CN1382307A - 将平面外电极安装到压电陶瓷的多层执行元件上的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种将平面外电极(15、16)安装到压电陶瓷的多层执行元件(10)上的方法,并通过这些外电极将交替地朝向相反外侧面引出的内电极各自并行联接,其特征在于,至少对配有外电极的外表面进行下列步骤处理:a)用中性清洁剂进行仔细净化,b)在稀酸溶液中进行酸洗,c)在活化剂的稀溶液中进行活化,d)在添加卤化物离子的氯化钯稀溶液中,或其他的具有钯或其他铂族金属的铂族金属的卤化物稀溶液中形成晶核,e)在相应的镍和/或铜盐溶液中,用还原剂进行镍和/或铜的无电流沉积,f)在相应的溶液中电流沉积锡或锡合金,g)干燥和/或调温处理,h)平面压紧焊接前的柔性的外电极(15、16)以及i)在保护气体中焊接外电极(15、16)。通过上述方法可以得到非常牢固地粘附着的基体敷金属和可良好焊接的结构敷金属,而且此方法适合于大批量地生产。
Description
技术背景
本发明涉及一种将平面外电极安装到压电陶瓷的多层执行元件(Vielschichtaktor)上的方法，通过这些外电极，将交替地朝向相反外侧面引出的内电极各自并行联接。
例如，DE 196 48 545 A1中已经公开了这种压电陶瓷的多层执行元件；该元件由烧结了的压电陶瓷薄膜堆构成，在这些薄膜之间安装的内电极，交替地向着该薄膜堆的二个相反的侧面引出，并通过外电极而并行电联接。这些外电极必须是柔性的，例如是三维堆结构。它们通过局部接触点而与基体敷金属(Grundmetallisierung)相联接。堆状结构的多层执行元件在施加电压时产生膨胀，或者在施加交流电压时按交变频率进行周期性地膨胀运动和收缩运动。例如，一种这样的多层执行元件可用来产生机械振动，或者作为阀或阀元件(Ventilglied)的控制机构，例如用于燃料喷射器。通过多层执行元件的机械运动，基体敷金属无法达到高负荷；另外，天然的压电陶瓷材料是脆的，只有较小的拉伸强度。结果，在极化时常常已经超过了其最大的允许拉伸张力，即在极化时不可避免地形成了裂缝，特别是形成了棱边侧的裂缝，在不良粘附的基体敷金属时导致它的分离。
本发明的优点
采用具有本发明独立权利要求特征的方法，能以有利的方式导致非常坚固粘附的基体敷金属和良好的可焊接的结构敷金属(Aufbaumetalliserung)，而且该方法特别适合于大批量生产。
采用在从属权利要求中所提出的措施，可以进一步完善和改进独立权利要求中所提出的方法。
因为压电陶瓷是酸性敏感的，所以过程作业槽和工艺条件可进行如下有利的选择，即只在极弱的酸性或碱性溶液中出现负荷。特别的酸洗方法导致基体敷金属牢固地粘附在多层执行元件上面。
锡或者具有铅、铜、银或其他合金成分的锡合金的结构敷金属，使得外电极可进行良好的粘附和牢固的焊接。在保护气体下的焊接可改善焊接表面的粘附。采用非清洗焊剂(No-clean-Flussmittel)可以放弃后续的洗涤过程。
特别有利的是，可以采用冲头覆层(Stempelauftrag)在所需要的面上进行活化和/或形成晶核，优选在0.5至2分钟的时间内，在室温下进行。这样，敷金属只在所需要的面上产生，而没有必要对其余的面进行后加工。
附图说明
本发明唯一的一个附图以纵剖面图示出了在敷金属上焊接了外电极的多层执行元件。下面结合该附图，对本发明外部敷金属和安装外电极的方法进行更清楚地描述。
具体实施方式
附图示出了压电陶瓷多层执行元件，它由压电陶瓷例如铅锆酸盐钛酸盐(Bleizirkonattitanat)的多层薄膜11的烧结了的堆10构成。在各薄膜11之间附加上金属内电极12，这些内电极例如由AgPd构成，并利用筛网印刷技术(Siebdrucktechnik)进行装接。这些内电极交替地从堆10引出到其二个相反的外侧面。在此，它们各自通过二个外部敷金属13、14互相联接，也即并行联接。
在电极厚度为大约5μm时，内电极12相互之间的距离例如为150μm。一个这样的多层执行元件由数百个单个电极或薄膜11构成，而且此电极数目还可超过数百个。
在外部敷金属13、14处焊接有平面的、柔性的导电的外电极15、16；外电极为了达到必需的柔性，可以制成筛状、网状、螺线状、梳状、聚合体状、青铜筛状或类似的。本发明开头所提及的现有技术中对此已有清楚的描述。
在本实施方式中，连接线17在横向而连接线18在纵向焊接到外电极处，例如通过电阻焊或激光焊而焊接到外电极处。除了连接线也可以安装成插头接点。这种安装可在外电极15、16的焊接前或焊接后进行。
在连接线17、18处施加电压时，堆10按箭头方向19膨胀；这种行程(Hub)例如可以用来控制阀或阀元件、燃料喷射器或类似的元件。在施加交流电时，可以这种方式产生机械振动。
以下将描述在堆10上安装外部敷金属13、14和外电极15、16的过程。
在此过程中，单一的堆10或以后可切割成为单一的堆的较大的块状排列装置(Riegelanordnungen)已经被烧结，并以其磨光了的或研磨光了的外表面支撑在电流台座里。侧面的处理可限制在安装外部敷金属13、14的侧面处。
对于首先进行的活化过程，堆或块状装置首先用pH值为6-8的中性清洁剂，在40-60℃下进行数分钟细致净化。接着，在稀酸溶液或混合稀酸溶液中进行酸洗，即使得表面粗糙。此过程在40kHz的高能超声和20-30℃下进行数秒钟。随后，在稀的锡(II)盐溶液例如Sn(BF4)2稀溶液中，于弱酸pH范围内和如30-40℃下，真正活化数分钟。此时，锡胶体沉积到外表面上。最后，在氯化钯稀溶液中且有卤化物离子存在时，例如PdCl2+NaCl，在PH值3-4和20-30℃下进行形成晶核数分钟。除了钯外也可使用其他的铂族金属。活化也可通过涂覆有机物质进行。在活化的各处理步骤之间，用完全脱盐了的水进行冲洗。
第二步处理步骤是利用沉积或覆着，进行镍、铜或镍-铜合金的基体敷金属。这一处理步骤在碱性溶液中进行，且沉积是在无电流即无外部电流的情况下进行。可使用三种不同的方法：(a)镍从镍盐溶液如NiSO4溶液中，用次磷酸盐如NaH2PO2
作为还原剂，在pH值为8-9、70-95℃的较高温度下沉积
10-20分钟。(b)镍和铜从镍盐溶液如NiSO4溶液和铜盐溶液如CuSO4溶
液中，用次磷酸盐如NaH2PO2作为还原剂和羟基羧酸作
为络合剂，在pH值8-9、如80℃的较高温度下沉积10-30
分钟。(c)铜从铜盐溶液如CuSO4溶液中，用甲醛(CH2O)作为还原
剂和聚氨基多羧酸作为络合剂，在pH值9-10、如80℃的
较高温度下沉积10-20分钟。
在无电流的沉积后，也即覆上基体敷金属以后，用完全脱盐的水进行冲洗，并立即用锡或锡合合进行电流的结构敷金属。如果直接在基体敷金属后不可能进行电流的结构敷金属，那么该过程中可覆上一层约0.1μm厚的金层而短时间地中断。此处可采用无外电流的覆金层槽，在中性至弱酸性的PH值和较高的温度下进行覆金。
由于所采用的压电陶瓷的酸敏感性，为了进行锡合金的电流沉积而作为焊层，采用一种与专门地用在含铅的玻璃和陶瓷中一样的溶液。由于在以后的应用中，多层执行元件可能承受巨大的温度负荷，例如在机动车中，因此必须保证焊锡能耐受直至230℃的高温，这样用于堆10的覆层的溶液要如此调节，使得焊锡保持如Sn98.5Pb1.5的组成。在此，用聚氨基多羧酸作为络合剂，在弱酸性的pH值和如20-40℃下，在堆10或块状装置上沉积锡合金覆层。在1-2A/dm2的电流密度下，15分钟可达到可焊接的覆层厚度。除了锡-铅合金外，也可使用具有铜、铋或银的其它锡合金。接着，用完全脱盐的水冲洗，并在无油的氮气流中干燥该堆10。另外，作为替代的干燥步骤或附加的干燥步骤，可将堆10在100-200℃的循环空气炉中干燥30-60分钟。
最后，第四步是将外电极15、16焊接到这样形成的外部敷金属处13、14。首先，堆10或块状装置涂上所谓的非清洗焊剂，这样，随后的洗涤就是非必需的。如在乙醇中2％的己二酸在此是合适的。焊接前，外电极15、16通过定位辅助装置予以导入，然后用圆盘弹簧(Tellerfeder)在如1N/mm2的压力下将它们压成片状。真正的焊接是在具有小于10ppm的剩余氧含量的保护气体(例如氮气)中于回流-连续式加热炉(Reflow-Durchlaufofen)中进行。在炉中的温度为250-400℃，焊接件以300-600mm/min的进入速度进入通过炉子，在250℃下在5-15分钟内达到堆10的无损伤的、均匀的加热。此处，焊接也可在蒸汽相焊接装置中在260℃下进行。
单个堆10或压电执行元件具有敏感的区域，例如棱角(Fase)和侧面，这些敏感区域通过上述的在浸渍池中化学活化和形成晶核，可将所需要的、具有化学还原金属层(例如镍)的接触面进行基体敷金属。对于进一步的应用，又必须减少这些棱角和侧面，例如通过研磨。这样常常会损坏多层执行元件，特别是形成短路。
所以对上述的方法稍作改变后，可用下述的方法来进行活化；该方法通过冲头压缩技术使得可以进行局部的或有选择的活化和形成晶核。在使表面粗糙或酸洗后，采用冲头覆层或冲头压缩用的氟硼酸锡(II)在室温下活化约1分钟。结果，活化只在对应于被冲头模具覆盖的区域进行。随后的形成晶核也通过冲头压缩在室温下进行大约1分种，结果只在对应于冲头模具以所需要的方式形成一薄镍层，而其余的地方没有形成镍层。这也适用于随后的结构敷金属。
Claims (24)
1、一种将平面外电极(15、16)安装到压电陶瓷的多层执行元件(10)上的方法，并通过这些外电极将交替地朝向相反外侧面引出的内电极各自并行联接，其特征在于，至少对配有外电极的外表面进行下列步骤处理：
a)用中性清洁剂进行仔细净化，
b)在稀酸溶液中进行酸洗，
c)在活化剂的稀溶液中进行活化，
d)在添加卤化物离子的氯化钯稀溶液中，或其他的具有钯或其他铂族金属的铂族金属的卤化物稀溶液中形成晶核，
e)在相应的镍和/或铜盐溶液中，用还原剂进行镍和/或铜的无电流沉积，
f)在相应的溶液中电流沉积锡或锡合金，
g)干燥和/或调温处理，
h)平面压紧焊接前的柔性的外电极(15、16)以及
i)在保护气体中焊接外电极(15、16)。
2、根据权利要求1的方法，其特征在于，所述的仔细净化优选在40-60℃下、pH值为6-8的中性清洁剂中进行。
3、根据权利要求1或2的方法，其特征在于，所述的酸洗是在具有酸性添加剂的稀硝酸溶液中进行的。
4、根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，所述的酸洗在超声特别是超过40kHz频率的超声下和20-30℃下进行的。
5、根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，所述的活化是在氟硼酸锡(II)(Sn(BF4)2)或氯化锡(SnCl2)的稀溶液中进行的。
6、根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，所述的活化是在弱酸性pH值和/或30-40℃下进行的。
7、根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，所述的形成晶核是在pH值为3-4的、特别是在20-30℃下的添加有卤化物离子的氯化钯稀溶液中进行的。
8、根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，在无电流沉积时，用次磷酸盐(如NaH2PO2)作为还原剂从镍盐(如CuSO4)溶液中沉积镍。
9、根据权利要求8的方法，其特征在于，所述的沉积是在pH值为8-9时和/或温度为70-95℃下进行的。
10、根据权利要求1-7之一的方法，其特征在于，在无电流沉积时，用次磷酸盐(如NaH2PO2)作为还原剂和羟基羧酸作为络合剂，从镍盐(如NiSO4)溶液和铜盐(如CuSO4)溶液中沉积镍和铜。
11、根据权利要求1-7之一的方法，其特征在于，在无电流沉积时，用甲醛(CH2O)作为还原剂和聚氨基多羧酸作为络合剂从铜盐(CuSO4)溶液中沉积铜。
12、根据权利要求10或11的方法，其特征在于，所述的沉积是在pH值为9-10和/或60℃以上的温度下进行。
13、根据权利要求8-11之一的方法，其特征在于，所述的沉积进行10-20分钟。
14、根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，在电流沉积锡或锡合金时，采用有机添加剂特别是聚氨基多羧酸作为络合剂。
15、根据权利要求14的方法，其特征在于，所述的沉积是在弱酸性pH值和/或20-40℃下进行的。
16、根据权利要求14或15的方法，其特征在于，所述的沉积在1-2A/dm2的电流中进行5-30分钟。
17、根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，所述的干燥是在无油的氮气气流中进行的。
18、根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，所述的调温处理在100-200℃的循环空气炉中进行30-60分钟。
19、根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，在外电极(15、16)压紧前，将不必需进行紧接着洗涤的焊剂(非清洗焊剂)，特别是在乙醇中的2％己二酸，涂到多层执行元件(10)相应的外表面上。
20、根据上述权利要求之一方法，其特征在于，为了焊接，外电极(15、16)以1-5N/mm2的压力平面压紧到结构敷金属上。
21、根据上述权利要求之一方法，其特征在于，所述的外电极(13、14)的焊接是在250-400℃下的连续加热炉中进行的，特别是采用300-600mm/min的推进速度。
22、根据上述权利要求1-20之一的方法，其特征在于，所述的外电极(13、14)的焊接是在蒸汽相焊接装置中于250-290℃下进行的。
23、根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，采用冲头覆层，在所需要的面处进行活化和/或形成晶核。
24、根据上述权利要求23的方法，其特征在于，所述的活化和/或形成晶核特别是在室温下通过冲头压力各进行0.5-2分钟。
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