DE4440005C2

DE4440005C2 - Siliziumnitridkeramikheizer und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE4440005C2
Application number: DE4440005A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Tanaka; Jun Fukuda
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1993-11-12
Filing date: 1994-11-09
Publication date: 1999-04-15
Anticipated expiration: 2014-11-10
Also published as: JP2828575B2; JPH07135067A; US5998049A; DE4440005A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Siliziumnitridkeramikheizer, um fassend einen Siliziumnitridsinterkörper und ein in den Sili ziumnitridsinterkörper eingebettetes Erhitzungselement mit einem Paar Leitungen und teilweise freiliegenden Anschlüssen sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Ein Aluminiumoxidkeramikheizer mit einem Heizelement aus Me tall von hohem Schmelzpunkt, das in einem Aluminiumoxidkera miksinterkörper eingebettet ist, wird allgemein als ein Kera mikheizer verwendet. Da jedoch Aluminiumoxid in seiner Wider standsfähigkeit gegen thermische Stöße bzw. plötzliche Tempe raturänderungen und in seiner Hochtemperaturfestigkeit unter legen ist, wurde ein für die Verwendung bei hohen Temperatu ren vorgesehener Siliziumnitridkeramikheizer vorgeschlagen und verwendet, in dem W, WC, TiN etc. als ein Erhitzungsele ment in einem Siliziumnitridsinterkörper eingebettet ist (siehe die japanischen Patentveröffentlichungen 62-19034 und 62-59858).

Insbesondere ist aus der DE 39 24 777 A1 ein Siliziumnitrid keramikheizer der eingangs genannten Art bekannt, bei dem das Erhitzungselement wenigstens eines der Karbide oder Nitride eines Metalls enthält, das aus der aus Wolfram, Molybdän, Chrom, Titan und Tantal bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

Außerdem ist aus der US 4 633 064 ein Siliziumnitridkeramik heizer bekannt, bei dem das Erhitzungselement Silizide eines Metalls enthält, das u. a. aus der aus Wolfram und Molybdän bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

Zwar ist Siliziumnitridkeramikmaterial in der Wärmewider standsfähigkeit bzw. -beständigkeit, in der Hochtemperaturfe stigkeit und in der elektrischen Isolation überragend und hat nur eine kleine Wärmekapazität, so daß es ausgezeichnet für die Verwendung in Heizern geeignet ist. Aus diesem Grund sind die vorstehend genannten Siliziumnitridkeramikheizer in der Schnellerhitzungsfunktion, in der Widerstandsfähigkeit gegen Wärmestöße bzw. plötzliche Temperaturänderungen und in der Hochtemperaturstabilität überragend, und sie werden in weitem Umfang für Glühkerzen von Kraftfahrzeugmotoren, Verdampfer von Kerosingebläseheizern und für andere Haus- bzw. Heimanla gen, -apparate, -einrichtungen, -ausrüstungen o. dgl. sowie in elektronischen Einrichtungen und industriellen Maschinen ver wendet.

Jedoch besteht eine wesentliche Problematik der Siliziumni tridkeramikheizer, wie sie in der DE 39 24 777 A1 und der US 4 633 064 sowie in den beiden oben genannten japanischen Pa tentveröffentlichungen beschrieben sind, darin, daß einer seits das Siliziumnitridkeramikmaterial einen niedrigen Wär meausdehnungskoeffizienten von 3,1 × 10^-6/°C hat. Anderer seits haben Erhitzungselemente, die einzeln z. B. aus W, WC und TiN hergestellt sind, hohe Wärmeausdehnungskoeffizienten von 4,6 × 10^-6/°C bzw. 5,1 × 10^-6/°C bzw. 9,4 × 10-⁶/°C. We gen dieses Unterschieds kann es, wenn ein solcher Siliziumni tridkeramikheizer bei hohen Temperaturen verwendet und Erhit zungs-Abkühl-Zyklen ausgesetzt wird, dazu kommen, daß das Er hitzungselement des Siliziumnitridkeramikheizers Risse, Sprünge, Spalten o. dgl. erhält und/oder sich der elektrische Widerstand desselben aufgrund von Ermüdung ändert, die durch Wärmebeanspruchungen bewirkt wird, welche aufgrund des Unter schieds in den Wärmeausdehnungskoeffizienten erzeugt werden.

Um diese Probleme zu lösen, müssen die Betriebsbedingungen des Siliziumnitridkeramikheizers in Abhängigkeit von dem Wär meausdehnungskoeffizienten des Erhitzungselements beschränkt werden, wodurch Unannehmlichkeiten, Unbequemlichkeiten und Unzuträglichkeiten bewirkt werden.

Aus dem japanischen Abstract zu der JP 5-24925 A ist schließ lich noch eine Siliziumnitridkeramik bekannt, die 5-20 Gew.-% von Al₂O₃ oder dergleichen, 2-35 Gew.-% von Bornitrid (BN), 4-20 Gew.-% Titansilizid oder dergleichen und als Rest Si₃N₄ enthält. Diese Druckschrift offenbart daher, daß eine Silizi umnitridkeramik Bornitrid (BN) enthalten kann. Diese Silizi umnitridkeramik ist jedoch kein elektrisch leitfähiges Mate rial, was bedeutet, daß dieselbe nicht als Erhitzungselement verwendbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Siliziumnitridkeramikhei zer der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, des sen Erhitzungselement, wenn er bei hohen Temperaturen verwen det und Erhitzungs-Abkühl-Zyklen ausgesetzt wird, mechanisch widerstandsfähig und hinsichtlich seines elektrischen Wider stands stabil ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Silizi umnitridkeramikheizer, umfassend einen Siliziumnitridsinter körper und ein in den Siliziumnitridsinterkörper eingebette tes Erhitzungselement mit einem Paar Leitungen und teilweise freiliegenden Anschlüssen,
wobei das Erhitzungselement

(a) als einen Hauptbestandteil wenigstens eines der Karbide, Nitride oder Silizide eines Metalls enthält, das aus der aus W, Mo, Re, Cr, Ti, Ta, Ni und Co bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und
(b) BN in einem Anteil von bis zu 75 Vol.-% und mit einem mittleren Korndurchmesser von nicht mehr als 18 µm ent hält.

Auf diese Weise wird mit der Erfindung ein Siliziumnitridke ramikheizer zur Verfügung gestellt, der eine ausgezeichnete Heiz- bzw. Erhitzungsfunktion hat und in der Dauerhaftigkeit überragend ist.

In dem Siliziumnitridkeramikheizer gemäß der Erfindung kann, da BN bei hohen Temperaturen stabil ist und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 1,5 × 10^-6/°C hat, der Wär meausdehnungskoeffizient des Erhitzungselements so einge stellt werden, daß er signifikant näher an jenem der Silizi umnitridkeramik liegt, so daß dadurch der Unterschied in den Wärmeausdehnungskoeffizienten merklich reduziert wird.

Außerdem kann der scheinbare oder wirksame Elastizitätsmodul des Erhitzungselements durch Verteilen von BN in dem, z. B. aus WC hergestellten, Erhitzungselement, welches eine hohe Steifigkeit hat, signifikant reduziert werden, so daß dadurch eine Riß-, Sprung- und/oder Spaltbildung verhindert wird.

Infolgedessen hat der Siliziumnitridkeramikheizer der vorlie genden Erfindung eine beachtlich höhere Widerstandsfähigkeit gegen Erhitzungs-Abkühl-Zyklen, sowie einen weiteren Bereich der Wahl für die Festlegung bzw. Einstellung der Dicke des Erhitzungselements. Mit anderen Worten bedeutet das, daß eine größere Zulässigkeit zum Dickermachen des Erhitzungselements erzielt wird, da die Erfindung den Wärmeausdehnungskoeffizi enten des Erhitzungselements so macht, daß er signifikant nä her an jenem des Siliziumnitridsinterkörpers liegt, so daß ein dickeres Erhitzungselement weniger Risse, Sprünge, Spal ten o. dgl. in Verbindung damit verursacht. Demgemäß wird mit der Erfindung ein Siliziumnitridkeramikheizer zur Verfügung gestellt, der einen großen Erhitzungsbereich hat und es er möglicht, die Erhitzungselemente mit niedriger Spannung auf hohe Temperaturen zu erhitzen.

Die Erfindung sei nachfolgend anhand einiger besonders bevor zugter Ausführungsformen derselben unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben und erläutert; es zeigen:

Fig. 1(a) eine perspektivische Ansicht, die eine bevor zugte Ausführungsform eines Siliziumnitridke ramikheizers gemäß der Erfindung veranschau licht;

Fig. 1(b) eine perspektivische Ansicht, die ein Verfah ren zum Herstellen der vorgenannten Ausfüh rungsform veranschaulicht;

Fig. 2 eine Aufsicht, welche die innere Struktur ei ner anderen bevorzugten Ausführungsform eines Siliziumnitridkeramikheizers der Erfindung zeigt; und

Fig. 3 ein Diagramm, das Vergleiche von verschiedenen Proben des Siliziumnitridkeramikheizers der Erfindung wiedergibt, und zwar was die Dauer haftigkeit anbetrifft, die von dem BN-Gehalt und dem Korndurchmesser des BN abhängt.

Der in Fig. 1(a) gezeigte Siliziumnitridkeramikheizer 1 um faßt ein Erhitzungselement 3, ein Paar Leitungen 4 und An schlüsse 5, die in einen Siliziumnitridsinterkörper 2 inte griert sind, der zusätzlich mit Elektroden 6 und Leitungs drähten 7, die mit den Anschlüssen 5 verbunden sind, versehen ist. Durch Anlegen einer Spannung zwischen den Leitungsdräh ten 7 wird das vorgenannte Erhitzungselement 3 erhitzt, und der Siliziumnitridkeramikheizer 1 kann als ein Erhitzer funk tionieren.

Das Verfahren zum Herstellen dieses Siliziumnitridkeramikhei zers 1 wird nun nachstehend beschrieben. Zuerst wird, wie in Fig. 1(b) gezeigt ist, leitfähige Paste auf einen ungebrann ten geformten Siliziumnitridkörper 2a durch Siebdrucken auf gedruckt, um das Erhitzungselement 3, die Leitungen 4 und die Anschlüsse 5 integral, insbesondere einstückig, auf dem unge brannten geformten Siliziumnitridkörper 2a auszubilden. Als nächstes wird ein anderer ungebrannter geformter Siliziumni tridkörper 2b, auf den kein Muster aufgedruckt ist, über die vorgenannten Muster laminiert. Die durch diese Laminierung erhaltene Schichtstruktur wird durch ein Heißpreßverfahren oder in anderer geeigneter Weise zu einem einzigen Körper ge brannt und dann auf vorbestimmte Dimensionen zugeschliffen. Die nach außen freiliegenden Anschlüsse 5 werden metallisiert und mit den Elektroden 6 verbunden. Auf diese Weise kann der Siliziumnitridkeramikheizer 1 hergestellt werden.

Die Fig. 2 zeigt eine andere bevorzugte Ausführungsform ei nes Siliziumnitridkeramikheizers. Dieser Siliziumnitridkera mikheizer 1 wird so hergestellt, wie nachstehend beschrieben. Das Erhitzungselement 3 wird durch Drucken von leitfähiger Paste, die BN enthält, auf den ungebrannten geformten Silizi umnitridkörper 2a ausgebildet. Metalldrähte von hohem Schmelzpunkt, wie beispielsweise Wolframdrähte, werden als die Leitungen 4 vorgesehen, welche mit dem Erhitzungselement 3 verbunden werden. Als die Anschlüsse 5 werden kammförmige Muster durch Aufdrucken der leitfähigen Paste ausgebildet. In der gleichen Verfahrensweise, wie es jene ist, mit der die obige erste Ausführungsform hergestellt wird, wird ein ande rer ungebrannter geformter Siliziumnitridkörper über die vor genannten Komponenten laminiert, und die durch das Laminieren erhaltene Schichtstruktur wird zu einem einzigen Körper ge brannt, so daß auf diese Weise der Siliziumnitridkeramikhei zer 1 erhalten wird.

In der Ausführungsform, die in Fig. 2 gezeigt ist, kann eine wesentliche Wärmeerzeugung in den Leitungen 4 dadurch verhin dert werden, daß das Verhältnis zwischen dem Widerstandswert der Leitungen 4 aus Metalldrähten von hohem Schmelzpunkt und dem Widerstandswert des Erhitzungselements 3 erhöht bzw. so gewählt wird, daß die Leitungen 4 einen wesentlich geringeren Widerstandswert als das Erhitzungselement 3 haben. Außerdem können die Anschlüsse 5 dadurch, daß diese Anschlüsse 5 in Kammform ausgebildet sind, besonders sicher mit den Elektro den 6 verbunden werden.

In dem Siliziumnitridkeramikheizer 1, der gemäß den Ausfüh rungsformen, insbesondere gemäß den beiden vorstehend erläu terten Ausführungsformen, verwirklicht wird, umfaßt die für das Erhitzungselement 3 verwendete leitfähige Paste als einen Hauptbestandteil wenigstens eines der Karbide, Nitride oder Silizide, welches eines der Metalle enthält, das aus der aus W, Mo, Re, Cr, Ti, Ta, Ni und Co bestehenden Gruppe ausge wählt ist, und BN in einem Anteil von bis zu 75 Vol.-% ent hält. Da BN einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 1,5 × 10^-6/°C hat, wird der Wärmeausdehnungskoeffizient des Erhitzungselements 3 dadurch erniedrigt, daß man BN in dem Erhitzungselement 3 verteilt, so daß dadurch der Unterschied zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Erhitzungsele ments 3 und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Siliziumni tridkeramikkörpers 2 signifikant vermindert wird. Weiterhin wird durch Verteilen von BN in dem Erhitzungselement 3, das z. B. aus WC hergestellt ist, welches eine hohe Steifigkeit hat, der scheinbare oder wirksame Elastizitätsmodul des Er hitzungselements 3 wesentlich vermindert, so daß dadurch eine Riß-, Sprung- und/oder Spaltenbildung verhindert oder zumin dest weitgehend verhindert wird.

Da BN ein elektrischer Isolator ist, kann es, wenn der BN-Ge halt in dem Erhitzungselement 3 zu hoch ist, dazu kommen, daß der Widerstandswert desselben übermäßig ansteigt oder inner halb des Erhitzungselements 3 variiert. Der BN-Gehalt in dem Erhitzungselement 3 wird daher dahingehend festgelegt, daß er nicht mehr als 75 Vol.-% ist. Andererseits werden, wenn der BN-Gehalt zu niedrig ist, die oben angegebenen Wirkungen nicht in genügendem Umfang erreicht. Demgemäß sollte der BN- Gehalt in dem Erhitzungselement 3 vorzugsweise nicht weniger als 20 Vol.-% sein.

Um das BN in dem Erhitzungselement 3 gleichmäßig zu vertei len, muß der Korndurchmesser von BN als ein wichtiger Faktor in Betracht gezogen werden. Der mittlere Korndurchmesser von BN soll 18 µm oder weniger, vorzugsweise 10 µm oder weni ger, und bevorzugter 5 µm oder weniger, betragen.

Wenn das Erhitzungselement 3 integral, insbesondere einstüc kig, ausgebildet ist, sollten die Leitungen 4 und die An schlüsse 5, wie sie in Fig. 1(a) gezeigt sind, bevorzugt durch Verwendung der gleichen leitfähigen Paste ausgebildet werden, und die Leitungen 4 sowie die Anschlüsse 5 sollten breit hergestellt werden, damit sie niedrige Widerstandswerte haben. In Fig. 2 darf der BN-Gehalt in den Anschlüssen 5, obwohl diese bevorzugt durch Verwendung der gleichen leitfä higen Paste ausgebildet werden, wie es jene ist, die für die Ausbildung des Erhitzungselements 3 verwendet wird, nicht mehr als 20 Vol.-% sein.

Eines der Karbide, Nitride oder Silizide, deren Metalle aus der Metallgruppe ausgewählt sind, welche aus W, Mo, Re, Cr, Ti, Ta, Ni und Co besteht, das als ein Hauptbestandteil des Erhitzungselements 3 verwendet wird, ist nicht notwendiger weise ein Ausgangsmaterial, sondern es kann ein solches sein, das während des Brennens eines nichtreagierten einzelnen Me talls oder mehrerer nichtreagierter Metalle, welches bzw. welche als ein Ausgangsmaterial verwendet wird bzw. werden, gebildet wird, so daß sich in dem endgültigen Siliziumnitrid sinterkörper eine solche Verbindung befindet bzw. solche Ver bindungen befinden.

Das Siliziumnitridkeramikmaterial für den Siliziumnitridsin terkörper 2 enthält z. B. nicht weniger als 80 Gew.-% von Si₃N₄, das nadelförmige Kristalle mit einem Aspektverhältnis von 2 oder mehr hat, und es enthält vorzugsweise außerdem Al₂O₃ und Oxide von Seltene-Erde-Elementen, beispielsweise Y₂O₃, die als Sinterhilfsmittel verwendet werden.

Obwohl der durch die obigen Ausführungsformen verwirklichte Siliziumnitridkeramikheizer 1 vorliegend nur in einer Plat tenform veranschaulicht ist, kann er auch Formen haben, wie z. B. Stabform und zylindrische Form sowie auch Ringform, Zylinderform o. dgl. Der Siliziumni tridkeramikheizer, der auf diese Weise erhalten worden ist, kann in geeigneter Weise für Heim- bzw. Hauseinrichtungen, -geräte, -mittel, -vorrichtungen, -apparate, -anlagen, -aus rüstungen o. dgl., für elektronische Einrichtungen, für indu strielle Maschinen, für Kraftfahrzeuge und für andere Ein richtungen und Vorrichtungen auf den verschiedensten Gebieten verwendet werden.

Es werden nachstehend Beispiele der Erfindung angegeben, und zwar insbesondere im Rahmen eines Leistungsfähigkeits-, Be triebs- und/oder Arbeitstests:

Experimentelles Beispiel 1

Es wurde eine Mehrzahl von Probeexemplaren des in Fig. 1 gezeigten Siliziumnitridkeramikheizers 1 zur Prüfung hergestellt und einem Dauerhaftigkeits test, wie er nachstehend beschrieben ist, unterworfen.

Zunächst wurden die Materialien, welche die in der Tabelle 1 aufgelisteten Zusammensetzungen hatten, je mit einem vorbe stimmten, auf Zellulose basierendem Bindemittel und einem Lö sungsmittel gemischt und während 72 Stunden mittels einer Vi brationsmühle zur Herstellung von verschiedenen Arten von leitfähigen Pasten gerührt. Nach dem Einstellen der Viskosi tät der leitfähigen Paste auf einen spezifizierten Wert wurde die leitfähige Paste auf den ungebrannten geformten Silizium nitridkörper 2a in einer vorbestimmten Dicke durch Siebdruc ken so aufgedruckt, wie in Fig. 1(b) gezeigt ist, um das Er hitzungselement 3, die Leitungen 4 und die Anschlüsse 5 aus zubilden. Über den geformten Siliziumnitridkörper 2a wurde der andere ungebrannte geformte Siliziumnitridkörper 2b lami niert, und die durch das Laminieren erhaltene Schichtstruktur wurde durch Heißpressen gebrannt. Der erhaltene Siliziumni tridkeramiksinterkörper wurde dann auf vorbestimmte Dimensio nen zugeschliffen. Die Anschlüsse 5, die teilweise nach außen an der Oberfläche der durch Laminierung erhaltenen Schicht struktur bzw. des erhaltenen Siliziumnitridsinterkörpers freilagen, wurden metallisiert und mit den Elektroden 6 ver bunden. Auf diese Art und Weise wurde der Siliziumnitridkera mikheizer 1 hergestellt.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient, der Elastizitätsmodul und der spezifische elektrische Widerstand von jedem Probeexem plar des Erhitzungselements 3 wurden in einem Bereich zwi schen Raumtemperatur und 1000°C gemessen. Außerdem wurde je des Probeexemplar des Siliziumnitridkeramikheizers 1 einer Anzahl von 20 000 Erhitzungs-Abkühl-Zyklen unterworfen, worin jeder Zyklus aus einer Erhitzungsdauer von 30 Sekunden, in welcher der Siliziumnitridkeramikheizer von Raumtemperatur auf 1400°C erhitzt wurde, und einer Luftkühldauer von 60 Se kunden, in welcher der Siliziumnitridkeramikheizer auf Raum temperatur gekühlt wurde, bestand. Die Probeexemplare wurden hinsichtlich des Vorhandenseins von Ris sen, Sprüngen und/ oder Spalten und hinsichtlich der Dauer haftigkeit geprüft.

Die Ergebnisse des Tests sind in Tabelle 2 veranschaulicht, worin Probeexemplare, welche Risse, Sprünge und/oder Spalten verursacht haben, mit × markiert sind, während Probeexempla re, welche keine Risse, Sprünge und/oder Spalten verursach ten, mit ○ markiert sind. Was die Dauerhaftigkeit anbetrifft, sind Probeexemplare, die nicht weniger als 20% Änderungsrate im spezifischen elektrischen Wider stand nach den Erhitzungs-Abkühl-Zyklen hatten, mit × markiert, während Probeexemplare, die nicht we niger als 10% und weniger als 20% Änderungsrate hatten, mit Δ markiert sind, und Probeexemplare, die weniger als 10% Än derungsrate hatten, sind mit ○ markiert. Die Dicke des Erhit zungselements 3 wurde auf 40 bis 50 µm ein gestellt, mit der Ausnahme, daß die Dicke in dem Fall der Proben Nr. 14 bis 22 auf 15 µm eingestellt worden war.

Tabelle 1

Tabelle 2

Gemäß diesen Ergebnissen läßt sich klar ersehen, daß, obwohl die Probe Nr. 1, die kein BN enthält, in der Dauerhaftigkeit unterlegen ist, die Proben Nr. 2 bis 8, die BN enthalten, die Eigenschaft haben, daß ihre Wärmeausdehnungskoeffizienten si gnifikant niedriger sind, so daß eine Riß-, Sprung- und/oder Spaltbildung bei jeder verhindert wird und sie eine höhere Dauerhaftigkeit besitzen. Jedoch hat die Probe Nr. 9, die mehr als 75% Vol.-% BN enthält, eine übermäßig hohe elektri sche Widerstandsfähigkeit bzw. einen übermäßig hohen spezifi schen elektrischen Widerstand und kann nicht als ein Heizer verwendet werden. Hieraus u. a. wurde gefunden, daß die obere Grenze des BN-Gehalts 75 Vol.-% ist. Weiterhin wurde gefun den, daß dann, wenn BN einen übermäßig großen Korndurchmesser von 56,0 µm in dem Fall der Probe Nr. 13 hat, Riß-, Sprung- und/oder Spaltbildung auftritt und die Dauerhaftigkeit ver mindert ist. Wenn jedoch der durchschnittliche oder mittlere Korndurchmesser 18 µm wie in dem Fall der Probe Nr. 12 be trägt, treten keine Probleme auf. Es wurde demgemäß außerdem gefunden, daß die obere Grenze des mittleren oder durch schnittlichen Korndurchmessers 18 µm ist.

Darüber hinaus wurden die Proben Nr. 23 bis 26, die zusätz lich Re enthielten, durch Röntgenstrahlenbeugung beurteilt, und es wurde gefunden, daß sich Re zu Re₅Si₃ umgewandelt hat te. Als die Proben durch einen Elektronensondenmikroanalysa tor (worin die Probe mit einem Elektronenstrahl bestrahlt und die dadurch erzeugte Röntgenstrahlung, die für die jeweiligen Elemente charakteristisch ist, so analysiert wird, daß die Probenzusammensetzung im µm-Bereich ermittelt werden kann) analysiert wurden, wurde bestätigt, daß sich Re abgesondert hatte, und Si hatte sich auch in den abgesonderten Bereichen von Re in den Proben Nr. 23, 25 und 26 abgesondert. Mit ande ren Worten bedeutet das, daß gefunden wurde, daß selbst dann, wenn Re, ein einzelnes Metall, als ein Ausgangsmaterial ver wendet wird, sein Silizid schließlich gebildet wird und der Silizidgehalt innerhalb des Bereichs des Hauptbestandteils der vorliegenden Erfindung ist.

Experimentelles Beispiel 2

Auf die gleiche Art und Weise, wie in dem oben angegebenen experimentellen Beispiel wurden Probeexemplare hin sichtlich der Dauerhaftigkeit unter den Bedingungen unter sucht, daß die Hauptbestandteile des Erhitzungselements 3 auf WC und Re beschränkt wurden, und der BN-Gehalt sowie der mittlere Korndurchmesser von BN wurden mehrfach bzw. variie rend geändert.

Jedes Probeexemplar des Siliziumnitridkeramikheizers 1 wurde 500 Erhitzungs-Abkühl-Zyklen unterworfen, worin jeder Zyklus aus einer Erhitzungsdauer von 60 Sekunden, in welcher der Si liziumnitridkeramikheizer von Raumtemperatur auf 1400°C er hitzt wurde, und einer Luftabkühldauer von 60 Sekunden, in welcher der Heizer auf Raumtemperatur abgekühlt wurde, be stand. Die Ergebnisse sind in Fig. 3 veranschaulicht. Probe exemplare, die nicht mehr als 0,5% Änderungsrate im Wider standswert nach den Erhitzungs-Abkühl-Zyklen hatten, sind mit ○ markiert, während Probeexemplare, welche eine Änderungsrate in dem Bereich von 0,5 bis 1% hatten, mit Δ markiert sind, und Proben, welche nicht weniger als 1% Änderungsrate hat ten, sind mit × markiert. Dieser Beurteilungsstandard ist strenger in der Änderungsrate im Widerstandswert als jener, der auf das experimentelle Beispiel 1, das oben beschrieben ist, angewandt wurde.

Gemäß den Ergebnissen wurde beobachtet, daß eine höhere Dau erhaftigkeit erhalten wird, wenn der mittlere Korndurchmesser von BN einen Wert von 10 µm oder weniger hat. Zusätzlich wur de auch gefunden, daß dann, wenn der mittlere Korndurchmesser von BN kleiner gemacht wird, der BN-Gehalt niedriger sein kann, und daß der BN-Gehalt einen niedrigen Wert von 5 Gew.-% (24 Vol.-%) haben kann, vorausgesetzt, daß der Korndurchmes ser 2 µm oder weniger ist.

Wie oben beschrieben, ermöglicht es der Siliziumnitridkera mikheizer der Erfindung, den Unterschied zwischen dem Wärme ausdehnungskoeffizienten des Erhitzungselements und dem Wär meausdehnungskoeffizienten des Siliziumnitridsinterkörpers signifikant zu vermindern, so daß dadurch verhindert oder zu mindest weitgehend verhindert wird, daß das Erhitzungselement durch thermische Beanspruchung Risse, Sprünge oder Spalte er hält. Infolgedessen wird mit der Erfindung ein Siliziumni tridkeramikheizer zur Verfügung gestellt, der in der Dauer haftigkeit überragend und in der Lage ist, eine hohe Lei stungsfähigkeit während einer langen Zeitdauer aufrechtzuer halten.

Claims

1. Siliziumnitridkeramikheizer (1), umfassend einen Silizi umnitridsinterkörper (2) und ein in den Siliziumnitridsinter körper (2) eingebettetes Erhitzungselement (3) mit einem Paar Leitungen (4) und teilweise freiliegenden Anschlüssen (5),
wobei das Erhitzungselement (3)

2. Siliziumnitridkeramikheizer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Leitungen (4) und die Anschlüsse (5) die Bestandteile (a) und (b) enthal ten.

3. Siliziumnitridkeramikheizer (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Korndurchmesser von BN maximal 10 µm, insbesondere maximal 5 µm, beträgt.

4. Siliziumnitridkeramikheizer (1) nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der BN-Gehalt in dem Bereich von 20 bis 75 Vol.-% liegt.

5. Siliziumnitridkeramikheizer (1) nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß der Hauptbestandteil (a) WC ist.

6. Verfahren zum Herstellen eines Siliziumnitridkeramikhei zers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß das Erhitzungselement (3) durch Drucken einer leitfähigen Paste auf einen ungebrannten Siliziumnitridkörper (2a) und Brennen des ungebrannten Sili ziumnitridkörpers (2a, 2b) hergestellt wird,
wobei die leitfähige Paste die Bestandteile (a) oder Aus gangsmaterialien hierfür sowie (b) enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß auch die Leitungen (4) und die An schlüsse (5) durch Drucken einer leitfähigen Paste mit den Bestandteilen (a) und (b) auf einen ungebrannten Siliziumni tridkörper und Brennen des ungebrannten Siliziumnitridkörpers hergestellt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge kennzeichnet, daß eine Paste eingesetzt wird, die ein oder mehrere Metall(e) als Ausgangsmaterial für den Hauptbestandteil (a) enthält.

9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch ge kennzeichnet, daß der mittlere Korndurchmesser von BN maximal 10 µm, insbesondere maximal 5 µm, beträgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß BN in einem Anteil von 20 bis 75 Vol.-% eingesetzt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Hauptbestandteil (a) WC eingesetzt wird.