DE10039296B4

DE10039296B4 - Schichtenanordnung mit einer beschichteten Transferfolie und ihre Verwendung

Info

Publication number: DE10039296B4
Application number: DE10039296A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Schulte; Hans-Joerg Renz; Leonore Dr. Schwegler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-08-11
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2020-08-12
Also published as: DE10066307B4; DE10039296A1

Abstract

Schichtanordnung mit
– mindestens zwei übereinander angeordneten keramischen Substraten (20, 21, 22),
– zwischen denen sich mindestens eine Transferfolie (10) mit jeweils mindestens einer zumindest bereichsweise auf der Transferfolie aufgebrachten, zu transferierenden Beschichtung (11) in Form einer Paste, insbesondere eines Schlickers, befindet,
– wobei die Beschichtung der Transferfolie in Kontakt zur Substratoberfläche steht,
– die Transferfolie um mindestens eine Seitenfläche (24) eines der Substrate herumgeführt ist
– und die Transferfolie durch Wärmebehandlung zumindest nahezu rückstandsfrei zersetzbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schichtanordnung mit einer beschichteten Transferfolie sowie ihre Verwendung zur Herstellung von keramischen Bauteilen.

Stand der Technik

Bei der Herstellung von keramischen Funktionselementen oder Bauteilen, insbesondere bei der Herstellung keramischer Vielschichtelemente, wird in der Regel eine Direkt-Drucktechnik wie der Siebdruck eingesetzt, um beispielsweise auf keramischen Grünfolien oder gesinterten Keramikkörpern dünne Funktionsschichten aufzutragen. Dabei ist es üblich, diese Funktionsschichten mittels Siebdruck entweder direkt auf das keramikhaltige Substrat oder indirekt auf zuvor aufgebrachte Druckschichten aufzutragen. Typische Vertreter solcher keramischer Bauteile sind einerseits sogenannte Mehrlagen-Komposite („multilayer-composits") mit einer regelmäßigen Schichtabfolge der Form A-B-A-B-A-B, wobei A beispielsweise für eine keramische Schicht und B beispielsweise für eine aufgedruckte Funktionsschicht mit einem eigenen Layout steht. Ein Beispiel für solche Funktionsschichten sind Innenelektrodenschichten zwischen keramischen Schichten in Piezo-Aktoren.

Daneben ist bekannt, Mehrlagen-Komposite mit mehreren Druckschichten zwischen den keramischen Schichten herzustellen, wobei die Druckschichten ein weitgehend beliebiges Layout aufweisen können. Eine derartige Schichtabfolge ist häufig in planaren Abgassensoren beispielsweise nach dem Muster A-B₁-B₂-B₃-A-B₄-B₂-A-B₁ realisiert, wobei A für eine keramische Schicht und B_i (i = 1, 2, 3, 4) für eine aufgedruckte Funktionsschicht steht.

Neben Mehrlagen-Bauteilen sind weiter keramische Bauteile mit komplexem, mehrschichtigem Aufbau und weitgehend beliebiger räumlicher Ausdehnung (Quader, Zylinder, Sechseck usw.) bekannt, deren Oberflächen mit einer oder mehreren aufgedruckten Funktionsschichten von weitgehend frei wählbarem Layout versehen worden sind. Eine laterale Verbindung der Funktionsschichten in diesen Mehrlagen-Bauteilen beispielsweise zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung erfolgt dabei bisher durch Durchkontaktierungen zwischen den Funktionsschichten. Ein Beispiel sind ebenfalls planare Abgassensoren.

Bei bekannten Direkt-Drucktechniken auf insbesondere keramikhaltigen Substraten tritt häufig das Problem auf, dass bedruckte und danach gestapelte keramische Grünfolien nur schlecht aufeinander haften, und deshalb nach dem Bedrucken schwierig zu laminieren sind. Weiter ist es vielfach nicht möglich, Funktionsschichten zu realisieren, die Strukturen aufweisen, die sich über zwei oder mehr Schichtebenen erstrecken. So ist insbesondere der Druck ununterbrochener Strukturen auf gestuftem Untergrund schwierig. Weiter werden zur Ausführung von Durchkontaktierungen zwischen zwei Ebenen bisher mindestens drei Druckschritte benötigt, was das Druckverfahren aufwendig und fehleranfällig macht. Darüber hinaus sind die Substrate nach dem Bedrucken bisher vielfach schwer handhabbar, da eine bedruckte Oberfläche nicht mehr berührt werden darf, und sowohl vor Berührung als auch von Ablagerung von Partikeln geschützt werden muss.

Insgesamt ist somit die Direkt-Drucktechnik auf keramikhaltigen Substraten insbesondere bei komplexen Drucklayouts und/oder schwierig handhabbaren Pasten fehleranfällig und verfahrenstechnisch aufwendig, so dass eine verhältnismäßig große Zahl von auszusortierenden Fehldrucken anfällt, was besonders dann nachteilig ist, wenn das bedruckte Material teuer und im einmal bedruckten Zustand nicht mehr recyclierbar ist. Dies gilt im Speziellen auch für Substrate bzw. Bauteile, die bereits viele zeit- und kostenintensive Arbeitsschritte durchlaufen haben, wie beispielsweise aufwendige Druckschritte oder Laminier- und Sinterprozeduren. Unter einer schwierig zu verarbeitenden Paste ist dabei eine Paste zu verstehen, die bereits bei geringen Schwankungen der Verarbeitungsbedingungen ein verändertes, nicht mehr tolerierbares Druckverhalten zeigt.

In der Literatur sind beispielsweise folgende konkrete Verfahrenstechniken beschrieben worden:
Aus DE 195 38 843 C1 ist eine silber- und palladiumhaltige Paste bekannt, die zur Herstellung von keramischen Vielschichtkondensatoren eingesetzt werden kann. Es wird dabei vorgeschlagen, die Paste zur Erzeugung einer niedrigen Elektrodenschichtdicke zunächst im Siebdruckverfahren auf eine dielektrische Keramikfolie (= direktes Verfahren) oder auf eine Trägerfolie (= indirektes Verfahren) zu drucken. Anschließend folgt ein partieller Zersetzungsprozess der Silberverbindung bei Temperaturen von 80 bis 220°C unter Einwirkung von Wärme und/oder energiereicher Strahlung, so dass ein dünner Metallfilm mit einer Elektrodenstruktur zurückbleibt. Beim indirekten Verfahren wird nun die Elektrodenstruktur in einem Heißpressvorgang von der Trägerfolie auf eine grüne Keramik übertragen. Es ist jedoch nicht vorgesehen, eine Schichtanordnung mit mindestens zwei übereinander angeordneten keramischen Substraten herzustallen, zwischen denen sich die Transferfolie befindet, die um mindestens eine Seitenfläche eines der Substrate herumgeführt ist.

Weiter wird in DE 196 37 551 A1 ein Transferdruckverfahren für Vielschichtbauelemente beschrieben. Dabei wird ein keramisches Substrat mit einer gedruckten Schicht bedruckt, bei dem das Transfermedium eine hoch-tief-strukturierte Druckfolie mit erhöhten und vertieften Teilen der Oberfläche ist. Für den Druckprozess wird die gesamte Oberfläche der Druckfolie mit dem Druckmedium beschichtet und das Druckmedium von den erhöhten Teilen der Druckfolienoberfläche auf das Substrat übertragen. In dieser Lehre ist es ebenfalls nicht bekannt, die Druckfolie um eine Seitenfläche des Substrates herum zu führen.

Schließlich ist aus DE 689 11 125 T2 ein weiteres Verfahren zur Herstellung keramischer elektronischer Komponenten bekannt, wobei die Komponenten aus mehreren Schichten bestehen. Das vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Mehrzahl von Metallfilmen auf jeweiligen Trägern gebildet und wenigstens ein Teil eines jeden der Filme von den Trägern auf jeweilige Keramikrohschichten übertragen werden. Dabei ist es weder vorgesehen, die Träger um eine Seitenfläche der Keramikrohschichten herum zu führen noch mit diesen Trägern anschließend eine Wärmebehandlung durch zu führen.

Aufgabe der Erfindung ist es, Funktionsschichten zu realisieren, die Strukturen aufweisen, die sich über zwei oder mehr Schichtebenen erstrecken und miteinander verbunden sind. Mit solch einer Anordnung wird die Herstellung von ke ramischen Bauteilen wie keramischen Mehrlagen-Kompositen vereinfacht.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schichtanordnung bzw. ihre Verwendung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass Funktionsschichten über mehrere Funktionsebenen lateral miteinander verbunden sind, ohne dass es dazu eines besonderen verfahrenstechnischen Aufwandes bedarf. Die Schichtanordnung wird realisiert durch ein einfaches Herumführen einer beschichteten Transferfolie um eine Seitenfläche eines oder mehrerer Substrate. Dazu muss das Substrat nicht direkt bedruckt werden, sondern die zu erzeugende Beschichtung wird zunächst auf eine Transferfolie aufgebracht, insbesondere aufgedruckt, die anschließend mit dem Substrat in Kontakt gebracht wird. Die eingesetzte Transferfolie ist danach mittels einer Wärmebehandlung zumindest nahezu rückstandsfrei zersetzbar.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

So ist besonders vorteilhaft, wenn die Transferfolie eine organische Kunststofffolie ist. Dabei ist die Zusammensetzung dieser Kunststofffolie weiter vorteilhaft in einfacher Weise an die Zusammensetzung des vorgegebenen Substrates anpassbar, so dass die in Kontakt mit dem Substrat befindliche Transferfolie bereits beim Erwärmen auf eine sogenannte Hafttemperatur erweicht, und sodann an dem Substrat haftet ohne zu Verfließen, und ohne, dass eine beispielsweise strukturierte Beschichtung auf der Transferfolie in unerwünschtem Maße verzerrt wird.

Die Verwendung einer beschichteten Transferfolie zur Erzeugung von keramischen Bauteilen mit aus der Beschichtung hergestellten Funktionsschichten hat weiter den Vorteil, dass auch in ihrer Geometrie schwierig direkt zu bedruckende Substrate zuverlässig, leicht und kostengünstig mit der Transferfolie zu versehen, beispielsweise zu bekleben sind. Insofern kann auf aufwendige Spezialdruckverfahren verzichtet werden.

Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die 1a bis 1d verdeutlichen das grundsätzliche Prinzip des indirekten Beschichtungsverfahrens, wobei 1a und 1b das Aufbringen einer strukturierten Beschichtung auf eine Transferfolie erläutern und 1c den Transfer dieser Schichtanordnung auf ein Substrat und 1d ein mit dieser Schichtanordnung versehenes Substrat zeigen. 2 zeigt ein keramisches Mehrlagen-Komposit mit einer erfindungsgemäßen Schichtanordnung, die zwei miteinander über eine Außenfläche verbundene Funktionsschichten aufweist.

Zunächst wird das grundsätzliche Prinzip des indirekten Beschichtungsverfahrens mit 1a bis 1d erläutert. Das indirekte Beschichtungsverfahren an sich ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung, seine Erläuterung dient aber dem Verständnis der erfindungsgemäßen Schichtanordnung. Die 1a zeigt eine flächige Transferfolie 10 in Form einer dünnen, organischen Kunststofffolie, die durch Siebdruck oder Aufrakeln einer entsprechenden Organik-Paste auf eine sogenannte Release-Folie, oder alternativ durch ein Extrusi onsverfahren hergestellt worden ist. Die 1b erläutert, wie auf dieser Transferfolie 10 dann in einem nächsten Verfahrensschritt eine Beschichtung 11 aufgedruckt worden ist, die im konkreten Ausführungsbeispiel aus einer entsprechend strukturierten Paste besteht. Derartige Pasten sind vielfach aus der Herstellung von metallischen Leiterbahnen wie Platin-Zuleitungen oder Platin-Heizern in planaren Abgassensoren bekannt. Weiter sind solche Pasten auch aus der Herstellung von Aluminiumoxid-Isolationsschichten auf keramischen Grünfolien bekannt. Die 1c erläutert den nächsten Verfahrensschritt, bei dem die gemäß 1b hergestellte Schichtanordnung 5 aus Transferschicht 10 und Beschichtung 11 mit einem keramikhaltigen Substrat 12 in Kontakt gebracht wird, wobei sich die Beschichtung 11 zwischen Substrat 12 und Transferfolie 10 befindet.
Das keramikhaltige Substrat 12 ist beispielsweise eine bekannte keramische Grünfolie, wie sie bei der Herstellung von planaren Abgassensoren üblich ist. Sie enthält neben einem Binder, einem Weichmacher und einem Lösungsmittel insbesondere Yttrium-stablisiertes Zirkoniumdioxid. Alternativ kann das keramikhaltige Substrat 12 aber auch ein bereits gebranntes keramisches Bauteil sein.
Die 1d erläutert das mit der Schichtanordnung 5 versehene keramikhaltige Substrat 12.
Nach dem Verfahrensschritt gemäß 1d erfolgt anschließend ein Erwärmen des mit der Schichtanordnung 5 versehenen keramikhaltigen Substrates 12 auf eine Hafttemperatur von typischerweise 60°C bis 140°C, die von der Zusammensetzung der Transferfolie 10 abhängig ist. Das Erwärmen auf die Hafttemperatur bewirkt, dass die Transferfolie 10 ohne zu Zerfließen erweicht und dabei an dem keramikhaltigen Substrat 12 festhaftet oder mit diesem verklebt. Dieses Verkle ben bzw. Haften erfolgt weiter derart, dass die Verbindung von Transferfolie 10 und Substrat 12 auch nach einem Abkühlen weiter bestehen bleibt. Anschließend erfolgt dann ein Sintern des mit der Schichtanordnung 5 versehenen keramikhaltigen Substrates 12, wodurch ein Keramikkörper bzw. ein keramisches Bauteil mit einer strukturierten Funktionsschicht entsteht, in die die zuvor aufgebrachte Beschichtung 11 beim Sintern überführt worden ist. Im Laufe dieses Sinterprozesses wird weiter die Transferfolie 10 zumindest nahezu rückstandsfrei durch Pyrolyse ersetzt.
Durch das erläuterte Verfahren wird gewährleistet, dass die zunächst auf die Transferfolie 10 aufgebrachte strukturierte Beschichtung 11 abbildungstreu auf das keramikhaltige Substrat 12 transferiert, und danach die Transferfolie 10 ohne Zerstörung bzw. Beeinträchtigung der Strukturierung der Beschichtung 11 wieder entfernt werden kann. Insofern wird ein direktes Bedrucken des keramikhaltigen Substrates 12 mit den bereits erläuterten Nachteilen vermieden.
Die 2 erläutert nun ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, das sich vom Gegenstand gemäß 1d dadurch unterscheidet, dass die Schichtanordnung 5 aus Transferfolie 10 und Beschichtung 11 auch um eine Seitenfläche 24 einer keramischen Grünfolie 21 herumgeführt ist, so dass eine erste Funktionsebene 25 und eine zweite Funktionsebene 26 entsteht, die mittels der um die Seitenfläche 24 herumgeführten Transferfolie 10 und mittels der dort auf der Transferfolie 10 befindlichen Beschichtung 11 miteinander verbunden sind. Durch das Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist somit insbesondere nach dem Sintern eines derartig aufgebauten keramischen Mehrlagenkomposits 50 in einfacher Weise eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Funktionsebenen 25, 26 realisierbar, ohne dass es einer aufwendigen Drucktechnik zum Bedrucken der Seitenfläche 24 bedarf.
Gemäß 2 ist nach dem Sintern des keramischen Mehrlagen-Komposites 50 ein keramisches Bauteil entstanden, das drei keramische Schichten aufweist, die aus den zunächst eingesetzten keramischen Grünfolien 20, 21, 22 hervorgegangen sind. Durch die beim Sintern ablaufende Pyrolyse wurde weiter die Transferfolie 10 zumindest weitgehend rückstandsfrei zersetzt, und die Beschichtung 11 in Funktionsschichten, beispielsweise metallische Leiterbahnen, überführt, die mittels der Seitenfläche 24 lateral miteinander verbunden sind. Der elektrische Kontakt zwischen den Funktionsschichten in den Funktionsebenen 25, 26 kann dabei in einfacher Weise durch Leitfähigkeitsmessungen geprüft werden.
Im Übrigen ist offensichtlich, dass in 2 auch mehrere, gegebenenfalls unterschiedliche Transferfolien 10 mit jeweils gegebenenfalls mehreren, unterschiedlichen Beschichtungen 11 und/oder unterschiedlich strukturierten Beschichtungen 11 übereinander angeordnet, und um die Seitenfläche 24 herumgeführt werden können, so dass die erste Funktionsebene 25 bzw. die zweite Funktionsebene 26 jeweils mehrere Teilebenen aufweist. Insbesondere kann auch diese Weise eine erste, beispielsweise platinhaltige, elektrisch leitfähige Beschichtung mit einer ersten Transferfolie und darüber eine zweite, beispielsweise aluminiumoxidhaltige, elektrisch isolierende Beschichtung mit einer zweiten Transferfolie aufgebracht, und um die Seitenfläche 24 herumgeführt werden.
Damit erhält man eine Schichtanordnung mit mindestens zwei übereinander angeordneten keramischen Substraten (20, 21, 22), zwischen denen sich mindestens eine Transferfolie (10) mit jeweils mindestens einer zumindest bereichsweise auf der Transferfolie aufgebrachten, zu transferierenden Beschichtung (11) in Form einer Paste, insbesondere eines Schlickers, befindet, wobei die Beschichtung der Transferfolie in Kontakt zur Substratoberfläche steht, die Transferfolie um mindestens eine Seitenfläche (24) eines der Substrate herumgeführt ist und die Transferfolie durch Wärmebehandlung zumindest nahezu rückstandsfrei zersetzbar ist. Auch können mehrere sich zumindest bereichsweise überlappende Transferfolien (10) aufgebracht sein.
Wenn mindestens drei, übereinander angeordnete Substrate (20, 21, 22) vorgesehen sind, erhält man eine Schichtanordnung, wobei die beschichtete Transferfolie das erste Substrat (20) von dem zweiten Substrat (21) und das zweite Substrat (21) von dem dritten Substrat (22) trennt, und wobei die Transferfolie von dem Bereich zwischen erstem und zweitem Substrat über eine Seitenfläche (24) des zweiten Substrates (21) in den Bereich zwischen zweitem und drittem Substrat herumgeführt ist.

Claims

Schichtanordnung mit – mindestens zwei übereinander angeordneten keramischen Substraten (20, 21, 22), – zwischen denen sich mindestens eine Transferfolie (10) mit jeweils mindestens einer zumindest bereichsweise auf der Transferfolie aufgebrachten, zu transferierenden Beschichtung (11) in Form einer Paste, insbesondere eines Schlickers, befindet, – wobei die Beschichtung der Transferfolie in Kontakt zur Substratoberfläche steht, – die Transferfolie um mindestens eine Seitenfläche (24) eines der Substrate herumgeführt ist – und die Transferfolie durch Wärmebehandlung zumindest nahezu rückstandsfrei zersetzbar ist.
Schichtanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei, übereinander angeordnete Substrate (20, 21, 22) vorgesehen sind, wobei die beschichtete Transferfolie das erste Substrat (20) von dem zweiten Substrat (21) und das zweite Substrat (21) von dem dritten Substrat (22) trennt, und wobei die Transferfolie von dem Bereich zwischen erstem und zweitem Substrat über eine Seitenfläche (24) des zweiten Substrates (21) in den Bereich zwischen zweitem und drittem Substrat herumgeführt ist.
Schichtanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungen (11) mindestens einer der Transferfolien unterschiedliche Zusammensetzungen und/oder unterschiedliche Strukturen aufweisen.
Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Transferfolie (10) eine organische Kunststofffolie ist.
Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere sich zumindest bereichsweise überlappende Transferfolien (10) aufgebracht sind.
Verwendung der Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung eines keramischen Bauteils.