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HEIKO THUST (DE)
HINTZ MICHAEL (DE)
HEIKO THUST (DE)
US20010054481A1 | 2001-12-27 |
P A T E N T AN S P R ü C H E
1. Verfahren zur Herstellung eines mehrlagigen Keramikverbundes (6), bei dem mindestens drei Folien (1.1 bis l.n, 2.0 bis 2.n), von denen mindestens zwei aus einem Grundmaterial (A) gebildete Grünlceramikfolien (1.1 bis Ln) sind, zugeschnitten werden, in mindestens einer der Griinkeramikfolien (1.1 bis l.n) mindestens eine öffnung (3.1 bis 3.n) für ein Funktionsinlay (4) oder für eine oberflächige Kavität (7) eingebracht wird, aus allen Folien (1.1 bis l.n, 2.0 bis 2.n) ein Stapel gebildet wird und dabei in jede der öffnungen (3.1 bis 3.n) ein Funktionsinlay (4) aus einem Wirkmaterial (C) oder ein Hilfsinlay (5.1 bis 5.n) aus einem ersten Hilfsmaterial (B) zur Bildung einer oberflächigen Kavität (7), beide Materialien (B, C) mit einem von einem Schrumpfungsverhalten des Grundmaterials (A) abweichenden Schrumpfungsverhalten, eingefügt wird, die gestapelten Folien (1.1 bis l.n, 2.0 bis 2.n) laminiert, druckunterstützt gesintert und nachbearbeitet werden, wobei das erste Hilfsmaterial (B) nach dem Sintern vom Grundmaterial (A) entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bilden des Stapels unterhalb und/oder oberhalb der Grünkeramikfolien (1.1 bis l.n) mindestens eine aus dem ersten Hilfsmaterial (B) oder dem Wirkmaterial (C) oder einem zweiten Hilfsmaterial (D) mit einem von dem des Grundmaterials (A) abweichenden Schrumpfungsverhalten gebildete Hilfsfolie (2.0 bis 2.n) hinzugefügt wird, wobei mindestens eine der Hilfsfolien (2.0 bis 2.n) an mindestens einer mit einer öffnung (3.1 bis 3.n) mindestens einer der Grünkeramikfolien (1.1 bis l.n) fluchtenden Stelle mit einer gleichartigen öffnung (3.1' bis 3.n', 3.1" bis 3.n",...) versehen ist oder wird und die gleichartige öffnung (3.1' bis 3. n', 3.1" bis 3. n",...) mit einem aus dem Grundmaterial (A) oder einem der Hüfsmaterialien (B, D) oder dem Wirkmaterial (C) gebildeten Hilfsinlay (5.1 bis 5.n) gefüllt ist oder wird und dass alle Hilfsfolien (2.0 bis 2.n) und jedes der Hilfsinlays (5.1 bis 5.n) nach dem Sintern entfernt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Stapel unten und/oder oben mindestens eine weitere Hilfsfolie (2.0 bis 2.n) hinzugefügt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Trennfolie zwischen mindestens einer der Grünkeramikfolien (1.1 bis l.n), in der mindestens ein Funktionsinlay (4) vorgesehen ist, und einer benachbarten Hilfsfolie (2.0 bis 2.n) eingefügt und/oder unten und/oder oben dem Stapel hinzugefügt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine aus dem Wirkmaterial (C) gebildete Wirkmaterialfolie an mindestens einer Stelle, die mit einer mit dem Wirkmaterial (C) gefüllten öffnung (3.1 bis 3.n) mindestens einer der Grünkeramikfolien (1.1 bis l.n) fluchtet, mit einer gleichartigen öffnung (3.1 ' bis 3.n', 3.1" bis 3.n",...) versehen ist oder wird und die gleichartige öffnung (3.1 ' bis 3.n' , 3.1 " bis 3.n" , ...) mit einem aus dem Grundmaterial (A) gebildeten Hilfsinlay (5.1 bis 5.n) gefüllt ist oder wird und dass die Wirkmaterialfolie beim Stapeln eingefügt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens eine der Grünkeramikfolien (1.1 bis l.n) und/oder auf mindestens eines der Funktionsinlays (4) vor dem Laminieren oder vor dem Stapeln Wirkstrukturen aufgebracht werden. |
Verfahren zur Herstellung eines mehrlagigen Keramikverbundes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mehrlagigen Keramikverbundes (LTCC-Multilayer) mit Funktionsinlays und / oder oberflächigen Kavi- täten. Ein LTCC-Multilayer (Low Temperature co-fired Ceramics) ist ein keramischer Verbund im Mehrlagenaufbau. Als Basis wird ein flexibles Rohmaterial (Grünkeramikfolien) verwendet. Diese ungesinterte Grünkeramikfolie besteht aus einem Gemisch aus Glas, Keramik und organischen Bindern und Lösungsmitteln. Bei der Herstellung eines LTCC-Multilayers wird mit dem Zuschnitt der Grünkeramikfolien für eine entsprechende Anzahl an Lagen begonnen. Danach werden die unterschiedlichen Lagen mechanisch bearbeitet, d.h. es werden Justage- und Durchkontaktierungslöcher (Vias) in die Folien gestanzt. Anschließend werden diese Vias gefüllt und Metallisierungen, Widerstände und andere Schichten mittels Dickschicht-Siebdruckprozess aufgebracht. übliche Leitbahnmaterialien sind Gold, Silber, Platin- bzw. Palladiumlegierungen. Es ist auch möglich, durch Stanzen, Laserbearbeitung oder Prägen der einzelnen grünen Folien im LTCC- Multilayer Strukturen zu erzeugen, die nach dem Verbinden der Folien zu Kavitä- ten, Hohlräumen und Kanälen führen. Das Verpressen der Folien (Laminieren) und das anschließende Sintern bei ca. 850°C -950°C ergeben den fertigen LTCC- Multilayer. Während des Sinterns schrumpft das LTCC-Material in x/y- und in z- Richtung, wobei z die Stapelrichtung der Folien bezeichnet. Besonders das Schrumpfen in der x/y-Ebene wirkt sich nachteilig auf die Einhaltung der Strukturgenauigkeiten aus. Um dies zu verhindern, wurden Materialien ohne Schrumpfung in x/y-Richtung entwickelt. Dieser positive Effekt wird durch eine Kombination von speziell entwickelten Folien-Materialien erreicht (US 5,474,741, JP 06- 097656 , WO 00/04 577 oder DE 103 09 689). Eine weitere Möglichkeit, die Schrumpfung in der x/y-Ebene zu minimieren besteht darin, während des Sinterns einen Druck in axialer Richtung auf den Schichtverbund auszuüben (US 5,085,720) . Jedoch ist bei diesem Verfahren die Herstellung von Funktionsinlays aus einem Material mit einem anderen Schrumpfungsverhalten oder oberflächigen
Kavitäten nicht möglich, da das keramische Folienmaterial während des druckunterstützten Sinterns zumindest in der z-Richtung schrumpft und somit entweder zu Beginn oder zum Ende des Sinterprozesses eine ungleiche Druckverteilung auftritt. Auf Grund dieser ungleich verteilten Druckkräfte kommt es zu Rissen und Verformungen im Keramikverbund.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines mehrlagigen Keramikverbundes mit Funktionsinlays und / oder oberflächigen Kavitäten anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines mehrlagigen Keramikverbundes, werden mindestens drei Folien, von denen mindestens zwei aus einem Grundmaterial gebildete Grünkeramikfolien sind, zunächst zugeschnitten. In mindestens einer der Grünkeramikfolien wird mindestens eine öffnung für ein Funk- tionsinlay oder für eine oberflächige Kavität eingebracht, beispielsweise mittels Stanzen oder Laserschneiden. Aus allen Folien wird ein Stapel gebildet und dabei in jede der öffnungen ein Wirkmaterial zur Bildung eines Funktionsinlays oder ein erstes Hilfsmaterial zur Bildung einer oberflächigen Kavität eingefügt. Das erste Hilfsmaterial und das Wirkmaterial weisen ein von einem Schrumpfungsverhalten des Grundmaterials abweichendes Schrumpfungsverhalten auf. Die gestapelten Folien werden laminiert, druckunterstützt gesintert und nachbearbeitet. Beim Nachbearbeiten wird das erste Hilfsmaterial vom Grundmaterial entfernt. Beim Bilden des Stapels wird zudem unterhalb und/oder oberhalb der Grünkeramikfolien mindestens eine aus dem ersten Hilfsmaterial oder dem Wirkmaterial oder einem zweiten Hilfsmaterial mit einem von dem des Grundmaterials abweichenden Schrumpfungsverhalten gebildete Hilfsfolie hinzugefügt. Mindestens eine der Hilfsfolien ist oder wird an mindestens einer mit einer öffnung mindes-
tens einer der Grünkeramikfolien fluchtenden Stelle mit einer gleichartigen öffnung versehen, d.h. die gleichartige öffnung weist die selbe Form und Größe auf wie die dazugehörige öffnung. Diese gleichartige öffnung wird mit einem aus dem Grundmaterial oder einem der Hilfsmaterialien oder dem Wirkmaterial gebildeten Hilfsinlay gefüllt. Nach dem Sintern werden alle Hilfsfolien und jedes der Hilfsinlays entfernt. Auf diese Weise wird überall dort, wo infolge des unterschiedlichen Schrumpfungsverhaltens von Grundmaterial, erstem Hilfsmaterial und Wirkmaterial beim druckunterstützten Sintern eine ungleiche Druckverteilung mit den beschriebenen Nachteilen aufträte, diese durch eine inverse Anordnung dieser Materialien in mindestens einer weiteren Folie und gegebenenfalls dem Einsatz des zweiten Hilfsmaterial kompensiert. Eine mit dem ersten Hilfsmaterial gefüllte öffnung einer aus dem Grundmaterial A gebildeten Grünkeramikfolie wird beispielsweise mit einer aus dem ersten oder zweiten Hilfsmaterial gebildeten Hilfsfolie kompensiert, die an der Stelle der öffnung eine mit dem Grundmaterial gefüllte gleichartige öffnung aufweist. ähnlich erfolgt die Kompensation für ein aus dem Wirkmaterial gebildetes Funktionsinlay. Erstreckt sich eine öffnung über mehrere hintereinander liegende Grünkeramikfolien, kann dies durch eine entsprechende Anzahl gleichartiger öffnungen mit Hilfsinlays in entsprechend vielen aufeinander folgenden Hilfsfolien ausgeglichen werden. Der Ausgleich durch ein Hilfsinlay kann bei Verwendung mehrerer aufeinander folgender Hilfsfolien auch in einer nicht unmittelbar an die Grünkeramikfolie angrenzenden Hilfsfolie erfolgen, beispielsweise so, dass eine angrenzende Hilfsfolie eine gleichartige öffnung mit einem Hilfsinlay aus dem gleichen Material wie dem der Hilfsfolie enthält und erst eine darauf oder noch später folgende Hilfsfolie ein Hilfsinlay aus dem Grundmaterial aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung hochpräziser Funk- tionsinlays und oberflächiger Kavitäten, wie Vertiefungen, Kanäle etc. in LTCC- Multilayern in der Größenordnung einer oder mehrerer Foliendicken. So lassen sich auf diese Weise z.B. magnetische Ringkeme in einen LTCC-Multilayer mit hoher Präzision integrieren. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass die zuvor aus den Grünkeramikfolien des Grundmaterials ausgestanzten Tei-
Ie bei der Füllung der gleichartigen öffnungen in den Hilfsfolien aus dem Hilfs- material D wiederverwendet werden können und somit die Formen- und Dicken- gleichheit bei der Füllung der Folien aus dem Hilfsmaterial D sichergestellt ist.
Auch der Wirkstoff sowie insbesondere der erste und der zweite Hilfsstoff können grünkeramische Stoffe sein.
Vorzugsweise wird beim Bilden des Stapels unterhalb und/oder oberhalb der übrigen Folien mindestens eine weitere Hilfsfolie aufgebracht, um ein Anhaften von Pressplatten eines Drucksinterofens zu vermeiden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird mindestens eine Trennfolie zwischen mindestens einer der Grünkeramikfolien, in der mindestens ein Funktionsinlay vorgesehen ist, und einer benachbarten Hilfsfolie und/oder unterhalb und/oder oberhalb der übrigen Folien eingefügt, um das Zusammensintern der Grünkeramikfolien und der Hilfsfolien oder ein Anhaften an den Pressplatten des Drucksinterofens zu verhindern.
Vorzugsweise wird mindestens eine aus dem Wirkmaterial gebildete Wirkmaterialfolie an mindestens einer Stelle, die mit einer mit dem Wirkmaterial gefüllten öffnung mindestens einer der Grünkeramikfolien fluchtet, mit einer gleichartigen öffnung versehen. Diese gleichartige öffnung wird mit einem aus dem Grundmaterial (A) gebildeten Hilfsinlay gefüllt und die Wirkmaterialfolie beim Stapeln eingefügt wird. Auf diese Weise können an den Stellen von Funktionsinlays die unterschiedlichen Schrumpfungseigenschaften des Grundmaterials und des Wirkmaterials noch besser kompensiert werden.
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform werden auf mindestens eine der Grünkeramikfolien und/oder auf mindestens eines der Funktionsinlays vor dem Laminie- ren oder vor dem Stapeln Wirkstrukturen aufgebracht, beispielsweise Leitbahnen, Widerstände etc.
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Darin zeigen:
Figur 1 einen Stapel von Folien , teils mit öffnungen, Funktionsinlays und
Hilfsinlays zur Bildung eines mehrlagigen Keramikverbundes,
Figur 2 den Stapel aus Figur 1 während eines Laminierungs- und Sintervorgangs,
Figur 3 den aus dem Stapel aus Figur 1 und 2 gesinterten mehrlagigen Keramikverbund und
Figur 4 den aus dem Stapel aus Figur 1 und 2 gesinterten mehrlagigen Keramikverbund nach dem Entfernen von Hilfsmaterialien und Hilfsinlays.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt einen Stapel von Folien zur Bildung eines mehrlagigen Keramikverbundes. Von fünf aufeinander folgenden Grünkeramikfolien 1.1 bis 1.5, die aus einem Grundmaterial A gebildet sind, ist die oberste Grünkeramikfolie 1.5 mit zwei öffnungen 3.1, 3.2 versehen, von denen die eine 3.1 mit einem Wirkmaterial C zur Bildung eines Funktionsinlays 4 und die andere 3.2 mit einem Hilfsinlay 5.1 aus einem ersten Hilfsmaterial B zur Bildung einer oberflächigen Kavität 11 gefüllt ist. Die übrigen Grünkeramikfolien 1.1 bis 1.4 weisen keine öffnungen 3 auf. Das Wirkmaterial C und das Hilfsmaterial B weisen ein Schrumpfungsverhalten auf, das von dem des Grundmaterials A verschieden ist. In diesem speziellen Ausführungsbeispiel schrumpfen sie beim Sintern gar nicht. über der Grünkeramikfolie 1.5 ist eine aus einem zweiten Hilfsmaterial D gebildete Hilfsfolie 2.1, die an
mit den öffnungen 3.1, 3.2 in der Grünkeramikfolie 1.5 fluchtenden Stellen gleichartige öffnungen 3.1', 3.2' aufweist, wobei die gleichartige öffnung 3.1' mit einem Hilfsinlay 5.2 aus dem Grundmaterial A und die gleichartige öffnung 3.2' mit einem Hilfsinlay 5.3 aus dem zweiten Hilfsmaterial D verschlossen ist. Auch das zweite Hilfsmaterial D weist ein anderes Schrumpfungsverhalten als das Grundmaterial A auf. über der Hilfsfolie 2.1 schließt sich eine weitere aus dem zweiten Hilfsmaterial D gebildete Hilfsfolie 2.2 an, die nur an einer mit der öffnung 3.1 fluchtenden Stelle mit einer gleichartigen öffnung 3.1" versehen ist, die mit einem Hilfsinlay 5.4 aus dem Grundmaterial A verschlossen ist. Der Stapel wird oben und unten von je einer weiteren aus dem zweiten Hilfsmaterial D gebildeten Hilfsfolie 2.n, 2.0 abgeschlossen, um ein Anhaften an Pressplatten eines Drucksinterofens beim Sintern zu vermeiden. Die Grünkeramikfolien 1.1 bis 1.5 und die Hilfsfolien 2.0 bis 2.n werden vor dem Stapeln zunächst zugeschnitten und die öffnungen herausgeschnitten, beispielsweise mittels Stanzen oder Laserschneiden. Die dabei aus einer der Folien 1.1 bis 1.5, 2.0 bis 2.n ausgeschnittenen Teile können zumindest teilweise als Hilfsinlay s 5.1 bis 5.4 in einer der Folien
2.0 bis 2.n, 1.1 bis 1.5 verwendet werden. Die Dicke und Anzahl der Hilfsfolien
2.1 bis 2.n-l aus dem zweiten Hilfsmaterial D sowie der eingefügten Hilfsinlay s 5.1 bis 5.4 werden so gewählt, dass nach einem anschließenden Laminierprozess ein Verbund mit einheitlicher Dicke entsteht und auch während eines nachfolgenden Sinterprozesses die unterschiedlichen Schrumpfungen der verschiedenen Materialien A, B, C, D sich in der Art und Weise gegeneinander ausgleichen, dass keine Dickenunterschiede entstehen, der Verbund also gleichmäßig in z- Richtung schrumpft.
In Figur 2 ist schematisch angedeutet, dass der aus den Grünkeramikfolien 1.1 bis 1.5 und den Hilfsfolien 2.0 bis 2.n gebildete Stapel laminiert und uniaxial druckunterstützt gesintert wird. Im Bereich der öffnungen 3.1, 3.2 der Grünkeramikfolie 1.5 aus dem Grundmaterial A kommt es aufgrund des unterschiedlichen Schrumpfverhaltens des Grundmaterials A, des ersten Hilfsmaterials B und des Wirkmaterials C zu einer unterschiedlichen Schrumpfung in z-Richtung, welche eine ungleichmäßige Druckverteilung auf der Stapeloberfläche zur Folge hätte,
wenn dieser Effekt nicht durch die in Figur 1 beschriebene zusätzliche inverse Anordnung der Hüfsfolien 2.1, 2.2 und der dort eingefügten Hilfsinlays 5.2 bis 5.4 kompensiert würde. Während des druckunterstützten Sinterprozesses schrumpft das Grundmaterial A in z-Richtung in materialabhängigem Maße. Die Hilfsmaterialien B und D und das Wirkmaterial C sintern und schrumpfen im Brennprozess im speziellen Fall nicht. Zusätzlich ist das Hilfsmaterial D so beschaffen, dass es nicht am Grundmaterial A und am Wirkmaterial C festsintert. Es wirkt also wie ein Trennmittel. Dies kann zum Beispiel durch den Einsatz eines erst bei hohen Temperaturen über 1000 0 C sinternden Hilfsmaterials D erreicht werden, beispielsweise eines sogenannten „Releasetapes" mit Aluminiumoxidfüllung.
In Figur 3 ist ein beim Sintern aus den vorherigen Grünkeramikfolien 1.1 bis 1.5 gebildeter Keramikverbund 6 mit noch anhaftenden Hüfsfolien 2.0 bis 2.n und Hilfsinlays 5.1 bis 5.4 dargestellt. Die Schrumpfung der aus dem Grundmaterial A gebildeten vorherigen Grünkeramikfolien 1.1 bis 1.5, die jetzt den Keramikverbund 6 bilden, sowie der beiden aus dem Grundmaterial A gebildeten Hilfsinlays 5.2, 5.4 ist deutlich erkennbar. Das Funktionsinlay 4, die Hilfsfolien 2.0 bis 2.n sowie die Hilfsinlays 5.1, 5.3, also all jene Komponenten, die aus einem der Hilfsmaterialien B, D oder dem Wirkmaterial C gebildet sind, sind hingegen nicht geschrumpft. Sie können, da das Hilfsmaterial D nicht am Grundmaterial A und am Wirkmaterial C festgesintert ist, nach dem Sinterprozess z.B. durch Sandstrahlen oder Bürsten entfernt werden, so dass der fertige Keramikverbund 6 wie in Figur 4 gezeigt vorliegt, wo an der Stelle der öffnung 3.1 das leicht erhabene Funktionsinlay 4 und an der Stelle der öffnung 3.2 eine oberflächige Kavität 7 erkennbar ist.
Es versteht sich von selbst, dass eine andere Anzahl an öffnungen 3.1 bis 3.n, eine andere Anzahl von Grünkeramikfolien 1.1 bis l.n, eine andere Anzahl von Hilfsfolien 2.0 bis 2.n mit entsprechenden gleichartigen öffnungen 3.1' bis 3. n', 3.1 " bis 3.n" , ... vorgesehen sein kann. Ebenso können nur oberflächige Kavitä- ten 7 oder nur Funktionsinlays 4 vorgesehen sein. Oberflächige Kavitäten 7 oder
Funktionsinlays 4 können in mehreren aufeinander folgenden öffnungen in aneinander angrenzenden Grünkeramikfolien 1.1 bis l.n vorgesehen sein.
Weiterhin können die Hilfsfolien 2.0 bis 2.n auch aus dem ersten Hilfsmaterial B oder dem Wirkmaterial C gebildet sein, bzw. es können mehrere Hilfsfolien 2.0 bis 2.n aus verschiedenen Materialien B, C, D verwendet werden.
Zwischen mindestens einer der Grünkeramikfolien 1.1 bis l.n, in der mindestens ein Funktionsinlay 4 vorgesehen ist, und einer benachbarten Hilfsfolie 2.1 bis 2. n und/oder unterhalb und/oder oberhalb der übrigen Folien 1.1 bis l.n, 2.0 bis 2.n kann eine Trennfolie eingefügt werden, um das Zusammensintern der Grünkeramikfolien 1.1 bis l.n und der Hilfsfolien 2.0 bis 2.n zu verhindern.
Vorzugsweise werden auf mindestens eine der Grünkeramikfolien 1.1 bis l.n und/oder auf mindestens eines der Funktionsinlays 4 vor dem Laminieren oder vor dem Stapeln Wirkstrukturen aufgebracht, beispielsweise Leitbahnen, Widerstände etc.
RRZUGSZEICHENLISTE
1.1 bisl. .5 Grünkeramikfolie
2.0 bis 2. ,n Hilfsfolie
3.1 32 öffnung
3.1 ', 3.2 : ',3.I" gleichartige öffnung
4 Funktionsinlay
5.1 bis 5 .4 Hilfsinlay
6 Keramikverbund
7 oberflächige Kavität
A Grundmaterial
B erstes Hilfsmaterial
C Wirkmaterial
D zweites Hilfsmaterial
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