DE69202402T2

DE69202402T2 - Replika Heisspressverfahren.

Info

Publication number: DE69202402T2
Application number: DE69202402T
Authority: DE
Inventors: Jack Harrison Enloe; John Wing-Keung Lau
Original assignee: WR Grace and Co
Current assignee: WR Grace and Co
Priority date: 1991-05-20
Filing date: 1992-05-19
Publication date: 1995-09-14
Anticipated expiration: 2012-05-20
Also published as: ATE122329T1; JPH06155097A; EP0519224A1; DK0519224T3; ES2072047T3; DE69202402D1; EP0519224B1

Description

Diese Anmeldung ist eine continuation-in-part der am 19. Dezember 1981 eingereichten Anmeldung mit dem Aktenzeichen 286 557, jetzt US-Patent 5 017 034, welche eine continuation-in-part der am 27. Januar 1988 eingereichten Patentanmeldung 148 829, jetzt US-Patent 4 920 640, ist.

Hintergrund der Erfindung

Uniaxiales Heißpressen ist ein Verfahren zur Formung verdichteter Objekte durch Erhitzen und Anwendung uniaxialen Drucks auf ein Material wie zum Beispiel eine Pulvervorform oder einen Preßling. Das Heißpressen wurde auf eine Vielzahl pulverförmiger Materialien wie zum Beispiel Metalle, Keramiken und Kombinationen daraus angewendet.
In einem Heißpreßverfahren wird das Material, das heißgepreßt werden soll, gewöhnlich in eine Preßform eingebracht und dann durch einen Preßstempel oder eine Preßplatte Druck ausgeübt, welcher direkt auf das Material oder indirekt über ein intermediäres Material wirkt. Heißpreßanwendungen waren generell auf die Herstellung von Formteilen beschränkt, die flache, einheitliche Querschnitte relativ zur Richtung des uniaxialen Drucks aufwiesen.
Uneinheitliche Querschnitte reagieren uneinheitlich und oft unvorhersehbar auf den angewendeten Druck und die Hitze. Wenn ein Querschnitt Bereiche mit unterschiedlichen Materialien aufweist, können diese Materialien eine unterschiedlich starke Schrumpfung relativ zu der axialen Richtung erfahren. Der Bereich, der zuerst zu Schrumpfen aufhört, kann die Last übernehmen und so die Preßplatte oder den Preßstempel an einer weiteren Bewegung in Richtung der anderen Regionen und damit von der Ausübung von Druck auf diese Regionen abhalten. Es ist möglich, daß diese anderen Regionen aufgrund des Mangels an ausgeübtem Druck nicht vollständig verdichtet werden.
Die DE-A-21 35 876 betrifft ein verbessertes Heißpreßverfahren zur Herstellung genau dimensionierter gesinterter Produkte. Ein hitzebeständiges Pulver wird zu einem ersten Körper geformt, der im Vergleich zu dem gewünschten Produkt parallel zur Preßrichtung verlängert ist. Dieser Körper wird so in eine Preßform gelegt, daß er durch ein zweites hitzebeständiges Pulver vollständig umschlossen ist, wobei ein zweiter Körper gebildet wird, welcher in und/oder um den ersten Körper herum paßt und dabei einen zusammengesetzten Körper bildet, der in Preßrichtung eine gleichmäßige Dicke aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die hitzebeständigen Pulver, welche für den ersten und zweiten Körper verwendet werden, identisch, und die zwei Körper werden durch eine dünne Schicht eines Trennmittels getrennt, das zwischen den Körpern liegt. Der zusammengesetzte Körper wird gepreßt und dabei gleichzeitig der Sintertemperatur des hitzebeständigen Pulvers unterworfen, worauf nach dem Entfernen des zweiten Körpers ein gesintertes Produkt erhalten wird, das den ersten Körper mit der gewünschten Form und mit einer gleichmäßigen Dichte enthält. Obwohl dieses Verfahren die Herstellung von Körpern erlaubt, die in Druckrichtung unterschiedliche Dicken aufweisen, erlaubt es nicht die Herstellung von Körpern, die einen Querschnitt mit einer uneinheitlicher Zusammensetzung aufweisen, welcher Regionen aufweist, die ein unterschiedliches Ausmaß an Schrumpfung in der uniaxialen Richtung erfordern, um unter Druck die maximale Dichte zu erreichen.
Das FR-A-2 166 054 betrifft ein Verfahren zum Heißpressen eines hitzebeständigen Pulvers zu einer gewünschten monolithischen Endform mit ungleichmäßiger Dicke. Dies wird durch die Verwendung einer Form, die zu einem Formteil vorgeformt ist, welches sich, wenn es richtig orientiert und uniaxial zur endgültigen Dichte gepreßt wird, zu der gewünschten Endform verformt, und durch Heißpressen der Form in einer Preßform gegen vorgeformte Teile erreicht, deren Oberflächen genau den Oberflächen der Vorform entsprechen. Diese Teile der Preßform haben das gleiche Verdichtungsverhältnis wie die Vorform und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der im wesentlichen dem der Vorform entspricht. Sie werden aus einer pulverförmigen Zusammensetzung geformt, welche unter den Heißpreßbedingungen nicht mit dem Material der Vorform reagiert. Geeignete Zusammensetzungen für die Vorformen der Teile der Preßform sind temporär gebundene Mischungen aus Kohlenstoff oder Graphitpulver sowie das Pulvermaterial der Vorform. Dieses Verfahren gestattet ebenfalls nicht die Herstellung von Körpern, die Querschnitte mit uneinheitlicher Zusammensetzung aufweisen.
Wenn ein Oberflächenquerschnitt des zu verdichtenden Objekts nicht flach ist und keine gleichmäßige Dicke aufweist (z.B. Aussparungen, Furchen, Stufen etc. aufweist) kann das Heißpressen mit einem flachen Preßstempel oder einer flachen Preßplatte laterale Verformungen oder Deformationen der Oberflächenmerkmale bewirken. Es wurden Versuche mit Preßstempeln unternommen, die so geformt waren, daß sie den Stufen oder Aussparungen des Objekts entsprachen. Diese Bemühungen haben zum größten Teil nicht zu einer gleichmäßigen Dichte des resultierenden Objekts ohne Deformation der Oberflächenmerkmale geführt.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum uniaxialen Heißpressen von Formteilen zur Verfügung, welche Querschnitte mit uneinheitlicher Zusammensetzung aufweisen, wie beispielsweise Formteile, die Oberflächenaussparungen oder Stufen aufweisen, die der uniaxialen Richtung zugewandt sind.
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Heißpressen eines Grünkörpers durch Erhitzen des Körpers und durch das Ausüben von Druck in einer uni axialen Richtung auf den Körper für eine bestimmte Zeit zur Verfügung, worin (i) der Körper mindestens einen uneinheitlichen Querschnitt senkrecht zu der uniaxialen Richtung aufweist und (ii) der ungleichförmige Querschnitt Bereiche aufweist, welche ein unterschiedliches Ausmaß an Schrumpfung in der uniaxialen Richtung erfordern, um die für den Druck und das Erhitzen in der gegebenen Zeit maximale Dichte zu erreichen, wobei das Verfahren
a) das Laminieren von Hilfsmaterial mit dem Grünkörper in der uniaxialen Richtung, wobei (i) das Hilfsmaterial mindestens einen zu der uniaxialen Richtung senkrechten uneinheitlichen Querschnitt aufweist und (ii) der uneinheitliche Querschnitt des Hilfsmaterials Bereiche aufweist, welche ein unterschiedliches Ausmaß an Schrumpfung in der uniaxialen Richtung erfordern, um die für den Druck und das Erhitzen in der gegebenen Zeit maximale Dichte zu erreichen, wobei die gesamte uniaxiale Schrumpfung, die von dem Laminat erfordert wird, um die für das Erhitzen und den Druck in der gegebenen Zeit maximale Dichte zu erreichen, quer durch das Laminat im wesentlichen gleich ist;
b) das Heißpressen des Laminats, um den Körper zu verdichten, und
c) das Delaminieren des Hilfsmaterials von dem verdichteten Körper
umfaßt.
Der Grünkörper und das Hilfsmaterial sind vorzugsweise Vorformen. Die Grünkörpervorform kann eine oder mehrere uneinheitliche Schichten enthalten, die Bereiche mit unterschiedlicher Zusammensetzung aufweisen. Die Hilfsmaterialvorform hat vorzugsweise mindestens eine Schicht, die Bereiche aufweist, die in der gleichen Weise wie die uneinheitliche Schicht des Grünkörpers unterteilt ist, mit der Ausnahme, daß die unterschiedlichen Zusammensetzungen zwischen den Bereichen vertauscht sind. Die Zusammensetzungen können Metalle, Keramiken oder Mischungen daraus enthalten.
Die Erfindung schließt auch Ausführungsformen ein, in denen das Hilfsmaterial in Form von zwei getrennten Vorformen angewendet wird, die auf gegenüberliegende Seiten der Grünkörpervorform laminiert sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine elektronische Baueinheit.
Fig. 2 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer Ecke der Baueinheit gemäß Fig. 1 entlang der Linie 2-2'.
Fig. 3 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht als Schnitt von Fig. 2 entlang der Linie 3-3', um eine Durchtrittsöffnung für Leitungen (via) und eine Metallisierung zu zeigen.
Fig. 4 ist eine Draufsicht auf einen Grünwarenleitungsrahmen.
Fig. 5 ist ein Schnitt des Leitungsrahmens gemäß Fig. 4 entlang der Linie 5-5'.
Fig. 6 ist eine Draufsicht auf ein Replika für den Leitungsrahmen gemäß Fig. 4.
Fig. 7 ist ein Schnitt des Replikas gemäß Fig. 6 entlang der Linie 7-7'.
Fig. 8 ist eine Draufsicht auf eine metallisierte Grünwaren- Dichtungsring-Schicht.
Fig. 9 ist ein Schnitt der Dichtungsring-Schicht gemäß Fig. 8 entlang der Linie 9-9'.
Fig. 10 ist eine Draufsicht auf ein Replika für die Dichtungs-Ringschicht gemäß Fig. 8.
Fig. 11 ist ein Schnitt des Replikas gemäß Fig. 10 entlang der Linie 11-11'.
Fig. 12 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Grünwarenlaminats gemäß der Erfindung, mit Replika-Schichten. Der vertikale Maßstab ist vergrößert.
Fig. 13 zeigt ein Beispiel von einigen zulässigen Grünkörper- Schichtkonfigurationen gemäß der Erfindung.
Fig. 14 zeigt die uneinheitlichen Schichten des Grünkörpers aus Fig. 13 mit einer passenden Hilfsschichtkonfiguration.

Genaue Beschreibung der Erfindung

Die Heißpreßtechnik der Erfindung umfaßt die Schritte A) Zusammensetzen einer Konfiguration aus dem (den) zu verdichtenden Pulver(n) (Grünkörper), B) Zusammensetzen einer Hilfsmaterial- Konfiguration, die daran angepaßt ist, die Schrumpfungsunterschiede des (der) Querschnitts (Querschnitte) des Grünkörpers auszugleichen, C) Heißpressen der Grünkörper-Hilfsmaterialkombination und D) Trennen des heißgepreßten Körpers von dem Hilfsmaterial.
Der Grünkörper kann Materialbereiche enthalten, welche sich schon vor dem Zusammensetzen in einem verdichteten Zustand befanden. Der Grünkörper kann Pulvermaterialien (nicht-sinterbare Materialien) enthalten, welche sich nicht in einem verdichteten Zustand befinden und welche sich unter den Heißpreßbedingungen, welche zum Verdichten des Grünkörpers verwendet werden, nicht nennenswert verdichten.
Die erfindungsgemäße Technik kann zum Verdichten von Keramikpulvern, Metallpulvern und Mischungen aus Keramik- und Metallpulvern verwendet werden. Die Erfindung wird im folgenden in bezug auf keramische Pulver und das Heißpressen von Grünkörpervorformen zur Bildung einer metallisierten Keramikbasis für eine elektronische Baueinheit beschrieben, es sollte jedoch klar sein, daß die Erfindung nicht auf das Heißpressen keramischer Pulver oder die Herstellung von Basen für elektronische Baueinheiten beschränkt ist. Körper auf Metallbasis oder Cermet-Körper können durch ähnliche Verfahren durch entsprechende Substitution der gewünschten Pulver hergestellt werden.
Für einen Keramik enthaltenden Körper kann ein Grünkörper aus jedem (jeden) gewünschten Keramikpulver(n) hergestellt werden. Gewöhnlich würden das oder die Keramikpulver mit einem geeigneten Binder kombiniert werden. Die Pulver-Binder-Mischung(en) würde(n) dann zu einer Grünkörpervorform geformt werden. Der Binder in der Grünkörpervorform wird, nachdem die Grünkörpervorform und die Hilfsmaterialien zusammengesetzt worden sind, vorzugsweise entfernt oder umgesetzt. Obwohl die Erfindung nicht auf eine bestimmte Weise zur Herstellung des Grünkörpers oder der Grünkörpervorform beschränkt ist, wird (werden) die Pulver-Binder-Mischung(en) vorzugsweise zu einem Grünband(-bändern) geformt, die geschnitten, schichtweise und/oder aneinander anstoßend angeordnet werden können, um die Grünkörpervorform zu bilden.
Wenn ein Keramikkörper hergestellt werden soll, der eine Oberflächenstruktur mit Aussparungen oder Stufen aufweist, würden die Oberflächenschicht(en) der Vorform einen Bereich mit einem Material enthalten, welches unter den verwendeten Heißpreßbedingungen im wesentlichen nicht-sinterbar ist. Der nicht-sinterbare Bereich würde an die grünen keramischen Bereiche in der Schicht angrenzen, die den Stufen oder Wänden der Aussparung in dem keramischen Körper entsprechen. Der (die) nicht-sinterbare(n) Bereich(e) könnten dann nach dem Heißpressen entfernt werden, um die gewünschten Oberflächenmerkmale zu erhalten.
Wenn eine Schicht mit dichten Bereichen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen gewünscht ist, würden unterschiedliche grüne keramische Zusammensetzungen hergestellt, und diskrete Bereiche der grünen Schicht würden unterschiedliche grüne keramische Zusammensetzungen enthalten. (Verfahren zur Herstellung uneinheitlicher Schichten unter Verwendung nicht-sinterbarer Zusammensetzungen oder verschiedener keramischer Zusammensetzungen werden weiter unten beschrieben.) Die uneinheitliche Schicht kann nur dann teilweise oder vollständig im Inneren des Körpers verborgen sein, wenn die Grünkörpervorform die folgende Bedingung erfüllt: die Grenzen zwischen den Bereichen in der verborgenen Schicht müssen entweder a) mit den Grenzen zwischen den Regionen in der (den) Schicht(en) fluchten, die sich zwischen der verborgenen Schicht und einer Querschnitts- (d.h. senkrecht zu der uniaxialen Preßrichtung liegenden) Oberfläche des Grünkörpers befindet (-en), oder b) mit einem nicht-sinterbaren Bereich der intermediären Schicht(en) fluchtet(-en). Diese Bedingung muß von jeder verborgenen uneinheitlichen Schicht in dem Grünkörper hinsichtlich mindestens einer Querschnittsoberfläche des Korpers erfüllt sein.
Einige zulässige Grünschichtkonfigurationen sind in Figur 13 gezeigt. Die Bereiche 10 und 22 sind aus einem sinterbaren Material, wohingegen die Bereiche 12, 20 und 24 aus einem anderen sinterbaren Material sind. Die Schicht 100 kann eine dichte keramische Basis oder eine sinterbare Keramik sein. Die Bereiche 30, 34 und 38 sind aus einem nicht-sinterbaren Material. Die Bereiche 32 und 36 sind aus einem dritten sinterbaren Material. Die Pfeile P, P' zeigen die Richtung des ausgeübten uniaxialen Drucks.
Die Schicht 101 ist zulässig weil, die Zwischenbereichsgrenze 52 mit den Zwischenbereichsgrenzen 54 und 56 fluchtet. Es ist nicht notwendig diese Bedingungen in beide Richtungen (d.h. in Richtung der Schicht 100) zu erfüllen.
Die Schicht 102 kann ähnlich bezüglich der Schicht 103 analysiert werden. Die Grenze 50 fluchtet nämlich mit dem nicht-sinterbaren Bereich 34, und die Grenze 54 fluchtet mit der Grenze 56. Die Schicht 103 ist zulässig, da sie keine verborgene Schicht ist.
Das Hilfsmaterial schafft ein uniaxiales Schrumpfprofil, das die Schrumpfungsunterschiede des Grünkörpers an jedem Punkt quer durch den Querschnitt des Grünkörper-Hilfsmateriallaminats ausgleicht. Auf diese Weise ist die gesamte uniaxiale Schrumpfung zur Erreichung der maximalen Dichte unter den gegebenen Heißpreßbedingungen quer über den gesamten Querschnitt des Laminats im wesentlichen gleich.
Um diese Ausgleichsfunktion ausüben zu können, wird das Hilfsmaterial vorzugsweise aus den gleichen Materialien wie die Grünkörpervorform geformt. Das Hilfsmaterial enthält vorzugsweise eine oder mehrere Schichten dieser Materialien in verschiedenen Bereichen, so daß die Gesamtkombination der Materialschichten in uniaxialer Richtung an jedem Punkt des Grünkörper-Hilfsmateriallaminats dieselbe ist.
Das Hilfsmaterial wird auf den Oberflächenquerschnitt des Grünkörpers in der Richtung laminiert, die das oben diskutierte Kriterium für verborgene Schichten erfüllt. Wenn das Kriterium für verborgene Schichten von beiden Seiten des Grünkörpers erfüllt wird, die senkrecht zu der uniaxialen Richtung sind, dann würde auf beide Seiten Hilfsmaterial aufgebracht. Wenn keine uneinheitlichen verborgenen Schichten vorhanden sind, dann würde das Hilfsmaterial auf die Seiten des Grünkörpers aufgebracht, wo eine uneinheitliche Oberflächenschicht vorhanden ist.
Die Konstruktion des Hilfsmaterials muß ebenfalls das Kriterium für verborgene Schichten hinsichtlich seiner Laminationsgrenzfläche mit dem Grünkörper erfüllen. Anderenfalls könnten intermediäre Schichten des Hilfsmaterials andere Teile des Hilfsmaterials an der Ausübung der Ausgleichsfunktion hindern.
Ein geeignetes Hilfsmaterial kann gemäß dem folgenden Ansatz konstruiert werden, welcher durch die Figuren 13 bis 14 weiter unten verdeutlicht wird.
Beginnend mit der Hilfsmaterialschicht, die der Laminationsgrenzschicht am nächsten ist, konstruiert man die erste Schicht des Hilfsmaterials um einen Ausgleich für Unterschiede in der obersten Schicht (Oberflächenschicht) des Grünkörpers zu schaffen. Eine allgemeine Regel zur Konstruktion ist, daß die ausgleichende Hilfsmaterialschicht dieselben Materialien wie die Schicht des Grünkörpers enthält und daß sie in eine identische Konfiguration unterteilt ist, mit der Ausnahme, daß die Materialien vertauscht sind. Von dieser allgemeinen Regel gibt es Ausnahmen, nämlich:
1) das Kriterium für verborgene Schichten muß durch das Hilfsmaterial erfüllt werden;
2) die Zwischenbereichsgrenzen in den Schichten des Grünkörpers müssen in den Schichten des Hilfsmaterials als Zwischenbereichsgrenzen oder als überlappender nichtsinterbarer Bereich vorhanden sein, bis eine Schicht in dem Hilfsmaterial zusammengesetzt worden ist, welche zum Ausgleich für die bestimmte Schicht des Grünkörpers dient, welche diese Grenzen aufweist; und
3) wenn die Schicht des Grünkörpers mehr als zwei verschiedene Zusammensetzungen aufweist, dann kann nicht für alle dieser Zusammensetzungen ein Ausgleich in einer Hilfsmaterialschicht geschaffen werden.
Falls eine dieser Ausnahmen die Konstruktion einer geeigneten Ausgleichsschicht in dem Hilfsmaterial verbietet, dann werden, die Teile, welche die Ausnahme verletzen, durch nicht-sinterbares Material ersetzt. Die Teile der bestimmten Schicht des Grünkörpers, für die aufgrund dieses Austauschs kein Ausgleich geschaffen wurde, werden dann durch die nächste Schicht des Hilfsmaterials angegangen. Somit würden alle Schichten zusammengesetzt, welche zum Ausgleich für die Oberflächenschicht des Grünkörpers erforderlich sind. Die nächste von der Oberfläche des Grünkörpers ausgehend innen liegende Schicht würde dann durch die weiteren Schichten des Hilfsmaterials angegangen. In einigen Fällen kann der nicht-ausgeglichene Teil von einer Schicht des Grünkörpers und der nächsten innenliegenden Schicht des Grünkörpers durch dieselbe Schicht des Hilfsmaterials angegangen werden.
Figur 14 zeigt die drei uneinheitlichen Schichten des Grünkörpers aus Figur 13. Die Basisschicht 100 würde auch in der heißzupressenden Grünkörpervorform vorhanden sein. Zum Zwecke der Verdeutlichung wurden die Bereiche mit A, B, C oder D bezeichnet. A, B und C bezeichnen verschiedene sinterbare Zusammensetzungen. D bezeichnet eine nicht-sinterbare Zusammensetzung. Die Schichten 210, 202, 203 und 213 sind Schichten des Hilfsmaterials, welche zum Ausgleich für die Schichten 101, 102 und 103 vorgesehen sind.
In der Schicht 203 gleichen die Bereiche 136 und 138 die Bereiche 36 und 38 in der Schicht 103 aus. Der Bereich 134 kann den Bereich 34 nicht vollständig ausgleichen, da C ein sinterbares Material ist, welches die oben genannte Ausnahme 2 im Hinblick auf die Grenze 50 verletzen würde, wenn es die gleichen Dimensionen wie der Bereich 34 hätte. Der Bereich 132 ist zulässig, weil er nicht sinterbar ist. Der Teil des Bereichs 34, der nicht durch die Schicht 203 ausgeglichen wurde, wird durch den Bereich 142 der Schicht 213 ausgeglichen. Die Bereiche 120, 122 und 124 der Schicht 202 gleichen die Bereiche 20, 22 und 24 der Schicht 102 aus. Ähnlich gleichen die Bereiche 110 und 112 der Schicht 201 die Bereiche 10 und 12 in der Schicht 101 aus.
Es ist zu beachten, daß mehrere unterschiedliche geeignete Hilfsmaterialkonfigurationen für eine bestimmte Grünkörperkonfiguration konstruiert werden können. Zum Beispiel könnten in der Figur 14 die Bereiche 110 und 140 sowie die Bereiche 122 und 142 ausgetauscht werden. Diese Permutationen müssen jedoch immer noch die verschiedenen oben diskutierten Kriterien erfüllen.
Die grünen keramischen Zusammensetzungen, welche zur Bildung der verschiedenen Grünschichtbereiche verwendet werden, enthalten vorzugsweise alle eine Kombination aus keramischen Partikeln und einem Binder. Für elektronische Baueinheiten stellt Polyethylen einen bevorzugten Binder dar, da bekannt ist, daß es ohne einen Rückstand zu hinterlassen verdampft. Für andere keramische Körper können konventionelle Binder verwendet werden. Techniken zur Herstellung grüner Schichten auf Polyethylenbasis werden in dem US-Patent 4 920 640 offenbart, welches durch Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen wird.
Die für die sinterbaren Bereiche verwendeten keramischen Materialien können alle beliebigen Materialien oder Kombinationen von Materialien sein, welche miteinander kompatibel sind und welche sich unter den verwendeten Heißpreßbedingungen verdichten.
Die Auswahl geeigneter nicht-sinterbarer Materialien folgt ähnlichen Kompatibilitäts- und Sinterbarkeitsbetrachtungen. Wenn es sich bei der zu verdichtenden grünen Keramik um ein Glas oder ein anderes Material handelt, das bei relativ niedrigen Temperaturen verdichtet werden kann, dann kann das nicht-sinterbare Material aus einem relativ weiten Bereich von Keramiken ausgewählt werden, die unter diesen Bedingungen nicht nennenswert sintern. Wenn andererseits die grüne zu verdichtende Keramik eine Keramik wie Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid ist (welche drastischere Sinterbedingungen erfordern), dann ist die Auswahl an für diese Bedingungen verfügbaren nicht-sinterbaren Materialien sehr viel begrenzter. So können nur sehr hitzebeständige Materialien wie BN oder Thoria als nicht-sinterbare Materialien verfügbar sein. Das Benetzen und die Reaktivität des nicht-sinterbaren Materials stellen andere Kompatibilitätsfaktoren dar, die bei der Auswahl eines geeigneten nicht-sinterbaren Materials beachtet werden müssen. BN ist im allgemeinen als nicht-sinterbares Material bevorzugt.
Wie die zu verdichtende grüne Keramik liegt das nicht-sinterbare Material anfangs (in der Vorform und/oder in dem Hilfsmaterial) vorzugsweise in Kombination mit einem geeigneten Binder vor.
Die Grünkörpervorform und das Hilfsmaterial (Replika) werden vorzugsweise durch das Laminieren von Schichten der verschiedenen grünen Keramik- (oder nicht-sinterbares Material-)-Binderformulierungen geformt. Die Schichten können durch jedes bekannte Verfahren hergestellt werden. Für Schichten, die Bereiche mit unterschiedlicher Zusammensetzung aufweisen, wird die grüne Keramikschicht der einen Zusammensetzung geschnitten und ein passendes Stück einer anderen grünen Keramik- (oder nicht-sinterbares Material-)-Schicht eingefügt. Oft können die Schichtmaterialien, die von den Schnitt-Stücken der Grünkörpervorform übrig geblieben sind, als Teil der Hilfsmaterialvorform verwendet werden.
Die Metallisierung kann durch jede beliebige konventionelle Technik zum Bilden von Metallisierungen in Keramikbasen für elektronische Baueinheiten in die Grünkörpervorform eingebracht werden. Im allgemeinen wird die Metallisierung zum Zweck der Herstellung des passenden Hilfsmaterials vernachlässigt. Die in elektronische Beueinheiten verwendete Metallisierung stellt im allgemeinen einen relativ kleinen Volumenteil des Körpers dar. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, die Metallisierung beim Herstellen des passenden Hilfsmaterials zu berücksichtigen.
Die Grünkörpervorform und die Hilsmaterialvorform können in einem einzigen Laminierungsschritt laminiert werden, zusammen mit dem Laminieren der Schichten der Vorform. Falls gewünscht, können Oberflächenmerkmale oder Schichten mit uneinheitlicher Zusammensetzung auf beiden Oberflächen des Grünkörpers gebildet werden, die senkrecht zu der uniaxialen Richtung liegen. In einer solchen Situation wurden zwei passende Replika-Vorformen auf die jeweiligen Flächen der Grünkörpervorform laminiert.
Es ist wichtig, daß das Laminat gut in die Öffnung der Heißpreßform paßt, da Spalten an der Grenzfläche zwischen der Preßformwand und der Vorform zu einem beträchtlichen unerwünschten Materialfluß führen können. Die Laminate können einzeln oder in durch BN-Schichten (oder durch andere geeignete Materialien) und/oder Graphitzwischenstücken getrennten Stapeln heißgepreßt werden.
Die Heißpreßbedingungen hängen von den Bedingungen ab, die erforderlich sind, die bestimmte(n) grüne(n) Keramikschicht(en) zu verdichten. Für Borsilikatglas/AlN-Composites stellen Heißpreßtemperaturen von 900-1400 ºC bei 500-1000 psi für 1-2 Stunden im allgemeinen geeignete Verdichtungsbedingungen dar. Für Gläser oder Glaskeramiken sind Temperaturen unterhalb von 1000 ºC im allgemeinen bevorzugt. Für AlN-Keramiken können Verdichtungstemperaturen in der Höhe von 1800 ºC oder mehr notwendig sein. Die Wahl anderer Zeit/Temperatur/Druck-Bedingungen kann für andere Materialsysteme erforderlich sein.
Nach dem Heißpressen, werden die Replika-Stücke, die das Hilfsmaterial formen, von dem oberen (und/oder unteren) Ende des heißgepreßten Körpers entfernt, und das nicht-verdichtete und nicht-sinterbare Material wird von den Oberflächen des heißgepreßten Körpers durch Waschen und/oder leichtes Sandstrahlen entfernt. In einigen Fällen kann in Abhängigkeit von der beabsichtigten Verwendung ein leichtes maschinelles Bearbeiten der Körperkanten notwendig sein.
Das Verhältnis zwischen dem Grünkörper und dem Hilfsmaterial wird aus den Figuren 1 bis 12 deutlich. Obwohl die folgende Beschreibung und die Zeichnungen eine bestimmte Keramikbasis für ein Design einer elektronischen Baueinheit verdeutlichen, sollte klar sein, daß die Erfindung nicht auf elektronische Baueinheiten, ein bestimmtes Design oder eine bestimmte Konfiguration der Schichten beschränkt ist. Darüber hinaus sollte klar sein, daß obwohl sich die Veranschaulichung auf AlN, AlN-Glas-Composites und BN bezieht, die Erfindung nicht auf diese Materialien beschränkt ist. Zum Zweck dieser Veranschaulichung wurde die Metallisierung so behandelt, als hätte sie einen vernachlässigbaren Einfluß auf das Heißpressen der Keramikbasis.
Die Figuren 1-3 zeigen Ansichten der Baueinheit in ihrem verdichteten Zustand.
In Fig. 1 ist eine verdichtete AlN-Basis mit Metallisierung bei 1 gezeigt. Ein verdichteter AlN-Glas-Composite-Schicht-Leitungsrahmen 3 ist an die AlN-Schicht 1 gebunden. Eine Vielzahl von Leitern (Metallisierung) 5a, 5b usw. ist auf der Oberfläche des Leitungsrahmens 3 gezeigt. Ein metallisierter Dichtungsring 7, ebenfalls aus einem verdichteten AlN-Glas-Composite, ist an den Rahmen 3 gebunden.
In Fig. 3 ist eine Durchtrittsöffnung (Metallisierung) bei 11 gezeigt, mit einer Leiter- und einer Dichtungsringmetallisierung (vergrößert) bei 9.
Bei Fign. 4-12 zeigen einzelne Grünschichten und die endgültige Zusammenstellung eines Grünkörper-Hilfsmateriallaminats zur Herstellung der Baueinheit gemäß den Figuren 1-3 unter Verwendung der Replikatechnik. Es sei nochmals darauf hingewiesen, daß die Dicke der im Siebdruck erzeugten Metallisierung und die Querschnittsfläche der Durchtrittsöffnungen als unwesentlich für diese Veranschaulichung angesehen werden.
In den Fign. 4 und 5 ist eine grüne Leitungsrahmenschicht bei 13 gezeigt, mit im Siebdruck erzeugten Metallisierungsleitern 5a, 5b usw. Dieser Rahmen 13 ist eine AlN-Glas-Composite-Grünschicht. Sie enthält eine Grünschicht (Pfropfen) aus BN (nicht- sinterbares Material), 15. Der BN-Pfropfen 15 wird später nach dem Heißpressen entfernt, um eine Aussparung zu hinterlassen.
Die Fign. 6 und 7 zeigen ein Replika für den grünen Leitungsrahmen 13 gemäß Fig. 5. Das Replika, welches ein Teil des Hilfsmaterials darstellt, besteht aus einer Grünschicht (Rahmen) aus BN 17, die eine AlN-Glas-Composite-Grünschicht (Pfropfen) 19 einschließt.
Die Fign. 8 und 9 zeigen einen metallisierten AlN-Glas-Composite-Gründichtungsring 21. Dieser Dichtungsring 21 schließt die BN-Grünschicht (Pfropfen) 23 ein. Der Dichtungsring 21 wird selbst von einer BN-Grünschicht (äußerer Ring) 25 umgeben.
Die Fign. 10 und 11 zeigen ein Replika der Schicht gemäß Fig. 8. Eine AlN-Glas-Composite-Grünschicht (Pfropfen) 27 wird durch einen Ring aus einer BN-Grünschicht 29 eingeschlossen, welcher seinerseits durch einen Ring aus einer AlN-Glas-Composite-Grünschicht 31 umgeben ist.
Fig. 12 zeigt ein zusammengesetztes Laminat, das all die Grünkörperschichten und Hilfsmaterialschichten enthält, die in den Fign. 4-11 beschrieben sind, zusammengesetzt zum Heißpressen, wobei der Leitungsrahmen 13 mit der dichten AlN-Schicht 1 laminiert ist. Die Grünschicht aus BN 33 ist optional und kann bei hohen Heißpreßtemperaturen verwendet werden, um Reaktionen mit Graphitpreßformen zu minimieren. Ähnlich kann eine Deckschicht aus grünem BN 35 zusätzlich verwendet werden. Wie die Schicht 33 ist die Schicht 35 optional. Andere geeignete Materialien können anstelle der BN-Schutzschichten verwendet werden oder die Schichten können bei bestimmten Systemen weggelassen werden. Das Prinzip der Replikatechnik wird in Fig. 12 verdeutlicht.
Dort werden die Unterschiede in der Schrumpfung zwischen dem BNBereich 15 und dem AlN-Glas-Compositebereich 13 durch die unterschiedliche Schrumpfung des BN-Bereichs 17 und des AlN-Glas- Compositebereichs 19 in der darüber liegenden Replikaschicht ausgeglichen. Ein ähnlicher Ausgleich findet zwischen den Bereichen 25 und 31, Bereichen 23 und 27 und den Bereichen 21 und 29 statt. Somit enthält der Stapel der Bereiche an allen Punkten quer durch das Grünkörper-Hilfsmateriallaminat in Richtung des Heißpressens vier BN-Schichten, zwei AlN-Glas-Compositeschichten und die dichte AlN-Basisschicht.

Claims

1. Verfahren zum Heißpressen eines Grünkörpers durch Erhitzen und Ausüben von Druck in einer uniaxialen Richtung auf den Grünkörper für eine bestimmte Zeit, wobei dieser Grünkörper mindestens einen zu der uniaxialen Richtung senkrechten uneinheitlichen Querschnitt hat, wobei der Querschnitt Bereiche aufweist, welche ein unterschiedliches Ausmaß an Schrumpfung in der uniaxialen Richtung erfordern, um die für den Druck und das Erhitzen in der gegebenen Zeit maximale Dichte zu erreichen, wobei das Verfahren

a) das Laminieren eines Hilfsmaterials mit dem Grünkörper in der uniaxialen Richtung, wobei das Hilfsmaterial mindestens einen zu der uniaxialen Richtung senkrechten uneinheitlichen Querschnitt aufweist, der Querschnitt des Hilfsmaterials Bereiche aufweist, welche ein unterschiedliches Ausmaß an Schrumpfung in der uniaxialen Richtung erfordern, um die für den Druck und das Erhitzen in der gegebenen Zeit maximale Dichte zu erreichen, wobei die gesamte uniaxiale Schrumpfung, die das Laminat erfordert, um die für das Erhitzen und den Druck in der gegebenen Zeit maximale Dichte zu erreichen, quer durch das Laminat im wesentlichen gleich ist;

b) das Heißpressen des Laminates, um den Körper zu verdichten; und

c) das Delaminieren des Hilfsmaterials von dem verdichteten Körper und

d) wenn der Grünkörper einen oder mehrere Bereiche mit einem Pulvermaterial enthält, welches während des Heiß pressens nicht sinterbar ist, gegebenenfalls das Entfernen des nicht-sinterbaren Materials von dem verdichteten Körper nach dem Delaminieren

umfaßt.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin ein Teil des Hilfsmaterials ein Pulvermaterial enthält, welches während des Heißpressen nicht-sinterbar ist.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, worin das nicht-sinterbare Material unmittelbar an den Grünkörper angrenzt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, worin das nicht-sinterbare Material an allen Kontaktpunkten zwischen dem Grünkörper und dem Hilfsmaterial vorhanden ist.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin eine oder mehrere Bereiche des Grünkörpers in ihrer Zusammensetzung mit einem oder mehreren Bereichen des Hilfsmaterials im wesentlichen identisch sind.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, worin der Grünkörper und das Hilfsmaterial mehrschichtige Vorformen darstellen.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin sich ein oder mehrere Bereiche des Hilfsmaterials während des Heißpressens verdichten.

8. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Grünkörper ein oder mehrere Bereiche mit einem Pulvermaterial enthält, welches während des Heißpressens nicht sinterbar ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, worin mindestens einer der Bereiche des Grünkörpers ein Pulver enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Keramikpulver, Metallpulver und Mischungen daraus besteht.

10. Verwendung eines heißgepreßten Körpers, der nach einem der Ansprüche 1 bis 9 erhalten wurde, als Vorform für eine elektronische Baueinheit.