DE102016220082A1 - Verfahren zum Metallisieren von Ferritkeramiken und Bauelement mit einer Ferritkeramik - Google Patents

Verfahren zum Metallisieren von Ferritkeramiken und Bauelement mit einer Ferritkeramik Download PDF

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Patrick Meßner
Steffen Ziegler
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Metallisieren von Ferritkeramiken mit folgenden Schritten: Anordnen eines Kontaktelements aus Kupfer oder einer Kupferlegierung auf einer Oberfläche der Ferritkeramik, Aufschmelzen des Kontaktelements wenigstens in dem Bereich, in dem das Kontaktelement die Oberfläche der Ferritkeramik kontaktiert, und Abkühlen des Kontaktelements und der Ferritkeramik bis unter den Schmelzpunkt des Kupfers oder der Kupferlegierung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Metallisieren von Ferritkeramiken. Die Erfindung betrifft auch ein Bauelement mit einer Ferritkeramik.
  • In induktiven Bauelementen werden häufig Magnetkeramiken, wie zum Beispiel Ferrite, verwendet. Dadurch können die Induktivität und das Frequenzverhalten solcher Bauelemente wesentlich beeinflusst werden. Die Magnetkeramik oder Ferritkeramik bestimmt auch unter anderem, ob das Bauelement für Speicheranwendungen, wie zum Beispiel Schaltregler, oder zur Unterdrückung elektromagnetischer Störungen genutzt werden kann. Da die Magnetkeramik einen wesentlichen Teil des kompletten Bauelements einnimmt, wird diese oft auch für strukturelle Zwecke genutzt, also um dem Bauteil eine mechanische Stabilität zu verleihen und beispielsweise eine Wicklung aufzunehmen. Um eine Drahtwicklung des induktiven Bauelements mit einer Leiterplatte verbinden zu können, werden in der Regel Drahtpins oder flache Lötpads genutzt. Diese können sowohl auf eine dritte Komponente, wie eine Trägerplatte aus Metall, einen sogenannten Leadframe, und/oder Kunststoffbasis als auch direkt auf die Magnetkeramik aufgebracht werden. Eine direkte Metallisierung der Magnetkeramik erfolgt beispielsweise durch Beschichtung mit einer Dickschichtpaste, welche meist als Hauptbestandteil ein Edelmetall wie Silber enthält. Weitere Bestandteile der Paste sind ein Glasfrit sowie diverse organische Inhaltsstoffe zum Herstellen der Prozessierbarkeit. Durch eine sich an das Beschichten mit der Dickschichtpaste anschließende Temperaturbehandlung, auch Einbrand genannt, verbindet sich der Glasfrit mit der Ferritkeramik. Durch die Metallpartikel, welche durch das Glasnetzwerk fixiert sind, wird eine elektrische Leitfähigkeit erreicht. Ist der metallische Bestandteil der Dickschichtpaste reines Silber, muss, um das Lötpad für bleifreies Lot nutzen zu können, eine galvanische Diffusionssperrschicht aus Nickel sowie eine Beschichtung aus Zinn aufgebracht werden. Eine Metallisierung mit einem solchen Verfahren erfordert demnach diverse Prozessschritte sowie einen galvanischen Prozess und bedingt dadurch einen hohen Wasserverbrauch sowie durch die verwendeten Chemikalien eine Gefahr für die Umwelt. Das Metallisierungsmaterial Silber stellt auch einen deutlichen Kostenfaktor dar. Es gibt Bestrebungen, die Silberpaste beispielsweise durch Kupferpaste oder andere unedlere und daher kostengünstigere Metalle zu ersetzen. Diese erfordern im Gegensatz zu Silber allerdings den Einbrand unter einer Atmosphäre mit verringertem Sauerstoffgehalt, da sonst das Metall oxidieren würde. Wird allerdings die Ferritkeramik unter Schutzgas bzw. reduzierender Atmosphäre erhitzt, erfolgt eine Reduktion der Magnetkeramik, wodurch die magnetischen Eigenschaften der Ferritkeramik negativ beeinflusst werden.
  • Mit der Erfindung soll ein verbessertes Verfahren zum Metallisieren von Ferritkeramiken und ein verbessertes Bauelement mit einer Ferritkeramik bereitgestellt werden.
  • Erfindungsgemäß ist hierzu ein Verfahren zum Metallisieren von Ferritkeramiken mit folgenden Schritten vorgesehen: Anordnen eines Kontaktelements aus Kupfer oder einer Kupferlegierung auf einer Oberfläche der Ferritkeramik, Aufschmelzen des Kontaktelements wenigstens in dem Bereich, in dem das Kontaktelement die Oberfläche der Ferritkeramik kontaktiert, und Abkühlen des Kontaktelements und der Ferritkeramik bis unter den Schmelzpunkt des Kupfers oder der Kupferlegierung.
  • Durch einfaches Aufschmelzen eines Kontaktelements aus Kupfer oder einer Kupferlegierung auf einer Oberfläche der Ferritkeramik kann eine zuverlässige Metallisierung der Oberfläche der Ferritkeramik erreicht werden. Dabei wird auf eine Dickschichtpaste und deren Einbrand sowie auf einen Galvanikprozess verzichtet. Eine Verbindung zwischen dem Kontaktelement aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und der Ferritkeramik erfolgt durch Erhitzen des Kupfers auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts. Die sich dann ausbildende Schmelzperle aus Kupfer oder der Kupferlegierung geht dann eine Reaktion mit der Ferritkeramik ein. In einer Übergangsschicht zwischen der Ferritkeramik und dem Kupfer bzw. der Kupferlegierung bildet sich eine Schicht aus Kupfer und Kupferoxid. Über diese Übergangsschicht wird eine sehr zuverlässige Bindung des Kontaktelements mit der Ferritkeramik erzielt.
  • Nach dem Abkühlen des Kontaktelements steht dann eine Metallisierung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung zur Verfügung, auf die unmittelbar gelötet werden kann. Auf diese Weise ist die zuverlässige Verbindung des Kontaktelements mit einem Wicklungsdraht oder beispielsweise auch einer Leiterbahn einer Leiterplatte möglich. Da die Verbindung des Kontaktelements mit der Ferritkeramik über ein einfaches Erhitzen und Aufschmelzen des Kontaktelements erfolgt, kann ein sehr umweltfreundlicher Metallisierungsprozess realisiert werden. Das Fügen des Kontaktelements mit der Ferritkeramik erfolgt dabei kraftlos, also ohne zusätzliche Anpresskraft des Kontaktelements auf die Ferritkeramik.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird das Kontaktelement vollständig aufgeschmolzen und liegt im geschmolzenen Zustand tropfenartig auf der Oberfläche der Ferritkeramik auf.
  • Während des Metallisierungsprozesses liegt das geschmolzene Kontaktelement infolgedessen lediglich aufgrund der Schwerkraft auf der Ferritkeramik auf. Vorteilhafterweise ist die Ferritkeramik mit einer Mulde versehen, um die Schweißperle aus geschmolzenem Kupfer, die durch das Kontaktelement gebildet wird, aufzunehmen und sicher in der vorgesehenen Position zu halten.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird die Ferritkeramik vor dem Aufschmelzen des Kontaktelements auf eine Temperatur zwischen 300 °C und 600 °C, insbesondere zwischen 300 °C und 400 °C, vorgewärmt.
  • Ein solches Vorwärmen der Ferritkeramik begünstigt die Ausbildung einer Verbindung zwischen dem Kontaktelement und der Ferritkeramik, die über die Ausbildung einer Übergangsschicht aus Kupfer und Kupferoxid bzw. aus der Kupferlegierung und Kupferoxid erfolgt. Das Vorwärmen der Ferritkeramik verhindert auch das Entstehen von Spannungsrissen in der Ferritkeramik.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird die Ferritkeramik mit einer Aufheizrate zwischen 80 K/min und 150 K/min vorgewärmt.
  • Auf diese Weise lassen sich kurze Prozesszeiten mit einer schonenden Erwärmung der Ferritkeramik verbinden.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist das Überziehen der zugänglichen Oberfläche des Kontaktelements mit einer Zinnschicht vorgesehen, nachdem das Kontaktelement mit der Ferritkeramik verbunden ist.
  • Das Aufbringen einer Zinnschicht erleichtert beispielsweise das nachfolgende Kontaktieren des Kontaktelements, beispielsweise mit einem Wicklungsende einer Spule oder auch einer Leiterbahn auf einer Leiterplatte.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist das Schleifen des Kontaktelements vorgesehen, nachdem das Kontaktelement mit der Ferritkeramik verbunden ist.
  • Durch einen Schleifprozess kann beispielsweise eine ebene Oberfläche und gleichzeitig auch eine metallisch reine Oberfläche hergestellt werden, die für nachfolgende Verarbeitungsschritte vorteilhaft ist.
  • In Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Abkühlen der Ferritkeramik und des Kontaktelements mittels natürlicher Konvektion.
  • Auf diese Weise werden Spannungsrisse der Ferritkeramik verhindert und das Abkühlen kann darüber hinaus umweltfreundlich erfolgen.
  • Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird auch durch ein Bauelement mit einer Ferritkeramik und wenigstens einem Kontaktelement aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gelöst, bei dem das Kontaktelement mit der Ferritkeramik verbunden ist und bei dem im Übergangsbereich zwischen einer Oberfläche der Ferritkeramik und dem Kontaktelement eine Übergangsschicht aus Kupfer und Kupferoxid oder der Kupferlegierung und Kupferoxid angeordnet ist.
  • Eine solche Übergangsschicht zwischen dem Werkstoff des Kontaktelements und der Ferritkeramik sorgt für eine sichere Verbindung der Ferritkeramik und des Werkstoffs des Kontaktelements. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die zuverlässige Verbindung des Kontaktelements mit der Ferritkeramik durch einfaches Aufschmelzen des Kontaktelements, während sich dieses in Anlage an der Ferritkeramik befindet, ergibt.
  • In Weiterbildung der Erfindung enthält die Ferritkeramik als Hauptbestandteil Eisenoxid (Fe3O4). In Weiterbildung der Erfindung enthält die Ferritkeramik neben dem Hauptbestandteil Eisenoxid zusätzlich Oxide der Elemente Mangan (Mn), Nickel (Ni), Kupfer (Ku), Wismut (Bi), Silicium (Si), Cobalt (Co), Strontium (Sr), Barium (Ba), Titan (Ti), Zink (Zn) und/oder Antimon (Sb).
  • In Weiterbildung der Erfindung weist die Ferritkeramik wenigstens eine Mulde zum wenigstens abschnittsweisen Aufnehmen des Kontaktelements auf.
  • In einer Mulde, die zweckmäßigerweise an das Volumen des Kontaktelements angepasst ist, kann das Kontaktelement vor dem Aufschmelzen und vor allem nach dem Aufschmelzen sicher in der vorgesehenen Position gehalten werden. Nach dem Aufschmelzen liegt das Kontaktelement in Form einer Schmelzperle auf der Ferritkeramik auf und das Vorsehen einer Mulde an der Ferritkeramik erleichtert die Positionierung dieser Schmelzperle erheblich.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Einzelmerkmale der unterschiedlichen, dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen lassen sich dabei in beliebiger Weise miteinander kombinieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. In den Zeichnungen zeigen:
    • 1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Bauelements von schräg unten,
    • 2 ein lichtmikroskopisches Foto des geschnittenen Verbindungsbereichs zwischen einem Kontaktelement und der Ferritkeramik des Bauelements der 1 und
    • 3 ein BSE-Bild (Backscattered Electrons) des Übergangsbereichs zwischen der Ferritkeramik und dem Kontaktelement in 2.
  • 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Bauelement 10, das als induktives Bauelement ausgebildet ist und einen Kern 12 aus Ferritkeramik und zwei auf den Kern 12 aufgebrachte Drahtwicklungen 14 aufweist. Ein in 1 unterer Abschnitt 16 des Bauelements 10 ist durch eine Vergussmasse gebildet und nimmt, wie zu erkennen ist, Abschnitte des Kerns 12 und auch Abschnitte der Wicklungen 14 auf.
  • Der Kern 12 weist vier Vorsprünge auf, an deren freien Enden jeweils Kontaktelemente 18 angeordnet sind. Die Kontaktelemente 18 bestehen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und sind dafür vorgesehen, eine elektrisch leitende Verbindung mit Leiterbahnen oder Lötpads einer Leiterplatte herzustellen, wenn das Bauelement 10 mit seiner in 1 oben liegenden Unterseite auf die Leiterplatte aufgesetzt wird.
  • Darüber hinaus sind die Wicklungsenden 20 der Wicklungen 14 mit den Kontaktelementen 18 verbunden. Die Wicklungen bestehen beispielsweise ebenfalls aus Kupferdraht.
  • Während der Herstellung des Bauelements 10 wird der Kern 12 aus Ferritkeramik hergestellt und anschließend werden die Wicklungen 14 aufgebracht. In einem weiteren Schritt werden die freien Enden der Vorsprünge des Kerns 12 metallisiert, indem die Kontaktelemente 18 aufgebracht werden, wobei dies vor oder nach dem Aufbringen der Wicklungen erfolgen kann. Dies erfolgt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch, dass die Kontaktelemente, beispielsweise in Form eines Kupferdrahtstücks, auf die in 1 oben liegenden freien Enden der Vorsprünge des Kerns 12 aufgelegt und dann so weit erhitzt werden, bis die Kontaktelemente, mit anderen Worten die Kupferdrahtstücke, aufschmelzen und Schmelzperlen auf der Ferritkeramik des Kerns 12 bilden. Die Schmelzperlen werden dabei auf der Oberseite der Vorsprünge alleine durch ihre Schwerkraft gehalten.
  • Vorteilhafterweise sind die oben liegenden Stirnseiten der Vorsprünge des Kerns 12 mit einer Mulde versehen, siehe auch 2, um die Schmelzperlen zuverlässig in der vorgesehenen Position zu halten.
  • Im geschmolzenen Zustand der Kontaktelemente 18 bildet sich zwischen dem Kupfer oder der Kupferlegierung der Kontaktelemente 18 und der Ferritkeramik des Kerns 12 eine Verbindung aus. Im abgekühlten Zustand liegt zwischen der Ferritkeramik des Kerns 12 und dem Kupfer oder der Kupferlegierung des Kontaktelements 18 eine Übergangsschicht aus Kupfer und Kupferoxid. Über diese Übergangsschicht wird eine zuverlässige mechanische Verbindung zwischen den Kontaktelementen 18 und der Ferritkeramik des Kerns 12 hergestellt.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann gleichzeitig mit dem Aufschmelzen der Kontaktelemente 18 auch eine Verbindung zwischen den Wicklungsenden 20 und den Kontaktelementen 18 ausgebildet werden. Beispielsweise werden die aus Kupferdraht bestehenden Wicklungsenden 20 einfach in Kontakt mit den entstandenen Schmelzperlen gebracht und gehen dadurch dann eine mechanisch stabile und elektrisch leitfähige Verbindung mit den Kontaktelementen 18 ein. In gleicher Weise ist gemäß der Erfindung aber beispielsweise auch das nachfolgende Anlöten oder Anschweißen der Wicklungsenden 20 an die dann wieder abgekühlten Kontaktelemente 18 möglich.
  • Nach dem Abkühlen der Kontaktelemente 18 können diese noch überschliffen werden, um eine metallisch reine Oberfläche herzustellen und/oder auch mit einem Zinnüberzug versehen werden, um das Bauelement 10 lange lagerfähig zu machen und auch um eine Lötverbindung zwischen den Kontaktelementen 18 und Leiterbahnen oder Lötpads einer Leiterplatte zu erleichtern.
  • Die Darstellung der 2 zeigt ein lichtmikroskopisches Foto eines Schnitts durch den Kern 12 im Bereich eines der Kontaktelemente.
  • Gezeigt ist eine Schnittdarstellung durch einen der nach oben abragenden Vorsprünge des Kerns 12 aus Ferritkeramik und eines der Kontaktelemente 18. Zu erkennen ist, dass in den Oberseiten der Vorsprünge des Kerns 12 Mulden 22 vorgesehen sind, die dann die durch die Kontaktelemente gebildeten Schmelzperlen aufnehmen und in deren flüssigen Zustand sicher in Position halten. Es ist zu erkennen, dass die Mulde einen ebenen Grund und schräg zum Grund angeordnete Seiten aufweist. Eine Verbindung zwischen dem Kontaktelement 18 und den Oberflächen der Mulde 22 erfolgt sowohl am ebenen Grund als auch im Bereich der sich zur Öffnung der Mulde hin öffnenden schrägen Seitenflächen.
  • Die Darstellung der 2 stellt den Zustand des Kontaktelements 18 nach dem Abkühlen ausgehend vom geschmolzenen Zustand dar. Das Kontaktelement 18 kann ausgehend von dem in 2 dargestellten Zustand noch überschliffen werden, beispielsweise um eine ebene Kontaktfläche herzustellen.
  • Die Darstellung der 3 zeigt eine weiter vergrößerte Darstellung des Übergangsbereichs zwischen einem Kontaktelement 18 und der Ferritkeramik des Kerns 12. Die Darstellung der 3 ist ein BSE-Bild (Backscattered Electrons), das mit einem Rasterelektronenmikroskop hergestellt wurde und das auch als Materialkontrastbild bezeichnet wird. Es ist zu erkennen, dass die Ferritkeramik des Kerns 12 in 3 schwarz dargestellt ist. Von der Ferritkeramik 12 aus nach oben folgt eine Übergangsschicht 24, die aus Kupfer und Kupferoxid besteht. Es ist gut zu erkennen, dass diese Übergangsschicht 24 auch mechanisch mit der Ferritkeramik des Kerns 12 verzahnt ist.
  • Auf die Übergangsschicht 24 folgt dann der noch etwas heller dargestellte Werkstoff des Kontaktelements 18, also Kupfer oder eine Kupferlegierung. Auch zwischen der Übergangsschicht 24 und dem Werkstoff des Kontaktelements 18 ist eine mechanische Verzahnung zu erkennen.
  • Die Verbindung zwischen dem Kontaktelement 18 bzw. der Schmelzperle aus dem Werkstoff des Kontaktelements 18 und der Ferritkeramik des Kerns 12 entsteht durch eine Reaktion des geschmolzenen Kupfers oder der geschmolzenen Kupferlegierung in der Schmelzperle mit der Ferritkeramik des Kerns 12. Nach dem Abkühlen, wenn sich das Kontaktelement im festen Zustand befindet, ist das Kontaktelement 18 dann zuverlässig mit der Ferritkeramik des Kerns 12 verbunden.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Metallisieren von Ferritkeramiken mit folgenden Schritten: Anordnen eines Kontaktelements (18) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung auf einer Oberfläche der Ferritkeramik, Aufschmelzen des Kontaktelements (18) wenigstens im dem Bereich, in dem das Kontaktelement (18) die Oberfläche der Ferritkeramik kontaktiert, und Abkühlen des Kontaktelements (18) und der Ferritkeramik bis unter den Schmelzpunkt des Kupfers oder der Kupferlegierung.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (18) vollständig aufgeschmolzen wird und im geschmolzenen Zustand tropfenartig auf der Oberfläche der Ferritkeramik aufliegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ferritkeramik vor dem Aufschmelzen des Kontaktelements auf eine Temperatur zwischen 300 °C und 600 °C, insbesondere zwischen 300 °C und 400 °C, vorgewärmt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ferritkeramik mit einer Aufheizrate zwischen 80 Kelvin und 150 Kelvin pro Minute vorgewärmt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindung eines Wicklungsdrahts oder Anschlussdrahts mit dem Kontaktelement (18) gleichzeitig mit dem Aufschmelzen des Kontaktelements erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Überziehen einer zugänglichen Oberfläche des Kontaktelements (18) mit einer Zinnschicht nachdem das Kontaktelement (18) mit der Ferritkeramik verbunden ist.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Schleifen des Kontaktelements (18) nachdem das Kontaktelement (18) mit der Ferritkeramik verbunden ist.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen der Ferritkeramik und des Kontaktelements (18) mittels natürlicher Konvektion erfolgt.
  9. Bauelement mit einer Ferritkeramik und wenigstens einem Kontaktelement (18) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (18) mit der Ferritkeramik verbunden ist und dass im Übergangsbereich zwischen einer Oberfläche der Ferritkeramik und dem Kontaktelement (18) eine Übergangsschicht (24) aus Kupfer und Kupferoxid oder der Kupferlegierung und Kupferoxid angeordnet ist.
  10. Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ferritkeramik als Hauptbestandteil Eisenoxid (Fe3O4) enthält.
  11. Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ferritkeramik neben dem Hauptbestandteil Eisenoxid zusätzlich Oxide der Elemente Mangan (Mn), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Wismuth (Bi), Silizium (Si), Kobalt (Co), Strontium (Sr), Barium (Ba), Titan (Ti), Zink (Zn) und/oder Antimon (Sb) enthält.
  12. Bauelement nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ferritkeramik wenigstens eine Mulde (22) zum wenigstens abschnittsweisen Aufnehmen des Kontaktelements (18) aufweist.
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