EP1023735B1 - Heating element and method for producing the same - Google Patents
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- EP1023735B1 EP1023735B1 EP98947223A EP98947223A EP1023735B1 EP 1023735 B1 EP1023735 B1 EP 1023735B1 EP 98947223 A EP98947223 A EP 98947223A EP 98947223 A EP98947223 A EP 98947223A EP 1023735 B1 EP1023735 B1 EP 1023735B1
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Definitions
- the invention relates to a method for producing a heating element with a predetermined resistance value, which is characterized by a high heating rate, as is required, for example, to ignite propellants for airbag systems.
- a heating element with a predetermined resistance value, which is characterized by a high heating rate, as is required, for example, to ignite propellants for airbag systems.
- Such heating elements are currently manufactured with resistance wires, the diameter of which must be selected very small in order to achieve a high heating rate (approximately 10 ⁇ m). For a given wire length, the resistance value for a certain resistance wire can only be varied over the wire cross-section. If a wide range of resistance values is to be covered, the technical limits in terms of heating rate, handling and installation options for the wire will soon be reached.
- From US 3,998,980 A is a thick-film resistor as a pixel element with a predetermined Resistance value known for thermal printer applications, which in several print layers a ceramic substrate coated with a crystallizing glass as a heat barrier is applied, the thickness of the resistor being in the range from 12.5 ⁇ m to 254 ⁇ m.
- a bismuth thruthenate paste system is used as the resistance material.
- the lapping process After each pressure or as the last Process step can be applied. The lapping process also serves to adjust the Resistance value and the resistance temperature coefficient.
- a subsequent one Annealing process is said to contribute to the formation of microcracks in the Avoid resistance layer, which in the course of aging leads to an increase in resistance could lead.
- a disadvantage of this embodiment of a heating element is that the Resistance is designed as a thick-film component and not as a thin-film structure, because of its heat capacity, it does not fall below a certain heating rate can be.
- EP 0 471 138 A2 describes a method for producing an electrical Measuring resistance with a predetermined temperature coefficient is known, in which a Alumina ceramic substrate is provided with a platinum thin film on which then using a screen printing process a layer made of a preparation containing platinum and Rhodium resinate contains is applied, its rhodium content for the desired Temperature coefficient is decisive.
- the coated carrier becomes one Heat treatment in the range of 1000 to 1400 ° C until the Rhodium evenly distributed in the resistance layer that forms.
- the rhodium content of the layer is in the range from 0.1% to 12% based on the content of Platinum and rhodium.
- the temperature coefficient of measuring resistors based on platinum alloys in Set the range from 1600 to 3850 ppm / K exactly. This procedure is not based on it aligned to set the specific surface resistance of the resistance layer exactly.
- WO 96/01983 A1 describes a method for producing a sensor for detecting Temperature and / or flow described, the sensor being structured Resistance layer is formed on a carrier.
- This is a platinum-rhodium layer that consists of a tempered platinum resinate / rhodium resinate mixture. So can for example, by mixing 99% platinum resinate paste and 1% rhodium paste Platinum-rhodium resistance layer with a temperature coefficient of 3500 ppm / ° C will be realized. This procedure is also not aimed at the specific Adjust the surface resistance of the resistance layer exactly.
- EP 0 576 017 A2 describes a method for producing an inkjet print head known, wherein a thin film layer forms a heating element that in a period of a few microseconds to a temperature of 300 ° C and then on again Room temperature is cooled.
- the contact areas for the thin film heating elements are with Au or Pt resinate pastes. These contact areas cannot be soldered.
- the Thin film is formed from a resinate paste, such as metal alloys WNi, ZrCr, TaIr, TaFe or ZrNi contains. The focus is on compatibility with the ink, whereas possibilities of varying the specific sheet resistance be disregarded.
- a metal layer ignition agent which is based on a Insulating body made of glass or ceramic.
- screen printed two contact surfaces for example with palladium-palladium silver, Palladium-gold, platinum-silver, nickel or silver-aluminum thick-film conductor paste applied a sintering process at a temperature between 1000 ° C and 1100 ° C. be subjected.
- a tantalum or tantalum nitride layer is evaporated, which is structured in a photolithographic process to form an ignition bridge, wherein this overlaps the edge zones of the two contact surfaces.
- the length and width of the Ignition bridge preferably vary between 50 and 100 ⁇ m and the thickness between 0.2 ⁇ m and 1.5 ⁇ m.
- the disadvantage of this process is the high technological effort involved through the use of two different technologies, namely thick-film technology (Screen printing process) and thin-film technology (vapor deposition technology).
- the photolithographic process for structuring the ignition bridge is not easy to use because the applied thick-film contact surfaces ensure the flatness of the Surface affected. Because of these bumps, it can occur in the contact copying process Under-radiation occurs, which has an adverse effect on the structural fidelity of the ignition bridge element.
- a heating element in which both the contact surfaces and the ignition bridge in the Screen printing processes are known from document EP-A-0 248 977.
- the object of the invention is a method for producing a heating element specify after which an AuPd resinate resistance layer of a given layer thickness is treated by doping with Pd atoms so that a sheet resistance with Desired specific surface resistance adjustable in the range from 300m ⁇ to approx. 3 ⁇ is.
- This object is achieved by the characterizing features of Claim 1 solved.
- Fig. 1 shows a sectional view of a heating element with a high heating rate according to a preferred embodiment of the present invention.
- Annealing is a targeted change and then a stabilization of the Resistance value reached.
- a ferritic high-temperature-resistant steel can also be used as the base body (101) instead of the aluminum oxide ceramic.
- the glass ceramic layer (102) can not only be applied using the screen printing method, but can also be laminated onto the base body in the form of a "green" (unfired) ceramic film and then sintered.
- a glass / glass ceramic layer can be dispensed with if a glass ceramic or a ceramic with low thermal conductivity, such as zirconium oxide or magnesium oxide, is already used as the base body. However, the surface may need to be lapped and polished to achieve a surface roughness of ⁇ 0.1 ⁇ m.
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Heizelements mit
vorgegebenem Widerstandswert, das sich durch eine hohe Aufheizrate auszeichnet, wie es
zum Beispiel zum Zünden von Treibsätzen für Airbagsysteme benötigt wird.
Derzeit werden solche Heizelemente mit Widerstandsdrähten hergestellt, wobei deren
Durchmesser im Hinblick auf Erzielung einer hohen Aufheizrate sehr gering gewählt werden
muß (etwa 10µm). Bei einer vorgegebenen Drahtlänge kann für einen bestimmten
Widerstandsdraht der Widerstandswert nur über den Drahtquerschnitt variiert werden. Soll
ein breites Widerstandswertespektrum abgedeckt werden, so stößt man sehr bald an die
technischen Grenzen im Hinblick auf Aufheizrate, Handhabbarkeit und Montagemöglichkeit
des Drahtes.The invention relates to a method for producing a heating element with a predetermined resistance value, which is characterized by a high heating rate, as is required, for example, to ignite propellants for airbag systems.
Such heating elements are currently manufactured with resistance wires, the diameter of which must be selected very small in order to achieve a high heating rate (approximately 10 μm). For a given wire length, the resistance value for a certain resistance wire can only be varied over the wire cross-section. If a wide range of resistance values is to be covered, the technical limits in terms of heating rate, handling and installation options for the wire will soon be reached.
Aus der US 3,998,980 A ist ein Dickschichtwiderstand als Pixelelement mit vorgegebenem Widerstandswert für Thermodruckeranwendungen bekannt, der in mehreren Drucklagen auf ein mit einem kristallisierenden Glas als Wärmebarriere beschichteten Keramiksubstrat aufgebracht wird, wobei die Dicke des Widerstands im Bereich von 12,5µm bis 254µm liegt. Als Widerstandsmaterial wird ein Wismuthruthenat-Pastensystem verwendet. Um die für ein Druckerelement erforderliche plane Widerstandsoberfläche zu erhalten, wird der Widerstand geläppt, wobei der Läppprozeß nach jeder Drucklage oder aber auch als letzter Verfahrensschritt angewandt werden kann. Der Läppprozeß dient auch zum Einstellen des Widerstandswertes und des Widerstandstemperaturkoeffizienten. Ein nachfolgender Temperprozeß soll dazu beitragen, die Ausbildung von Mikrorissen in der Widerstandsschicht zu vermeiden, die im Zuge der Alterung zu einer Widerstandserhöhung führen könnte. Nachteilig bei dieser Ausführungsform eines Heizelementes ist es, daß der Widerstand als Dickschichtbauelement und nicht als Dünnschichtstruktur ausgeführt ist, wodurch aufgrund dessen Wärmekapazität eine bestimmte Aufheizrate nicht unterschritten werden kann.From US 3,998,980 A is a thick-film resistor as a pixel element with a predetermined Resistance value known for thermal printer applications, which in several print layers a ceramic substrate coated with a crystallizing glass as a heat barrier is applied, the thickness of the resistor being in the range from 12.5 μm to 254 μm. A bismuth thruthenate paste system is used as the resistance material. To the one To obtain the required plane resistance surface of the printer element, the resistance lapped, the lapping process after each pressure or as the last Process step can be applied. The lapping process also serves to adjust the Resistance value and the resistance temperature coefficient. A subsequent one Annealing process is said to contribute to the formation of microcracks in the Avoid resistance layer, which in the course of aging leads to an increase in resistance could lead. A disadvantage of this embodiment of a heating element is that the Resistance is designed as a thick-film component and not as a thin-film structure, because of its heat capacity, it does not fall below a certain heating rate can be.
Aus der EP 0 471 138 A2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Meßwiderstands mit einem vorgegebenen Temperaturkoeffizienten bekannt, bei dem ein Aluminiumoxid-Keramiksubstrat mit einem Platin-Dünnfilm versehen wird, auf den anschließend im Siebdruckverfahren eine Schicht aus einem Präparat, das Platin- und Rhodiumresinat enthält aufgebracht wird, wobei dessen Rhodiumgehalt für den angestrebten Temperaturkoeffizienten maßgeblich ist. Der beschichtete Träger wird einer Wärmebehandlung im Bereich von 1000 bis 1400°C so lange unterzogen, bis sich das Rhodium in der sich bildenden Widerstandsschicht gleichmäßig verteilt hat. Der Rhodiumgehalt der Schicht liegt im Bereich von 0,1% bis 12% bezogen auf den Gehalt von Platin und Rhodium. Durch Variation des Rhodiumgehalts der Widerstandsschicht läßt sich der Temperaturkoeffizient von Meßwiderständen auf der Basis von Platinlegierungen im Bereich von 1600 bis 3850 ppm/K exakt einstellen. Dieses Verfahren ist nicht darauf ausgerichtet, den spezifischen Flächenwiderstand der Widerstandsschicht exakt einzustellen.EP 0 471 138 A2 describes a method for producing an electrical Measuring resistance with a predetermined temperature coefficient is known, in which a Alumina ceramic substrate is provided with a platinum thin film on which then using a screen printing process a layer made of a preparation containing platinum and Rhodium resinate contains is applied, its rhodium content for the desired Temperature coefficient is decisive. The coated carrier becomes one Heat treatment in the range of 1000 to 1400 ° C until the Rhodium evenly distributed in the resistance layer that forms. The The rhodium content of the layer is in the range from 0.1% to 12% based on the content of Platinum and rhodium. By varying the rhodium content of the resistance layer the temperature coefficient of measuring resistors based on platinum alloys in Set the range from 1600 to 3850 ppm / K exactly. This procedure is not based on it aligned to set the specific surface resistance of the resistance layer exactly.
In der WO 96/01983 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors zum Erfassen von Temperatur und /oder Strömung beschrieben, wobei der Sensor von einer strukturierten Widerstandsschicht auf einem Träger gebildet wird. Diese ist eine Platin-Rhodiumschicht, die aus einer getemperten Platinresinat/Rhodiumresinat-Mischung besteht. So kann beispielsweise durch eine Mischung von 99% Platinresinatpaste und 1% Rhodiumpaste eine Platin-Rhodiumwiderstandsschicht mit einem Temperaturkoeffizienten von 3500 ppm/°C realisiert werden. Auch dieses Verfahren ist nicht darauf ausgerichtet, den spezifischen Flächenwiderstand der Widerstandsschicht exakt einzustellen.WO 96/01983 A1 describes a method for producing a sensor for detecting Temperature and / or flow described, the sensor being structured Resistance layer is formed on a carrier. This is a platinum-rhodium layer that consists of a tempered platinum resinate / rhodium resinate mixture. So can for example, by mixing 99% platinum resinate paste and 1% rhodium paste Platinum-rhodium resistance layer with a temperature coefficient of 3500 ppm / ° C will be realized. This procedure is also not aimed at the specific Adjust the surface resistance of the resistance layer exactly.
Aus der EP 0 576 017 A2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes bekannt, wobei eine Dünnfilmschicht ein Heizelement bildet, das in einer Zeitspanne von einigen Mikrosekunden auf eine Temperatur von 300°C erhitzt und sodann wieder auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Die Kontaktflächen für die Dünnfilmheizelemente werden mit Au- oder Pt-Resinatpasten, hergestellt. Diese Kontaktflächen sind nicht lötbar. Der Dünnfilm wird von einer Resinatpaste gebildet, die beispielsweise Metallegierungen wie WNi, ZrCr, TaIr, TaFe oder ZrNi enthält. Das Schwergewicht wird auf die Kompatibilität mit der Tinte gelegt, wogegen Möglichkeiten der Variation des spezifischen Flächenwiderstands außer acht gelassen werden.EP 0 576 017 A2 describes a method for producing an inkjet print head known, wherein a thin film layer forms a heating element that in a period of a few microseconds to a temperature of 300 ° C and then on again Room temperature is cooled. The contact areas for the thin film heating elements are with Au or Pt resinate pastes. These contact areas cannot be soldered. The Thin film is formed from a resinate paste, such as metal alloys WNi, ZrCr, TaIr, TaFe or ZrNi contains. The focus is on compatibility with the ink, whereas possibilities of varying the specific sheet resistance be disregarded.
Aus der DE-OS-2 020 016 ist ein Metallschichtzündmittel bekannt, das auf einem Isolierkörper aus Glas oder Kermaik aufgebaut wird. Auf diesem werden im Siebdruckverfahren zwei Kontaktierungsflächen beispielsweise mit Palladium-Palladiumsilber-, Palladium-Gold-, Platin-Silber-, Nickel- oder Silber-Aluminium-Dickschichtleiterpaste aufgebracht, die einem Sinterprozeß bei einer Temperatur zwischen 1000°C und 1100°C unterworfen werden. Anschließend wird eine Tantal- oder Tantalnitridschicht aufgedampft, die in einem photolithograhischen Verfahren zu einer Zündbrücke strukturiert wird, wobei diese die Randzonen der beiden Kontaktflächen überlappt. Die Länge und Breite der Zündbrücke variiern vorzugsweise zwischen 50 und 100µm und die Dicke zwischen 0,2µm und 1,5µm. Als Nachteil bei diesem Verfahren ist der hohe technologische Aufwand, der durch den Einsatz von zwei unterschiedlichen Technologien, nämlich der Dickschichttechnik (Siebdruckverfahren) und der Dünnschichttechnik (Aufdampftechnik) gegeben ist, zu nennen. Weiters ist der photolithographische Prozeß zur Strukturierung der Zündbrücke nicht problemlos anzuwenden, da die aufgebrachten Dickschichtkontaktflächen die Planität der Oberfläche beeinträchtigt. Aufgrund dieser Unebenheiten kann es beim Kontaktkopierverfahren zu Unterstrahlungen kommen, was nachteilige Auswirkungen auf die Strukturwiedergabetreue des Zündbrückenelements hat.From DE-OS-2 020 016 a metal layer ignition agent is known which is based on a Insulating body made of glass or ceramic. On this are screen printed two contact surfaces, for example with palladium-palladium silver, Palladium-gold, platinum-silver, nickel or silver-aluminum thick-film conductor paste applied a sintering process at a temperature between 1000 ° C and 1100 ° C. be subjected. Then a tantalum or tantalum nitride layer is evaporated, which is structured in a photolithographic process to form an ignition bridge, wherein this overlaps the edge zones of the two contact surfaces. The length and width of the Ignition bridge preferably vary between 50 and 100 µm and the thickness between 0.2 µm and 1.5µm. The disadvantage of this process is the high technological effort involved through the use of two different technologies, namely thick-film technology (Screen printing process) and thin-film technology (vapor deposition technology). Furthermore, the photolithographic process for structuring the ignition bridge is not easy to use because the applied thick-film contact surfaces ensure the flatness of the Surface affected. Because of these bumps, it can occur in the contact copying process Under-radiation occurs, which has an adverse effect on the structural fidelity of the ignition bridge element.
Für Zündelemente von Treibsätzen für Airbagsysteme ist aufgrund der Vorgaben für den Einbau in Gehäuse die Länge des Heizelements vorgegeben. Eine Erhöhung des Widerstandswertes der Widerstandsbahn ist bei vorgegebener Schichtdicke daher nur über eine Reduktion der Bahnbreite möglich. Der Verringerung der Bahnbreite sind dadurch Grenzen gesetzt, daß für ein zuverlässiges Zünden des Treibsatzes eine Mindestwiderstandsfläche für die Wärmeübertragung nicht unterschritten werden darf.For ignition elements of propellants for airbag systems is due to the specifications for the Installation in housing specifies the length of the heating element. An increase in The resistance value of the resistance track is therefore only above given layer thickness a reduction in the web width is possible. This reduces the web width Limits that a minimum resistance area for reliable ignition of the propellant for heat transfer must not be undercut.
Ein Heizelement bei dem sowohl die Kontaktierungsflächen als auch die Zündbrücke im Siebdruckverfahren aufgebracht sind ist aus dem Dokument EP-A-0 248 977 bekannt.A heating element in which both the contact surfaces and the ignition bridge in the Screen printing processes are known from document EP-A-0 248 977.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren für die Herstellung eines Heizelements anzugeben, nach dem eine AuPd-Resinatwiderstandsschicht vorgegebener Schichtstärke durch Dotierung mit PdAtomen so behandelt wird, daß ein Schichtwiderstand mit gewünschtem spezifischem Flächenwiderstand im Bereich von 300mΩ bis ca. 3Ω einstellbar ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The object of the invention is a method for producing a heating element specify after which an AuPd resinate resistance layer of a given layer thickness is treated by doping with Pd atoms so that a sheet resistance with Desired specific surface resistance adjustable in the range from 300mΩ to approx. 3Ω is. This object is achieved by the characterizing features of Claim 1 solved.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird als Träger eine
Aluminiumoxidkeramik verwendet; es ist auch möglich, einen Träger aus einem Stahlsubstrat
zu verwenden. Als thermisch bzw. auch als elektrisch isolierende Zwischenschicht wird auf
die genannten Träger eine Glas- oder Glaskeramikbeschichtung aufgebracht, wobei letztere
aus SiO2, BaO, Al2O3 und einer anorganischen Farbstoffverbindung besteht, wie
beispielsweise als Pastensystem unter der Bezeichnung IP 211 bzw. als ungebrannte
Keramikfolie unter der Bezeichnung HERATAPE T5 oder T211 bei der W.C. Heraeus
GmbH, Hanau, erhältlich. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß im Hinblick auf
eine gleichmäßige Schichtherstellung und reproduzierbare naßchemische Strukturierung der
Resinatwiderstandsschicht die Glas- oder Glaskeramikbeschichtung, die als Wärmebarriere
auf das Keramik- oder Stahlsubstrat aufgebracht wird, gegebenenfalls geläppt und poliert
werden muß. Die getrocknete und gesinterte Glas- oder Glaskeramikschicht wird in diesem
Fall daher so lange geläppt und poliert, bis eine spiegelnde Oberfläche erzielt wird. Die
AuPd-Dünnfilmwiderstandsbeschichtung wird sodann im Siebdruckverfahren auf den Träger
aufgebracht. Das aufzubringende Präparat ist vorzugsweise ein Resinatsystem, bestehend aus
22Masse% Au und 1Masse% Pd, die in einer Lösung von Kunstharz und organischen
Bindemitteln verteilt sind, und das unter der Bezeichnung RP 26001/59 bei der W.C. Heraeus
GmbH, Hanau erhältlich ist. Nach Auftragen der Resinatschicht im Siebdruckverfahren wird
diese bei einer Temperatur im Bereich von 100 bis 150°C getrocknet und anschließend bei
einer Temperatur im Bereich zwischen 850 und 900°C gebrannt, wobei die organischen
Lösungsmittel verdampfen bzw. verbrennen. Die nach diesem Verfahren hergestellte Schicht
weist eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 1,5µm auf. In einem anschließenden
Verfahrensschritt wird die Widerstandsschicht beispielsweise durch naßchemische
Ätzverfahren oder Sputterätzen in Form eines Streifens, die eine Bahnverengung aufweist,
strukturiert. Es liegt hiebei der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß entsprechend
Anordnung und Ausdehnung der Bahnverengung, die Temperaturverteilung auf der
Widerstandsbahn dahingehend gezielt verändert werden kann, daß die Spitzentemperatur sich
an gewünschten Stellen und Bereichen der Widerstandsbahn einstellt. An beiden Enden des
Schichtwiderstands sind Kontaktfelder für die äußeren Anschlüsse vorgesehen. Die
Kontaktfelder werden ebenfalls im Siebdruckverfahren aufgebracht, wobei hiefür
AgPd-Leiterpasten mit unterschiedlichen Pd-Anteil verwendet werden (Ag:Pd-Verhältnis
zwischen 1,7 :1 und 26:1). Es sind dies beispielsweise AgPd-Leiterpasten der Serie C1200
der W.C. Heraeus GmbH, Hanau. Über die AgPd-Kontaktierung erfolgt die Dotierung der
Widerstandsbahn mit Pd. Es liegt hiebei der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß der
Widerstandswert einer Widerstandsbahn, aufgebaut mit einer AuPd-Resinatschicht durch
Kontaktieren mit einer AgPd-Dickschichtleitermetalliserung mit unterschiedlichem Pd-Anteil
gezielt modifiziert werden kann. In Abhängigkeit vom Palladium-Anteil in der
AgPd-Leiterpaste kann nach einem Temperprozeß der spezifische Flächenwiderstand der
Widerstandsbahn für eine Widerstandslänge 1mm im Bereich von 310mOhm bis 3Ohm
eingestellt werden: es wird lediglich der Palladiumanteil der AuPd-Legierung des
Dünnfilmwiderstands ohne Änderung der Schichtdicke variiert. Es ist aus technologischen
Gründen nicht möglich, eine AuPd-Resinatpaste in ihrer Grundzusammensetzung bereits mit
höherem Pd-Anteil herzustellen.
Die Erfindung schafft weiters ein Verfahren zum Herstellen eines Heizelements mit hoher
Aufheizrate mit einem Grundkörper, einer thermischen Isolationslage und einer strukturierten
Widerstandsschicht mit Kontaktierungen, die auf der Isolationslage angeordnet sind, gelöst
durch folgende Verfahrensschritten:
- Drucken einer Glas- oder Glaskeramikpaste (Sintertemperatur: 850°C bis 1100°C) mittels Siebdruckverfahrens zur Realisierung einer thermischen Isolationslage auf einem Aluminiumoxid- oder Stahlsubstrat;
- Trocknen der aufgedruckten Paste (bei ca. 150°C);
- Sintern der Paste;
- Wiederholen der genannten Prozeßschritte auf dem gleichen Trägerkörper bis die gewünschte Gesamtschichtdicke erreicht ist;
- Bei Bedarf (zu hohe Oberflächenrauhigkeit) Läppen und Polieren der gesinterten Glas- oder Glaskeramikbeschichtung bis eine spiegelnde Oberfläche erreicht ist;
- Tempern des Substrats mit der geläppten und polierten Glas- oder Glaskeramikbeschichtung, um mechanische Spannungen abzubauen, die zu Mikrorissen führen könnten;
- Drucken der Resinatpaste mittels Siebdruckverfahrens auf die Glas- oder Glaskeramikbeschichtung;
- Trocknen der aufgedruckten Paste (bei zwischen 80°C und 150°C);
- Sintern der Paste (850°C);
- Strukturieren der Widerstandsbahnen durch naßätztechnische Verfahren oder Sputterätzen;
- Drucken der Pd-hältigen Dickschichtleiterpasten zur Kontaktierung der Resinatwiderstandsbahnen mittels Siebdruckverfahrens auf die geläppte und polierte Glasbzw. Glaskeramikbeschichtung;
- Trocknen der aufgedruckten Paste (bei ca. 150°C);
- Sintern der Paste (zwischen 850°C und 950°C);
The invention also provides a method for producing a heating element with a high heating rate with a base body, a thermal insulation layer and a structured resistance layer with contacts which are arranged on the insulation layer, solved by the following method steps:
- Printing a glass or glass ceramic paste (sintering temperature: 850 ° C to 1100 ° C) using a screen printing process to create a thermal insulation layer on an aluminum oxide or steel substrate;
- Drying the printed paste (at approx. 150 ° C);
- Sintering the paste;
- Repeating the above-mentioned process steps on the same carrier body until the desired total layer thickness is reached;
- If necessary (surface roughness too high) lapping and polishing the sintered glass or glass ceramic coating until a reflective surface is reached;
- Annealing the substrate with the lapped and polished glass or glass ceramic coating to relieve mechanical stresses that could lead to microcracks;
- Printing the resinate paste on the glass or glass ceramic coating using a screen printing process;
- Drying the printed paste (at between 80 ° C and 150 ° C);
- Sintering the paste (850 ° C);
- Structuring the resistance tracks by wet etching processes or sputter etching;
- Printing the Pd-containing thick-film conductor pastes for contacting the resinate resistance tracks by means of screen printing on the lapped and polished glass or Ceramic coating;
- Drying the printed paste (at approx. 150 ° C);
- Sintering the paste (between 850 ° C and 950 ° C);
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.A preferred embodiment of the present invention is described below Reference to the drawing explained in more detail.
Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung von einem Heizelement mit hoher Aufheizrate gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.Fig. 1 shows a sectional view of a heating element with a high heating rate according to a preferred embodiment of the present invention.
Das Heizelement (100) umfaßt ein Substrat (101), das mit einer geläppten und polierten Glas- oder Glaskeramikbeschichtung (102) versehen sein kann, auf der eine Resinat-Widerstandsbahn (103) angeordnet ist, die mit einer Dickschichtleiterbahnmetallisierung (104, 104') mit aufsitzendem Lötstopdamm (105, 105') kontaktiert wird. Das Substrat (101) ist in einer Ausführungsform eine Aluminiumoxidkeramik mit einer Reinheit von 96 - 99%, wobei der Rest aus anderen Oxiden besteht. Auf das Substrat wird eine Glas- oder Glaskeramikbeschichtung (102) mit handelsüblichen Pastensystemen der Firmen HERAEUS oder ESL im Siebdruckverfahren aufgebracht. Es werden vorzugsweise Pasten verwendet, die bei einer Temperatur 850°C gesintert werden können. Durch einen nachfolgenden Läpp- und Poliervorgang wird bei Bedarf die Oberflächenrauhigkeit Ra der Beschichtung von >0,6µm auf <0,1µm reduziert, um auf ihr die Widerstandsbahn (103) porenfrei und in einheitlicher Schichtdicke aufbauen zu können. Mit dieser Glas- oder Glaskramikbeschichtung wird für das Heizelement eine Wärmebarriere aufgebaut, wobei folgende Prozeßschritte angewendet werden.
- Drucken der Glas oder Glaskeramikpaste mittels eines Siebdruckverfahrens auf ein Aluminiumoxidkeramiksubstrat mit einer Schichtdicke von etwa 80µm.
- Trocknen der aufgedruckten Paste bei 150°C über eine Zeitdauer von ca. 10Minuten.
- Sintern der getrockneten Paste in einem Durchlaufofen bei einer Temperatur von 850°C, wodurch sich eine Schichtdicke der Glas- oder Glaskeramikbeschichtung nach dem ersten Brennzyklus von 15µm ergibt.
- Wiederholen der ersten drei Prozeßschritte auf dem gleichen Substrat, bis eine Gesamtschichtdicke von ca. 45µm erzielt wird. Dies erfordert etwa drei Prozeßdurchläufe.
- Bei Bedarf Läppen und Polieren der Glas- oder Glaskeramikbeschichtung bis eine Oberflächenrauhigkeit <0,1µm erzielt wird.
- Tempern des Substrats bei einer hohen Temperatur, vorzugsweise bei 850°C über eine Zeitdauer von 1 Stunde.
- Printing the glass or glass ceramic paste by means of a screen printing process on an aluminum oxide ceramic substrate with a layer thickness of approximately 80 μm.
- Drying the printed paste at 150 ° C for a period of about 10 minutes.
- Sintering the dried paste in a continuous furnace at a temperature of 850 ° C, which results in a layer thickness of the glass or glass ceramic coating after the first firing cycle of 15 µm.
- Repeat the first three process steps on the same substrate until a total layer thickness of approx. 45 µm is achieved. This requires approximately three process runs.
- If necessary, lapping and polishing the glass or glass ceramic coating until a surface roughness of <0.1 µm is achieved.
- Annealing the substrate at a high temperature, preferably at 850 ° C for a period of 1 hour.
Die Temperaturbehandlung bewirkt den Abbau der durch den Läpp- und Polierprozeß induzierten mechanischen Spannungen, die zur Ausbildung von Mikrorissen in der Glas- oder Glaskeramikbeschichtung und in der Folge auch in der Resinat-Widerstandsbahn führen könnte. Die Widerstandsbahn darf im Hinblick auf das schnelle Aufheizverhalten nur eine geringe Wärmekapazität besitzen. Dies wird einerseits durch Auswahl einer Metallisierungsschicht mit einer geringen spezifischen Wärmekapazität bzw. durch Miniaturisierung der Widerstandsbahn erreicht. Zur Herstellung der Widerstandsbahn (103) wird eine AuPd- oder Au-Resinatpaste verwendet, wobei folgende Verfahrensschritte eingehalten werden.
- Drucken der Resinatpaste mittels Siebdruckverfahrens auf die unbearbeitete oder geläppte und polierte Glas- oder Glaskeramikbeschichtung mit einer Schichtdicke von etwa 10µm.
- Trocknen der aufgedruckten Paste bei 150°C über einer Zeitdauer von 10 Minuten.
- Brennen der Paste in einem Durchlaufofen bei 850°C, wobei sich nach dem Brennzyklus eine Metallisierungsschichtdicke von etwa 0,1µm ergibt.
- Strukturieren der Widerstandsbahn durch naßchemische Ätzverfahren oder durch Sputterätzen.
- Printing the resin paste using the screen printing process on the unprocessed or lapped and polished glass or glass ceramic coating with a layer thickness of about 10 µm.
- Drying the printed paste at 150 ° C for a period of 10 minutes.
- Firing the paste in a continuous furnace at 850 ° C, which results in a metallization layer thickness of about 0.1 µm after the firing cycle.
- Structuring the resistance track by wet chemical etching processes or by sputter etching.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Widerstandswert der AuPd- oder Au-Resinatwiderstandsbahn durch Kontaktieren mit Dickschichtleiterpasten (104, 104') auf der Basis AgPd in Abhängigkeit des Pd-Gehalts gesteuert werden kann. Es sind hiebei folgende Prozeßschritte einzuhalten:
- Drucken der AgPd- oder PdAu-Dickschichtleiterpaste mittels eines Siebdruckverfahrens überlappend die Widerstandsbahn mit einer Schichtdicke von etwa 30µm.
- Trocknen der aufgedruckten Paste bei 150°C über eine Zeitdauer von ca. 10Minuten.
- Sintern der getrockneten Paste in einem Durchlaufofen bei einer Temperatur von 850°C, wodurch sich für die Kontaktierung eine Schichtdicke von etwa 15µm ergibt.
- Tempern des Substrats bei einer hohen Temperatur, bevorzugterweise 850°C über eine Zeitdauer von etwa 1 Stunde.
- Printing the AgPd or PdAu thick-film conductor paste by means of a screen printing process overlapping the resistance track with a layer thickness of about 30 µm.
- Drying the printed paste at 150 ° C for a period of about 10 minutes.
- Sintering the dried paste in a continuous furnace at a temperature of 850 ° C, which results in a layer thickness of about 15 µm for the contact.
- Annealing the substrate at a high temperature, preferably 850 ° C for a period of about 1 hour.
Durch das Tempern wird eine gezielte Veränderung und danach eine Stabilisierung des Widerstandswertes erreicht.Annealing is a targeted change and then a stabilization of the Resistance value reached.
Auf die Dickschichtleiterbahnkontakte (104, 104') werden bei Bedarf Lötstopdämme (105, 105') mittels einer Glaspaste aufgebracht. Beim Anlöten von Drahtanschlüssen, sollen die Lötstopdämme ein Benetzen der Widerstandsbahn mit Lot und Flußmittel vermeiden, da dies zum Ablegieren bzw. zum Verschmutzen der Widerstandsbahn führen könnte. Für das Aufbringen des Lötstopdamms wird folgender Prozeßablauf eingehalten:
- Drucken einer Glaspaste mittels eines Siebdruckverfahrens als Stegstruktur auf die Leiterbahnkontakte mit einer Schichtdicke von etwa 40µm.
- Trocknen der aufgedruckten Paste bei 150°C über eine Zeitdauer von ca. 10Minuten.
- Sintern der getrockneten Paste in einem Durchlaufofen bei einer Temperatur von etwa 500°C-600°C, wodurch sich für die Kontaktierung eine Schichtdicke von etwa 25µm einstellt.
- Printing a glass paste using a screen printing process as a web structure onto the conductor track contacts with a layer thickness of approximately 40 µm.
- Drying the printed paste at 150 ° C for a period of about 10 minutes.
- Sintering the dried paste in a continuous furnace at a temperature of about 500 ° C-600 ° C, which results in a layer thickness of about 25 µm for the contact.
Die Erfindung ist nicht auf das oben genannte Ausführungsbeispiel beschränkt. Als
Grundkörper (101) kann anstelle der Aluminiumoxidkeramik auch ein ferritischer
hochtemperaturfester Stahl verwendet werden. Die Glaskeramikschicht (102) kann nicht nur
im Siebdruckverfahren aufgebracht werden, sondern in Form einer "grünen" (ungebrannten)
Keramikfolie auf den Grundkörper auflaminiert und anschließend gesintert werden.
Auf das Aufbringen einer Glas/Glaskeramikschicht kann verzichtet werden, wenn als
Grundkörper bereits eine Glaskeramik bzw. eine Keramik mit geringer Wärmeleitfähigkeit,
wie beispielsweise Zirkonoxid oder Magnesiumoxid eingesetzt wird. Die Oberfläche muß
jedoch gegebenenfalls geläppt und poliert werden, um eine Oberflächenrauhigkeit <0,1µm zu
erzielen.The invention is not restricted to the exemplary embodiment mentioned above. A ferritic high-temperature-resistant steel can also be used as the base body (101) instead of the aluminum oxide ceramic. The glass ceramic layer (102) can not only be applied using the screen printing method, but can also be laminated onto the base body in the form of a "green" (unfired) ceramic film and then sintered.
A glass / glass ceramic layer can be dispensed with if a glass ceramic or a ceramic with low thermal conductivity, such as zirconium oxide or magnesium oxide, is already used as the base body. However, the surface may need to be lapped and polished to achieve a surface roughness of <0.1 µm.
Claims (10)
- Heating element (100) with a high heat up rate consisting ofa base body (101)a structured resistance layer (103) which is arranged on a base body (101)contact fields (104, 104') which are arranged overlapping on both ends of the resistance track, characterised in that the heating element furthermore consists ofbar-shaped solder stop dams (105, 105') which are applied on to the contact surfaces (104, 104'), that the resistance track (103) is an AuPd or Au resinate layer and that the contact surfaces (104, 104') overlapping the resistance track (103) consists of an AgPd or PdAu thick layer conductor path metallisation.
- Heating element (100) according to Claim 1, characterised in that the base body (101) consists of 96% to 99% aluminium oxide with a residual proportion of other oxides.
- Heating element (100) according to Claim 1, characterised in that the base body (101) consists of a high temperature resistant glass or a glass ceramic or a ceramic with low thermal conductivity such as, for example, zirconium oxide, the surface roughness of which is maintained if needed by lapping and polishing to <0.1µm.
- Heating element (100) according to Claim 1, characterised in that a heat barrier (102) is applied to the base body (101) consisting of a glass or glass ceramic layer, the surface roughness of which is, if necessary, by means of lapping and polishing, <0.1µm.
- Heating element (100) according to Claim 1 or Claim 4, characterised in that the base body (101) consists of a high temperature resistant carbon poor chromium-containing steel.
- Process for manufacturing a heating element (100) with high heat up rate for igniting propellants with a base body (101), a thermal barrier (102), a structured resistance layer with or without necking (103) which is arranged on the thermal barrier (102), contact surfaces (104, 104') which are arranged overlapping on both ends of the resistance track (103) and bar-shaped solder stop dams (105, 105') which are applied on to the contact surfaces (104, 104'), characterised by the following process steps:printing of the glass or glass ceramic case by means of a screen printing process on to an aluminium oxide ceramic substrate;drying of the applied paste;sintering of the dried paste;repeating the first three process steps on the same substrate until the desired overall layer thickness is achieved;preferably lapping and polishing the glass or glass ceramic layer until the permissible surface roughness is achieved;tempering the substrate in order to avoid the formation of microcracks;printing of the AuPd or Au resistance resinate paste by means of a screen printing process on to the preferably lapped and polished glass or glass ceramic layer;drying the applied paste;firing the resinate paste layer;structuring the resistance layer by wet chemical etching processes or sputter etching;printing the conductor paste by means of a screen printing process overlapping the resistance track;drying the applied paste;sintering the dried paste;tempering the substrate in order to alter the resistance value in targeted fashion and thereafter to stabilise it;printing the glass paste by means of a screen printing process as a bar structure on to the conductive track contacts;drying the applied paste;sintering the dried paste.
- Process for manufacturing a heating element (100) according to Claim 6, characterised in that in place of a glass or glass ceramic paste, a "green" (unfired) glass ceramic foil is used which is applied by lamination in place of a screen printing process on to the aluminium oxide or steel substrate.
- Process for manufacturing a heating element (100) according to Claim 6 or 7, characterised in that for the resistive track, an AuPd resinate paste is used which contains 22 weight percent Au and 1 weight percent Pd, wherein the remainder of the paste is constituted by organics.
- Process for manufacturing a heating element (100) according to Claim 6 or 7, characterised in that for the resistive track, an Au resinate paste is used which contains 12 weight percent Au wherein the remainder of the paste is constituted by organics.
- Process for manufacturing a heating element (100) according to Claim 8 or 9, characterised in that for contacting the resistance track, an AgPd or PdAu thick layer conductive paste with a Pd proportion between 0 and 100 weight % is used, wherein the remainder falls out from Ag or Au, an organics base, a glass phase and/or oxidic additions.
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