DE102005017816A1

DE102005017816A1 - Elektrokeramisches Bauelement und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102005017816A1
Application number: DE102005017816A
Authority: DE
Inventors: Jan Dr. Ihle; Franz Aldrian; Christian Dr. Lembacher; Udo Theissl; Andreas Schriener
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2005-04-18
Filing date: 2005-04-18
Publication date: 2006-10-19

Abstract

Es wird ein elektrisches Bauelement angegeben mit einem elektrisch leitfähigen Trägersubstrat (2), auf dessen Oberfläche eine Kaltleiter-Keramikschicht (1) erzeugt ist. Ferner wird ein elektrisches Bauelement angegeben mit einem Trägersubstrat (2) und einer auf dessen Oberfläche durch thermisches Spritzen erzeugten Kaltleiter-Keramikschicht (1), die Bariumtitanat enthält. Ferner wird ein Verfahren zur Erzeugung einer Beschichtung aus einer Kaltleiter-Keramik auf einem Trägersubstrat mittels eines thermischen Spritzens angegeben.

Description

Es wird ein elektrokeramisches Bauelement mit einer Widerstandsschicht angegeben.

Aus der Druckschrift DE 297 02 813 U1 sind Widerstandsschichten mit PTC-Charakteristik auf einem Kochplattenkörper bekannt.

Aus der Druckschrift DE 197 39 758 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Kaltleiter-Widerständen bekannt, bei dem mehrere Schichten aus einem Kaltleiter-Keramikgranulat verpresst und gesintert werden.

Aus der Druckschrift DE 35 41 705 A1 ist es bekannt, metallkeramische Katalysatormassen durch Flammspritzen auf Substrate aus Metallen oder Metalllegierungen aufzutragen.

Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein elektrisches Bauelement mit niedrigen thermischen Verlusten anzugeben.

Gemäß einer ersten Ausführungsform wird ein elektrisches Bauelement mit einem elektrisch leitfähigen Trägersubstrat angegeben, das mit einer Widerstandsschicht aus einer PTC-Keramik (PTC = positive temperature coefficient) beschichtet ist. Die Kaltleiter-Keramikschicht kann also unmittelbar auf der Oberfläche des Trägersubstrats vorzugsweise mittels eines thermischen Spritzens erzeugt werden.

Die PTC-Keramik wird im Folgenden auch als eine Kaltleiter-Keramik bezeichnet.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform wird ein elektrisches Bauelement mit einem Trägersubstrat angegeben, auf dessen Oberfläche durch thermisches Spritzen eine Kaltleiter-Keramikschicht erzeugt ist. Diese Kaltleiter-Keramikschicht kann in einer ersten bevorzugten Variante Bariumtitanat enthalten. Die Kaltleiter-Keramikschicht kann in einer zweiten bevorzugten Variante Vanadiumoxid enthalten. Das Trägersubstrat ist vorzugsweise elektrisch leitfähig.

Nachstehend werden die Bauelemente gemäß einer ersten und einer zweiten Ausführungsform und deren vorteilhafte Ausgestaltungen erläutert sowie ein Herstellungsverfahren angegeben.

Das hier angegebene elektrische Bauelement mit einer das Trägersubstrat und die keramische Beschichtung umfassenden Funktionseinheit ist insbesondere als Heizelement eines Heizgeräts oder als Überlastschutz geeignet.

Die funktionsrelevanten Parameter der Funktionseinheit wie der Raumtemperaturwiderstand (R₂₅) und die Bezugstemperatur (T_B) werden u. a. durch die Beschaffenheit und die Dicke der Keramikschicht bestimmt. Unter der Bezugstemperatur wird eine Temperatur verstanden, bei deren Überschreitung der spezifische Widerstand der Keramikschicht sprunghaft ansteigt. Die Bezugstemperatur wird auch Curie-Temperatur genannt. Mit dem thermischen Spritzen gelingt es, die Struktur der Keramikschicht mit einer hohen Genauigkeit zu reproduzieren und daher auch die Werte von R₂₅ und T_B sowie einen vorgegebenen, vorzugsweise niedrigen spezifischen Widerstand der Keramikschicht sehr genau, d. h. mit nur geringfügigen Toleranzfehlern einzustellen.

Unter thermischem Spritzen wird ein Spritzverfahren verstanden, bei dem aus einer Spritzdüse ein Beschichtungspulver mit einer Temperatur von mindestens 800°C austritt.

Unter einem elektrisch leitfähigen Material wird ein Material verstanden, das zumindest halbleitend ist. Das Material des Trägersubstrats ist vorzugsweise ausgewählt aus Metallen wie z. B. Al, Cu, Ni, Ti, Au, Ag, W, Mg, einer Al-, Cu, Ti-, Mg-, Cr-Ni-Legierung und/oder halbleitenden Materialien wie z. B. Silizium, Siliziumcarbid oder anderen Carbiden oder Siliciden.

Das Trägersubstrat ist vorzugsweise in Form einer Platte bereitgestellt. Das Trägersubstrat kann z. B. aus einem Metallblech, vorzugsweise einem Al-Blech gefertigt sein.

Auf der vom Trägersubstrat abgewandten Seite der Kaltleiter-Keramikschicht kann eine elektrisch leitende Schicht erzeugt werden. Das Trägersubstrat, die elektrisch leitende Schicht und die dazwischen angeordnete Kaltleiter-Keramikschicht bilden eine Funktionseinheit, vorzugsweise ein Heizelement. Die elektrisch leitende Schicht ist vorzugsweise zumindest in ihrem Kontaktbereich lötbar gemacht worden und mit einem an eine Stromquelle anzuschließenden elektrischen Anschluss, z. B. in Form eines Drahtes oder eines Metallstreifens, vorzugsweise mittels einer Lotmasse fest verbunden.

Das Trägersubstrat kann selbst als ein elektrischer Anschluss zwischen der Stromquelle und der Kaltleiter-Keramikschicht benutzt werden. In diesem Fall entfällt daher ein auf dem Substrat zusätzlich aufzubringender elektrischer Anschluss zur Kontaktierung des Heizelements.

Die Kaltleiter-Keramikschicht ist eine Funktionsschicht, die als eine Widerstandsschicht mit einem positiven Temperaturkoeffizienten ausgebildet ist. Die Kaltleiter-Keramikschicht ist von keramischen Schutzschichten oder Katalysatorschichten zu unterscheiden.

Die Kaltleiter-Keramikschicht steht vorzugsweise in einem direkten thermischen und elektrischen Kontakt zum Trägersubstrat, das vorzugsweise elektrisch leitfähig ist. Bei einer guten, vorzugsweise großflächigen thermischen Ankopplung der Keramikschicht an einen metallischen Träger kann die in der Keramikschicht durch einen Stromfluss erzeugte Wärmeenergie von dieser Keramikschicht über den metallischen Träger direkt abgeführt werden. Dadurch können thermische Verluste aufgrund eines geringen thermischen Übergangswiderstands gegenüber einer beispielsweise mittels einer Haftvermittlungsschicht mit einem Substrat verbundenen oder an ein Substrat gepressten Keramikschicht – was durch einen hohen thermischen Übergangswiderstand charakterisiert wird – reduziert werden.

Die Keramikschicht weist als Basiskomponente vorzugsweise Bariumtitanat (BaTiO₃) und/oder Vanadiumoxid (V₂O₃) auf, das durch Dotierung mit einem oder mehreren Elementen leitfähig gemacht ist. Vorteilhafterweise handelt es sich bei den Dotierstoffen um Yttrium und/oder Mangan, wobei der Masseanteil insgesamt beispielsweise weniger als 5%, vorzugsweise weniger als 1% beträgt. Bei Bariumtitanat ist ein Titanüberschuss gegenüber einer stöchiometrischen Zusammensetzung von BaTiO₃ zur Einstellung der elektrischen Leitfähigkeit der Keramikschicht von Vorteil. Die elektrische Leitfähigkeit kann auch durch einen Titanmangel eingestellt werden.

Das Keramikmaterial kann ferner einen oder mehrere Zusätze enthalten. Diese Zusätze können Kalzium, Strontium und/oder Blei sein. Es ist vorteilhaft, wenn die genannten Zusätze insgesamt weniger als 50 Gew.-%, in einer vorteilhaften Variante weniger als 10 Gew.-% betragen.

Die leitfähige Keramikschicht wird vorzugsweise in einer Dicke aufgetragen, die einen Wert von 1 mm nicht übersteigt. Insbesondere ist es möglich, mittels des thermischen Spritzens Kaltleiter-Keramikschichten in einer Dicke zwischen 10 μm und 1 mm zu erzeugen. Die Dicke und die Gesamtmasse der Kaltleiter-Keramikschicht ist in diesem Fall gegenüber herkömmlichen Kaltleiter-Keramikschichten wesentlich kleiner, daher ist z. B. bei Heizeranwendungen aufgrund der geringen keramischen Masse der thermische Wirkungsgrad deutlich höher und der elektrische Leistungseintrag geringer. Aufgrund der geringen Schichtdicke und des großflächigen direkten thermischen Kontaktes zwischen dem Substrat und der Keramikschicht ist eine konstante Leistungsabfuhr möglich. Aufgrund der geringen Schichtdicken besteht außerdem ein großes Einsparungspotential des Keramikmaterials.

Die Schichtdicke der Keramikschicht ist durch Verfahrensbedingungen beim thermischen Spritzen, insbesondere durch eine geeignet ausgewählte Spritzdauer einstellbar. Damit kann je nach Anwendung die optimale Schichtdicke realisiert werden.

Das thermische Spritzen kann vorzugsweise so durchgeführt werden, dass unmittelbar im Laufe des thermischen Spritzens eine gleichmäßige elektrisch leitfähige Keramikbeschichtung mit vorgegebenen Eigenschaften auf dem Substrat erzeugt wird, und daher die Formgebung und die Sinterung der Keramikschicht entfallen kann.

Das thermische Spritzen ist besonders gut dazu geeignet, großflächige Keramikschichten mit einer gleichmäßigen Dicke und einer homogenen Beschaffenheit zu erzeugen.

Ein Trägersubstrat kann z. B. in Form einer Spirale oder eines Mäanders strukturiert sein. Es ist möglich, anstatt nur eines Trägersubstrats mehrere voneinander unabhängige, vorzugsweise in der Draufsicht wabenförmige Trägersubstrate zu verwenden, die mittels der leitfähigen, vorzugsweise großflächig ausgebildeten, thermisch gespritzten Keramikschicht miteinander zu verbinden sind. Die Keramikschicht bildet also eine Brücke zwischen den Trägersubstraten. Die Trägersubstrate sind vorzugsweise in einem geringen Abstand voneinander angeordnet. Die Keramikschicht bedeckt dabei zumindest einen Bereich des jeweiligen Trägersubstrats. Der Verbund der Keramikschicht und der Trägersubstrate bildet eine Funktionseinheit, die z. B. als ein Heizregisteraufbau geeignet ist. Die thermisch gespritzte keramische Kaltleiterschicht verbindet die voneinander beabstandete Trägersubstrate miteinander vorzugsweise direkt, d. h. ohne eine haftvermittelnde Zwischenschicht zwischen der Keramikschicht und den Substraten. Somit ist eine gute thermische Anbindung der Keramikschicht an die Trägersubstrate sichergestellt.

Bei der Herstellung der Keramikschicht mittels des thermischen Spritzens können die Trägersubstrate auf einer Unterlage angeordnet sein. Die Keramikschicht wird dann sowohl auf die Trägersubstrate als auch auf die Unterlage aufgetragen.

Es ist im Prinzip möglich, aber nicht notwendig, die Unterlage vom Verbund der Keramikschicht und der Trägersubstrate abzulösen, wobei die Keramikschicht vorzugsweise selbsttragend und ausreichend mechanisch stabil ausgebildet ist. Zwei voneinander beabstandete Trägersubstrate können als zwei verschiedene Anschlüsse der Funktionseinheit benutzt werden.

Die Keramikschicht kann unter Verwendung einer Maske strukturiert werden. Sie kann beispielsweise zu unabhängigen Streifen strukturiert sein, die jeweils die Trägersubstrate miteinander verbinden. Durch die Verwendung einer Maske kann beim thermischen Spritzen des keramischen Kaltleiters auf das vorzugsweise metallische Trägersubstrat ein Muster, z. B. eine Spirale oder ein Mäander zur Vergrößerung der effektiven Weglänge des Stromflusses erzeugt und somit die Heizleistung pro Fläche gesteigert werden.

Eine keramische Kaltleiterschicht kann die folgenden Eigenschaften aufweisen: spezifischer elektrischer Widerstand bei Raumtemperatur zwischen 1 Ω cm und 500 kΩ cm, die Bezugstemperatur zwischen 0 und 350°C. In einer bevorzugten Variante beträgt der spezifische Widerstandswert zwischen 10 Ω cm und 150 kΩ cm und/oder die Bezugstemperatur zwischen 80 und 220°C. Der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes im Bereich der Curie-Temperatur des Materials liegt dabei typischerweise zwischen 0,05 und 0,35/K, vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,2/K. Unter einem Temperaturkoeffizienten α des elektrischen Widerstandes R wird eine Kennliniensteigung

verstanden, wobei T die Temperatur ist.

Es ist beispielsweise möglich, die keramische Kaltleiterschicht mit den oben genannten Eigenschaften direkt auf ein Trägersubstrat aus Metall (z. B. Aluminium) aufzubringen.

Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines elektrokeramischen Bauelements angegeben. Es wird ein zur Bildung einer Kaltleiter-Keramikschicht geeignete Keramikpartikel enthaltendes Beschichtungspulver bereitgestellt, das zur Bildung einer Kaltleiter-Keramikschicht auf ein elektrisch leitfähiges Trägersubstrat durch thermisches Spritzen aufgetragen wird.

Das Aufbringen des keramischen Beschichtungspulvers auf das Trägersubstrat zur Erzeugung einer Kaltleiter-Keramikschicht erfolgt vorzugsweise mittels einer der Methoden der Verfahrensgruppe des thermischen Spritzens (verschiedene Varianten vom Plasmaspritzen, Detonationsspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen – HVOF). Eine so hergestellte Keramikschicht weist vorzugsweise eine ferroelektrische Perowskitstruktur auf.

Das Beschichtungspulver kann in einer Variante als ein agglomerierte Keramikpartikel in Form von Granalien enthaltendes Keramikpulver vorhanden sein. Das Beschichtungspulver kann alternativ als ein Granalien aus miteinander versinterten Keramikpartikeln enthaltendes Keramik-Granulatpulver zur Verfügung stehen.

Unter einem Keramikkorn ist eine Granalie aus agglomerierten, nicht versinterten Keramikpartikeln oder eine versinterte Keramik-Granalie zu verstehen.

Es ist von Vorteil, wenn das Beschichtungspulver, ob nicht versintertes Keramik-Granulat oder versintertes Keramik-Granulat, eine Korngröße zwischen 5 und 250 μm aufweist.

Die Keramikkorngröße ist vorzugsweise an das für die jeweilige Anwendung bevorzugte Verfahren aus der Verfahrensgruppe des thermischen Spritzens angepasst. Die Korngröße kann in einer vorteilhaften Variante zwischen 10 und 45 μm gewählt sein.

Die offene Porosität des Beschichtungspulvers oder des Granulatpulvers kann zwischen 3 und 40 Vol.-%, in einer Variante zwischen 5 und 30 Vol.-% betragen. Unter der offenen Porosität ist ein Verhältnis des leeren Volumens zum Gesamtvolumen des Pulvers zu verstehen. Das leere Volumen umfasst die Zwischenräume zwischen den Granalien, aber auch offene Poren der Keramik-Granalien.

Die Herstellung des Pulvers kann durch verschiedene Verfahrensschritte durchgeführt werden, wie beispielsweise mittels Agglomeration durch Sprühtrocknung. Eine anschließende Sinterung des Granulates ist ebenfalls von Vorteil. Das als Granulat vorliegendes Beschichtungspulver muss aber nicht unbedingt vorgesintert sein. Es ist möglich, das Keramikpulver aus losen Keramikpartikeln vorzusintern. Beim Vorsintern der Keramikkörner werden elektrisch leitfähige Keramikkörner erzeugt, wohingegen nicht vorgesinterte Keramikkörner erst im Laufe des thermischen Spritzens zu einer leitfähigen Keramikschicht verarbeitet werden.

Beim thermischen Spritzen beträgt die Temperatur des Beschichtungspulvers beim Verlassen einer Spritzöffnung mindestens 800°C. In einer Variante wird beim thermischen Spritzen ein vorgesinterte Keramikpartikel umfassendes Beschichtungspulver bei einer Temperatur von mindestens 800°C aus einer Spritzöffnung abgesondert. In einer weiteren Variante wird beim thermischen Spritzen ein nicht vorgesintertes Beschichtungspulver bei einer Temperatur zwischen 1100°C und 1400°C aus einer Spritzöffnung abgesondert.

Im folgenden wird das Vorsintern eines Beschichtungspulvers beschrieben. Die Sinterung von Keramikkörnern erfolgt vorzugsweise in Kapseln aus einem feuerfesten Material bei einer Temperatur, die zwischen 800 und 1400°C liegt. Während dieses Sinterprozesses bildet sich eine u. a. durch Verfahrensparameter wie Sinterdauer, Sintertemperatur und Sinteratmosphäre bestimmte Mikrostruktur der Keramikkörner aus, welche vorgegebene elektrische Eigenschaften wie Raumtemperaturwiderstand, Bezugstemperatur, Heißwiderstand, Widerstandsanstieg oder Spannungsfestigkeit einer aus den Keramikkörnern herzustellenden Kaltleiter-Keramikschicht gewährleistet.

Anschließend werden zwei Ausführungsbeispiele des Verfahrens zur Herstellung des elektrokeramischen Bauelements mit einer Kaltleiter-Keramikschicht behandelt.

Erstes Ausführungsbeispiel:

Folgende Rohstoffe werden homogenisiert und deagglomeriert: Ba-CO₃, SrCO₃, CaCO₃, SiO₂, TiO₂, MnCl₂, YCl₃. Die stöchiometrische Zusammensetzung ist wie folgt: Ba 77,5 Mol-%, Ca 13 Mol-%, Sr 9 Mol-%, Si 2 Mol-%, Y 0,4 Mol-%, Mn 0,1 Mol-% und TiO₂ 100,1 Mol-%. Die Anteile der Elemente Ba, Sr, Ca, Y und Mn sind in Summe auf 100 Mol-% normiert. Die Anteile TiO₂ und SiO₂ sind relativ zu diesen 100% angegeben. Diese Ausgangsstoffe werden vermischt und unter Zusatz von organischen Bindern in Wasser dispergiert. Diese Mischung wird als Schlicker bezeichnet.

Der Schlicker wird in einer Filterpresse durch ein Filtertuch gepresst und im Trockenschrank getrocknet. Der Filterrückstand wird bei einer Temperatur von z. B. 1100°C vorzugsweise zwei Stunden lang kalziniert. Das Umsatzgut wird nach Abkühlen gebrochen, gesiebt und danach unter Zusatz von einem organischen Binder in Wasser dispergiert. Die Suspension wird auf eine Korngröße von im Mittel 2,5 μm in einer Ringspaltmühle gemahlen.

Die angegebene Zusammensetzung des Keramikmaterials sowie die angegebenen Parameter wie die Korngröße, die Temperatur und die Sinterdauer sollen aber keine Einschränkung sein.

Mittels Sprühtrocknung – vorzugsweise in einem Gleichstromverfahren – werden in einer Variante Granalien mit einem mittleren Granaliendurchmesser von 50 μm hergestellt. Die Granalien sind vorzugsweise kugelförmig.

Die Sinterung des Granulates wird z. B. bei 1350°C für 1 Stunde und einem Abkühlgradienten von 3K/min in einer Luftatmosphäre durchgeführt. Nach der Abkühlung erfolgt eine schonende Mahlung und Fraktionierung des Granulats durch ein Sieb mit einer Siebmaschenweite von 63 μm- und anschließend durch ein Sieb mit einer Siebmaschenweite von 32 μm.

Das so erhaltene Beschichtungspulver mit einer Korngröße im Bereich zwischen 32 und 63 μm wird mit Hilfe einer Detonationsspritzanlage zu einer Kaltleiter-Keramikschicht verarbeitet. Der Spritzabstand, d. h. der Abstand zwischen einer Spritzöffnung und den zu beschichtenden Trägersubstrat, beträgt z. B. 150 mm bei einer Detonationsrate von 6,5 Detonationen pro Sekunde. Eine Detonation ist eine Form einer Explosion, bei der im explodierenden Stoff die Energie freisetzende Reaktionsfront die Schallgeschwindigkeit des explosiven Stoffs übersteigt und eine Stoßfront bildet. Es kann ein Acetylen-Sauerstoffgemisch im Volumenverhältnis von 0,8 verwendet werden. Als Trägersubstrat kann beispielsweise ein Aluminiumblech mit Abmaßen von 100 × 10 × 1 mm verwendet werden. Die so hergestellte Kaltleiterschicht zeichnet sich durch fest miteinander versinterte Partikel bzw. Kristallite aus, die fest mit dem Trägersubstrat verbunden sind.

Die Kaltleiter-Keramikschicht kann zusätzlich z. B. durch Sputtern mit einer elektrisch leitfähigen Schicht beschichtet werden. Die elektrisch leitfähige Schicht kann in allen Varianten entweder aus einer einzigen Schicht z. B. aus Al, Ti oder W bestehen oder aus mehreren Teilschichten aufgebaut sein. Insbesondere kommt im Falle eines Mehrschichtaufbaus die Schichtenfolge Chrom-Nickel-Silber in Betracht.

Der spezifische Raumtemperaturwiderstand und die Bezugstemperatur der so hergestellten Funktionseinheit beträgt in einer Vari ante 10 Ω cm bzw. 80°C, wobei die Schichtdicke der Keramikschicht 300 μm beträgt.

Zweites Ausführungsbeispiel:

Folgende Ausgangsstoffe werden homogenisiert und deagglomeriert: BaCO₃, CaCO₃, SiO₂, TiO₂, Mn-Acetat, Dy-Acetat. Die Anteile der Elemente Ba, Ca, Dy und Mn sind in Summe auf 100 Mol-% normiert. Die Anteile TiO₂ und SiO₂ sind relativ zu diesen 100% angegeben. Die stöchiometrische Zusammensetzung ist wie folgt: Ba 84,35 Mol-%, Ca 15 Mol-%, Si 2 Mol-%, Dy 0,5 Mol-%, Mn 0,15 Mol-% und TiO₂ 100 Mol-%. Diese Ausgangsstoffe werden gemischt und unter Zusatz von einem organischen Binder in Wasser dispergiert.

Die Rohstoffsuspension wird anschließend sprühgetrocknet und als Haufwerk bei einer Temperatur von 1150°C für zwei Stunden kalziniert. Das abgekühlte Umsatzgut wird gebrochen, gesiebt und danach unter Zusatz von einem organischen Binder in Wasser dispergiert und auf eine Korngröße von im Mittel 3 μm in einer Ringspaltmühle gemahlen.

Mittels Sprühtrocknung – vorzugsweise in einem Gleichstromverfahren – werden in einer Variante Granalien mit einem mittleren Granalienndurchmesser von 60 μm hergestellt. Die Granalien sind vorzugsweise kugelförmig.

Der organische Binder kann aus den Granalienn in einer Luftatmosphäre bei 500°C ausgetrieben werden.

Das erhaltene Beschichtungspulver wird dann mit einer Vakuum-Plasmaspritzanlage bei einem Rezipientendruck von 350 mbar mit einem Ar-H₂-Plasma und einer Plasmaleistung von 45 kW zu einer Schicht mit einer Stärke von rund 150 μm verarbeitet. Als Trä germaterial kann z. B. ein Aluminiumblech mit Abmaßen von 100 × 10 × 1 mm verwendet werden. Die so hergestellte Kaltleiterschicht zeichnet sich durch fest miteinander versinterte Partikel bzw. Kristallite aus, die fest mit dem Trägersubstrat verbunden sind.

Die Kaltleiter-Keramikschicht kann zusätzlich z. B. mittels Siebdruck mit einer elektrisch leitfähigen Paste, vorzugsweise Aluminiumpaste beschichtet werden, welche durch eine thermische Behandlung bei 850°C eingebrannt wird.

Der spezifische Raumtemperaturwiderstand und die Bezugstemperatur der im zweiten Beispiel hergestellten Funktionseinheit beträgt z. B. 100 Ω cm bzw. 140°C, wobei die Schichtdicke der Keramikschicht 150 μm beträgt.

Die einzelnen im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel angegebenen Verfahrensschritte können in einer beliebigen Kombination miteinander verwendet werden. Beispielweise kann die Kaltleiter-Keramikschicht im ersten Beispiel mit einer einzubrennenden Metallpaste anstatt der aufgesputterten Schichtenfolge beschichtet werden. Umgekehrt kann im zweiten Beispiel auf die Kaltleiter-Keramikschicht eine im ersten Beispiel angegebene Schichtenfolge als eine elektrisch leitfähige Schicht aufgetragen werden.

Die Kaltleiter-Keramikschicht kann nach dem thermischen Spritzen einer thermischen Nachbehandlung bei einer Temperatur T < 800°C unterzogen werden. Die Dauer einer solchen Nachbehandlung kann z. B. mehrere Stunden betragen. Im Laufe der Nachbehandlung verändert sich die Struktur und daher auch die funktionsrelevanten Eigenschaften wie R₂₅ und T_B der Kaltleiter-Keramikschicht. Die Nachbehandlung kann also dazu dienen, die vorgegebenen Werte von R₂₅ und T_B einzustellen.

Das elektrische Bauelement wird nun anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:
1 im Querschnitt ein Bauelement mit einer Kaltleiter-Keramikschicht, die unmittelbar auf einem Trägersubstrat aufgetragen ist;
2A und 2B ausschnittsweise ein Bauelement mit mehreren, durch die Kaltleiter-Keramikschicht miteinander verbundenen Trägersubstraten in einer Ansicht von oben und im Querschnitt;
3A und 3B ausschnittsweise ein Bauelement mit mehreren durch die Kaltleiter-Keramikschicht miteinander verbundenen wabenförmigen Trägersubstraten in einer Ansicht von oben (3A) und im Querschnitt (3B);
3C das Bauelement gemäß 3A und 3B in einer perspektivischen Ansicht von rechts.
1 zeigt ein vorzugsweise elektrisch leitfähiges Trägersubstrat 2 und eine darauf erzeugte Kaltleiter-Keramikschicht 1. Die durch das thermische Spritzen direkt, d. h. ohne eine Zwischenschicht auf einem metallischen Träger hergestellte dünne Keramikschicht hat einen geringen thermischen Widerstand, wobei auch der thermische Übergangswiderstand zwischen der Keramikschicht und dem Träger gering ist. Damit gelingt es, den thermischen Widerstand der gesamten Funktionseinheit gegenüber dem thermischen Widerstand bei bekannten Bauelementen in einer Variante um mehr als 50% zu verringern. Die ausgekoppelte Heizleistung steigt hierdurch an.
Auf der Kaltleiter-Keramikschicht 1 ist eine elektrisch leitfähige Schicht 3 z. B. durch Sputtern oder Einbrennen einer Me tallpaste erzeugt. Die elektrisch leitfähige Schicht 3, das Trägersubstrat 2 und die dazwischen angeordnete Kaltleiter-Keramikschicht 1 bilden zusammen eine Funktionseinheit, die z. B. als ein Heizelement dienen kann.
Die elektrisch leitfähige Schicht 3 ist mittels einer Lotmasse mit einem ersten elektrischen Anschluss 4 der Funktionseinheit fest verbunden.
Ein freiliegendes Ende des Trägersubstrats 2 dient als ein zweiter elektrischer Anschluss 21.
In 2A und 2B ist ausschnittsweise eine Variante des elektrokeramischen Bauelements gezeigt, bei der mehrere voneinander beabstandete Trägersubstrate 201, 202 durch eine mittels thermischen Spritzens aufgebrachten Kaltleiter-Keramikschicht 1 miteinander verbunden sind. In 2A, 2B sind von den mehreren Trägersubstraten nur zwei Trägersubstrate 201, 202 gezeigt. Die Kaltleiter-Keramikschicht 1 und die Trägersubstrate 201, 202 bilden zusammen eine Funktionseinheit, die auf einer vorzugsweise elektrisch isolierenden Unterlage 5 angeordnet ist. Auf die Unterlage 5 kann unter Umständen auch verzichtet werden.
In 3A, 3B und 3C ist ausschnittsweise eine weitere Variante des elektrokeramischen Bauelements gezeigt, bei der mehrere voneinander beabstandete wabenförmige Trägersubstrate 203, 204 und 205 durch eine mittels thermischen Spritzens aufgebrachte Kaltleiter-Keramikschichten 1 miteinander verbunden sind.
In 3A, 3B und 3C sind von den mehreren wabenförmigen Trägersubstraten nur drei Trägersubstrate 203, 204 und 205 gezeigt. Wie aus 3A bis 3C zu entnehmen ist, weist ein wabenförmiges Trägersubstrat, eine rechteckig geformte Blechwand 2030, 2040 bzw. 2050 (d. h. ein Hohlrohr) auf, die ein gefalte tes Blech 2032, 2042 bzw. 2052 umschließt, welches an den Kanten der Falten mit der Blechwand fest verbunden ist. Dabei entsteht ein durchströmbarer wabenförmiger Querschnitt. Das gefaltete Blech ist Bestandteil des Trägersubstrats.
Die wabenförmigen Trägersubstrate 203, 204 und 205 weisen auf ihren zueinander gewandten Seiten jeweils mehrere flächige Kontakte 2031, 2041 bzw. 2051 auf. Jedes Trägersubstrat stellt somit (in der in 3A gezeigten Draufsicht) eine kammartige Struktur dar. Die flächigen Kontakte 2031 und 2041 bzw. 2041 und 2051 von zwei benachbarten Trägersubstraten 203 und 204 bzw. 204 und 205 greifen kammartig ineinander und sind vorzugsweise beidseitig – auf jeder Seite durch eine hier streifenförmig ausgebildete Kaltleiter-Keramikschicht 1 und 11 – miteinander verbunden. Die in 3B gezeigte zweite Kaltleiter-Keramikschicht 11 ist in 3A unterhalb der gezeigten ersten Kaltleiter-Keramikschicht 1 angeordnet und daher in dieser Figur nicht sichtbar.
Die beiden Kaltleiter-Keramikschichten 1 und die wabenförmigen Trägersubstrate 203, 204 und 205 bilden zusammen eine Funktionseinheit, z. B. einen Heizkörper. Die Kaltleiter-Keramikschichten 1 können unter Umständen auch jeweils nur einseitig auf die kammförmig ineinander greifenden flächigen Kontakte 2031 und 2041 bzw. 2041 und 2051 der wabenförmigen Trägersubstrate 203, 204 und 205 aufgebracht sein.
Die freiliegenden Enden der Trägersubstrate 203 und 204 dienen als elektrische Anschlüsse 22 und 23.

1: erste Kaltleiter-Keramikschicht
11: zweite Kaltleiter-Keramikschicht
2: Trägersubstrat
201, 202: Trägersubstrate
203, 204, 205: wabenförmige Trägersubstrate mit flächigen
: Kontakten auf ihrer dem benachbarten Trägersubstrat
: zugewandten Seite
2030, 2040, 2050: rechteckig geformte Blechwand (Hohlrohr)
2031, 2041, 2051: flächige Kontakte der wabenförmigen
: Trägersubstrate
2032, 2042, 2052: gefaltetes Blech der wabenförmigen
: Trägersubstrate
21: als elektrischer Anschluss dienender Bereich des
: Trägersubstrats 2
22, 23: als elektrischer Anschluss dienender Bereich des
: Trägersubstrats 203 und 205
3: elektrisch leitfähige Schicht
4: elektrischer Anschluss zur Kontaktierung der elektrisch
: leitfähigen Schicht 3
5: Unterlage

Claims

Elektrisches Bauelement mit einem elektrisch leitfähigen Trägersubstrat (2), auf dessen Oberfläche eine Kaltleiter-Keramikschicht (1) erzeugt ist.
Elektrisches Bauelement mit einem Trägersubstrat (2) und einer auf der Oberfläche des Trägersubstrats (2) durch thermisches Spritzen erzeugten Kaltleiter-Keramikschicht (1), die Bariumtitanat enthält.
Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kaltleiter-Keramikschicht (1) in einem direkten thermischen und elektrischen Kontakt zum Trägersubstrat (2) steht.
Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Kaltleiter-Keramikschicht (1) durch thermisches Spritzen aufgetragen ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Kaltleiter-Keramikschicht (1) fest miteinander versinterte Keramikpartikel mit einer Korngröße zwischen 5 und 250 μm umfasst.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zumindest die Oberfläche des Trägersubstrats (2) aus Al oder einer Al-Legierung besteht.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zumindest die Oberfläche des Trägersubstrats (2) aus Cu, Cu-Legierung oder SiC besteht.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kaltleiter-Keramikschicht (1) eine ferroelektrische Perowskitstruktur auf der Basis von Bariumtitanat aufweist.
Bauelement nach Anspruch 8, wobei Bariumtitanat einen Überschuss an Titan aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Kaltleiter-Keramikschicht (1) mindestens ein Additiv aufweist, dessen Anteil zwischen 10 und 50 Gew.-% liegt.
Bauelement nach Anspruch 10, wobei das mindestens eine Additiv ausgewählt ist aus Kalzium, Strontium und Blei.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Kaltleiter-Keramikschicht (1) mindestens eine Dotierung aufweist, deren Anteil weniger als 5 Gew.% beträgt.
Bauelement nach Anspruch 12, wobei die mindestens eine Dotierung ausgewählt ist aus Elementen der Gruppe der seltenen Erden und deren Kombination.
Bauelement nach Anspruch 13, wobei die mindestens eine Dotierung ausgewählt ist aus Mangan, Yttrium, Dysprosium, Samarium und deren Kombination.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Kaltleiter-Keramikschicht (1) eine Dicke kleiner als 1 mm aufweist.
Elektrisches Bauelement mit einem Trägersubstrat (2), auf dem eine Beschichtung aus einer Bariumtitanat enthaltenden Kaltleiter-Keramik erzeugt ist, deren Dicke kleiner ist als 1 mm.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Trägersubstrat (2) einen elektrischen Anschluss zur Kaltleiter-Keramikschicht (1) bildet.
Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Kaltleiter-Keramikschicht (1) die folgenden Eigenschaften aufweist: – elektrischer Widerstand bei Raumtemperatur zwischen 1 Ω cm und 500 kΩ cm, – Bezugstemperatur zwischen 0°C und 350°C, – Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands im Bereich der Curie-Temperatur des Materials der Kaltleiter-Keramikschicht (1) zwischen 5 und 35%/K.
Elektrisches Bauelement nach Anspruch 18, wobei die Kaltleiter-Keramikschicht (1) zumindest eine der folgenden Eigenschaften aufweist: – elektrischer Widerstand bei Raumtemperatur zwischen 10 Ω cm und 150 kΩ cm, – Bezugstemperatur zwischen 80°C und 220°C, – Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands im Bereich der Curie-Temperatur des Materials der Kaltleiter-Keramikschicht (1) zwischen 10 und 20%/K.
Verfahren zur Herstellung eines elektrokeramischen Bauelements, bei dem ein Beschichtungspulver zur Bildung einer Kaltleiter-Keramikschicht (1) auf ein elektrisch leitfähiges Trägersubstrat (2) durch thermisches Spritzen aufgetragen wird.
Verfahren zur Herstellung eines elektrokeramischen Bauelements, mit den Schritten: – ein Keramikpartikel enthaltendes Pulver wird derart vorbehan delt, dass Keramikpartikel leitfähig gemacht werden, – das Pulver wird zur Bildung einer Kaltleiter-Keramikschicht (1) auf ein Trägersubstrat (2) durch thermisches Spritzen aufgetragen.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, wobei die Kaltleiter-Keramikschicht (1) einer thermischen Nachbehandlung bei einer Temperatur T < 800°C unterzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei das thermische Spritzen ein Plasmaspritzen, Detonationsspritzen oder Flammspritzen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei ein Bariumtitanat enthaltendes Beschichtungspulver bereitgestellt wird, wobei die Kaltleiter-Keramikschicht (1) mit einer Perowskitstruktur erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei die Kaltleiter-Keramikschicht (1) direkt auf einem elektrisch leitenden Trägersubstrat erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25, wobei unter Verwendung einer Maske eine strukturierte Kaltleiter-Keramikschicht (1) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 26, wobei auf der Kaltleiter-Keramikschicht (1) eine Schicht (3) aus einem elektrisch leitenden Material erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 27, wobei beim thermischen Spritzen die Temperatur des Beschichtungspulvers beim Verlassen einer Spritzöffnung mindestens 800°C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 27, wobei beim thermischen Spritzen ein vorgesinterte Keramikpartikel umfassendes Beschichtungspulver bei einer Temperatur von mindestens 800°C aus einer Spritzöffnung abgesondert wird.