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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind keramische Bauelemente bekannt, insbesondere keramische Bauelemente, welche mindestens eine elektrische Funktion aufweisen. Im Folgenden wird insbesondere Bezug genommen auf keramische Bauelemente, welche auf der Verwendung mindestens einer Festelektrolytschicht basieren, also einer Schicht eines Festelektrolytmaterials, welches eingerichtet ist, um Ionen einer oder mehrerer Arten zu leiten. Beispielsweise könnten Sauerstoffionen-leitende Festelektrolyten eingesetzt werden, wie beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ). Auch andere Festelektrolytmaterialien sind einsetzbar. Bauelemente der beschriebenen Art können beispielsweise als Sensorelemente ausgestaltet sein oder als Sensorelemente verwendet werden. Insbesondere kann es sich dabei um Sensorelemente zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum handeln. Als Beispiel derartiger Sensorelemente sind Lambda-Sonden zu nennen, wie sie beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154-159 beschrieben sind. Auch andere Arten von keramischen Bauelementen sind jedoch grundsätzlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar oder herstellbar. Insbesondere kann es sich dabei allgemein um Bauelemente mit mindestens einer elektrischen Funktion handeln.
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Keramische Bauelemente werden in vielen Fällen in einem Schichtverfahren hergestellt, bei welcher nacheinander mehrere Schichten übereinander aufgebracht werden. Dabei besteht in vielen Fällen die Schwierigkeit, dass verschiedene Schichtebenen elektrisch miteinander verbunden werden müssen. Beispielsweise sind bei vielen Lambda-Sonden elektrische Kontakte auf einer Oberfläche des Schichtaufbaus angeordnet, von welchen aus eine Durchkontaktierung zu Elektroden oder Leiterbahnen in tiefer gelegenen Schichtebenen des keramischen Schichtaufbaus hergestellt werden muss. Die Herstellung dieser Durchkontaktierungen ist technsich aufwändig. So werden in der Regel vor einem Sinterschritt eine oder mehrere Durchkontaktierungsöffnungen in dem Schichtaufbau, beispielsweise in einer oder mehreren Festelektrolytschichten, geschaffen, welche dann mit einem elektrisch leitfähigen Material gefüllt werden. Dabei besteht in vielen Fällen jedoch die Schwierigkeit, dass das keramische Material selbst elektrisch und/oder ionisch leitfähige Eigenschaften aufweist, insbesondere bei erhöhten Temperaturen. Dies macht sich beispielsweise bei modernen Lambda-Sonden kurzer Bauart bemerkbar, bei welchen, im Vergleich zu herkömmlichen, langen Lambda-Sonden, die Durchkontaktierungen im Bereich der elektrischen Kontakte einer erhöhten Temperatur ausgesetzt sind. Es ist daher in vielen Fällen erforderlich, die elektrische Durchkontaktierung mit einer Isolierung gegenüber dem keramischen Material zu versehen. Diese elektrische Isolierung kann beispielsweise mittels eines Pastenverfahrens hergestellt werden, bei welchem zunächst die Wände der Durchkontaktierungsöffnung mit einem Isolatormaterial beschichtet werden, wonach in die verbleibende Öffnung ein leitfähiges Material eingebracht wird. Dieses Verfahren ist jedoch technisch aufwändig und bereitet häufig die Schwierigkeit, dass die Isolatorbeschichtung auf den Wänden der Durchkontaktierungsöffnung Lücken aufweisen kann.
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Aus
DE 10 2008 001 928 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem in eine Substratschicht im Grünzustand eine Öffnung eingebracht wird. In diese Öffnung wird dann ein Isolierkörper mit einem an den Durchmesser der Öffnung angepassten Außendurchmesser und einer axialen Höhe, die der Dicke Substratschicht entspricht, eingebracht. Anschließend wird in den Isolierkörper ein Bohrloch eingebracht und mit elektrisch leitendem Material gefüllt. Allerdings weist das beschriebene Verfahren eine Mehrzahl technischer Herausforderungen auf. Hierbei ist insbesondere die Bereitstellung der Isolierkörper zu nennen, da die Handhabung derartig kleiner Isolierkörper technisch in vielen Fällen nicht ohne weiteres möglich ist. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass die Isolierkörper in vielen Fällen beim anschließenden Sintern des Schichtaufbaus eine zum übrigen Schichtaufbau verschiedene Schwindung aufweisen können, was bis hin zu einer Rissbildung führen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Es werden dementsprechend ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Bauelements sowie ein nach diesem Verfahren herstellbares keramisches Bauelement vorgeschlagen, welche die oben beschriebenen technischen Herausforderungen bekannter Verfahren lösen. Insbesondere kann sich bei dem keramischen Bauelement um ein keramisches Bauelement mit mindestens einer elektrischen Funktion handeln, also einer Funktion, bei welcher eine elektrische Spannung und/oder ein elektrischer Strom in irgendeiner Weise bereitgestellt und/oder gemessen werden. Insbesondere kann das Bauelement mindestens eine Leiterbahn und/oder mindestens eine Elektrode aufweisen. Wie oben dargestellt, kann es sich bei dem Bauelement insbesondere um ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum handeln, beispielsweise um ein Sensorelement zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis mindestens einer Komponente eines Gases in dem Messgasraum, beispielsweise Sauerstoff und/oder NOx.
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Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, dass Isolationskörper zum Einsatz in einer Durchkontaktierung auf besonders einfache Weise mittels einer geeigneten Isolatorfolie herstellbar sind. Bei dem vorgeschlagenen Herstellungsverfahren wird daher mindestens eine elektrische Durchkontaktierung in mindestens einer keramischen Schicht hergestellt, welche mindestens einen elektrischen Leiter und mindestens einen Isolationskörper zur elektrischen Isolierung des elektrischen Leiters gegen die keramische Schicht aufweist. Bei der keramischen Schicht kann es sich beispielsweise um eine oder mehrere keramische Folien handeln und/oder eine auf andere Weise hergestellte keramische Schicht, beispielsweise eine gedruckte Schicht. Beispielsweise kann die keramische Schicht eine oder mehrere keramische Festelektrolytschichten umfassen, beispielsweise YSZ und/oder andere Festelektrolytmaterialien.
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Unter einem Isolationskörper ist dabei ein Körper zu verstehen, welcher auch bei Temperaturen von 700-900°C keine nennenswerte elektrisch leitenden oder ionisch leitenden Eigenschaften aufweist. Dieser Isolationskörper kann beispielsweise als rotationssymmetrische Hülse ausgestaltet sein. Der elektrische Leiter kann beispielsweise als durchgehender elektrischer Leiter, als durchgehende elektrische Füllung oder auch als Hülse oder Beschichtung ausgestaltet sein. Allgemein ist unter einer Durchkontaktierung im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine elektrische Verbindung zwischen mehreren Schichtebenen eines Schichtaufbaus zu verstehen, bei welcher mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus durch den elektrischen Leiter durchdrungen wird. Die Durchkontaktierung kann beispielsweise zwischen einer Oberfläche und einer tiefer gelegenen Schichtebene des Schichtaufbaus eine elektrisch leitende Verbindung herstellen, zwischen zwei gegenüberliegenden Oberflächen des Schichtaufbaus oder auch zwischen zwei eingebetteten Schichtebenen des Schichtaufbaus. Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich.
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Zur Herstellung des Isolationskörpers wird dabei mindestens eine Isolatorfolie bereitgestellt. Der Isolationskörper wird in der Isolatorfolie geformt. Unter einer Formung in der Isolatorfolie wird dabei allgemein eine Formgebung verstanden, bei welcher der Isolationskörper selbst oder ein Vorformling dieses Isolationskörpers in seinen äußeren Abmessungen definiert wird. Bei dieser Definition der äußeren Form, welche im späteren, fertigen Zustand noch von dieser Form abweichen kann, kann auch optional bereits eine Trennung vom übrigen Material der Isolatorfolie erfolgen.
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Unter einer Isolatorfolie ist allgemein ein Element zu verstehen, welches einen Foliencharakter aufweist, also ein Element, dessen laterale Abmessungen seine Dicke um ein mehrfaches, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 10 und besonders bevorzugt um mindestens einen Faktor 100, übersteigen und welches verformbar ausgestaltet ist und elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist. Die Isolatorfolie kann dabei insbesondere als keramische Isolatorfolie ausgestaltet sein, insbesondere als keramische Isolatorfolie in einem Grünzustand. Unter einem Grünzustand wird dabei ein Zustand verstanden, bei welchem die Isolatorfolie anorganische Bestandteile sowie organische Bestandteile aufweist, welche in einem späteren Verfahrensschritt (beispielsweise einem Entbinderungsschritt und/oder einem Sinderungsschritt und/oder einem Sinterschritt) entfernt werden können, sodass eine keramische Schicht entsteht.
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Die Isolatorfolie kann insbesondere plastisch verformbare Eigenschaften aufweisen. Insbesondere kann die Isolatorfolie eine Schichtdicke aufweisen, welche der Schichtdicke der keramischen Schicht, durch welche die Durchkontaktierung hindurch geführt werden soll, im Grünzustand entspricht oder geringfügig größer ist als diese Schichtdicke. Beispielsweise kann die Schichtdicke der Isolatorfolie die Schichtdicke der keramischen Schicht im Grünzustand um 5-20% übersteigen, beispielsweise um 10%. Dies wird unten noch näher ausgeführt.
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Der Isolationskörper wird, wie oben ausgeführt, in der Isolatorfolie geformt, was eine Heraustrennung aus der Isolatorfolie beinhalten kann. In einem weiteren Verfahrensschritt wird der derart geformte Isolationskörper in mindestens eine Durchkontaktierungsöffnung in der keramischen Schicht transferiert. Diese Durchkontakierungsöffnung kann beispielsweise während oder vor dem Transferieren hergestellt werden, beispielsweise durch den Transferierungsschritt selbst oder durch ein separates Bohr- oder Stanzverfahren.
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Zur Formung des Isolationskörpers in der Isolatorfolie kann insbesondere ein Stanzverfahren verwendet werden, also ein Verfahren, bei welchem der Isolationskörper, vorzusgweise ein rotationssymmetrischer Isolationskörper, mittels eines geeigneten scharfkantigen Stanzwerkzeugs aus der Isolatorfolie herausgetrennt wird. Beispielsweise kann es sich bei diesem Stanzwerkzeug um einen Stempel mit rundem oder polygonalem Querschnitt handeln, welcher scharfe Kanten aufweist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Formung des Isolationskörpers und der Transfer des Isolationskörpers in die Durchkontakierungsöffnung in ein und demselben Arbeitsschritt erfolgen, und zwar unter Verwendung eines Stanzwerkzeugs. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die Isolatorfolie über die keramische Schicht (beispielsweise die keramische Schicht im Grünzustand) gelegt werden, wonach mittels des Stanzwerkzeugs der Isolationskörper zunächst aus der Isolatorfolie herausgestanzt und dabei anschließend im Rahmen der selben Bewegung des Stanzwerkzeugs in die Durchkontakierungsöffnung transferiert, beispielsweise geschoben, wird. Um hierbei eine erneute Positionierung des Stanzwerkzeugs relativ zu der Durchkontaktierungsöffnung zu vermeiden, kann in einem ersten Arbeitsschritt mittels des Stanzwerkzeugs die Durchkontaktierungsöffnung in der keramischen Schicht erzeugt werden, ohne dass hierbei die Isolatorfolie auf der keramischen Schicht angeordnet wird. Anschließend wird die Isolatorfolie auf der mit der Durchkontakierungsöffnung versehenen keramischen Schicht angeordnet, und das Stanzwerkzeug wird ein zweites Mal bewegt. Bei dieser zweiten Bewegung des Stanzwerkzeugs wird der Isolationskörper gebildet und in die zuvor ausgebildete Durchkontaktierungsöffnung transferiert. Dieses bevorzugte Verfahren weist den Vorteil auf, dass eine gesonderte Handhabung des Isolationskörpers, welcher in der Regel einen Durchmesser von weniger als 2 mm, beispielsweise einen Durchmesser von 1,0 mm, aufweist, nicht erforderlich ist. Weiterhin ist eine Positionierung der Durchkontaktierungsöffnung relativ zu dem Transferwerkzeug problemlos möglich, da das Stanzwerkzeug selbst zum Transfer des Isolationskörpers verwendet wird.
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Der Isolationskörper kann insbesondere nach seiner Formung eine höhere Dicke aufweisen, als die keramische Schicht. Beispielsweise kann dies durch eine Wahl der Dicke der Isolatorfolie erfolgen, welche die Dicke der keramischen Schicht (beispielsweise im Grünzustand) überschreitet. Wie oben ausgeführt, kann die Isolatorfolie beispielsweise um 5-20%, beispielsweise um 10%, dicker sein als die keramische Schicht. Beispielsweise können für die keramische Schicht Schichtdicken im Grünzustand von 0,54 mm verwendet werden, wohingegen die Isolatorfolie eine Schichtdicke von 0,6 mm aufweisen kann. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass nach dem Transfer des Isolationskörpers in die Durchkontaktierungsöffnung der Isolationskörper auf mindestens einer Seite der keramischen Schicht, vorzugsweise auf beiden Seiten, über die keramische Schicht übersteht. Dieser Überstand kann anschließend einseitig oder beidseitig einem Pressverfahren unterworfen werden, wobei der Überstand zusammengepresst wird. Hierdurch kann erreicht werden, dass der Isolationskörper auf mindestens einer Oberfläche der keramischen Schicht über den Rand der Durchkontakierungsöffnung herausragt und die keramische Schicht geringfügig überdeckt, beispielsweise in Form eines Kragens. Auf diese Weise kann die Isolationswirkung insbesondere im Bereich der kritischen Kanten der Durchkontaktierungsöffnung verbessert werden.
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In einem weiteren Verfahrensschritt kann mindestens eine Isolatoröffnung, insbesondere mindestens eine Bohrung, in den Isolationskörper eingebracht werden. Dieser Verfahrensschritt kann vor, während oder nach dem Transfer des Isolationskörpers in die Durchkontaktierungsöffnung erfolgen. Beispielsweise kann es sich dabei um eine zentrale Bohrung handeln. Anschließend oder gleichzeitig kann der mindestens eine Leiter oder, was im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht unterschieden werden soll, ein Rohmaterial des mindestens einen Leiters, in die Isolatoröffnung eingebracht werden. Auf diese Weise kann der mindestens eine Leiter beispielsweise als Beschichtung auf den Rand der Isolatoröffnung aufgebracht werden oder die Isolatoröffnung vollständig oder teilweise ausfüllen. Das Einbringen des Isolators kann beispielsweise in Form einer Paste mit einem elektrisch leitfähigen Material erfolgen, welche auf die Isolatoröffnung aufgedruckt wird. Alternativ oder zusätzlich kann eine Durchsaugung erfolgen, bei welcher durch ein Vakuum auf einer der Aufbringung gegenüberliegenden Seite das Eindringen des Leiters in die Isolatoröffnung unterstützt wird.
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Wie oben ausgeführt, kann die Isolatorfolie insbesondere eine Dicke im Bereich von 0,5-0,6 mm aufweisen. Auch andere Schichtdicken der Isolatorfolie sind jedoch grundsätzlich möglich. Die Isolatorfolie kann beispielsweise eine Dicke von 0,3-1,5 mm aufweisen, insbesondere eine Dicke von 0,5-0,9 mm.
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Ein weiterer besonders vorteilhafter Aspekt der vorliegenden Erfindung, welcher auch unabhängig von dem Isolationskörper für andere Arten von Isolierungen realisierbar ist, betrifft die Bereitstellung der Isolatorfolie. Isolatorfolien, welche für das oben beschriebene Verfahren besonders geeignet sind, sollten einerseits auf einfache Weise herstellbar und handhabbar sein und sollten andererseits eine gute Haftung und Verbindung mit dem Material der mindestens einen keramischen Schicht, beispielsweise YSZ, aufweisen. Da Isolatorfolien mit optimalen Eigenschaften kommerziell nur schwer erhältlich sind, bietet es sich insbesondere an, die Folie mittels eines separaten Verfahrens im Rahmen der Herstellung des keramischen Bauelements ebenfalls herzustellen. Diese Herstellung der Isolatorfolie kann separat zur übrigen Herstellung des keramischen Bauelements erfolgen, sodass beispielsweise auch eine Bevorratung mehrerer Isolatorfolien oder eines größeren Nutzens an Isolatorfolie für eine spätere Verwendung erfolgen kann.
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Eine Schwierigkeit bei bekannten Folienherstellungsverfahren besteht jedoch darin, dass grundsätzlich zwar beliebige Pulver und Pulvermischungen als Paste herstellbar sind, und anschließend, beispielsweise über eine Siebdrucktransfertechnik eine Folie mit entsprechender Schichtdicke herstellbar ist. Die Herstellung einer Folie mit gewünschten Pulvermischungen ist jedoch in der Praxis vergleichsweise schwierig und aufwändig, insbesondere wenn hierbei hohe Schichtdicken mit hoher Präzision bereitgestellt werden müssen. Die folgenden beschriebenen besonders bevorzugten Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Verfahrens vermeiden diese Schwierigkeiten.
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Dementsprechend wird vorgeschlagen, dass die Bereitstellung der Isolatorfolie optional auch eine Herstellung dieser Isolatorfolie umfasst. Bei der Herstellung wird vorzugsweise mindestens eine Ausgangssubstanz verwendet, beispielsweise eine Paste. Diese Ausgangssubstanz umfasst mindestens ein isolierendes anorganisches Pulver, beispielsweise ein Aluminiumoxid und/oder andere oxidische isolierende Materialien. Beispielsweise kann das Aluminiumoxidpulver mit einer mittleren Korngröße von weniger als 10 µm, vorzugsweise von weniger als 5 µm und besonders bevorzugt von weniger als 2 µm vorliegen. Weiterhin umfasst die Ausgangssubstanz mindestens eine organische Komponente. Mögliche Ausgestaltungen dieser organischen Komponente werden unten näher beschrieben.
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Bei der Herstellung der Isolatorfolie wird die Ausgangssubstanz auf mindestens ein Substrat aufgebracht. Bei diesem Substrat kann es sich insbesondere um ein Substrat mit einer möglichst glatten Oberfläche handeln, beispielsweise eine Substratfolie, welche auch als Transferfolie bezeichnet werden kann. Beispielsweise können Kunststoffsubstrate eingesetzt werden. Anschließend wird mindestens eine weitere Schicht der Ausgangssubstanz auf die erste Schicht aufgebracht, sodass ein Mehrschichtaufbau mit mindestens zwei Schichten der Ausgangssubstanz entsteht. Die mehreren Schichten können beispielsweise eine gleiche oder auch eine unterschiedliche Schichtdicke aufweisen. Dabei werden erfindungsgemäß identische Ausgangssubstanzen für den Mehrschichtaufbau verwendet Für das Aufbringen der Ausgangssubstanz auf das Substrat und/oder die bereits vorhandenen Schichten der Ausgangssubstanz können grundsätzlich beliebige Schichtbildungsverfahren eingesetzt werden. Besonders bevorzugt sind hierbei Druckverfahren und/oder Rakelverfahren. Beispielsweise kann ein Siebdruckverfahren eingesetzt werden.
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Anschließend kann der derart gebildete Mehrschichtaufbau von dem Substrat entfernt werden. Der Mehrschichtaufbau kann selbst als Isolatorfolie eingesetzt werden oder kann mit anderen Komponenten die Isolatorfolie bilden. Beispielsweise können mehrere Mehrschichtaufbauten miteinander verbunden werden, beispielsweise durch ein Laminierverfahren. Auf diese Weise können Isolatorfolien hoher Schichtdicke hergestellt werden. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass Mehrschichtaufbauten mit 5-10 Schichten der Ausgangssubstanz erzeugt werden, beispielsweise mit jeweils 7 Schichten der Ausgangssubstanz, wobei anschließend mehrere derartiger Mehrschichtaufbauten durch ein Laminierverfahren verbunden werden, beispielsweise wiederum 5-10 derartiger Mehrschichtaufbauten, beispielsweise wiederum sieben Schichten. Jede Schicht der Ausgangssubstanz kann beispielsweise eine Schichtdicke von 20 µm aufweisen. Auf diese Weise lassen sich hohe Schichtdicken erzeugen.
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Weitere besonders bevorzugte Varianten des vorgeschlagenen Verfahrens betreffen die Zusammensetzung der Ausgangssubstanz. So kann das anorganische Pulver in der Ausgangssubstanz beispielsweise von 40-80 vol.-% vorliegend, vorzugsweise von 50-70 vol.-% und besonders bevorzugt zu 70 vol.-%. Die organische Komponente kann insbesondere mindestens einen Weichmacher umfassen. Unter einem Weichmacher wird dabei allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Stoff verstanden, welcher, einem Kunststoff beigemengt, diesen geschmeidiger und elastischer ausgestaltet. Als Beispiel sind Ester, Öle, Weichharze oder Campher zu nennen. Insbesondere kann es sich dabei um einen Weichmacher auf Phthalat-Basis handeln, beispielsweise Diethylhexylphthalat (DEHP) und/oder Dioctylphthalat (DOP). Alternativ oder zusätzlich sind auch andere Weichmacher einsetzbar, beispielsweise Ester des Phenols wie Alkylsulfonsäureester (ASE) oder ähnliches. Der mindestens eine Weichmacher kann für eine gute Handhabbarkeit der Isolatorfolie, gute Transfereigenschaften in die Durchkontaktierungsöffnung und gute Haftung zur keramischen Schicht sorgen. Der Weichmacher kann beispielsweise in einer Konzentration von 1-2 vol.-% in der Ausgangssubstanz vorliegen.
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Die organische Komponente kann, alternativ oder zusätzlich zu dem Weichmacher, mindestens einen der folgenden Bestandteile umfassen: ein Dispergiermittel; ein Lösungsmittel; ein Bindemittel. Unter einem Binder wird dabei allgemein ein organisches Material verstanden, welches einen Zusammenhalt der Bestandteile der Folie gewährleisten kann und welches in einem späteren thermischen Behandlungsschritt, beispielsweise einem Sinterschritt, möglichst rückstandsfrei entfernt werden kann. Als Beispiel sind hier Wachse oder ähnliche Bindermaterialien zu nennen.
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Insbesondere kann die Ausganggsubstanz folgende Zusammensetzung aufweisen:
- - das anorganische Pulver in einer Konzentration von 40-80 vol.-%;
- - einen Weichmacher in einer Konzentration von 1-2 vol.-%;
- - ein Bindemittel in einer Konzentration von 5-15 vol.-%, insbesondere in einer Konzentration von 7-12 vol.-%;
- - ein Dispergiermittel in einer Konzentration von 1-3 vol.-%;
- - einen Rest, wobei der Rest ein Lösungsmittel umfasst.
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Mittels der beschriebenen Rezeptur lässt sich auf besonders einfache Weise eine Dickschichtpaste herstellen, aus der die Isolatorfolie mit gewünschter Schichtdicke herstellbar ist. Diese Isolatorfolie kann in dem oben beschriebenen Verfahren ohne Weiteres eingesetzt werden, beispielsweise als Isolationskörper, insbesondere als Isolatorpille, in dem in
DE 10 2008 001 928 A1 beschriebenen Verfahren oder in einem ähnlichen Verfahren.
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Die oben beschriebene und nach dem beschriebenen Verfahren hergestellte und/oder aus der beschriebenen Ausgangssubstand hergestellte Isolatorfolie kann jedoch grundsätzlich auch auf andere Weise in einem keramischen Bauelement eingesetzt werden. So kann die Isolatorfolie, welche mit dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wurde, beispielsweise auch als Isolationsschicht in einem Schichtaufbau eingesetzt werden, beispielsweise einem Schichtaufbau eines keramischen Sensorelements. Dementsprechend wird das oben beschriebene Herstellungsverfahren zur Herstellung der Isolatorfolie auch unabhängig von der Herstellung des keramischen Bauelements beansprucht. Für mögliche Ausgestaltungen dieses Verfahrens kann auf die oben beschriebenen optionalen Merkmale, welche die Herstellung der Isolatorfolie betreffen, verwiesen werden. Diese können auch in dem unabhängigen Herstellungsverfahren eingesetzt werden. Bei Verwendung einer laminierbaren Isolatorfolie oder Isolationspaste kann beispielsweise auf eine bisher verwendete Folienbinderdruckschicht als Klebefläche verzichtet werden. So kann die Isolatorfolie auch im Rahmen eines keramischen Schichtaufbaus, unabhängig von dem Isolationskörper, vorteilhaft eingesetzt werden.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung erläutert. Es zeigen:
- 1A-1D Verfahrensschritte eines Beispiels eines Verfahrens zur Herstellung einer Isolatorfolie; und
- 2A-2E ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer Durchkontaktierung in einem keramischen Bauelement.
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Ausführungsbeispiele
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In den 1A-1D ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Isolatorfolie dargestellt. In einem Verfahrensschritt gemäß 1A wird eine Ausgangssubstanz 110 auf ein Substrat 112 aufgebracht, sodass eine erste Schicht 114 der Ausgangssubstanz 110 auf dem Substrat 112 entsteht. Exemplarisch ist dabei ein Druckverfahren in Form eines Siebdruckverfahrens gezeigt, bei welchem die Ausgangssubstanz 110 mittels eines Rakels 116 und eines Siebs 118 auf das Substrat 112 aufgedruckt wird. Auch andere Verfahren sind jedoch grundsätzlich möglich.
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Als Beispiel einer Rezeptur einer Ausgangssubstanz 110 kann die folgende Isolationsfolienpaste angegeben werden. Diese basiert auf einer bekannten Folienbinderpaste für die Herstellung von Festelektrolytschichten, wobei jedoch das Festelektrolytmaterial durch einen Isolationsrohstoff ersetzt wird, in diesem Fall Aluminiumoxid (Al
2O
3, AKP-53). Dabei wird vorzugsweise folgende Mischung eingesetzt:
| anorganisches Pulver: | Al2O3: | 57-63 vol.-%, |
| Binder: | | 7-12 vol.-% |
| Weichmacher: | | 1-2 vol.-% |
| Dispergiermittel: | | 1-3 vol.-% |
| Porenbildner (optional): | | 1-5 % |
| Lösungsmittel: | | Rest |
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Als Binder können beispielsweise ein oder mehrere der folgenden Binder eingesetzt werden: Polyvinylbutyrol; Ethylcellulose; Phenolharz; Acrylat; Alkyd-Aminoharz. Auch andere Binder sind jedoch grundsätzlich einsetzbar. Als Weichmacher sind beispielsweise eine oder mehrere der folgenden Weichmacher einsetzbar: Weichmacher auf Phthalatbasis, insbesondere Dioctylphthalat (DOP); Polyvinylacetat; Polyvinylchlorid; Polyvinylacetate; Phenolharze. Auch andere Weichmacher sind jedoch grundsätzlich einsetzbar. Als Dispergiermittel sind beispielsweise Tenside einsetzbar, insbesondere ein oder mehrere der folgenden Dispergiermittel: Polyethylenglycol; Surfynol®; Acrylat-Polyole; Polyester-Polyole. Der bzw. die optionalen Porenbildner können dem Zweck dienen, Sinterschwindungen auszugleichen. Als Beispiel für Porenbildner ist Flammruß zu nennen. Als Lösungsmittel können beispielsweise ein oder mehrere der folgenden Lösungsmittel eingesetzt werden: Ethanol; DEH (eine Mischung aus Dimethylether und Hexan); eine Mischung aus DEH und Ethanol; Glycolacetat. Auch andere Lösungsmittel oder Lösungsmittelmischungen sind jedoch grundsätzlich einsetzbar. Auch andere Zusammensetzungen als die beschriebene Zusammensetzung können grundsätzlich verwendet werden. Als vorteilhaft haben sich insgesamt, unabhängig von den weiteren Komponenten, insbesondere Kombination aus anorganischen isolierenden Pulvern wie biespielsweise Al2O3 mit Weichmachern erwiesen, in Verbindung mit leicht flüchtigen Lösungsmitteln.
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Die derart erzeugte Paste wird beispielsweise in bis zu 7 Schichten übereinander gedruckt, sodass, wie in
1B dargestellt, ein Mehrschichtaufbau 120 auf dem Substrat 112 entsteht. Als Substrat 112 kann beispielsweise eine Transferfolie verwendet werden, beispielsweise vom Typ Pacothane
® dick. Auch andere Arten von Substraten 112 sind jedoch grundsätzlich einsetzbar, beispielsweise andere Arten von Kunststofffolien, vorzugsweise Kunststofffolien mit einer Einsatztemperatur von oberhalb von 100°C. Insgesamt lassen sich beispielsweise Schichten 122 des Mehrschichtaufbaus 120 herstellen, welche eine Schichtdicke von 20 +/- 10 µm aufweisen. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise mittels sieben Schichten 122 eine Gesamtschichtdicke des Mehrschichtaufbaus 120 von 140 µm erzielen. Auch andere Schichtdicken sind jedoch möglich. Dieser Mehrschichtaufbau 120 kann bereits selbst als Isolatorfolie 124 eingesetzt werden. Zu diesem Zweck kann der Mehrschichtaufbau 120 von dem Substrat 112 entfernt werden. Um die Anzahl der Druckschritte so gering wie möglich zu halten und um gleichzeitig die Gesamtschichtdicke der Isolatorfolie 124 zu erhöhen, können mehrere derartiger Mehrschichtaufbauten 120 zu einer neuen Isolatorfolie 124 verbunden werden, beispielsweise durch ein Laminierverfahren. Dies ist in
1C dargestellt. Beispielsweise können Temperaturen von 80°C und Drücke von 47 kN eingesetzt werden. Bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur werden die Mehrschichtaufbauten 120 selbst laminierfähig und klebrig, sodass ein derartiges Laminierverfahren problemlos möglich ist. Beispielsweise können allgemein Temperaturen von oberhalb von 50°C, insbesondere von oberhalb von 70°C eingesetzt werden und/oder Drücke von mehr als 20 kN. Dies ist in
1C dargestellt. Bedingt durch die Druckschichtdicke kann damit die Folienstärke der Isolatorfolie 124 beispielsweise in Schritten von 20 +/- 10 µm genau eingestellt werden. Die so hergestellte Isolatorfolie 124 kann dann auf beliebige Weise zur Herstellung eines keramischen Bauelements eingesetzt werden, beispielsweise wie in
DE 10 2008 001 928 A1 beschrieben. Beispielsweise können, wie unten noch näher ausgeführt wird, aus dieser Isolatorfolie 124 Isolationskörper ausgestanzt werden. Alternativ oder zusätzlich können die Isolatorfolien 124 jedoch auch an anderen Stellen in einem keramischen Mehrschichtaufbau des keramischen Bauelements eingesetzt werden, beispielsweise um Leiterbahnen und/oder Heizelemente zu isolieren. Hierbei machen sich die klebrige Eigenschaft der Isolatorfolie 124 und/oder die Laminierfähigkeit besonders günstig bemerkbar, da beispielsweise auf eine Folienbinderdruckschicht als Klebefläche verzichtet werden kann. Das Produkt des in
1A bis
1C beschriebenen Verfahrens ist die in
1D dargestellte Isolatorfolie 124.
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In den 2A-2E ist ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines keramischen Bauelements 126 dargestellt. Das keramische Bauelement 126 ist in 2E ausschnittsweise dargestellt, wobei ein Durchkontaktierungsbereich 128 mit einer Durchkontaktierung 130 durch eine keramische Schicht 132, beispielsweise eine YSZ-Schicht, gezeigt ist. Dementsprechend kann das Verfahren bzw. das dargestellte Teil-Verfahren auch als Verfahren zur Herstellung einer Durchkontaktierung 130 beschrieben werden, welches Bestandteil eines gesamten Herstellungsverfahrens sein kann.
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In 2A ist ein Verfahrensschritt dargestellt, bei welchem in die keramische Schicht 132 mittels eines Stanzwerkzeugs 134 eine Durchkontaktierungsöffnung 136 erzeugt wird. Der dabei entstehende Pfropfen 138 der keramischen Schicht 132 kann verworfen werden. Anschließend wird in 2B eine Isolatorfolie 124 über die keramische Schicht 132 platziert, vorzugsweise ohne dass die keramische Schicht 132 in ihrer Position relativ zum Stanzwerkzeug 134 verändert wurde. Mittels des Stanzwerkzeugs 134 wird ein Isolationskörper 140 aus der Isolatorfolie 134 ausgestanzt und im selben Arbeitsschritt in die Durchkontaktierungsöffnung 136 gedrückt. Vorzugsweise wird dabei die Schichtdicke dI der Isolatorfolie 124 geringfügig größer gewählt als die Schichtdicke dK der keramischen Schicht 132. Beispielsweise kann die keramische Schicht 132 eine Schichtdicke von 0,54 mm aufweisen, und die Isolatorfolie 124 eine Schichtdicke von 0,6 mm. Auf diese Weise entsteht, wie in 2C erkennbar, auf einer oder beiden Seiten der keramischen Schicht 132 in dem Isolationskörper 140 ein Überstand 142, welcher beispielsweise mit einem entsprechenden Presswerkzeug 144 verpresst werden kann. Auf diese Weise entsteht an den Rändern der Durchkontakierungsöffnung 136 optional ein Überlapp 146, welcher in diesem kritischen Kantenbereich die Isolationswirkung verbessert.
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Anschließen wird, wie in 2D dargestellt, in den Isolationskörper 140 eine Isolatoröffnung 148 eingebracht, beispielsweise durch ein Bohrverfahren. In diese Isolatoröffnung 148 kann dann ein elektrischer Leiter 150 eingebracht werden, beispielsweise in Form einer metallischen Paste, beispielsweise einer Platin-Paste. Dieses Einbringen kann beispielsweise wiederum mit einem Rakel- und/oder Druckverfahren erfolgen und/oder durch ein Verfahren unter Verwendung von Unterdruck (Saugverfahren). Anschließend kann der in 2E dargestellte Schichtaufbau weiteren Verfahrensschritten unterzogen werden und/oder einer thermischen Behandlung, insbesondere einem Sinterschritt. Auf diese Weise kann die Durchkontaktierung 130 gemäß 2E schnell, kostengünstig und mit geringem Ausschuss hergestellt werden.
