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Verfahren zur Herstellung eines auf die beiden Seiten eines hochtemperaturbeständigen
isolierenden Trägers aufgedruckte elektrische Stromkreise enthaltenden Bauteils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines auf die beiden Seiten
eines hochtemperaturbeständigen isolierenden Trägers aufgedruckte elektrische Stromkreise
enthaltenden Bauteils.
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Die zur Herstellung solcher Bauteile im allgemeinen verwendeten Verfahren
bestehen in der Verwendung von Folien oder Platten als isolierende Träger, auf denen
man das leitende Material befestigt, in dem anschließend die gewünschten elektrischen
Schaltungen verwirklicht werden. Die Befestigung dieses leitenden Materials kann
entweder durch Aufkleben von Metallfolien oder durch Niederschlag metallischer überzöge
bewirkt werden. Die elektrischen Schaltungen werden durch bekannte Verfahren verwirklicht,
wie z. B. chemisches Gravieren oder Ätzen, Photogravur, Elektroerosion, elektrolytisches
Fräsen, mechanische Bearbeitung USW.
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Die den bekannten Verfahren eigene Notwendigkeit, über einen isolierenden
Träger in Form einer Folie oder einer Platte zu verfügen, beschränkt die Auswahl
der Isolierstoffe auf diejenigen, die sich zur Vorbereitung eines solchen Trägers
eignen, was einen Nachteil der bekannten Verfahren darstellt. In der Tat hat die
Mehrzahl der verwendeten Isolierstoffe eine für zahlreiche Anwendungsaufgaben unzureichende
Wärmebeständigkeit. Diejenigen Isolierstoffe, deren Wärmebeständigkeit ausreichend
wäre, haben den Nachteil, mechanische Eigenschaften aufzuweisen, die sich nicht
für die Herstellung eines solchen Trägers eignen.
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Zur Fertigung verlustarmer elektrischer Kondensatoren mit einem hauptsächlich
aus Bariumtitanat bestehenden gesinterten Dielektrikum und gesinterten Belägen aus
unedlem Metall hat man ein Manganoxyd enthaltendes Dielektrikum verwendet und gemeinsam
mit einem das Metall der Beläge bzw. ein Oxyd desselben enthaltenden Beimengungsmaterial
in einer reduzierenden Atmosphäre gesintert. Dabei wurde als Belagmaterial unter
anderem eine Mischung aus gepulverten Bestandteilen von Fe203 und dielektrischer
Masse verwendet. Auf diesem Weg lassen sich nur Bauteile von erheblichem Gewicht
und erheblicher Dicke herstellen, da nicht nur das die Beläge tragende Dielektrikum
entsprechende Abmessungen aufweisen muß, sondern dazu auch noch das die Beläge bildende,
niederzuschmelzende Material. Das Verfahren eignet sich aber vor allem deswegen
nicht zur Herstellung eines hochtemperaturbeständigen isolierenden Trägers für auf
beiden Seiten aufgedruckte elektrische Stromkreise, weil die aus gesinterten unedlen
Metallen bzw. Oxyden bestehenden Beläge als Grundlage für gedruckte elektrische
Stromkreise unter anderem wegen ihres hohen spezifischen Widerstands ungeeignet
sind.
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Querverbindungen zwischen den beiderseits des Dielektrikums befindlichen
Belägen, wie sie bei der Ausbildung derselben als aufgedruckte Stromkreise notwendig
werden können, lassen sich an den vorerwähnten gesinterten Belägen, wenn überhaupt,
nur unter großen Schwierigkeiten anbringen.
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Man hat auf den Edelmetallbelägen eines keramischen Dielektrikumkörpers
von erheblicher Dicke zur Herstellung von gedruckten Schaltungen bereits eine isolierende
Glasurschicht aus Blei- oder Blei-Bor-Fritten aufgetragen und anschließend bei einer
Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Edelmetalls gebrannt. Auf diese Weise
erhält man jedoch wegen der Verwendung der kostspieligen Edelmetalle nur bei hohen
Herstellungskosten mit erheblichen Stromdichten beaufschlagbare gedruckte Stromkreise,
die ferner wegen der Dicke des Dielektrikumkörpers ein hohes Gewicht haben, viel
Platz beanspruchen und nur eine begrenzte Temperaturbeständigkeit aufweisen.
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Zur Herstellung sperrschichtfreier Kontaktierungen an Oxyd- und Verbundkeramik,
insbesondere
Halbleitern, hat man sich der direkten Verschmelzung
zwischen Anschlußmaterial und dem keramischen oder oxydkeramischen Werkstück bedient.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von gedruckten
Stromkreisen beiderseits eines hochtemperaturbeständigen isolierenden Trägers zu
ermöglichen, wobei der so erzeugte Bauteil bei geringem Gewicht und Raumbedarf trotz
niedriger Herstellungskosten in seinen Stromkreisen auch mit hohen Stromdichten
beaufschlagbar und mechanisch widerstandsfähig sein soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in einfacher Weise dadurch gelöst,
daß man auf je eine der beiden Seiten von zwei leitenden Folien eine dünne Schicht
aus hochtemperaturbeständigem Keramikmaterial aufbringt, mindestens eine der so
erhaltenen Keramikschichten mit Glaspulver bedeckt, die beiden Folien mit ihren
mit den Keramikschichten bedeckten Seiten zusammenfügt und die so erhaltene Einheit
bis oberhalb des Schmelzpunktes des verwendeten Glases erwärmt und sie darauf erkalten
läßt, so daß man das Verkleben der dann den Träger bildenden Keramikschichten erzielt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für die Herstellung
einer Rotorscheibe oder -lamelle für einen Elektromotor mit Axialfeld. Zu diesem
Zweck geht man in der Weise vor, daß man auf die eine der beiden Seiten, abgesehen
von den äußeren und inneren Rändern jeder Seite, von zwei metallischen Kränzen,
welche Seite mit Nuten versehen ist, deren Tiefe die Dicke des Kranzes übersteigt
und deren Böden Teile des Kranzes bilden, die abzuheben sind, eine dünne Schicht
eines keramischen Materials aufbringt, daß man mindestens eine der so erhaltenen
Schichten aus keramischem Material mit Glaspulver bedeckt, daß man die beiden Kränze
mit ihren mit den Schichten aus keramischem Material bedeckten Seiten unter Druck
zusammenfügt, daß man die so erhaltene Einheit über den Schmelzpunkt des benutzten
Glases erhitzt und sie dann abkühlen läßt, so daß man ein Verkleben der Schichten
miteinander erhält, daß man dann die Böden der Nuten und die die Ränder bedeckenden
Mittel abhebt und dann diese miteinander verlötet, so daß die leitenden Teile der
beiden Seiten derart miteinander verbunden werden, daß sie eine Rotorwicklung bilden.
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Dabei deckt man zweckmäßigerweise vor dem Aufbringen der Schicht aus
keramischem Material die Stellen der Verbindung der beiden leitenden Folien miteinander
in der Weise ab, daß diese Stellen von dem keramischen Material frei bleiben.
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Das Verfahren läßt sich leichter durchführen, wenn man vor dem Aufbringen
der Schicht aus keramischem Material auf eine der Seiten jeder leitenden Folie diese
Seite einer das Festhaften der Schicht erleichternden Behandlung unterzieht.
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Es kann ferner zweckmäßig sein, daß man die Außenseiten der leitenden
Folien korrosionsschützend behandelt.
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Man kann das Verfahren namentlich dann mit guter Wirkung anwenden,
wenn man als Keramikmaterial ein einfaches oder gemischtes Oxyd, beispielsweise
Aluminiumoxyd (Tonerde), Zirkoniumoxyd, Zirkoniumsilikat, verwendet.
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Es hat sich ferner als günstig erwiesen, wenn das verwendete Glas
die folgenden drei Bestandteile enthält: Pb0 - B203 - SiO2. Günstige Ergebnisse
sind auch erzielbar, wenn das verwendete Glas die folgenden drei Bestandteile enthält:
Pb0 - V205 - S'02.
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Anwendungsbeispiele des Verfahrens nach der Erfindung werden nachstehend
beschrieben. Die beiden leitenden Folien, die auf den beiden Seiten eines isolierenden
Trägers befestigt werden sollen, können bereits in Form elektrischer Stromkreise
zugeschnitten sein, oder die letzteren können auch im Gegensatz hierzu erst verwirklicht
werden, wenn die Folien bereits auf dem Träger befestigt sind. Die Schicht aus keramischem
Material kann durch Auftrag mittels einer Flamm-Spritzpistole aufgebracht werden.
Als keramisches Material kann man ein einfaches oder gemischtes Oxyd, z. B. Tonerde,
Zirkoniumoxyd, Zirkoniumsilikat usw., verwenden.
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Man bedeckt dann mindestens eine der so erhaltenen Keramikschichten
mit bei einer bestimmten Temperatur schmelzendem Glaspulver. Für Arbeitstemperaturen
der Schaltungen, die 300° C nicht überschreiten, kann man Glasarten auf der Basis
von Pb0 - B203 - S'02 oder von Pb0 - V205 - S'02 verwenden, die erst bei Temperaturen
von über S00° C schmelzen.
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Die beiden so hergerichteten leitenden, metallischen Folien, die je
zugeschnitten oder nicht zugeschnitten sein können, werden dann mit Hilfe eines
geeigneten Arbeitsgeräts, das ihr sandwichartiges Zusammenpressen sowie ihre Erwärmung
auf die zum Erzielen des Schmelzens des Glaspulvers erforderliche Temperatur und
nach dem Erkalten das Verkleben der Keramikschichten ermöglicht, so daß sie für
die beiden leitenden Folien einen isolierenden Träger bilden, mit ihren Keramikschichten
zusammengefügt.
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Auf Grund der geringen Dicke der Keramikschichten sowie der Glasschicht
erhält man einen sehr dünnen isolierenden Träger mit einer Dicke in der Größenordnung
von einigen Zehntelmillimetern. Seine Wärmebeständigkeit ist nur durch die Wärmebeständigkeit
des verwendeten Metalls sowie des verwendeten Glases begrenzt.
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Falls die Schaltungen vor der Zubereitung des Trägers nicht zugeschnitten
worden sind und folglich in den bereits an dem Träger befestigten Folien hergestellt
werden müssen, erfolgt dies mit Hilfe der vorstehend erwähnten üblichen Verfahren.
Das Verbinden der auf den entgegengesetzten Seiten des Trägers angeordneten Schaltungen
kann beispielsweise mit Hilfe von Nieten, durch Verschweißen, Verlöten, galvanischen
Auftrag usw. erfolgen.
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Zur Erleichterung des Verbindens der Schaltungen könnte man die Verbindungsstellen
vor dem Aufbringen der Keramikschicht auf den leitenden Teil beispielsweise durch
Blindauflagen decken.
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Zum Gewährleisten der bestmöglichen Haftwirkung der Keramikschichten
an den Metallfolien können die entsprechenden Seiten dieser Metallfolien mittels
geeigneter Verfahren behandelt werden. Die andere Seite jeder Folie kann zu ihrem
Schutz gegen Korrosion, und zwar entweder vor oder nach der Herrichtung des Trägers,
ebenfalls behandelt werden.
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Bekanntlich gibt es Motoren mit Axialfeld. Die Rotorscheibe oder -lamelle
eines solchen Motors mit Axialfeld muß möglichst dünn sein, damit der Zwischenraum
weitgehendst verringert werden kann. Andererseits muß die Wärmebeständigkeit des
Isoliermaterials
sehr hoch sein, um möglichst hohe Stromdichten
ausnutzen zu können.
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Das beschriebene Verfahren läßt sich also vorteilhaft für die Herstellung
dieser Rotorscheiben oder -lamellen, die gedruckte Schaltungen darstellen, verwenden.
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Dabei kann man von zwei Blechkränzen, beispielsweise aus Kupferblech,
ausgehen, auf denen man die abzuhebenden Teile in Form von gezogenen Nuten mit einer
Tiefe, die größer ist als ihre Dicke, anreißt. Dann bringt man auf den Außen- und
Innenrand der mit Nuten versehenen Seite jedes Kranzes eine dünne Lötschicht auf,
die anschließend mit Hilfe von Blindauflagen oder Masken abgedeckt werden. Selbstverständlich
kann man die Ränder abdecken, ohne sie vorher mit der Lötschicht zu versehen, wobei
diese nach dem Abnehmen der Abdeckungen aufgebracht werden kann. Wenn die Ränder
so abgedeckt sind, bringt man auf diese Seite jedes der Kränze eine dünne Keramikschicht,
beispielsweise eine dünne Zirkoniumsilikatschicht, mit einer Dicke von weniger als
0,1 mm auf. Auf eine der Keramikschichten bringt man eine dünne Glasschicht, beispielsweise
aus Pb0-B203-Si02 bestehendes Glas, auf, worauf man die beiden Kränze mit ihren
Keramikschichten zusammenfügt. Nach dem Erwärmen der Einheit bis auf 500° C und
nach ihrem Erkalten entfernt man die Abdeckungen oder Masken, worauf der Außen-
und Innenrand der Kränze verlötet werden. Schließlich werden in einem Drehvorgang
die Böden der über die ebenen Seiten der Kränze hinausgehenden Nuten entfernt, wodurch
das Trennen der Leitungen der gedruckten Stromkreise auf den beiden Flächen der
Rotorscheibe oder -lamelle erfolgt.
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Der auf die vorstehend beschriebene Weise erzielte Rotor enthält ein
sehr dünnes Isoliermaterial, das ein Minimum seiner Dichte beansprucht, wobei der
größte Teil der Dicke von dem Kupfer beansprucht wird. Er verträgt Temperaturen
bis zu 300° C bei Stromdichten von über 100 A/mm2. Seine Starrheit sowie seine mechanische
Festigkeit ist ausgezeichnet. Seine Beständigkeit gegenüber Wärmestoßbeanspruchungen
ist auf Grund der geringen Dicke der Isolierschicht ebenfalls sehr gut.