DE102015101311B4 - Verfahren zur Herstellung von piezoelektrischen Vielschichtbauelementen - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von piezoelektrischen Vielschichtbauelementen (2) umfassend die Schritte:
A) Aufbringen eines Elektrodenmaterials (5) auf Grünfolien (3) enthaltend ein piezoelektrisches Material,
B) Aufbringen einer Schicht eines ersten Hilfsmaterials (9) auf zumindest eine Grünfolie (3) enthaltend das piezoelektrische Material,
C) Bilden eines Stapels (1), in dem die Grünfolien (3), auf denen Elektrodenmaterial (5) aufgebracht ist, übereinander angeordnet sind, wobei in dem Stapel (1) zumindest eine Lage der Grünfolie (3), auf der die Schicht des ersten Hilfsmaterials (9) aufgebracht ist, angeordnet wird,
D) Sintern des Stapels (1), wobei die Schicht des ersten Hilfsmaterials (9) ausgedünnt wird, und
E) Einbrennen des Stapels (1), wobei der Stapel (1) entlang der zumindest einen Lage in zumindest zwei Vielschichtbauelemente (2) vereinzelt wird.

Description

  • Es wird ein Verfahren zur Herstellung von piezoelektrischen Vielschichtbauelementen angegeben.
  • Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus DE 10 2011 109008 A1 bekannt. Ein Nachteil dieses Verfahrens liegt jedoch darin, dass die Vielschichtbauelemente in Einzelteilfertigung hergestellt werden, wodurch ein erheblicher Herstellungsaufwand entsteht.
  • DE 10307825 A1 beschreibt ein Vielschichtbauelement mit einer Vielzahl von keramischen Schichten und dazwischen liegenden Elektrodenschichten, wobei an wenigstens einer Stelle der Längsachse zwischen zwei keramischen Schichten eine Sollbruchschicht angeordnet ist. Weitere Vielschichtbauelemente sind aus US 2009/0324954 A1 und DE 10258444 A1 bekannt.
  • Eine zu lösende Aufgabe ist es daher, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung piezoelektrischer Vielschichtbauelemente anzugeben, das beispielsweise einen verringerten Fertigungsaufwand erfordert. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen des Verfahrens sind Gegenstand der weiteren Patentansprüche.
  • Es wird ein Verfahren zur Herstellung von piezoelektrischen Vielschichtbauelementen angegeben, das die Schritte umfasst:
    1. A) Aufbringen eines Elektrodenmaterials auf Grünfolien enthaltend ein piezoelektrisches Material,
    2. B) Aufbringen einer Schicht eines ersten Hilfsmaterials auf zumindest eine Grünfolie enthaltend das piezoelektrische Material,
    3. C) Bilden eines Stapels, in dem die Grünfolien, auf denen Elektrodenmaterial aufgebracht ist, übereinander angeordnet sind, wobei in dem Stapel zumindest eine Lage der Grünfolie, auf der die Schicht des ersten Hilfsmaterials aufgebracht ist, angeordnet wird,
    4. D) Sintern des Stapels, wobei die Schicht des ersten Hilfsmaterials ausgedünnt wird, und
    5. E) Einbrennen des Stapels, wobei der Stapel entlang der zumindest einen Lage in zumindest zwei Vielschichtbauelemente vereinzelt wird.
  • Dieses Verfahren ermöglicht es mehrere Vielschichtbauelemente gemeinsam in einem Stapel zu behandeln, so dass eine Vielzahl von Verfahrensschritten während des Herstellungsverfahrens an dem Stapel vorgenommen werden können. Auf diese Weise kann ein aufwendiges Einzelbauteil-Handling vermieden werden. Erst in dem spät im Verfahren durchgeführten Schritt des Einbrennens wird der Stapel zu den einzelnen Vielschichtbauelementen vereinzelt.
  • Dabei wird die Vereinzelung während des Einbrennens durch die vorherige Schwächung der Schicht des ersten Hilfsmaterials beim Sintern und durch einen Temperaturschock, der beim Einbrennen durch schnelle Temperaturänderungen erzeugt wird, ausgelöst. Die Vereinzelung kann somit beim Einbrennen durch ein Auflösen oder ein Auftrennen der Schicht des ersten Hilfsmaterials erfolgen. Es sind keine weiteren Arbeitsschritte zur Vereinzelung erforderlich. Dementsprechend entsteht für die Vereinzelung der Vielschichtbauelemente kaum zusätzlicher Aufwand, da der Schritt des Einbrennens bei der Herstellung von Vielschichtbauelementen stets durchgeführt werden muss.
  • Bei den mit diesem Verfahren hergestellten piezoelektrischen Vielschichtbauelementen kann es sich insbesondere um Piezoaktoren handeln. Diese können beispielsweise zum Betätigen eines Einspritzventils in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden.
  • Die Schichten aus Elektrodenmaterial bilden im fertigen Vielschichtbauelement die Innenelektroden und können beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens als Metallpaste auf die Grünfolien aufgebracht werden.
  • Bei dem Elektrodenmaterial kann es sich um eine Cu-Legierung, beispielsweise um Kupferpalladium (CuPd), handeln. Auch andere Elektrodenmaterialien sind möglich, beispielsweise reines Kupfer.
  • Die piezoelektrischen Grünfolien können ein Material aufweisen, das zu Blei-Zirkon-Titanat (PZT) Keramik gesintert werden kann.
  • Das erste Hilfsmaterial wird derart gewählt, dass eine Schicht des ersten Hilfsmaterials während des Sinterns derart ausgedünnt wird, dass diese Schicht während des Einbrennens des Stapels aufgetrennt wird, so dass es entlang dieser Schicht zu einer Delamination des Stapels kommt. Als Delamination bezeichnet man ein Vereinzeln des Stapels entlang der Lage, die die Schicht des ersten Hilfsmaterials enthielt.
  • Während des Sinterns kann das erste Hilfsmaterial ausgedünnt werden, indem sich die Dichte der Schicht des ersten Hilfsmaterials während des Sinters verringert und/oder indem sich die Porosität der Schicht während des Sinters erhöht. Diese Veränderungen können dadurch ausgelöst werden, dass Material aus der Schicht des ersten Hilfsmaterials wegdiffundiert und/oder dadurch das sich das erste Hilfsmaterial in seiner chemischen Zusammensetzung verändert.
  • Das erste Hilfsmaterial kann beispielsweise aus einer Kombination einer ersten Komponente, einer zweiten Komponente und einem inerten anorganischen Material bestehen. Bei der ersten Komponente kann es sich um ein Metall handeln, das auch ein Bestandteil des Elektrodenmaterials ist, wobei das Metall in der ersten Komponente in einem gebundenen Zustand, z.B. oxidiert, ist. Beispielsweise kann die erste Komponente CuO sein.
  • Bei der zweiten Komponente kann es sich um das Metall, das auch ein Bestandteil des Elektrodenmaterials ist, in reiner Form handeln. Beispielsweise kann die zweite Komponente Cu sein.
  • Die zweite Komponente und das inerte anorganische Material sind optionale Bestandteile des ersten Hilfsmaterials. Dementsprechend kann der Anteil der ersten Komponente bis zu 100 Gewichts-% des ersten Hilfsmaterials betragen. Bevorzugt wird ein Verhältnis der ersten Komponente und der zweiten Komponente von 50 Gewichts-% zu 50 Gewichts-% gewählt.
  • Alternativ kann das erste Hilfsmaterial auch eine organische Paste oder eine Paste mit anorganischem, gegenüber PZT inertem Material aufweisen. Das erste Hilfsmaterial kann auch aus einer Kombination von organischen und anorganischen Komponenten bestehen. Die organische Paste kann beispielsweise ZrO2 und/oder BaTiO3 aufweisen oder aus einem dieser Materialien bestehen. Das anorganische Material kann Ethylzellulose sein.
  • Bei dem Sintern des Stapels wird die Schicht des ersten Hilfsmaterials ausgedünnt. Dabei können beispielsweise eine erste und eine zweite Komponente des ersten Hilfsmaterials miteinander chemisch reagieren.
  • In dem Verfahrensschritt D) können gemäß einer Ausführungsform die erste und zweite Komponente zu einer dritten Komponente reagieren und/oder die erste Komponente in eine dritte und eine vierte Komponente zerfallen und die vierte Komponente mit der zweiten Komponente zu der ersten Komponente reagieren. Mit diesen Reaktionen können die erste und die zweite Komponente des ersten Hilfsmaterials nach einer gewissen Zeit weitgehend oder vollständig zu der dritten Komponente reagieren.
  • Ist beispielsweise die zweite Komponente das Metall, welches auch beispielsweise als Legierung in dem Elektrodenmaterial vorhanden ist, in reiner Form, wird mit dem Verfahren erreicht, dass durch gezielte Zugabe der ersten Komponente zu der zweiten Komponente in dem ersten Hilfsmaterial, das reine Metall in dem ersten Hilfsmaterial chemischen Reaktionen unterworfen wird, während das Metall in dem Elektrodenmaterial nicht oder nur zu geringen Anteilen chemisch verändert wird.
  • Dabei kann die erste Komponente ebenfalls das Metall wie die zweite Komponente und das Elektrodenmaterial enthalten, oder ein von dem Metall der zweiten Komponente und des Elektrodenmaterials unterschiedliches Metall enthalten. Werden unterschiedliche Metalle in der ersten und zweiten Komponente gewählt, so können eine primäre dritte Komponente, das Zerfallsprodukt der ersten Komponente, und eine sekundäre dritte Komponente, das Reaktionsprodukt aus zweiter Komponente vierter Komponente entstehen.
  • Bei dem Zerfall der ersten Komponente in die dritte und vierte Komponente kann es sich beispielsweise um eine Sauerstoffabspaltung eines Metalloxids handeln. Die erste Komponente kann somit ein Metalloxid sein, in dem das Metall in einer ersten Oxidationsstufe vorliegt, und welches Sauerstoff, also die vierte Komponente, abspaltet. Durch die Abspaltung von Sauerstoff kann sich als dritte Komponente ein Metalloxid, in dem das Metall in einer zweiten Oxidationsstufe vorliegt, bilden. Durch die Sauerstoffabspaltung kann also im ersten Hilfsmaterial gezielt das Metall oxidiert werden.
  • Die genannten Reaktionen, insbesondere der Zerfall der ersten Komponente in die dritte und vierte Komponente, können vor Erreichen der maximalen Sintertemperatur stattfinden. Damit findet die gezielte Oxidation vor Erreichen der maximalen Sintertemperatur und damit vor der Verdichtung des Bauelements statt.
  • Das Verfahren ermöglicht es also, eine chemische Reaktion, beispielsweise die Oxidation eines Metalls, gezielt räumlich zu beschränken, nämlich auf den Bereich der Schicht, die vor der Sinterung das erste Hilfsmaterial enthielt. Damit kann das reine Metall in der Lage vollständig oxidiert werden, während das Metall in dem Elektrodenmaterial nicht oder kaum angegriffen wird.
  • In herkömmlichen Methoden, mit denen die Oxidation nur über die Sinteratmosphäre gesteuert wird, ist eine räumlich gezielte Oxidation nicht verwirklichbar, da die Oxidation auch an dem Elektrodenmaterial stattfindet, was unerwünscht ist, da einerseits oxidiertes Elektrodenmaterial wegdiffundieren und damit die Elektrodenschicht auflösen kann und andererseits die Lage, entlang der in Schritt E) die Vereinzelung erfolgen wird, nicht vollständig abgebaut werden kann.
  • Weiterhin können im Verfahrensschritt D) die dritte Komponente und/oder die erste Komponente zu mindestens einer der Schichten enthaltend Elektrodenmaterial hin diffundieren.
  • Unter „hindiffundieren“ soll verstanden werden, dass die erste und/oder dritte Komponente soweit diffundieren, dass sie von dem Elektrodenmaterial absorbiert werden oder dass sie nur in Richtung des Elektrodenmaterials diffundieren und von dem piezoelektrischen Material, durch das sie diffundieren, absorbiert werden. Die zweite Variante findet beispielsweise dann statt, wenn die erste und dritte Komponente kein Metall enthalten, das in dem Elektrodenmaterial vorhanden ist.
  • Wenn die Reaktionen vollständig abgelaufen sind, ist nur noch dritte Komponente vorhanden, die diffundieren kann, es ist aber auch möglich, dass noch Reste von der ersten Komponente da sind, die dann ebenfalls diffundieren können. Damit können also die gebildeten oder bereits vorhandenen Metalloxide, in denen das Metall in jeweils verschiedenen Oxidationsstufen vorliegt, zu dem Elektrodenmaterial hin diffundieren. In diesem Fall diffundiert das Metall als Kation.
  • Die Diffusion kann stattfinden, nachdem die Komponenten chemisch reagiert haben, also wenn in der Lage weitgehend nur noch die dritte Komponente vorhanden ist. Die Diffusion kann auch schon beginnen, während die oben genannten Reaktionen der Komponenten noch stattfinden. Weiterhin kann die Diffusion stattfinden, wenn die maximale Sintertemperatur erreicht ist.
  • Durch die Diffusion kann im Bereich der Schicht des ersten Hilfsmaterials in dem Stapel eine Segmentierungsschicht gebildet werden, entlang der der Stapel in Schritt E) vereinzelt wird. Somit wird die Lage, die vor dem Verfahrensschritt D) das Hilfsmaterial enthielt, abgebaut, in dem die erste und zweite Komponente des Hilfsmaterials durch Einwirkung der beim Sintern verwendeten Temperatur zu einer dritten Komponente reagieren und dadurch die Diffusion der ersten und/oder dritten Komponente in Richtung der Elektrodenschichten ermöglichen. Im Bereich der Lage bildet sich also eine poröse Schicht, die auch als Segmentierungsschicht verstanden werden kann, in der die zweite Komponente vollständig reagiert hat und die dritte Komponente und, wenn noch vorhanden die erste Komponente, wegdiffundiert sind.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann als erste Komponente CuO, als zweite Komponente Cu und als Elektrodenmaterial eine Cu-Legierung ausgewählt werden. Werden die Cu-haltigen Komponenten ausgewählt kann die Diffusion im Verfahrensschritt D) in Form von Kupferoxiden stattfinden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann als erste Komponente PdO, als zweite Komponente Cu und als Elektrodenmaterial eine Cu-Legierung ausgewählt werden.
  • Material aus der Schicht des ersten Hilfsmaterials kann zu den Elektrodenschichten während des Sinterns hin diffundieren. Beispielsweise könnte CuO oder Cu2O durch die piezoelektrische Schicht hindurch zu den Elektrodenschichten hin diffundieren. Der Diffusionsgrad wird dabei durch den Cu-Konzentrationsunterschied zwischen den nebeneinander liegenden Schichten aus Elektrodenmaterial und Hilfsmaterial bestimmt. Die Elektrodenschichten können eine Cu-Legierung aufweisen, deren Cu-Anteil geringer ist als der Cu-Anteil des Hilfsmaterials. Unter „zu einem geringeren Anteil“ soll verstanden werden, dass die Gesamtkonzentration des Metalls in dem Elektrodenmaterial geringer ist als in dem Hilfsmaterial. Dieser Konzentrationsunterschied bewirkt, dass während des Sinterns eine Diffusion des Metalls von der Lage zu mindestens einer der Schichten enthaltend Elektrodenmaterial stattfinden kann. Diese Diffusion erfolgt dabei durch die der Lage benachbarten piezoelektrischen Schichten. Eine Diffusion des Metalls ist beispielsweise möglich, wenn das Metall in der Dampfphase, als Metalloxid oder als reines Metall vorliegt. Die Mobilität des Metalls in den piezoelektrischen Schichten ist durch den Konzentrationsunterschied als treibende Kraft gegeben.
  • Das Diffusionsverhalten kann ferner dadurch verbessert werden, dass Kupfer-Kationen, die durch eine chemische Reaktion der ersten und der zweiten Komponente des ersten Hilfsmaterials entstehen können, leichter diffundieren als reines Kupfer. Nach Abschluss des Sinterprozesses kann das bedruckte Hilfsmaterial vollständig in die Innenelektrodenschichten absorbiert worden sein. Dementsprechend bleibt eine Segmentierungsschicht zurück, die parallel zu den Innenelektroden in dem Stapel verläuft. Durch die Porosität dieser Schicht wird die Bruchspannung des Stapels bestimmt.
  • Zu einer Delamination des Stapels kann es nunmehr während des Einbrennens des Stapels kommen. Beim Einbrennen kann der Stapel zunächst schnell erhitzt und anschließend schnell abgekühlt werden, wodurch es während des Einbrennprozesses zu einem Thermoschock kommt. Dieser Thermoschock kann für die Delamination des Stapels sorgen.
  • Das Einbrennen des Stapels kann bei einer Temperatur erfolgen, die pro Minute um 10 bis 30 °C erhöht wird bis eine maximale Einbrenntemperatur erreicht wird. Bei dem Einbrennen des Stapels kann nach dem Erreichen der maximalen Einbrenntemperatur die Temperatur um 10 bis 30 °C pro Minute reduziert werden. Die Reduzierung der Temperatur kann bis zum Erreichen einer Umgebungstemperatur fortgesetzt werden. Das Erhöhen der Temperatur kann unmittelbar vom Reduzieren der Temperatur gefolgt werden. Durch das Einstellen der Temperaturrampen auf eine Temperaturänderung von 10 bis 30 °C pro Minute beim Aufheizen und Abkühlen kann der gewünschte Temperaturschock erzielt werden.
  • Der Thermoschock hängt unmittelbar mit der Biegefestigkeit des gesinterten Bauteils zusammen. Die Biegefestigkeit wird dabei derart gewählt, dass die Verfahrensschritte, die an dem gesinterten Bauteil vor dem Einbrennen durchgeführt werden, prozesstechnisch stabil ablaufen können. Zu diesen Verfahrensschritten können thermische Prozesse wie z.B. Sintern und Entkohlen und andere Prozesse wie z. B. Schleifen und Metallisieren gehören.
  • Die maximale Einbrenntemperatur kann zwischen 720 und 800 °C liegen, vorzugsweise zwischen 750 und 770 °C. Eine maximale Einbrenntemperatur in diesem Bereich stellt sicher, dass es zu einer Delamination entlang der Segmentierungsschichten kommt.
  • Das erste Hilfsmaterial kann zumindest eine erste Komponente und eine zweite Komponente enthalten, die in Verfahrensschritt D) miteinander chemisch reagieren. Dabei kann die erste Komponente ein Metall in gebundener Form und die zweite Komponente ein Metall in reiner Form sein.
  • Das erste Hilfsmaterial kann ferner ein inertes anorganisches Material aufweisen. Dieses Material kann insbesondere hinsichtlich des Sinterprozesses inert sein, d.h. es verändert sich während des Sinterns nicht. Das inerte anorganische Material kann dafür sorgen, dass Poren in der Schicht des ersten Hilfsmaterials während des Sinterprozesses offengehalten werden. Die Struktur des inerten anorganischen Materials kann der einer Gefäßstütze (Stent) nachempfunden sein. Die Bruchspannung der Segmentierungsschicht kann durch die Zugabe des inerten anorganischen Materials sowie durch die Einstellung der Konzentration dieses Materials und seiner Korngröße festgelegt werden. Insbesondere kann nach dem Sintern lediglich das inerte anorganische Material in der Schicht des ersten Hilfsmaterials verbleiben.
  • Bei dem inerten anorganischen Material kann es sich um Zirkonium(IV)-Oxid handeln. Dieses zeichnet sich durch eine Struktur mit röhrenförmigen Hohlräumen aus. Die sind wie oben beschrieben der Gefäßstruktur (Stent) sehr ähnlich und sorgen für das Offenhalten von Poren.
  • Der Anteil des inerten anorganischen Materials an dem ersten Hilfsmaterial kann zumindest 40 Gewichts-% betragen. Je höher der Anteil des inerten anorganischen Materials ist, desto eher kommt es zu einer Delamination entlang der jeweiligen Schicht. Das inerte anorganische Material sorgt dementsprechend für eine Schwächung der Schicht. Der Anteil des inerten anorganischen Materials an dem ersten Hilfsmaterial kann beispielsweise zwischen 40 Gewichts-% und 90 Gewichts-% liegen, vorzugsweise zwischen 50 Gewichts-% und 70 Gewichts-%. Diese Angaben beziehen sich auf das erste Hilfsmaterial in dem Zustand, in dem es auf die Grünfolie aufgebracht wird, d.h. vor dem Sintern.
  • Bei Verfahrensschritt C) kann ferner zumindest eine Lage einer Grünfolie, die das piezoelektrische Material enthält und auf der eine Schicht eines zweiten Hilfsmaterials aufgebracht ist, in dem Stapel angeordnet werden, wobei bei Verfahrensschritt D) die zumindest eine Schicht aus dem zweiten Hilfsmaterial ausgedünnt wird, so dass im Vielschichtbauelement im Bereich der Schicht aus dem zweiten Hilfsmaterial eine Schwächungsschicht gebildet wird. Es kommt jedoch nicht zu einer Delamination entlang dieser Schwächungsschicht. Das Vielschichtbauelement ist jedoch entlang der Schwächungsschicht mechanisch instabiler, so dass hier bevorzugt Risse bei Betrieb des Vielschichtbauelements entstehen können. Dabei können die Risse in kontrollierter Weise entlang der Schwächungsschicht geführt werden. Demensprechend kann die Schwächungsschicht dafür sorgen, dass ein unkontrolliertes Reißen des Vielschichtbauelements vermieden oder zumindest vermindert wird.
  • Das erste Hilfsmaterial und das zweite Hilfsmaterial können die gleichen Bestandteile aufweisen, wobei der Anteil des inerten anorganischen Materials in dem ersten Hilfsmaterial höher ist als in dem zweiten Hilfsmaterial. Die beiden Hilfsmaterialien unterscheiden sich dementsprechend lediglich in dem Anteil des inerten anorganischen Materials an dem jeweiligen Material. Darüber hinaus können die beiden Hilfsmaterialien insbesondere als erste Komponente Kupferoxid und als zweite Komponente Kupfer enthalten.
  • Der Anteil des inerten anorganischen Materials an dem zweiten Hilfsmaterial kann beispielsweise zwischen 10 Gewichts-% und 35 Gewichts-% liegen, vorzugsweise zwischen 20 Gewichts-% und 30 Gewichts-%. Diese Angaben beziehen sich auf das zweite Hilfsmaterial in dem Zustand, in dem es auf die Grünfolie aufgebracht wird, d.h. vor dem Sintern.
  • Nach dem Verfahrensschritt D) und vor der Vereinzelung in zumindest zwei Vielschichtbauelemente in Verfahrensschritt E) können weitere Verarbeitungsschritte durchgeführt werden, bei denen die Vielschichtbauelemente in dem einstückigen Stapel behandelt werden. Hierzu gehören beispielsweise das Aufbringen einer Außenelektrode, das Metallisieren zur Erzeugung einer Lötfläche sowie das Schleifen von Umfangs- und Stirnflächenkanten. Durch das Schleifen können das Entstehen von Spannungsspitzen vermieden werden und außerdem die Fertigungstoleranzen verringert werden.
  • Da diese Schritte an einem Stapel, der später zu einer Vielzahl von Vielschichtbauelementen vereinzelt wird, für jedes dieser Bauelemente gemeinsam vorgenommen werden können, ist der Aufwand gegenüber einer Einzelbauteilbehandlung erheblich reduziert. Diese Vorteile werden durch die Verwendung der Schicht des ersten Hilfsmaterials ermöglicht, entlang der der Stapel beim Einbrennen vereinzelt wird.
  • Vor der Vereinzelung in zumindest zwei Vielschichtbauelemente können die Kanten des Stapels geschliffen werden, wobei eine bei dem Schleifen ausgeübte Kraft derart eingestellt wird, dass es bei dem Schleifen nicht zu einer Vereinzelung des Stapels kommt.
  • Hierzu kann beispielsweise beim Schleifen der Umfangskanten eine Kraft von 530 bis 570 Newton ausgeübt werden. Bei dem Schleifen der Stirnflächenkanten kann eine Kraft von 190 bis 230 Newton ausgeübt werden. Diese Angaben beziehen sich auf einen Stapel mit einer quadratischen Grundfläche mit einer Seitenlänge von 6,8 mm und einer Stapelhöhe von 30mm. Werden Stapel mit anderen geometrischen Abmessungen verwendet, so ist die beim Schleifen ausgeübte Kraft entsprechend anzupassen.
  • Im nachfolgenden wird die Erfindung anhand von Figuren detaillierter beschrieben.
    • 1 zeigt einen Stapel, aus dem mehrere Vielschichtbauelemente gefertigt werden vor der Vereinzelung.
    • 2 zeigt Vielschichtbauelemente, die durch eine Vereinzelung des in 1 gezeigten Stapels gefertigt wurden.
  • 1 zeigt einen Stapel 1, aus dem mehrere Vielschichtbauelemente 2 gefertigt werden zu einem frühen Zeitpunkt des Herstellungsverfahrens, insbesondere vor dem Sintern. 2 zeigt die aus dem Stapel 1 gefertigten Vielschichtbauelemente 2.
  • Der Stapel weist Grünfolien 3, die ein piezoelektrisches Material enthalten, auf. Diese Grünfolien 3 weisen ein Material auf, das zu einer piezoelektrischen Schicht 4 gesintert wird. Die piezoelektrische Schicht 4 weist Blei-Zirkon-Titanat (PZT) auf.
  • Ferner weist der Stapel Schichten eines Elektrodenmaterials 5 auf, die auf Grünfolien 3 aufgedruckt sind. Das Elektrodenmaterial 5 wird in Form einer Metallpaste aufgedruckt. Bei dem Sintern des Stacks werden aus den Schichten des Elektrodenmaterials 5 die Innenelektroden 6a, 6b gebildet. Das Elektrodenmaterial 5 weist CuPd auf. In dem Stapel sind abwechselnd erste Innenelektrode 6a und zweite Innenelektroden 6b ausgebildet. Dabei sind die ersten Innenelektroden 6a zu einer ersten Außenfläche 7 hinausgeführt und von einer zweiten Außenfläche 8 beabstandet. Die zweiten Innenelektroden 6b sind zu der zweiten Außenfläche 8 herausgeführt und von der ersten Außenflächen 7 beabstandet.
  • Ferner weist der Stapel 1 zumindest eine Schicht eines ersten Hilfsmaterials 9 auf, das auf einer Grünfolie 3 aufgebracht ist. Die Schicht des ersten Hilfsmaterials 9 wird im Laufe des Herstellungsverfahrens in eine Segmentierungsschicht umgewandelt, entlang der zwei Vielschichtbauelemente 2 voneinander getrennt werden.
  • Das erste Hilfsmaterial 9 weist eine erste Komponente und eine zweite Komponente auf. Bei der ersten Komponente handelt es sich um ein Metall in einem gebundenen Zustand, beispielsweise ein oxidiertes Metall. Bei der zweiten Komponente handelt es sich um ein Metall in einer reinen Form. Das Metall der ersten Komponente und das Metall der zweiten Komponente sind ein Metall, das ebenfalls in dem Elektrodenmaterial 5, von der die Innenelektroden 6a, 6b ausgebildet werden, vorhanden ist.
  • Ferner weist das erste Hilfsmaterial 9 ein inertes anorganisches Material auf. Das inerte anorganische Material ist Zirkonium(IV)-Oxid. Dieses Material ist inert gegenüber Sinterprozessen.
  • Darüber hinaus weist der Stapel 1 Schichten eines zweiten Hilfsmaterials 10 auf. Das zweite Hilfsmaterial 10 weist dieselben Bestandteile wie das erste Hilfsmaterial 9 auf, wobei der Anteil des inerten anorganischen Materials an dem zweiten Hilfsmaterial 10 geringer ist.
  • Die Schicht des zweiten Hilfsmaterials 10 ist dazu ausgebildet, in dem Vielschichtbauelement 2 eine Schwächungsschicht 11 zu bilden. Entlang der Schwächungsschichten 11 können Risse bei mechanischer Belastung des Vielschichtbauelements 2 entstehen und entlang dieser Schicht geführt werden. Auf diese Weise kann ein unkontrolliertes Reißen des Vielschichtbauelements 2 vermieden werden.
  • Im Folgenden wird zunächst die Herstellung des in 1 gezeigten Stapels 1 beschrieben: Zunächst werden Grünfolien 3 mit dem Elektrodenmaterial, das später die Innenelektroden 6, 6b ausbildet, bedruckt. Weitere Grünfolien 3 werden mit dem ersten Hilfsmaterial 9 bedruckt. Weitere Grünfolien 3 werden mit dem zweiten Hilfsmaterial 10 bedruckt. Anschließend wird der Stapel 1 wie in 1 gezeigt aufeinander gestapelt.
  • In einem nächsten Verfahrensschritt wird der in 1 gezeigte Stapel 1 gesintert. Da hierbei eine Vielzahl von Vielschichtbauelementen 2 zu dem Stapel 1 zusammengefasst ist, ist der Aufwand für diesen Verfahrensschritt erheblich geringer gegenüber einem Sintern der einzelnen Vielschichtbauelemente getrennt voneinander.
  • Beim Sintern werden die Schichten des ersten und des zweiten Hilfsmaterials 9, 10 ausgedünnt. Die Schichten, die das erste Hilfsmaterial 9 aufweisen, werden dabei zu Segmentierungsschichten, entlang denen in einem späteren Verfahrensschritt die Vereinzelung erfolgt. Die Schichten, die das zweite Hilfsmaterial 10 aufweisen, werden beim Sintern zu Schwächungsschichten 11, entlang denen ein Vielschichtbauelement 2 bei Betrieb bevorzugt reißt.
  • Anschließend werden weitere Verfahrensschritte durchgeführt, bei denen die Vielschichtbauelemente 2 mechanisch in dem Stapel 1 verbunden bleiben. Hierzu gehören das Schleifen der Umfangskanten und der Stirnflächenkanten des Stapels 1. Als Umfangskanten werden die längsten Kanten des Stapels 1bezeichnet. Diese verbinden die beiden Stirnflächen 12 des Stapels 1 miteinander. Als Stirnflächenkanten werden die Kanten bezeichnet, die die Stirnflächen 12 des Stapels 1 begrenzen.
  • Bei den Schleifvorgängen wird ein Schleifdruck derart eingestellt, dass es nicht zu einer Delamination des Stapels 1 kommt.
  • Auch das Aufbringen der Außenelektroden 13 durch Metallisierung der ersten und der zweiten Außenfläche 7, 8 kann vorgenommen werden während die Vielschichtbauelemente 2 zu den Stapel 1 verbunden bleiben. Die Außenelektroden 13 z.B. können durch ein Siebdruckverfahren oder ein Sputterverfahren aufgebracht werden.
  • Ferner kann auf eine der Außenflächen des Stapels eine Cu-Schicht aufgebracht werden, auf der eine AG-Schicht aufgesputtert wird. Diese Schichtenfolge ermöglicht es in den vereinzelten Vielschichtbauelementen, Kontakte aufzulöten. Auch dieser Schritt wird durchgeführt, während die Vielschichtbauelement 2 in dem Stapel 1 mechanisch verbunden sind. Somit kann diese Schicht für eine Vielzahl von Vielschichtbauelementen 2 gleichzeitig in einem einzigen Prozessschritt erzeugt werden.
  • Gegebenenfalls können weitere Beschichtungsprozesse, beispielsweise galvanisch, an dem Stapel 1 durchgeführt werden.
  • Da all die hier genannten Verfahrensschritt an dem Stapel 1 für eine Vielzahl von Vielschichtbauelementen 2 durchgeführt werden können, kann auf eine aufwendige Einzelteilhandhabung in dem Verfahren weitestgehend verzichtet werden.
  • Anschließend wird ein Einbrennvorgang durchgeführt. Bei dem Einbrennvorgang kommt es aufgrund eines sogenannten Thermoschocks zu einer Vereinzelung des Stapels 1 entlang der Segmentierungsschichten, an denen das erste Hilfsmaterial 9 angeordnet war. Zur Erzeugung des gewünschten Thermoschocks kann bei dem Einbrennen des Stapels 1 der Stapel 1 einer Temperatur ausgesetzt werden, die pro Minute um 10 bis 30 °C erhöht wird bis eine maximale Einbrenntemperatur erreicht wird und die anschließend um 10 bis 30 °C pro Minute reduziert wird bis eine Umgebungstemperatur erreicht ist.
  • Dabei kann die maximale Einbrenntemperatur zwischen 720 und 800 °C liegen, vorzugsweise zwischen 750 und 770 °C.
  • Dieses Vorgehen führt zu einem schnellen Ausdehnen und anschließenden Wiederzusammenziehen des Stapels 1, wodurch mechanische Spannungen auftreten, die zu einer Vereinzelung entlang der Segmentierungsschicht führen. Entlang der Schwächungsschichten 11, die an den Orten des zweiten Hilfsmaterials 10 ausgebildet sind, kommt es nicht zu einer Vereinzelung, da die Schichten des zweiten Hilfsmaterials 10 das anorganische inerte Material in einem geringeren Anteil als das erste Hilfsmaterial 9 aufweisen.
  • 2 zeigt mehrere Vielschichtbauelemente 2 nach der Vereinzelung entlang der Segmentierungsschichten.
  • Zu beachten ist, dass 1 und 2 keine maßstabsgetreuen Darstellungen liefern. So weisen beispielsweise die Schichten des ersten und des zweiten Hilfsmaterials 9, 10 eine Höhe auf die in der gleichen Größenordnung liegt wie die Höhe der aufgedruckten Elektrodenmaterials 5, das zu den Innenelektroden 6a, 6b gesintert wird. In den 1 und 2 sind die Schichten des ersten und zweiten Hilfsmaterials 9, 10 dagegen zur besseren Veranschaulichung wesentlich dicker dargestellt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Stapel
    2
    Vielschichtbauelement
    3
    Grünfolie
    4
    piezoelektrische Schicht
    5
    Elektrodenmaterial
    6a
    erste Innenelektrode
    6b
    zweite Innenelektrode
    7
    erste Außenfläche
    8
    zweite Außenfläche
    9
    erstes Hilfsmaterial
    10
    zweites Hilfsmaterial
    11
    Schwächungsschicht
    12
    Stirnfläche
    13
    Außenelektrode

Claims (13)

  1. Verfahren zur Herstellung von piezoelektrischen Vielschichtbauelementen (2) umfassend die Schritte: A) Aufbringen eines Elektrodenmaterials (5) auf Grünfolien (3) enthaltend ein piezoelektrisches Material, B) Aufbringen einer Schicht eines ersten Hilfsmaterials (9) auf zumindest eine Grünfolie (3) enthaltend das piezoelektrische Material, C) Bilden eines Stapels (1), in dem die Grünfolien (3), auf denen Elektrodenmaterial (5) aufgebracht ist, übereinander angeordnet sind, wobei in dem Stapel (1) zumindest eine Lage der Grünfolie (3), auf der die Schicht des ersten Hilfsmaterials (9) aufgebracht ist, angeordnet wird, D) Sintern des Stapels (1), wobei die Schicht des ersten Hilfsmaterials (9) ausgedünnt wird, und E) Einbrennen des Stapels (1), wobei der Stapel (1) entlang der zumindest einen Lage in zumindest zwei Vielschichtbauelemente (2) vereinzelt wird.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Einbrennen des Stapels (1) bei einer Temperatur erfolgt, die pro Minute um 10 bis 30 °C erhöht wird bis eine maximale Einbrenntemperatur erreicht wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei bei dem Einbrennen des Stapels (1) nach Erreichen der maximalen Einbrenntemperatur die Temperatur um 10 bis 30 °C pro Minute reduziert wird.
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die maximale Einbrenntemperatur zwischen 720 °C und 800 °C liegt, vorzugsweise zwischen 750 °C und 770 C.
  5. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste Hilfsmaterial (9) zumindest eine erste Komponente und eine zweite Komponente enthält, die in Verfahrensschritt D) miteinander chemisch reagieren.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei als erste Komponente CuO und als zweite Komponente Cu ausgewählt wird.
  7. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste Hilfsmaterial (9) ein inertes anorganisches Material aufweist.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei das inerte anorganische Material Zirconium(IV)-Oxid ist.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei der Anteil des inerten anorganischen Materials an dem ersten Hilfsmaterial (9) zumindest 40 Gewichts-% beträgt.
  10. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei bei Verfahrensschritt C) ferner zumindest eine Lage einer Grünfolie (3), die das piezoelektrische Material enthält und auf der eine Schicht eines zweiten Hilfsmaterials (10) aufgebracht ist, in dem Stapel (1) angeordnet wird, wobei bei Verfahrensschritt D) die zumindest eine Schicht aus dem zweiten Hilfsmaterial (10) ausgedünnt wird, so dass im Vielschichtbauelement (2) im Bereich der Schicht aus dem zweiten Hilfsmaterial (10) eine Schwächungsschicht (11) gebildet wird.
  11. Verfahren gemäß dem Anspruch 10, sofern dieser auf einen der Ansprüche 7 bis 9 rückbezogen ist, wobei das erste Hilfsmaterial (9) und das zweite Hilfsmaterial (10) die gleichen Bestandteile aufweisen und wobei der Anteil des inerten anorganischen Materials in dem ersten Hilfsmaterial (9) höher ist als in dem zweiten Hilfsmaterial (10).
  12. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei nach dem Verfahrensschritt D) und vor der Vereinzelung in zumindest zwei Vielschichtbauelemente (2) in Verfahrensschritt E) weitere Verarbeitungsschritte durchgeführt werden, bei denen die Vielschichtbauelemente (2) in dem einstückigen Stapel (1) behandelt werden.
  13. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei vor der Vereinzelung in zumindest zwei Vielschichtbauelemente (2) Kanten des Stapels (1) geschliffen werden, wobei ein Schleifdruck derart eingestellt wird, dass es bei dem Schleifen nicht zu einer Vereinzelung kommt.
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