil, dass auf den Einsatz kostenintensiver Werkstoffe verzichtet werden kann, beispielsweise auf teure Drucktinte, die einerseits meist einen hohen Anteil von Edelmetallen, beispielsweise Platin, aufweist und an die andererseits hohe Anforderungen hinsichtlich ihrer Eignung als Tinte bestehen.
Die Herstellung einer Leiterbahn kann durch verschiedene Fertigungsmethoden erfolgen, beispielsweise durch Stanzen, Laserstrahlschneiden oder Gießen. Vorzugsweise ist das Formstück aus einem Blech unter Einsatz eines thermischen Trennverfahrens oder durch Stanzen hergestellt. Der Einsatz thermischer Trenn- oder Stanzverfahren ermöglicht die Fertigung von Leiterbahnen in hoher Stückzahl und trägt so dazu bei, Material- und Fertigungskosten gering zu halten.
Durch den möglichen Einsatz verschiedener Fertigungsmethoden können auch Werkstoffe zu einer Leiterbahn verarbeitet werden, die mittels Drucktechniken kaum oder nur aufwendig zu verarbeiten sind. Dadurch, dass die Leiterbahn aus einem elektrisch leitenden und bei Stromdurchfluss wärmeerzeugenden Widerstandsmaterial gefertigt ist, wirkt diese als Heizelement. Ein flächig, homogen abstrahlender Infrarotstrahler mit hoher Strahlungsleistung wird allerdings erst dann erhalten, wenn die Leiterbahn mit dem Substrat in Verbindung gebracht wird. Erfindungsgemäß wird die Leiterbahn als Formstück auf die Oberfläche des Sub- strats aufgebracht und mit dem Substrat dauerhaft verbunden. Dabei kann die Leiterbahn mit dem Substrat sowohl mechanisch als auch thermisch gefügt wer- den oder über eine nicht-leitende Schicht verbunden werden. Im einfachsten Fall ist die Leiterbahn dem Substrat in losem Verbund angefügt.
Die Leiterbahn wirkt als„lokales" Heizelement, mit dem zumindest ein Teilbereich des Substrats lokal erwärmt werden kann. Die Leiterbahn ist derart dimensioniert, dass sie einen Teil des Substrats erwärmt, der aus dem Komposit-Werkstoff gefertigt ist. Dabei bildet der von der Leiterbahn erwärmte Teil des Substrats das eigentliche, Infrarotstrahlung emittierende Element. Dadurch, dass die Leiterbahn im Verbund mit dem Substrat in unmittelbarem Kontakt mit der Substrat- Oberfläche steht, wird ein besonders kompakter und damit kostengünstig zu ferti- gender Infrarotflächenstrahler erhalten.
Der Wärmetransport vom elektrischen Widerstandselement zur Trägerhorde erfolgt in erster Linie durch Wärmeleitung; er kann aber auch auf Konvektion und oder Wärmestrahlung beruhen.
Dadurch, dass das Substrat eine amorphe Matrixkomponente sowie eine Zusatz- komponente in Form eines Halbleitermaterials umfasst, wird ein Substrat erhalten, welches einen energiereichen, angeregten Zustand einnehmen kann, in dem eine Emission von Infrarotstrahlung mit hoher Strahlungsleistung besonders begünstigt ist. Die Zusammensetzung des Komposit-Werkstoffs ist so gewählt, dass der Komposit-Werkstoff das eigentliche Infrarotstrahlung emittierende Element bildet. Dabei enthält der Komposit-Werkstoff folgende Komponenten:
• Die amorphe Matrixkomponente stellt hinsichtlich Gewicht und Volumen den größten Anteil des Komposit-Werkstoffs dar. Sie bestimmt maßgeblich die mechanischen und chemischen Eigenschaften des Komposit-Werkstoffs; beispielsweise dessen Temperaturbeständigkeit, Festigkeit und Korrosions- eigenschaften. Dadurch, dass die Matrixkomponente amorph ist - sie besteht vorzugsweise aus Glas - kann die geometrische Gestalt des Substrats im Vergleich zu einem Substrat aus kristallinen Werkstoffen einfacher an die Anforderungen bei der spezifischen Anwendung des erfindungsgemäßen Infrarotflächenstrahlers angepasst werden. Die Matrixkomponente kann aus undotiertem oder dotiertem Quarzglas bestehen und gegebenenfalls außer S1O2 in einer Menge bis maximal 10 Gew.- % andere oxidische, nitridische oder carbidische Komponenten enthalten. Gemäß der Erfindung ist darüber hinaus vorgesehen, dass in die Matrixkom- ponente eine Zusatzkomponente in Form eines Halbleitermaterials eingelagert ist. Sie bildet eine eigene, in die amorphe Matrixkomponente dispergier- te amorphe oder kristalline Phase.
Ein Halbleiter weist ein Valenzband und ein Leitungsband auf, die durch eine verbotene Zone mit einer Breite von bis zu ΔΕ » 3 eV voneinander getrennt sein können. Die Breite der verbotenen Zone beträgt beispielsweise bei Ge 0,72 eV, Si 1 ,12 eV, InSb 0,26 eV, GaSb 0,8 eV, AlSb 1 ,6 eV, CdS 2,5 eV. Die Leitfähigkeit eines Halbleiters hängt davon ab, wie viele Elektronen die verbotene Zone überspringen und aus dem Valenzband in das Leitungsband gelangen können. Grundsätzlich können bei Raumtemperatur nur wenige Elektronen die verbotene Zone überspringen und ins Leitungsband gelangen, sodass ein Halbleiter bei Raumtemperatur in der Regel nur eine geringe Leitfähigkeit aufweist. Das Ausmaß der Leitfähigkeit eines Halbleiters hängt aber wesentlich von dessen Temperatur ab. Steigt die Temperatur des Halbleitermaterials, steigt damit auch die Wahrscheinlichkeit, dass genügend Energie zur Verfügung steht, um ein Elektron aus dem Valenzband in das Leitungsband anzuheben. Daher nimmt bei Halbleitern die Leitfähigkeit mit steigender Temperatur zu. Halbleiter-Materialien zeigen bei ausreichend hohen Temperaturen daher eine gute elektrische Leitfähigkeit.
Die Zusatzkomponente ist als eigene Phase gleichmäßig oder gezielt un- gleichmäßig verteilt. Die Zusatzkomponente bestimmt maßgeblich die optischen und thermischen Eigenschaften des Substrats; genauer gesagt, sie bewirkt eine Absorption im infraroten Spektralbereich, das ist der Wellenlängenbereich zwischen 780 nm und 1 mm. Die Zusatzkomponente zeigt für mindestens einen Teil der Strahlung in diesem Spektralbereich eine Absorp- tion, die höher ist als die der Matrixkomponente. Die Phasenbereiche der Zusatzkomponente wirken in der Matrix als optische Störstellen und führen beispielsweise dazu, dass der Komposit-Werkstoff - je nach Schichtdicke - bei Raumtemperatur visuell schwarz oder grauschwärzlich erscheinen kann. Außerdem wirken die Störstellen selbst Wär- meabsorbierend.
Im Komposit-Werkstoff liegt die Zusatzkomponente bevorzugt in einer Art und Menge vor, die im Komposit-Werkstoff bei einer Temperatur von 600 °C einen spektralen Emissionsgrad ε von mindestens 0,6 für Wellenlängen zwischen 2 pm und 8 pm bewirkt. Ein besonders hoher Emissionsgrad ist erzielbar, wenn die Zusatzkomponente als Zusatzkomponenten-Phase vorliegt und eine nicht-sphärische Morphologie mit maximalen Abmessungen von im Mittel weniger als 20 pm, vorzugsweise jedoch mehr als 3 pm aufweist.
Die nicht-sphärische Morphologie der Zusatzkomponenten-Phase trägt dabei auch zu einer hohen mechanischen Festigkeit und zu einer geringen Rissbil- dungsneigung des Komposit-Werkstoffs bei. Die Angabe„maximale Abmessung" bezieht sich auf die in Schliff erkennbare längste Ausdehnung eines isolierten Bereichs mit Zusatzkomponenten-Phase. Der Medianwert aller längsten Ausdehnungen in einem Schliffbild bildet den oben genannten Mit- telwert.
Laut Kirchhoff schem Strahlungsgesetz entsprechen spektraler Absorptionsgrad x und spektraler Emissionsgrad s eines realen Körpers im thermischen Gleichgewicht einander. cu = ελ (1) Die Zusatzkomponente führt somit dazu, dass der S u bstrat- Werkstoff Infrarotstrahlung emittiert. Der spektrale Emissionsgrad ex lässt sich bei bekannten ge- richtet-hemisphärischen spektralen Reflexionsgrad Rgh und Transmissionsgrad Tgh wie folgt berechnen: £λ = 1- gh - Tgh (2)
Unter dem„spektralen Emissionsgrad" wird hierbei der„spektrale normale Emissionsgrad" verstanden. Dieser wird anhand eines Messprinzips ermittelt, das unter der Bezeichnung„Black-Body Boundary Conditions" (BBC) bekannt ist und veröf- fentlicht ist in„DETERMINING THE TRANSMITTANCE AND EMITTANCE OF TRANSPARENT AND SEMITRANSPARENT MATERIALS AT ELEVATED TEMPERATURES"; J. Manara, M. Keller, D. Kraus, M. Arduini-Schuster; 5th European Thermal-Sciences Conference, The Netherlands (2008).
Die amorphe Matrixkomponente hat im Komposit-Werkstoff, also in Verbindung mit der Zusatzkomponente, eine höhere Wärmestrahlungsabsorption als dies ohne die Zusatzkomponente der Fall wäre. Dadurch ergibt sich eine verbesserte Wärmeleitung von der Leiterbahn in das Substrat, eine schnellere Verteilung der Wärme und eine höhere Abstrahlungsrate auf das Substrat. Dadurch gelingt es, eine höhere Strahlungsleistung pro Flächeneinheit bereitzustellen und auch bei dünnen Substrat-Wandstärken und/oder bei einer vergleichsweise geringen Leiterbahn-Belegungsdichte eine homogene Abstrahlung und ein gleichförmiges Temperaturfeld zu erzeugen. Ein Substrat mit einer geringen Wandstärke verfügt über eine geringe thermische Masse und ermöglicht schnelle Temperaturwechsel. Eine Kühlung ist dafür nicht erforderlich. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt die Zusatzkomponente in einer Art und Menge vor, die im Komposit- Werkstoff bei einer Temperatur von 1000 °C einen spektraler Emissionsgrad ε von mindestens 0,75 für Wellenlängen zwischen 2 pm und 8 μιτι bewirkt.
Der Komposit-Werkstoff verfügt demnach über ein hohes Absorptions- und Emis- sionsvermögen für Wärmestrahlung zwischen 2 pm und 8 μιτι, also im Wellenlängenbereich der Infrarotstrahlung. Dies vermindert die Reflexion an den Komposit- Werkstoff-Oberf lachen, sodass sich unter der Annahme einer vernachlässigbar geringen Transmission ein Reflexionsgrad für Wellenlängen zwischen 2 pm und 8 pm und bei Temperaturen oberhalb von 1000 °C bei maximal 0,25 und bei Temperaturen von 600 °C von maximal 0,4 ergibt. Nicht reproduzierbare Aufhei- zungen durch reflektierte Wärmestrahlung werden so vermieden, was zu einer gleichmäßigen oder gewünscht ungleichmäßigen Temperaturverteilung beiträgt.
Es hat sich bewährt, wenn die Verbindung von Leiterbahn und Substrat mit einem Fügeverfahren erzeugt ist, vorzugsweise durch mechanisches Fügen, durch Kle- ben oder durch Schweißen.
Fügeverfahren vermitteln eine dauerhafte Verbindung von mindestens 2 Bauteilen. Dabei kann der Zusammenhalt zwischen den Bauteilen zumindest an einzelnen Fügestellen geschaffen werden. Erfindungsgemäß liegt die Leiterbahn als Formstück vor, das heißt sie hat eine geometrisch feste Form. Beim Fügen von Leiterbahn und Substrat kann das Substrat in einer geometrisch festen Form vorliegen oder als formloser Stoff. Vorzugsweise liegt auch das Substrat in geometrisch fester Form vor. Hierdurch wird eine besonders einfache Positionierung der Leiterbahn auf dem Substrat ermöglicht.
Leiterbahn und Substrat können vorteilhafterweise durch mechanisches Fügen, Kleben, Löten, Schweißen miteinander verbunden werden. Hinsichtlich des mechanischen Fügens hat sich besonders das Einpressen bewährt. Zu diesem Zweck kann das Substrat mit einer Vertiefung versehen sein, die mit der Form der Leiterbahn korrespondiert, beispielsweise mit einer Nut, in die die Leiterbahn ein- gepresst wird. Eine Verbindung eines Glas-Substrats mit einer Leiterbahn kann alternativ mit einem Glaslot erfolgen. Glaslote zeichnen sich durch eine besonders niedrige Erweichungstemperatur aus; sie können zur Herstellung thermisch erzeugter Verbindungen von Werkstoffen mit Gläsern eingesetzt werden. Das Herstellungsverfahren ist dem Löten von Metallen ähnlich, allerdings werden Glaslot- Verbindungen systematisch den Klebeverbindungen zugerechnet. Klebeverbindungen haben den Vorteil, dass sie besonders einfach herzustellen sind. Darüber hinaus können die Eigenschaften des Klebstoffs auf die Materialeigenschaften der zu verbindenden Werkstoffe abgestimmt werden. Beispielsweise ist der Wärmeausdehnungskoeffizient des Klebstoffes (Glaslots) so gewählt, dass er zwi- sehen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Leiterbahn und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats liegt. Eine Schweißverbindung wird durch Einbringen von Energie in die Leiterbahn und das Substrat erzeugt. Dabei werden sowohl die Leiterbahn als auch das Substrat zumindest teilweise aufgeschmolzen und beim Abkühlen im Schmelzbereich miteinander verbunden. Bei einer bevorzugten Modifikation des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Leiterbahn über eine nichtleitende Schicht mit der Oberfläche des Substrats verbunden wird.
Eine nichtleitende Schicht wirkt elektrisch als Isolator; sie kann zwar die von der Leiterbahn erzeugte Wärme zum Substrat transportieren, vermag aber selbst kaum Wärme zu erzeugen. Die nicht leitende Schicht trägt daher nur in begrenztem Umfang zur Erwärmung des Substrats bei. Der Hauptenergieeintrag erfolgt durch die Leiterbahn, sodass die geometrische Form der Leiterbahn einerseits den Bereich des Substrats festgelegt, der thermisch angeregt wird, und andererseits das Ausmaß des Wärmeeintrags in das Substrat bestimmt. Daher haben Abweichungen in der Schichtdicke der nichtleitenden Schicht, und insbesondere eine ungleichmäßige - möglicherweise nur teilweise - Auftragung der nichtleitenden Schicht auf das Substrat keinen wesentlichen Einfluss auf den Wärmeeintrag in das Substrat und die Substrat-Temperaturverteilung.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn zur Herstellung des Formstücks ein Blech aus Siliziumcarbid (SiC), Molybdändisilicid (M0S12), Tantal (Ta) oder hochtempera- turfester Stahl verwendet wird.
Die vorgenannten Werkstoffe Siliziumcarbid (SiC), Molybdändisilicid (M0S12), Tantal (Ta) oder hochtemperaturfestem Stahl sind im Vergleich zu Edelmetallen, wie beispielsweise Gold, Platin oder Silber, kostengünstig. Darüber hinaus sind die vorgenannten Werkstoffe nur aufwendig mit Druckverfahren zu verarbeiten, sie können allerdings einfach zu einem Formkörper umgeformt werden, der als Halbzeug bei der Herstellung des Infrarotflächenstrahlers eingesetzt werden kann. Darüber hinaus haben diese Materialien den Vorteil, dass sie an Luft oxidations- beständig sind, sodass eine zusätzliche, die Leiterbahn bedeckende Schicht (Deckschicht) zum Schutz der Leiterbahn nicht zwingend notwendig ist. Es hat sich allerdings als günstig erwiesen, wenn eine Deckschicht vorgesehen ist, die aus opakem Quarzglas gefertigt ist. Eine solche Deckschicht wirkt als diffuser Reflektor und sie schützt und stabilisiert gleichzeitig die Leiterbahn. Die Herstellung einer derartigen Deckschicht aus opakem Quarzglas ist beispielsweise in der WO 2006/021416 A1 beschrieben. Sie wird aus einer Dispersion erzeugt, die amorphe SiO2-Teilchen in einer Flüssigkeit enthält. Diese wird auf die der Leiterbahn zugewandte Oberfläche des Substrats aufgetragen, zu einer Grünschicht getrocknet und diese bei hoher Temperatur gesintert.
Vorteilhafterweise weist das Formstück einen Abschnitt mit einem spiral- oder mäanderförmigen Linienmuster auf. Hierdurch wird eine gleichmäßige Belegung der Substrat-Oberfläche mit einer einzigen Leiterbahn ermöglicht. Eine einzige Leiterbahn kann besonders einfach an eine Stromquelle angeschlossen und angesteuert werden.
Bei einer bevorzugten Modifikation des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor dem Aufbringen der Leiterbahn auf die Oberfläche des Trägers gemäß Verfahrensschritt (b) das Formstück an seinen Enden mit einer Leitungsbahn versehen, deren Querschnittsfläche größer ist als die Querschnittsfläche des Linienmusters.
Vorzugsweise erstreckt sich das Linienmuster in einer Ebene. Um die elektrische Kontaktierung der Leiterbahn zu erleichtern, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Leiterbahn im Bereich ihrer elektrischen Kontaktierung eine geringere Temperatur als im Heizbereich aufweist. Um dies zu ermöglichen, kann die Leiterbahn mit einer Leitungsbahn versehen werden, die eine größere Querschnittsfläche als die Leiterbahn hat. Aufgrund ihrer größeren Querschnittsfläche weist die Leitungsbahn einen geringeren Widerstand auf; sie wird daher wesentlich weniger erwärmt als die Leiterbahnen selbst.
Die Leiterbahn und die Leitungsbahn können eine Einheit bilden, die einstückig oder mehrstückig ausgebildet ist. Eine einstückige Einheit von Leiterbahn und Leitungsbahn kann in einem einzigen Verfahrensschritt gefertigt werden, beispielsweise durch Ausstanzen aus einem Blech oder durch Laserstrahlschneiden. In diesem Fall weist bei vorgegebener Blechdicke die Leitungsbahn beispielsweise eine größere Breite als die Leiterbahn auf. Alternativ ist es auch möglich, Leiter- bahn und Leitungsbahn in einem zusätzlichen Verfahrensschritt miteinander zu verbinden, bevor sie als Einheit auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht werden. Beispielsweise können Leitungsbahn und Leiterbahn miteinander verschweißt werden. Es hat sich als günstig erwiesen, wenn an den Leiterbahn-Enden Kontaktelemente vorgesehen sind. Kontaktelemente dienen der vereinfachten elektrischen Kon- taktierung der Leiterbahn; sie bilden vorzugsweise ein Steckelement einer Steckverbindung. Die Steckverbindung dient der lösbaren Verbindung des Kontaktelements mit einer elektrischen Stromzuführung. Hierdurch wird ein einfaches Tren- nen und Verbinden der Leiterbahn mit einer elektrischen Zuleitung, insbesondere mit einer Strom-/Spannungsquelle, ermöglicht.
Dabei hat sich als günstig erwiesen, wenn die Leitungsbahn aus demselben Werkstoff wie die Leiterbahn gefertigt ist.
Eine Verbindung von Leitungsbahn und Leiterbahn kann besonders einfach her- gestellt werden, wenn beide Bauteile aus demselben Material gefertigt sind, beispielsweise durch Löten.
Hinsichtlich des Infrarotflächenstrahlers wird die oben genannte Aufgabe ausgehend von einem Infrarotflächenstrahler der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Substrat aus einem Korn posit- Werkstoff gefertigt ist, der eine amorphe Matrixkomponente sowie eine Zusatzkomponente in Form eines Halbleitermaterials umfasst, und dass die Leiterbahn als Formstück geometrisch fester Form derart auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht ist, dass Leiterbahn und Träger dauerhaft miteinander verbunden sind.
Der erfindungsgemäße Infrarotflächenstrahler weist einerseits ein Substrat aus einem thermisch anwendbaren Werkstoff und andererseits eine mit dem Substrat verbundene Leiterbahn geometrisch fester Form auf.
Dadurch, dass die Leiterbahn ein Formstück mit geometrisch fester Form ist, weist diese eine besonders hohe mechanische Stabilität auf; sie kann darüber hinaus mit hoher Genauigkeit gefertigt werden. Gegenüber gedruckten Leiterbahnen hat eine vorgefertigte, als Halbzeug bereitgestellte Leiterbahn weiterhin den Vorteil, dass auf den Einsatz kostenintensiver Werkstoffe verzichtet werden kann, beispielsweise auf teure Drucktinte, die einerseits meist einen hohen Anteil von Edelmetallen, beispielsweise Platin, aufweist und an die andererseits hohe Anforderungen hinsichtlich ihrer Eignung als Tinte bestehen.
Die Herstellung der Leiterbahn kann durch verschiedene Fertigungsmethoden erfolgen, beispielsweise durch Stanzen, Laserstrahlschneiden oder Gießen. Die Leiterbahn bildet in Verbindung mit dem Substrat einen flächigen, homogen ab- strahlenden Infrarotstrahler; sie wirkt als„lokales" Heizelement, mit dem zumindest ein Teilbereich des Substrats lokal erwärmt werden kann. Die Leiterbahn ist derart dimensioniert, dass sie einen Teil des Substrats erwärmt, der aus einem besonderen Werkstoff gefertigt ist, nämlich einem Komposit-Werkstoff, der eine amorphe Matrixkomponente und eine Zusatzkomponente in Form eines Halb- leitermaterials umfasst. Der Komposit-Werkstoff bildet das eigentliche Infrarotstrahlung emittierende Element. Dadurch, dass das Substrat eine amorphe Matrixkomponente sowie eine Zusatzkomponente in Form eines Halbleitermaterials umfasst, wird ein Substrat erhalten, welches einen energiereichen, angeregten Zustand einnehmen kann, der eine Emission von Infrarotstrahlung besonders be- günstigt. Hinsichtlich der Zusammensetzung des Komposit-Werkstoffs wird auf die obigen Erläuterungen zu dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Infrarotflächenstrahlers ist vorgesehen, dass auf das Substrat mehrere Leiterbahnen mit geometrisch fester Form aufgebracht sind, die jeweils individuell elektrisch ansteuer- bar sind.
Das Vorsehen mehrerer Leiterbahnen ermöglicht eine individuelle Ansteuerung und eine Anpassung der mit dem Infrarotflächenstrahler erreichbaren Bestrahlungsstärke. Einerseits kann durch geeignete Wahl der Abstände benachbarter Leitungsbahn-Abschnitte die Strahlungsleistung des Substrats eingestellt werden. Hierbei werden Abschnitte des Substrats unterschiedlich stark erwärmt, sodass diese Infrarot-Strahlung mit unterschiedlichen Bestrahlungsstärken emittieren. Alternativ können die Leiterbahnen individuell elektrisch angesteuert werden, sodass diese mit unterschiedlichen Betriebsspannungen oder Betriebsstromstärken betrieben werden. Es hat sich nämlich gezeigt, dass insbesondere die Randbereiche des Substrats häufig geringe erwärmt werden als der Mittenbereich des Sub- strats. Eine mögliche Ursache hierfür ist, dass im Randbereich gegenüber seiner Umgebung ein größerer Temperaturgradient besteht, sodass der Randbereich schneller abkühlt als beispielsweise der Mittenbereich des Infrarotflächenstrahlers. Eine Variation der an den jeweiligen Leiterbahnen anliegenden Betriebsspannungen bzw. Betriebsströme ermöglicht eine einfache und schnelle Anpassung der Substrat-Temperaturverteilung.
Es hat sich bewährt, wenn die amorphe Matrixkomponente Quarzglas ist, und das Halbleitermaterial in elementarer Form vorliegt, wobei der Gewichtsanteil des Halbleitermaterials im Bereich zwischen 0,1 % bis 5 % liegt.
In diesem Zusammenhang hat es sich als günstig erwiesen, wenn die amorphe Matrixkomponente und die Zusatzkomponente bei Temperaturen unterhalb von 600 °C elektrisch isolierende Eigenschaften besitzen.
Quarzglas ist ein elektrischer Isolator und besitzt neben einer hohen Festigkeit eine gute Korrosions-, Temperatur- und Temperaturwechselbeständigkeit; es steht darüber hinaus in hoher Reinheit zu Verfügung. Daher bietet es sich auch bei Hochtemperatur-Heizprozessen mit Temperaturen bis zu 1.100 °C als Matrixmaterial an. Eine Kühlung ist nicht erforderlich.
Die feinteiligen Bereiche einer Halbleiter-Phase wirken in der Matrix einerseits als optische Störstellen und führen dazu, dass der Substrat-Werkstoff - je nach Schichtdicke - bei Raumtemperatur visuell schwarz oder grau-schwärzlich er- scheint. Andererseits haben die Störstellen auch Auswirkungen auf die Wärmeabsorption des Komposit-Werkstoffs insgesamt. Dies ist im Wesentlichen auf die Eigenschaften der fein verteilten Phasen aus dem elementar vorliegenden Halbleiter zurückzuführen, wonach zum einen die Energie zwischen Valenzband und Leitungsband (Bandlückenenergie) mit der Temperatur abnimmt und zum anderen bei ausreichend hoher Aktivierungsenergie Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband gehoben werden, was mit einem deutlichen Anstieg des Absorpti- onskoeffizienten einhergeht. Die thermisch aktivierte Besetzung des Leitungsbandes führt dazu, dass das Halbleitermaterial bei Raumtemperatur für bestimmte Wellenlängen (wie etwa ab 1.000 nm) in gewissem Umfang transparent sein kann und bei hohen Temperaturen undurchsichtig wird. Mit steigender Temperatur des Komposit-Werkstoffs können daher Absorption und Emissionsgrad sprungartig zunehmen. Dieser Effekt hängt unter anderem von der Struktur (amorph/kristallin) und Dotierung des Halbleiters ab.
Vorzugsweise ist die Zusatzkomponente elementares Silizium. Reines Silizium zeigt beispielsweise ab etwa 600 °C eine merkliche Emissionszunahme, die ab etwa 1.000 °C eine Sättigung erreicht.
Das Halbleitermaterial und insbesondere das vorzugsweise eingesetzte, elementare Silizium bewirken daher eine Schwarzfärbung der glasigen Matrixkomponente und zwar bei Raumtemperatur, aber auch bei erhöhter Temperatur oberhalb von beispielsweise 600 °C. Dadurch wird eine gute Abstrahlungscharakteristik im Sin- ne einer breitbandigen, hohen Emission bei hohen Temperaturen erreicht. Das Halbleitermaterial, bevorzugt das elementare Silizium, bildet dabei eine in der Matrix dispergierte, eigene Si-Phase. Diese kann mehrere Halbmetalle oder Metalle enthalten (Metalle jedoch maximal bis zu 50 Gew.-%, besser nicht mehr als 20 Gew.-%; jeweils bezogen auf den Gewichtsanteil der Zusatzkomponente) da- bei zeigt der Komposit-Werkstoff keine offene Porosität, sondern allenfalls eine geschlossene Porosität von weniger als 0,5 % und eine spezifische Dichte von mindestens 2,19 g/cm3. Er ist daher für Trägerhorden geeignet, bei denen es auf Reinheit oder Gasdichtheit des Werkstoffs ankommt, aus dem die Trägerhorde gefertigt ist. Die Wärmeabsorption des Komposit-Werkstoffs hängt vom Anteil der Zusatzkomponente ab. Der Gewichtsanteil der Zusatzkomponente sollte daher vorzugsweise mindestens 0,1 % betragen. Andererseits kann ein hoher Volumenanteil der Zusatzkomponente die chemischen und mechanischen Eigenschaften der Matrix beeinträchtigen. Im Hinblick darauf liegt der Gewichtsanteil der Zusatzkomponen- te bevorzugt im Bereich zwischen 0,1 % und 5 %. Es hat sich besonders bewährt, wenn die amorphe Matrixkomponente Quarzglas ist und vorzugsweise eine chemische Reinheit von mindestens 99,99 % S1O2 und einen Cristobalit-Gehalt von höchstens 1 % besitzt. Durch einen niedrigen Cristobalit-Gehalt der Matrix von 1 % oder weniger wird eine geringe Entglasungsnei- gung und damit eine geringe Rissbildungsgefahr beim Einsatz als Infrarotflächenstrahler gewährleistet damit wird auch hohen Anforderungen an Partikelfreiheit, Reinheit und Inertheit genügt, wie sie in der Regel bei Halbleiterfertigungsprozessen bestehen.
Ausführungsbeispiel Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt in schematischer Darstellung
Figur 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Infrarotflächenstrahlers, auf dessen Substrat-Oberfläche ein vorgefertigtes Leiterbahn-Formstück aufgebracht ist, Figur 2 eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Infrarotflächenstrahlers, bei dem eine vorgefertigte Leiterbahn als Formstück bereitgestellt und mit der Oberfläche des Substrats verbunden wird,
Figur 3 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfmdungs- gemäßen Infrarotflächenstrahlers, bei der auf die mit einer Leiterbahn belegte Oberfläche eine Glasschicht aufgebracht ist,
Figur 4 eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Infrarotflächenstrahlers, bei der die Leiterbahn über ein Glaslot mit der Substrat-Oberfläche verbunden ist, und Figur 5 eine Seitenansicht einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Infrarotflächenstrahler, bei der die Leiterbahn und das Substrat mechanisch durch Einpressen miteinander verbunden sind. Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Infrarotflächenstrahlers, dem insgesamt die Bezugsziffer 100 zugeordnet ist. Der Infrarotflächenstrahler 100 weist ein plattenförmiges Substrat 101 , eine Leiterbahn 102 und zwei Leitungsbahnen 103a, 103b zur elektrischen Kontaktierung der Leiterbahn 5 102 auf.
Das plattenförmige Substrat 101 umfasst eine amorphe Matrixkomponente in Form von Quarzglas. In die Matrixkomponente ist eine Phase aus elementarem Silizium in Form nicht-sphärischer Bereiche homogen verteilt. Das plattenförmige Substrat 101 hat eine Länge I von 100 mm, eine Breite b von 100 mm und eine0 Dicke von 2 mm.
Die Leiterbahn 102 ist aus einem Stück gefertigt; sie bildet ein ebenes, flächen- haftes, dreidimensionales Formstück, das einfach auf das plattenförmige Substrat 101 aufgelegt werden kann. Die Leiterbahn 102 ist aus hochwarmfesten Stahl (2.4816) gefertigt und durch Ausstanzen aus einer Stahlplatte-Platte erzeugt. An5 den Enden der Leiterbahn 102 ist jeweils eine Leitungsbahn 103a, 103b angeordnet, die zusammen mit der Leiterbahn 102 aus der Stahl-Platte ausgestanzt wurde. Bei einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers (in Figur 1 nicht dargestellt) sind die Leitungsbahnen 03a, 103b an Enden der Leiterbahn 102 angeschweißt. Das Herstellungsverfahren für einen Infrarotflä-0 chenstrahler mit angeschweißten Leitungsbahnen wird nachfolgend anhand von Figur 2 näher beschrieben.
Sofern bei den in anderen Figuren gezeigten Ausführungsformen dieselben Bezugsziffern wie in Figur 1 verwendet sind, so sind damit baugleiche oder äquivalente Bauteile und Bestandteile bezeichnet, wie sie oben anhand der Beschrei-5 bung der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Infrarotflächenstrahler näher erläutert sind.
Anhand von Figur 2 wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des Infrarotflächenstrahlers 100 an einem Beispiel näher erläutert.
Herstellung des Substrats 101 (Halbzeug 1 ) Die Herstellung erfolgt anhand des Schlickergießverfahrens, wie es in der WO 2015/067 688 A1 beschrieben ist. Amorphe Quarzglaskörnung wird vorab in einem Heißchlorierverfahren gereinigt, wobei darauf geachtet wird, dass der Cristo- balitgehalt unter 1 Gew.-% liegt. Quarzglaskörnung mit Korngrößen im Bereich zwischen 250 μιη und 650 μιη wird mit deionisiertem Wasser nassgemahlen, sodass sich ein homogener Grundschiicker mit einem Feststoffgehalt von 78 % bildet.
Anschließend werden aus dem Grundschiicker die Mahlkugeln entfernt und es wird ein Zuschlag in Form von Silizium-Pulver in einer Menge zugemischt, bis ein Feststoffgehalt von 83 Gew.-% erreicht ist. Das Silizium-Pulver enthält hauptsächlich nicht-sphärische Pulverteilchen mit enger Teilchengrößenverteilung, deren D97-Wert bei etwa 10 pm liegt und dessen Feinanteil mit Teilchengrößen von weniger als 2 μιη vorab entfernt worden ist.
Der mit dem Silizium-Pulver gefüllte Schlicker wird weitere 12 Stunden homogeni- siert. Der Gewichtsanteil des Silizium-Pulvers am gesamten Feststoffgehalt liegt bei 5 %. Die SiO2-Teilchen im fertig homogenisierten Schlicker zeigen eine Teilchengrößenverteilung, die durch einen Dso-Wert von etwa 8 μιη und durch einen den D9o-Wert von etwa 40 μητι gekennzeichnet ist.
Der Schlicker wird in eine Druckgussform einer kommerziellen Druckgussmaschi- ne gegossen und über eine poröse Kunststoffmembran unter Bildung eines porösen Grünkörpers entwässert. Der Grünkörper hat Form einer Rechteckplatte. Zum Entfernen von gebundenem Wasser wird der Grünkörper bei etwa 90 °C 5 Tage lang in einem belüfteten Ofen getrocknet. Nach dem Abkühlen wird der erhaltende poröse Rohling mechanisch nahezu auf das Endmaß der herzustellenden Quarz- glas-Platte mit der Plattenstärke von 4 mm bearbeitet. Zum Sintern des Rohlings wird dieser in einem Sinterofen unter Luft innerhalb von 1 Stunde auf eine Heiztemperatur von 1390 °C aufgeheizt und bei dieser Temperatur 5 Stunden gehalten.
Die so erhaltene Quarzglas-Platte bildet das Substrat 101. Sie besteht aus einem gasdichten Komposit-Werkstoff mit einer Dichte von 2,1958 g/cm3, bei dem in einer Matrix aus opakem Quarzglas voneinander getrennte, nicht-sphärische Berei- che aus elementarer Si-Phase homogen verteilt sind, deren Größe und Morphologie weitgehend denen des eingesetzten Si-Pulvers entsprechen. Die maximalen Abmessungen liegen im Mittel (Medianwert) im Bereich von etwa 1 pm bis 10 pm. Die Matrix wirkt visuell transluzent bis transparent. Sie zeigt bei mikroskopischer Betrachtung keine offenen Poren und allenfalls geschlossene Poren mit maximalen Abmessungen von im Mittel weniger als 10 pm; die auf Basis der Dichte berechnete Porosität liegt bei 0,37 %. Der Komposit-Werkstoff ist an Luft bis zu einer Temperatur von etwa 1 .150 °C stabil.
Herstellung der Leiterbahn 102 (Halbzeug 2) Zur Herstellung der Leiterbahn 102 wird aus einem Tantal-Blech mit einer Dicke von 0,2 mm, einer Breite von 500 mm und einer Länge von 2000 mm ein Formstück ausgestanzt, welches die Leiterbahn bilden soll. Das Ausstanzen erfolgt mit einem Stanzwerkzeug in Form eines Stempels, wobei als Gegenstück eine ebene Unterlage dient. Die ausgestanzte Leiterbahn 102 weist einen mäanderförmigen Linienverlauf auf und umfasst zwei in einer Ebene nebeneinander angeordnete Mäander-Strukturen. Figur 2-1 zeigt die ausgestanzte Leiterbahn 102. Die Leiterbahnen 102 erstreckt sich über eine Länge von 60 mm und eine Breite von
60 mm.
Verschweißen der Leiterbahn 102 mit den Leitungsbahnen 103a, 103b Die Leiterbahn 102 bildet im fertigen Infrarotflächenstrahler 100 die sogenannte „heiße" Zone des Strahlers. Für die elektrische Kontaktierung der Leiterbahn 102 wird eine„kalte" Zone benötigt. Wie in Figur 2-II gezeigt, werden zu diesem
Zweck Leitungsbahnen 103a, 103b mit den Enden der Leiterbahn 102 verschweißt. Die Leitungsbahnen 103a, 03b sind identisch ausgebildet; sie weisen eine Länge von 40 mm, eine Breite von 5 mm bei einer Dicke von 0,4 mm auf.
Aufbringen der mit den Leitungsbahnen 103a, 103b versehenen Leiterbahn 102 auf das Substrat 101
Figur 2-III zeigt die mit den Leitungsbahnen 103a, 103b versehene Leiterbahn 102 wie sie auf das Substrat 101 aufgebracht wird. Zunächst wird die Leiterbahn 102 auf eine Oberseite des Substrat 101 aufgelegt. Es wird ein Glaslot aufgebracht und anschließend auf Erweichungstemperatur erwärmt, sodass flüssiges Glaslot die Leiterbahn 102 und die Substrat-Oberfläche verschließt. Nach dem Sintern des Glaslots werden die Leiterbahn 2 und das Substrat 101 unter Ausbildung der Glaslot-Fügeverbindung erkalten gelassen.
Aufbringen einer Reflektorschicht (optional)
Anschließend wird auf die Oberseite des Substrats 101 und die darauf aufgebrachte Leiterbahn 102 eine Schlickerschicht aufgebracht. Dieser Schlicker wird durch Modifikation des SiOa-Grundschlickers erhalten, wie oben bereits beschrie- ben ist (ohne ein Zuschlag von Silizium-Pulver), indem dem homogenen, stabilen Grundschiicker amorphe SiO2-Körnung in Form sphärischer Teilchen mit einer Korngröße um 5 pm zugemischt werden bis ein Feststoffgehalt von 84 Gew.-% erreicht ist. Diese Mischung wird 12 Stunden lang in einer Trommelmühle bei einer Drehzahl von 25 U/min homogenisiert. Der so erhaltene Schlicker hat einen Feststoffgehalt von 84 % und eine Dichte von etwa 2,0 g/cm3. Die nach dem Vermählen der Quarzglaskörnung erhaltenen SiO2-Teilchen im Schlicker zeigen eine Teilchengrößenverteilung, die durch einen Dso-Wert von etwa 8 pm und durch einen D9o-Wert von etwa 40 pm gekennzeichnet ist.
Der Schlicker wird einige Sekunden lang auf Oberseite des vorab in Alkohol ge- reinigten Substrats 101 gesprüht. Auf dem Substrat 101 bildet sich dadurch eine gleichmäßige Schlickerschicht mit einer Dicke von etwa 2 mm. Die getrocknete Schlickerschicht ist rissfrei, und sie hat eine mittlere Dicke von etwas weniger als 2 mm.
Die getrocknete Schlickerschicht wird anschließend unter Luft in einem Sinterofen gesintert.
Figur 3 zeigt in Seitenansicht eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Infrarotflächenstrahlers, dem insgesamt die Bezugsziffer 300 zugeordnet ist. Der Infrarotflächenstrahler 300 weist ein plattenförmiges Substrat 301 , eine Leiterbahn 302 und eine Deckschicht 303 auf. Das plattenförmige Substrat 301 hat Rechteck-Form mit einer Plattenstärke von 2,5 mm. Es besteht aus einem Komposit-Werkstoff mit einer Matrix aus Quarzglas. Die Matrix wirkt visuell transluzent bis transparent. Sie zeigt bei mikroskopischer Betrachtung keine offenen Poren und allenfalls geschlossene Poren mit maximalen Abmessungen von im Mittel weniger als 10 μηι. In der Matrix ist eine Phase aus elementarem Silizium in Form nicht-sphärischer Bereiche homogen verteilt. Deren Gewichtsanteil beträgt 5 %. Die maximalen Abmessungen der Silizium-Phasenbereiche liegen im Mittel (Medianwert) im Bereich von etwa 1 μητι bis 10 μηι. Der Komposit-Werkstoff ist gasdicht, er hat eine Dichte von 2, 19 g/cm3 und er ist an Luft bis zu einer Temperatur von etwa 1 150 °C stabil.
Die eingelagerte Silizium-Phase trägt einerseits zur Opazität des Komposit- Werkstoffs insgesamt bei und sie hat Auswirkungen auf die optischen und thermischen Eigenschaften des Komposit-Werkstoffs. Dieser zeigt bei hohen Temperaturen eine hohe Absorption von Wärmestrahlung und einen hohen Emissionsgrad. Bei Raumtemperatur wird der Emissionsgrad des Komposit-Werkstoffs unter Einsatz einer Ulbrichtkugel gemessen. Diese erlaubt die Messung des gerichtet hemisphärischen spektralen Reflexionsgrades Rgh und des gerichtet hemisphärischen spektralen Transmissionsgrades Tgh, woraus der normale spektrale Emissionsgrad berechnet wird. Die Messung des Emissionsgrades bei erhöhter Tempe- ratur erfolgt im Wellenlängenbereich von 2 bis 18 pm mittels eines FTIR-
Spektrometers (Bruker IFS 66v Fourier-Transformations Infrarot (FTIR)), an das über eine Zusatzoptik eine BBC-Probenkammer angekoppelt wird, anhand des oben genannten BBC-Messprinzips. Die Probenkammer verfügt dabei in den Halbräumen vor und hinter der Probenhalterung über temperierbare Schwarzkör- perumgebungen und eine Strahlausgangsöffnung mit Detektor. Die Probe wird in einem separaten Ofen auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt und zur Messung in den Strahlengang der Probenkammer mit den auf vorgegebene Temperatur eingestellten Schwarzkörperumgebungen verbracht. Die vom Detektor erfasste Intensität setzt sich aus einem Emissions-, einem Reflexions- und einem Transmissionsanteil zusammen, nämlich aus Intensität, die von der Probe selbst emittiert wird, Intensität, die vom vorderen Halbraum auf die Probe fällt und von dieser reflektiert wird, sowie Intensität, die vom hinteren Halbraum auf die Probe fällt und von dieser transmittiert wird. Zur Ermittlung der einzelnen Größen Emissions-, Reflexions- und Transmissionsgrad müssen drei Messungen durchgeführt werden.
Der am Komposit-Werkstoff gemessene Emissionsgrad im Wellenlängenbereich von 2 μιη bis etwa 4 μιη hängt von der Temperatur ab. Je höher die Temperatur ist, umso höher ist die Emission. Bei 600 °C liegt der normale Emissionsgrad im Wellenlängenbereich von 2 μιη bis 4 μηη oberhalb von 0,6. Bei 1.000 °C liegt der normale Emissionsgrad im gesamten Wellenlängenbereich zwischen 2 pm und 8 μιη oberhalb von 0,75. Die Leiterbahn 302 ist aus einem Tantal-Blech hergestellt, indem dieses mit einem Laserstrahl zu einem Formstück geschnitten wurde. Das Formstück hat eine geometrisch feste Form; es ist einstückig ausgebildet und weist die Form einer archimedischen Spirale auf, bei der benachbarte Abschnitte der Leiterbahn 302 einen Abstand a von 2 mm haben. Die Leiterbahn 302 hat eine Querschnittsfläche von mindestens 0,02 mm2 bei einer Breite von 1 mm und einer Dicke von 20 μηη. An beiden Enden der Spirale sind Kontakte aus Tantal (nicht dargestellt) an die Leiterbahn angeschweißt. Die Kontakte weisen eine Querschnittsfläche von mindestens 0,5 mm2 auf. Dadurch, dass die Kontakte eine größere Querschnittsfläche als die Leiterbahn haben, zeigen sie einen geringeren elektrischen Wider- stand als die Leiterbahn 302; sie werden daher bei Stromdurchfluss weniger stark als die Leiterbahn 302 erwärmt. Die Kontakte bewirken daher eine Absenkung der Temperatur, sodass eine elektrische Kontaktierung Leiterbahn 302 über die Kontakte vereinfacht wird.
Die Leiterbahn 302 ist fest mit dem Substrat 301 verbunden, indem auf die mit der Leiterbahn versehene Oberfläche 304 des Substrats 301 eine Deckschicht 303 aus Glas aufgebracht ist. Die Deckschicht 303 ist aus einem Glas gefertigt, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient in einem Bereich zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Leiterbahn liegt. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrats 301 be- trägt 0,54 10-6 K"1; der Wärmeausdehnungskoeffizient der Leiterbahn 302 beträgt 6,4 10-6 K_1 und der Wärmeausdehnungskoeffizienten der Deckschicht 303 be- trägt ca. 0,54 10"6 K~1. Die Deckschicht 303 weist eine mittlere Schichtdicke von 1 ,8 mm auf. Die Deckschicht 303 bedeckt den gesamten Heizbereich des Substrats 301. Sie bedeckt die Leiterbahn 302 vollständig und schirmt somit die Leiterbahn 302 vor chemischen oder mechanischen Einflüssen aus der Umgebung ab.
Figur 4 zeigt eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Infrarotflächenstrahlers, dem insgesamt die Bezugsziffer 400 zugeordnet ist. Der Infrarotflächenstrahier 400 umfasst ein Substrat 301 , wie es in der Beschreibung zu Figur 3 beschrieben ist, sowie eine Leiterbahn 402 und eine Deck- schicht 403. Die Leiterbahn 402 ist über ein Glaslot 407 mit der Substrat- Oberfläche 404 verbunden.
Die Leiterbahn 402 zeigt einen mäanderförmigen Verlauf, der eine Heizfläche des Substrats 301 so dicht bedeckt, dass zwischen benachbarten Leiterbahn- Abschnitten ein gleichmäßiger Abstand von 1 ,5 mm verbleibt. Im gezeigten Quer- schnitt hat die Leiterbahn 402 eine Querschnittsfläche von 0,05 mm2 bei einer Breite von 1 mm und einer Dicke von 50 ym.
Glaslote sind Gläser mit niedriger Erweichungstemperatur; sie gehören zur Gruppe der Klebstoffe. Das Verarbeitungsverfahren von Glaslot ist dem Löten von Metallen ähnlich. Aufgrund der niedrigen Erweichungstemperatur des Glaslots ist dieses bei Verarbeitungstemperatur flüssig. Das Substrat hingegen ist bei Verarbeitungstemperatur fest.
Als Glaslot wird eine Glaspaste aus Glaspulver und einem organischen Bindemittel verwendet, beispielsweise das Glaslot Nr. G018-385 der Firma Schott AG, Mainz, Deutschland. Dieses Glaslot hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α (20-300) von 8,4 ppm/K, eine Dichte von 3,14 g/cm3, einen Glasübergangstemperatur von 992°C und eine Schmelztemperatur von 1000°C.
Bei der Herstellung des Infrarotflächenstrahlers 400 wird zunächst die Leiterbahn als Formstück durch Ausstanzen aus einem Blech aus hochwarmfesten Stahl erzeugt. Anschließend wird auf die Oberfläche des Substrats 301 erwärmt und eine Glaslot-Schicht aufgebracht. Auf die Glaslot-Schicht wird die Leiterbahn 402 auf- gelegt und diese zusammen mit der Glaslot-Schicht so lange erwärmt, bis die Glaslot-Schicht erweicht, sodass beim Abkühlen der Glaslot-Schicht eine Fügeverbindung zwischen Glaslot-Schicht und Substrat 301 einerseits und Glaslot- Schicht und Leiterbahnen 402 andererseits entsteht. Zum Schutz vor mechani- scher und chemischer Beanspruchung werden schließlich die Leiterbahn 402 und die Glaslot-Schicht mit einer Deckschicht 403 aus einem Übergangsglas versehen, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient im Bereich zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten Glaslots und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Leiterbahn 402 liegt. Figur 5 zeigt eine Seitenansicht einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Infrarotflächenstrahlers 500, bei der Leiterbahn 402 und Substrat 501 mechanisch durch Einpressen miteinander verbunden sind.
Das Substrat 501 ist aus demselben Werkstoff gefertigt wie das Substrat 301 von Figur 3. Es unterscheidet sich von dem aus Figur 3 bekannten Substrat 301 darin, dass die Oberfläche des Substrats 501 mit einer mit der geometrischen Form der Leiterbahn 402 korrespondierenden Nut 502 versehen ist. Die Nutbreite beträgt an der Basis 1 ,2 mm; die Nuttiefe beträgt 0,04 mm. Die Seitenflächen der Nut 502 verlaufen leicht schräg; hierdurch wird die mechanische Verbindung von Leiterbahn 402 und Substrat 501 erleichtert. Auf die Oberfläche des Substrats 502 und die Leiterbahn 402 ist eine Deckschicht 503 aus Quarzglas aufgebracht. Bei einer alternativen Ausführungsform (nicht dargestellt) ist keine Deckschicht vorgesehen. Die Deckschicht 503 hat die Funktion die Leiterbahn 402 vor chemischen und mechanischen Einflüssen zu schützen. Insbesondere Leiterbahnen aus hoch- warmfestem Stahl oder Molybdändisilicid weisen eine hohe Temperaturbeständig- keit auf, sodass auf eine Deckschicht verzichtet werden kann.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung eines Infrarotflächenstrahlers mit einem Substrat aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, auf dessen Oberfläche eine Leiterbahn aus einem elektrisch leitenden und bei Stromdurchfluss wärmeerzeugenden Widerstandsmaterial aufgebracht ist, umfassend die Verfahrensschritte:
(a) Bereitstellen des Substrats,
(b) Aufbringen der Leiterbahn auf eine Oberfläche des Substrats
dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Verfahrensschritt (a) ein Substrat bereitgestellt wird, das aus einem Komposit-Werkstoff gefertigt ist, der eine amorphe Matrixkomponente sowie eine Zusatzkomponente in Form eines Halbleitermaterials umfasst, und dass die Leiterbahn als Formstück bereitgestellt wird, das gemäß Verfahrensschritt (b) derart auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht wird, dass Leiterbahn und Substrat dauerhaft miteinander verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung von Leiterbahn und Substrat mit einem Fügeverfahren erzeugt ist, vorzugsweise durch mechanisches Fügen, durch Kleben oder durch Schweißen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn über eine nichtleitende Schicht mit der Oberfläche des Substrats verbunden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formstück aus einem Blech unter Einsatz eines thermischen Trennverfahrens oder durch Stanzen hergestellt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Formstücks ein Werkstück aus Silizi- umcarbid (SiC), Molybdändisilicid (M0S12), Tantal (Ta) oder hochtemperatur- festem Stahl verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Leiterbahn auf die Oberfläche des Substrats gemäß Verfahrensschritt (b) das Formstück an seinen Enden mit einer Leitungsbahn versehen wird, deren Querschnittsfläche größer ist als die Querschnittsfläche des Linienmusters.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsbahn aus demselben Werkstoff wie die Leiterbahn gefertigt ist.
Infrarotflächenstrahler mit einem Substrat aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, auf dessen Oberfläche eine Leiterbahn aus einem elektrisch leitenden und bei Stromdurchfluss wärmeerzeugenden Widerstandsmaterial aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus einem Komposit-Werkstoff gefertigt ist, der eine amorphe Matrixkomponente sowie eine Zusatzkomponente in Form eines Halbleitermaterials umfasst, und dass die Leiterbahn als Formstück ausgebildet und derart auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht ist, dass Leiterbahn und Träger dauerhaft miteinander verbunden sind.
9. Infrarotflächenstrahler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Substrat mehrere Leiterbahn-Formstücke aufgebracht sind, die jeweils individuell elektrisch ansteuerbar sind.
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