DE102018123611A1 - Keramisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung des keramischen Bauelements - Google Patents

Abstract

Es wird ein keramisches Bauelement bereitgestellt, aufweisend einen keramischen Grundkörper (1) und eine Metallisierung (4) an mindestens einer Außenfläche (5) des keramischen Grundkörpers (1),wobei die Metallisierung (4) eine metallhaltige Schicht umfasst, die mindestens Silber und Kupfer enthält.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein keramisches Bauelement, aufweisend einen keramischen Grundkörper und eine Metallisierung auf mindestens einer Außenfläche des keramischen Grundkörpers. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des keramischen Bauelements.
• Keramische Bauelemente, wie piezoelektrische Bauelemente, sind weit verbreitete Bauteile, die in einer Vielzahl von technischen Anwendungen eingesetzt werden können. Damit solche keramischen Bauteile dauerhaft zuverlässig arbeiten können, ist es zwingend notwendig, einen zuverlässigen Kontakt zwischen dem keramischen Bauelement und einer Schaltungsumgebung, zum Beispiel einem externen Steuergerät zu gewährleisten. Herkömmlicherweise gelingt dies durch Metallisierungen, die auf Außenflächen eines keramischen Grundkörpers des keramischen Bauelements aufgebracht sind. Die Metallisierungen werden anschließend elektrisch leitend mit Anschlussdrähten z. B. des externen Steuergeräts verbunden. Dies kann beispielsweise durch Löten, Schweißen oder Kleben erfolgen. Da die Metallisierungen ein Bindeglied zwischen dem keramischem Grundkörper des keramischen Bauelements und dem externen Steuergerät bilden, werden besondere Anforderungen an diese Metallisierungen gestellt.
• Zum einen müssen die Metallisierungen ausreichend an den Außenflächen des keramischen Grundkörpers haften und zum anderen müssen die Metallisierungen Eigenschaften aufweisen, die es ermöglichen, einen zuverlässigen Kontakt zwischen den Metallisierungen und den Anschlussdrähten des externen Steuergeräts herzustellen. Des Weiteren werden, insbesondere an Metallisierungen von piezoelektrischen Bauelementen besonders hohe Anforderungen an deren Belastbarkeit gestellt, da diese ständig wechselnden mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.
• Hier und im Folgenden sollen Metallisierungen als ausreichend haftend betrachtet werden, wenn eine Kraft von mehr als 30 N aufgewendet werden muss um diese von den Außenflächen des keramischen Grundkörpers abzulösen.
• Des Weiteren soll hier und im Folgenden unter einem zuverlässigen Kontakt, ein Kontakt zwischen den Metallisierungen und den Anschlussdrähten eines externen Steuergeräts verstanden werden, der beispielsweise bei einem piezoelektrischen Bauelement, mehr als 10⁸ Auslenkungen des piezoelektrischen Bauelements schadlos übersteht.
• Um diese Anforderungen zu erfüllen, werden üblicherweise Kupfermetallisierungen, die als Hauptbestandteil Kupfer enthalten, auf die Außenflächen des keramischen Grundkörpers aufgebracht. Diese Kupfermetallisierungen weisen eine ausreichende Haftung zum keramischen Grundkörper auf. Da aber Kupfer nicht oxidationsbeständig ist, ist zum Beispiel eine Lötbarkeit der Kupfermetallisierungen soweit eingeschränkt, dass ein zuverlässiger Kontakt zwischen selbigen und den Anschlussdrähten des externen Steuergeräts nicht gewährleistet ist. Dies erschwert die Anbindung des keramischen Bauelements an das externe Steuergerät.
• Um Metallisierungen zu erzeugen, die einen zuverlässigen Kontakt zu den Anschlussdrähten des externen Steuergeräts gewährleisten, wird üblicherweise eine zusätzliche Metallschicht bestehend aus, beispielsweise Kupfer-Silber-Legierungen oder Chrom-Nickel-Silber-Legierungen mittels Sputtern auf die Kupfermetallisierungen aufgetragen.
• Ferner ist es möglich, die Kupfermetallisierungen mittels einer galvanischen Methode mit einem Metall, zum Beispiel Nickel oder Zinn, zu überziehen. Da aber das Aufbringen der zusätzlichen Metallschicht auf die Kupfermetallisierungen mittels Sputtern einen Vakuumschritt erfordert, ist diese Methode sehr zeit- und kostenintensiv. Auch das Aufbringen der zusätzlichen Metallschicht mittels einer galvanischen Methode ist risikobehaftet, da für diese Methode Bedingungen gewählt werden müssen, die den keramischen Grundkörper des keramischen Bauelements angreifen und dadurch zu Defekten des keramischen Bauelements führen können.
• Des Weiteren bedeutet das Aufbringen einer zusätzlichen Metallschicht einen Mehraufwand an Zeit, Energie und Material, wodurch sich Produktionskosten des keramischen Bauelements erhöhen. Ferner ist es aus Umweltschutzgründen von Vorteil Material- und Energieaufwendungen während eines Herstellungsprozesses der Metallisierungen so gering wie möglich zu halten.
• Deshalb ist es vorteilhaft, keramische Bauelemente bereitzustellen, die Metallisierungen auf den Außenflächen des keramischen Grundkörpers aufweisen, die ausreichend an dem keramischen Grundkörper haften und Eigenschaften aufweisen, die einen zuverlässigen Kontakt zwischen den Metallisierungen und den Anschlussdrähten des externen Steuergeräts gewährleisten. Insbesondere sollen solche Metallisierungen eine bessere Oxidationsbeständigkeit aufweisen als die Kupfermetallisierungen. Ferner sollen die Metallisierungen einfach und kostengünstig aufzubringen sein, ohne den keramischen Grundkörper zu gefährden.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher das Bereitstellen, eines keramischen Bauelements, das an mindestens einer Außenfläche eines keramischen Grundkörpers eine Metallisierung aufweist, die ausreichend an der Außenfläche des keramischen Grundkörpers haftet und gleichzeitig eine bessere Oxidationsbeständigkeit aufweist als Kupfermetallisierungen. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung des keramischen Bauelements angegeben, bei dem die Metallisierung komplett ohne Sputtern oder galvanische Methoden aufgebracht wird.
• Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein keramisches Bauelement nach Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen des keramischen Bauelements und ein Verfahren zur Herstellung des keramischen Bauelements sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
• Erfindungsgemäß wird ein keramisches Bauelement, das einen keramischen Grundkörper und eine Metallisierung an mindestens einer Außenfläche des keramischen Grundkörpers aufweist, bereitgestellt. Die Metallisierung umfasst eine metallhaltige Schicht, die mindestens Kupfer und Silber enthält.
• Durch die Ausgestaltung der Metallisierung mittels nur einer metallhaltigen Schicht kann ein Mehraufwand an Zeit, Energie und Material, der herkömmlicherweise bei einer Aufbringung einer zusätzlichen Metallschicht entsteht, vermieden werden. Dadurch können Kosten eingespart und negative Umwelteinflüsse während eines Herstellungsprozesses des erfindungsgemäßen keramischen Bauelements verringert werden.
• Die Verwendung von Kupfer und Silber als Bestandteile der Metallisierung erlaubt es, die Metallisierung derart herzustellen, dass diese ausreichend an der Außenfläche des keramischen Grundkörpers haftet und gleichzeitig eine Lötbarkeit aufweist, die eine zuverlässige Anbindung des keramischen Bauelements an ein externes Steuergerät ermöglicht.
• Des Weiteren kann der keramische Grundkörper des erfindungsgemäßen keramischen Bauelements übereinandergestapelte keramische Schichten mit dazwischenliegenden ersten und zweiten Innenelektroden aufweisen. Vorzugsweise können die ersten und zweiten Innenelektroden aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung bestehen, wobei für den Mengenanteil x an Kupfer in der kupferhaltigen Legierung, aus der die ersten und zweiten Innenelektroden bestehen, bezogen auf 100 at% der kupferhaltigen Legierung gilt: 0 at% < x < 100 at%.
• Vorzugsweise kann das erfindungsgemäße keramische Bauelement als ein piezoelektrisches Bauelement ausgebildet sein, beispielsweise als ein Piezoaktor. Bei einem Piezoaktor wird mittels der ersten und zweiten Innenelektroden eine Spannung an die keramischen Schichten angelegt, wodurch es zu einer Längenänderung der keramischen Schichten entlang der Richtung der angelegten Spannung kommt. Vorzugsweise ist die Richtung der angelegten Spannung die Stapelrichtung der keramischen Schichten. Durch diese Längenänderung kommt es zu einem Hub, der beispielsweise dazu benutzt werden kann, weitere Bauteile zu bewegen.
• Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen keramischen Bauelements angegeben, welches folgende Teilschritte umfasst:
• - Bereitstellen eines keramischen Grundkörpers,
• - Herstellen einer resultierenden metallhaltigen Paste, die Kupfer und Silber enthält,
• - Aufbringen der resultierenden metallhaltigen Paste auf mindestens eine Außenfläche des keramischen Grundkörpers um eine Metallisierung zu bilden,
• - Einbrennen der Metallisierung.
• Durch die Verwendung der resultierenden Paste lässt sich die Metallisierung mittels nur eines Aufbring- und Einbrandschritts erzeugen. Dadurch kann der Mehraufwand an Material, Zeit und Energie, der herkömmlicherweise durch das Aufbringen einer zusätzlichen Metallschicht entsteht, vemieden werden. Auf Grund dessen können die Kosten und die negativen Umwelteinflüsse, die während des Herstellungsprozess des erfindungsgemäßen keramischen Bauelements auftreten, verringert werden.
• Ein erstes Verfahren zur Herstellung der resultierenden metallhaltigen Paste umfasst folgende Teilschritte:
• - Bereitstellen einer silberhaltigen Paste,
• - Bereitstellen eines Kupferpulvers
• - Bereitstellen von Lösungsmitteln,
• - Zugabe des Kupferpulvers und der Lösungsmittel zu der silberhaltigen Paste, um eine Mischung zu erhalten,
• - Verrühren der Mischung zu einer resultierenden metallhaltigen Paste.
• Ein zweites weiteres vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung der resultierenden metallhaltigen Paste umfasst folgende Teilschritte:
• - Bereitstellen einer silberhaltigen Paste,
• - Bereitstellen einer kupferhaltigen Paste,
• - Zugabe der kupferhaltigen Paste zu der silberhaltigen Paste um eine Mischung zu erhalten,
• - Verrühren der Mischung zu einer resultierenden metallhaltigen Paste.
• Vorzugsweise wird für die Herstellung der resultierenden Paste eine silberhaltige Paste, die mindestens 80 wt% Silber bezogen auf 100 wt% der silberhaltigen Paste enhält, verwendet.
• Des Weiteren wird im ersten Verfahren Kupferpulver zu der silberhaltigen Paste gegeben, die bezogen auf 100 wt% der silberhaltigen Paste mindestens 80 wt% Silber enthält, wobei die tatsächlich zugegebene Menge an Kupfer einem auf 100 wt% der silberhaltigen Paste bezogenen Anteil a entspricht, wobei gilt: $$0\text{ wt}\%<\text{a}\le \text{20 wt}\%\text{.}$$

  
• Weiterhin wird im zweiten Verfahren kupferhaltige Paste zu der silberhaltigen Paste, die mindestens 80 wt% Silber bezogen auf 100 wt% der silberhaltigen Paste enthält, zugegeben, wobei die tatsächlich zugegebene Menge an Kupfer einem auf 100 wt% der silberhaltigen Paste bezogenen Anteil b entspricht, wobei gilt: $$0\text{ wt}\%<\text{b}\le 20\text{ wt}\%\text{.}$$

  
• Der Anteil a oder b an Kupfer, die der silberhaltigen Paste, die mindestens 80 wt% Silber bezogen auf 100 wt % der silberhaltigen Paste enthält, in Form des Kupferpulvers oder der kupferhaltigen Paste zugegeben wird, erlaubt es, die Metallisierung derart herzustellen, dass diese ausreichend an der Außenfläche des keramischen Grundkörpers haftet, die ersten und zweiten Innenelektroden kontaktiert und gleichzeitig eine Oxidationsbeständigkeit aufweist, die besser ist als, die der Kupfermetallsierung. Dadurch können Anschlussdrähte des externen Steuergerätes zuverlässig an die Metallisierung, beispielsweise durch Löten, angebunden werden.
• Vorzugsweise wird die resultierende metallhaltige Paste mittels eines Druckverfahrens auf Außenflächen des keramischen Grundkörpers aufgebracht. Das Aufbringen der resultierenden metallhaltigen Paste mittels eines Druckverfahren kann schnell und einfach unter Normaldruckbedingungen durchgeführt werden. Dadurch wird der Zeit- und Geräteaufwand zum Aufbringen der Metallisierung insgesamt reduziert, wodurch die Kosten verringert werden können. Weiterhin können die Druckverfahren unter Bedingungen durchgeführt werden, die eine Beschädigung des keramischen Grundkörpers des erfindungsgemäßen keramischen Bauelements ausschließen.
• Ferner kann das Einbrennen der Metallisierung bei einer Temperatur erfolgen, die in einem Bereich von 680 °C bis 760 °C liegt. Vorzugsweise erfolgt das Einbrennen der Metallisierung in einer Atmosphäre, die weniger als 2 ppm Sauerstoff enthält. Solch ein niedriger Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre verhindert die Oxidation der Metallisierung während des Einbrands, wodurch die Eigenschaften der Metallisierung erhalten bleiben.
• Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit einer dazugehörigen Figur weiter beschrieben.
• 1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Ausführungsform eines keramischen Bauelements.
• Gleiche Elemente, ähnliche oder augenscheinlich gleiche Elemente sind in der Figur mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figur und die Größenverhältnisse in der Figur sind nicht maßstabsgetreu.
• 1 zeigt im schematischen Querschnitt ausschnittsweise eine Ausführungsform eines keramischen Bauelements. Das keramische Bauelement ist als Piezoaktor ausgebildet. Der Piezoaktor umfasst einen keramischen Grundkörper 1, der keramische Schichten mit dazwischenliegenden ersten Innenelektroden 2 und zweiten Innenelektroden 3 aufweist. Die ersten Innenelektroden 2 und die zweiten Innenelektroden 3 sind alternierend angeordnet, wobei sich die ersten Innenelektroden 2 bis zu einer Außenfläche 5 erstrecken. Die zweiten Innenelektroden 3 sind von der Außenfläche 5 beabstandet um einen Kurzschluss des Piezoaktors zu vermeiden. Ferner bestehen die ersten Innenelektroden 2 und die zweiten Innenelektroden 3 aus Kupfer.
• Auf der Außenfläche 5 des keramischen Grundkörpers 1 ist eine Metallisierung 4 aufgebracht. Die Metallisierung 4 umfasst eine metallhaltige Schicht, die Kupfer und Silber enthält.
• Um die Metallisierung herzustellen wurde als erstes eine resultierende metallhaltige Paste, die Kupfer und Silber enthält, mittels Siebdruck auf die Außenfläche 5 des keramischen Grundkörpers aufgebracht.
• Die resultierende metallhaltige Paste wurde hergestellt, derart, dass zu einer silberhaltigen Paste, die mindestens 80 wt% Silber bezogen auf 100 wt % der silberhaltigen Paste enthält, Kupferpulver und Lösungsmittel zugegeben wurden um eine Mischung zu erzeugen. Ein Anteil a an Kupfer, der der silberhaltigen Paste in Form des Kupferpulvers zugegeben wurde, entspricht 9 wt% Kupfer bezogen auf 100 wt% der silberhaltigen Paste. Durch Rühren der Mischung aus silberhaltiger Paste, Kupferpulver und Lösungsmitteln wurde die resultierende metallhaltige Paste hergestellt.
• Nachdem die resultierende metallhaltige Paste auf die Außenfläche 5 aufgebracht wurde um die Metallisierung 4 zu bilden, wurde die Metallisierung 4 bei 680 °C in einer Atmosphäre, die weniger als 2 ppm Sauerstoff enthält, eingebrannt. Durch den Anteil an Kupfer in der Metallisierung 4 wird eine Anbindung der Metallisierung 4 an die ersten Innenelektroden 2 ermöglicht und eine ausreichende Haftung der Metallisierung 4 an der Außenfläche 5 gewährleistet. Der relativ höhere Gehalt an Silber, verglichen mit dem Gehalt an Kupfer, in der Metallisierung 4 gewährleistet eine Lötbarkeit der Metallisierung 4, wodurch eine zuverlässige Anbindung eines externen Steuergerätes (nicht abgebildet) an den Piezoaktor erfolgen kann. Ferner erlaubt die Aufbringung der Metallisierung 4 auf die Außenfläche 5 des keramischen Grundkörpers 1 mittels nur eines Siebdruckschrittes und eines Einbrandschrittes eine Zeit- und Energieersparnis. Dadurch kann der Piezoaktor kostengünstig, schnell und umweltschonend hergestellt werden.
• Obwohl in der Figur nicht dargestellt sind die zweiten Innenelektroden 3 mittels einer weiteren Metallisierung, die auf einer weiteren Außenfläche des keramischen Grundkörpers 1 aufgebracht ist, auf analoge Weise elektrisch leitend kontaktiert, wie es für die ersten Innenelektroden 2 beschrieben wurde. Der Aufbau und die Herstellung der weiteren Metallisierung sind analog zu den vorhergehenden Ausführungen.
• Obwohl in den vorhergehenden Ausführungen und in der Figur nur ein Ausführungsbeispiel beschrieben ist, ist die vorliegende Erfindung nicht nur auf diese beschränkt. Insbesondere die Art und der Aufbau des keramischen Bauelements können davon abweichen.
• Bezugszeichenliste

1

keramischer Grundkörper

2

erste Innenelektroden

3

zweite Innenelektroden

4

Metallisierung

5

Außenfläche

Claims (12)

1. Keramisches Bauelement, aufweisend einen keramischen Grundkörper (1) und eine Metallisierung (4) an mindestens einer Außenfläche (5) des keramischen Grundkörpers (1), wobei die Metallisierung (4) eine metallhaltige Schicht umfasst, die mindestens Silber und Kupfer enthält.
2. Keramisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei das keramische Bauelement als piezoelektrisches Bauelement ausgebildet ist.
3. Keramisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der keramische Grundkörper (1) eine Vielzahl von keramischen Schichten und erste und zweite Innenelektroden (2,3) aufweist.
4. Keramisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die ersten und zweiten Innenelektroden (2,3) aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung bestehen, wobei x dem Mengenanteil an Kupfer in der kupferhaltigen Legierung entspricht, und wobei bezogen auf 100 at% der kupferhaltigen Legierung gilt: $$0\text{ at}\%<\text{x}<\text{100 at}\%.$$

   
5. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfassend die folgenden Schritte: - Bereitstellen eines keramischen Grundkörpers (1), - Herstellen einer resultierenden metallhaltigen Paste, die Kupfer und Silber enthält, - Aufbringen der resultierenden metallhaltigen Paste auf mindestens eine Außenfläche (5) des keramischen Grundkörpers (1) um eine Metallisierung (4) zu bilden, - Einbrennen der Metallisierung (4).
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Herstellung einer resultierenden metallhaltigen Paste folgende Schritte umfasst: - Bereitstellen einer silberhaltigen Paste, - Bereitstellen eines Kupferpulvers - Bereitstellen von Lösungsmitteln, - Zugabe des Kupferpulvers und der Lösungsmittel zu der silberhaltigen Paste um eine Mischung zu erhalten, - Verrühren der Mischung zu einer resultierenden metallhaltigen Paste.
7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Herstellung einer resultierenden metallhaltigen Paste folgende Schritte umfasst: - Bereitstellen einer silberhaltigen Paste, - Bereitstellen einer kupferhaltigen Paste, - Zugabe der kupferhaltigen Paste zu der silberhaltigen Paste um eine Mischung zu erhalten, - Verrühren der Mischung zu einer resultierenden metallhaltigen Paste.
8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei für die Herstellung der resultierenden metallhaltigen Paste eine silberhaltige Paste, die mindestens 80 wt% Silber bezogen auf 100 wt% der silberhaltigen Paste enthält, und ein Kupferpulver verwendet werden, und a einem Anteil an Kupfer entspricht, die mittels des Kupferpulvers zu der silberhaltigen Paste zugegeben wird, wobei bezogen auf 100 wt% der silberhaltigen Paste gilt: $$0\text{ wt}\%<\text{a}\le \text{20 wt}\%.$$

   
9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei für die Herstellung der resultierenden metallhaltigen Paste eine silberhaltige Paste, die mindestens 80 wt% Silber bezogen auf 100 wt% der silberhaltigen Paste enthält, und eine kupferhaltige Paste verwendet werden, und b einem Anteil an Kupfer entspricht, die mittels der kupferhaltigen Paste zu der silberhaltigen Paste zugegeben wird, wobei bezogen auf 100 wt% der silberhaltigen Paste gilt: $$0\text{ wt}\%<\text{b}\le \text{20 wt}\%$$

   
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei für das Aufbringen der resultierenden metallhaltigen Paste auf mindestens eine Außenfläche (5) des keramischen Grundkörpers (1) ein Druckverfahren verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei für das Einbrennen der Metallisierung (4) eine Atmosphäre ausgewählt ist, die weniger als 2 ppm Sauerstoff aufweist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei für das Einbrennen der Metallisierung (4) eine Temperatur ausgewählt ist, die in einem Bereich zwischen 680 °C und 760 °C liegt.

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