DE102019109308A1 - Keramisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung des keramischen Bauelements - Google Patents

Abstract

Es wird ein keramisches Bauelement aufweisend einen keramischen Grundkörper (1) und wenigstens eine Metallisierung (2), die auf einer Außenfläche (1') des keramischen Grundkörpers (1) angebracht ist, bereitgestellt. Die Metallisierung enthält (2) Lithiumvanadiumphosphat mit der allgemeinen Summenformel LixVy(PO4)z, Kupfer und Glas, wobei a der Mengenanteil an Kupfer, b der Mengenanteil an Lithiumvanadiumphosphat und c der Mengenanteil an Glas ist, der in der Metallisierung enthalten ist und für die Mengenanteile gilt:40 wt%≤a≤99 wt%,1 wt%≤b≤30 wt%,0 wt%≤c≤20 wt%,wobei x der Mengenanteil an Lithium, y der Mengenanteil an Vanadium und z der Mengenanteil an Phosphat im Lithiumvanadiumphosphat ist und es gilt:0<x0<y0<z.Weiterhin werden Verfahren zur Herstellung des keramischen Bauelements bereitgestellt.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein keramisches Bauelement aufweisend einen keramischen Grundkörper und wenigstens eine Metallisierung, die auf einer Außenfläche des keramischen Grundkörpers angebracht ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des keramischen Bauelements.
• Keramische Bauelemente sind weit verbreitete Bauteile in der industriellen Fertigung. Üblicherweise weisen die keramischen Bauelemente Metallisierungen, beispielsweise zur elektrischen Kontaktierung, auf. Dabei kann die Zusammensetzung der Metallisierungen einen negativen Einfluss auf den keramischen Grundkörper des keramischen Bauelements haben.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein keramisches Bauelement mit einer verbesserten Metallisierung bereitzustellen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, Verfahren zur Herstellung des keramischen Bauelements bereitzustellen.
• Diese Aufgaben werden durch ein keramisches Bauelement nach Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen des keramischen Bauelements und Verfahren zur Herstellung des keramischen Bauelements sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
• Es wird ein keramisches Bauelement aufweisend einen keramischen Grundkörper und wenigstens eine Metallisierung, die auf einer Außenfläche des keramischen Grundkörpers angebracht ist, bereitgestellt. Die Metallisierung enthält Lithiumvanadiumphosphat mit der allgemeinen Summenformel Li_xV_y(PO₄)_z und Kupfer. Optional kann auch Glas in der Metallisierung enthalten sein. Dabei ist a der Mengenanteil an Kupfer, b der Mengenanteil an Lithiumvanadiumphosphat und c der Mengenanteil an Glas, der in der Metallisierung enthalten ist und es gilt: $$40\text{ wt\%}\le \text{a}\le \text{99 wt\%},$$

  

  $$1\text{ wt\%}\le \text{b}\le 30\text{ wt\%},$$

  

  $$0\text{ wt\%}\le \text{c}\le 20\text{ wt\%},$$

  

  wobei x der Mengenanteil an Lithium, y der Mengenanteil an Vanadium und z der Mengenanteil an Phosphat im Lithiumvanadiumphosphat ist und es gilt: $$0<\text{x}$$

  

  $$0<\text{y}$$

  

  $$0<\text{z}\text{.}$$

  
• In einer weiteren Ausführungsform der Metallisierung wurden für die Herstellung der Metallisierung Lithiumvanadiumphosphat mit der allgemeinen Summenformel Li_xv_y(PO₄)_z und Kupfer und Glas oder Lithiumvanadiumphosphat mit der allgemeinen Summenformel Li_xv_y(PO₄)_z und Kupfer als Ausgangstoffe verwendet, wobei in der allgemeinen Summenformel des Lithiumvanadiumphosphats x der Mengenanteil an Lithium ist, y der Mengenanteil an Vanadium ist und z der Mengenanteil an Phosphat ist und es gilt: $$\mathrm{0,5}<\text{x}<\mathrm{4,5,}$$

  

  $$\mathrm{1,8}<\text{y}<\mathrm{2,2,}$$

  

  $$\mathrm{2,8}<\text{z}<\mathrm{3,2.}$$

  
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Metallisierung wurden für die Herstellung der Metallisierung Lithiumvanadiumphosphat mit der Summenformel Li₃V₂(PO₄)₃ und Kupfer und Glas oder Lithiumvanadiumphosphat mit der Summenformel Li₃V₂(PO₄)₃ und Kupfer als Ausgangstoffe verwendet.
• Die Metallisierung kann mittels Aufbringens und Einbrennens einer metallhaltigen Paste hergestellt werden, wobei die metallhaltige Paste Kupfer und Lithiumvanadiumphosphat enthält. Optional kann auch Glas in der metallhaltigen Paste enthalten sein.
• Das keramische Bauelement kann eine keramische Batterie sein. Ferner kann die Metallisierung als Anschlussfläche zur elektrischen Kontaktierung des keramischen Bauelements dienen.
• Die Zusammensetzung der Metallisierung ist optimal auf die Zusammensetzung des keramischen Grundkörpers des keramischen Bauelements abgestimmt. So gewährleistet der Anteil an Kupfer in der Metallisierung eine elektrische Leitfähigkeit der Metallisierung, die es ermöglicht das keramische Bauelement in elektronische Bauteile einzubauen. Ferner gewährleistet der Anteil an Lithiumvanadiumphosphat in der Metallisierung eine ausreichende Haftung der Metallisierung an dem keramischen Grundkörper. Unter ausreichend soll hier eine Haftung zu verstehen sein, bei der sich die Metallisierung unter den üblichen Anforderungen der industriellen Fertigung nicht vom keramischen Grundkörper ablöst. Weiterhin interagiert das Lithiumvanadiumphosphat nicht in negativer Weise mit dem keramischen Grundkörper, wodurch negative Einflüsse auf den keramischen Grundkörper vermieden werden können.
• Weiterhin kann die Metallisierung mindestens eine Deckschicht aufweisen, die mindestens Kupfer und/oder Nickel und/oder Zinn enthält. Durch diese Deckschicht ist das keramische Bauteil als Surface Mounted Device lötbar. Dadurch kann das keramische Bauteil in herkömmliche Produktionsprozesse für elektronische Bauteile integriert werden, wodurch die Fertigungskosten gering gehalten werden können.
• Ein Verfahren zur Herstellung des keramischen Bauelements kann folgende Teilschritte umfassen:
• - Bereitstellen eines Grünkörpers,
• - Abrunden der Kanten des Grünkörpers,
• - Aufbringen einer metallhaltigen Paste, die Kupfer und Lithiumvanadiumphosphat enthält, auf wenigstens eine Außenfläche des Grünkörpers,
• - Sintern des Grünkörpers, um einen keramischen Grundkörper, der eine Metallisierung an einer Außenfläche aufweist, zu erhalten.
• Ein weiteres Verfahren zur Herstellung des keramischen Bauelements kann folgende Teilschritte aufweisen:
• - Bereitstellen eines Grünkörpers,
• - Sintern des Grünkörpers, um einen keramischen Grundkörper zu erhalten,
• - Abrunden der Kanten des keramischen Grundkörpers,
• - Aufbringen einer metallhaltigen Paste, die Kupfer und Lithiumvanadiumphosphat enthält, auf wenigstens eine Außenfläche des keramischen Grundkörpers,
• - Einbrennen der metallhaltigen Paste in den keramischen Grundkörper, um eine Metallisierung zu erhalten.
• Das erstgenannte Verfahren hat den Vorteil, dass die metallhaltige Paste bereits auf dem Grünkörper aufgebracht wird und zusammen mit dem Grünkörper gesintert wird. Durch das Sintern entsteht aus dem Grünkörper ein keramischer Grundkörper und aus der metallhaltigen Paste die Metallisierung. Dadurch kann ein zusätzlicher Einbrandschritt, um die metallhaltige Paste einzubrennen, eingespart werden. Dies ermöglicht eine Verringerung der Kosten für die Herstellung des keramischen Bauelements.
• Als metallhaltige Paste kann eine Paste auf den keramischen Grundkörper aufgebracht werden, die Kupfer, Lithiumvanadiumphosphat und Binder und Lösungsmittel enthält. Optional kann die Paste auch Glas enthalten. Wenn dabei a der Mengenanteil an Kupfer, b der Mengenanteil an Lithiumvanadiumphosphat, c der Mengenanteil an Glas und d der Mengenanteil an Binder und Lösungsmitteln in der metallhaltigen Paste ist, dann gilt: $$40\text{ wt\%}\le \text{a}\le \text{99 wt\%},$$

  

  $$1\text{ wt\%}\le \text{b}\le 30\text{ wt\%},$$

  

  $$0\text{ wt\%}\le \text{c}\le 20\text{ wt\%}$$

  

  $$\text{9 wt\%}\le \text{d}\le 60\text{ wt\%}.$$

  
• In einer vorteilhaften Ausführungsform der Paste beträgt der Gewichtsanteil an Kupfer 56 wt% und der Gewichtsanteil an Lithiumvanadiumphosphat 12,5 wt%, wobei kein Glas in der Paste enthalten ist. Weiterhin beträgt der Anteil an Binder und Lösungsmitteln 31,5 wt%. Die Summe aller Mengenanteile beträgt 100 wt%.
• Weiterhin kann bei dem Verfahren zur Herstellung des keramischen Bauelements mindestens einer der thermischen Prozesse, der ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Sintern und Einbrennen, in einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt werden. Unter reduzierender Atmosphäre ist hier und im Folgenden eine Atmosphäre zu verstehen, die eine Oxidation des keramischen Bauelements durch Luftsauerstoff weitestgehend verhindert. Dadurch kann insbesondere vermieden werden, dass das in der Metallisierung enthaltene Kupfer oxidiert wird, wodurch die elektrische Leitfähigkeit der Metallisierung gewährleistet werden kann.
• Ferner kann auf die Metallisierung mindestens eine Deckschicht, die Kupfer und/oder Nickel und/oder Zinn enthält, aufgebracht werden. Das Aufbringen der Deckschicht kann durch galvanische, chemische oder physikalische Verfahren, wie beispielsweise Sputtern, erfolgen.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand von einem Ausführungsbeispiel mit der dazugehörigen Figur näher beschrieben.
• 1 zeigt ein keramisches Bauelement aufweisend einen keramischen Grundkörper und Metallisierungen auf Außenflächen des keramischen Grundkörpers.
• Die Figur und die Größenverhältnisse in der Figur sind nicht maßstabsgetreu.
• 1 zeigt ein keramisches Bauelement aufweisend einen keramischen Grundkörper 1 und zwei Metallisierungen 2, die an zwei gegenüberliegenden Außenflächen 1' des keramischen Grundkörpers 1 angebracht sind. Bei dem keramischen Bauelement handelt es sich um eine keramische Batterie. Für die Herstellung des keramischen Bauelements wird ein Grünkörper (nicht dargestellt) bereitgestellt, bei dem die Kanten abgerundet werden. Anschließend wird eine metallhaltige Paste, die 56 wt% Kupfer, 12,5 wt% Lithiumvanadiumphosphat und 31,5 wt% Binder und Lösungsmittel enthält, auf zwei gegenüberliegenden Außenflächen (nicht dargestellt) des Grünkörpers (nicht dargestellt) aufgebracht. Anschließend wird der Grünkörper (nicht dargestellt), auf dem die metallhaltige Paste aufgebracht ist, gesintert. Durch das Sintern entsteht der keramische Grundkörper 1 des keramischen Bauelements und die beiden Metallisierungen 2, die jeweils Kupfer und Lithiumvanadiumphosphat enthalten. Durch das Kupfer wird die elektrische Leitfähigkeit der Metallisierung gewährleistet. Durch das Lithiumvanadiumphosphat kann eine ausreichende Haftung der Metallisierung an den keramischen Grundkörper gewährleistet werden, wobei sich durch das Lithiumvanadiumphosphat keine negativen Einflüsse auf den keramischen Grundkörper 1 ergeben.
• Obwohl die vorliegende Erfindung nur anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf selbiges beschränkt. Vielmehr kann die Zusammensetzung der Paste, die zur Herstellung der Metallisierung verwendet wurde, variieren und auch das Verfahren zur Herstellung des keramischen Bauelements kann variieren.
• Bezugszeichenliste

1

keramischer Grundkörper

1'

Außenfläche des keramischen Grundkörpers

3

Metallisierung

Claims (11)

1. Keramisches Bauelement aufweisend einen keramischen Grundkörper (1) und wenigstens eine Metallisierung (2), die auf einer Außenfläche (1') des keramischen Grundkörpers (1) angebracht ist, wobei die Metallisierung (2) Lithiumvanadiumphosphat mit der allgemeinen Summenformel Li_xV_y(PO₄)_z, Kupfer und Glas enthält, wobei a der Mengenanteil an Kupfer, b der Mengenanteil an Lithiumvanadiumphosphat und c der Mengenanteil an Glas ist, der in der Metallisierung enthalten ist und für die Mengenanteile gilt: $$40\text{ wt\%}\le \text{a}\le \text{99 wt\%},$$

   

   $$1\text{ wt\%}\le \text{b}\le 30\text{ wt\%},$$

   

   $$0\text{ wt\%}\le \text{c}\le 20\text{ wt\%},$$

   

   wobei x der Mengenanteil an Lithium, y der Mengenanteil an Vanadium und z der Mengenanteil an Phosphat im Lithiumvanadiumphosphat ist und es gilt: $$0<\text{x}$$

   

   $$0<\text{y}$$

   

   $$0<\text{z}.$$

   
2. Keramisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei für die Herstellung der Metallisierung Lithiumvanadiumphosphat mit der allgemeinen Summenformel Li_xv_y(PO₄)_z und Kupfer und Glas oder Lithiumvanadiumphosphat mit der allgemeinen Summenformel Li_xv_y(PO₄)_z und Kupfer als Ausgangstoffe verwendet wurden, wobei in der allgemeinen Summenformel des Lithiumvanadiumphosphats x der Mengenanteil an Lithium ist, y der Mengenanteil an Vanadium ist und z der Mengenanteil an Phosphat ist und für die Mengenanteile gilt: $$\mathrm{0,5}<\text{x}<\mathrm{4,5,}$$

   

   $$\mathrm{1,8}<\text{y}<\mathrm{2,2,}$$

   

   $$\mathrm{2,8}<\text{z}<\mathrm{3,2.}$$

   
3. Keramisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Metallisierung (2) mittels einer metallhaltigen Paste hergestellt wurde, die Kupfer und Lithiumvanadiumphosphat und Glas oder Kupfer und Lithiumvanadiumphosphat enthält.
4. Keramisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das keramische Bauelement eine keramische Batterie ist.
5. Keramisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Metallisierung (2) eine Anschlussfläche zur elektrischen Kontaktierung des keramischen Bauelements ist.
6. Keramisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Metallisierung (2) mindestens eine Deckschicht aufweist, die mindestens Kupfer und/oder Nickel und/oder Zinn enthält.
7. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren folgende Teilschritte aufweist: - Bereitstellen eines Grünkörpers, - Abrunden der Kanten des Grünkörpers, - Aufbringen einer metallhaltigen Paste, die Kupfer und Lithiumvanadiumphosphat enthält, auf wenigstens eine Außenfläche des Grünkörpers, - Sintern des Grünkörpers, um einen keramischen Grundkörper (1), der eine Metallisierung (2) an einer Außenfläche (1') aufweist, zu erhalten.
8. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren folgende Teilschritte aufweist: - Bereitstellen eines Grünkörpers, - Sintern des Grünkörpers, um einen keramischen Grundkörper (1) zu erhalten, - Abrunden der Kanten des keramischen Grundkörpers (1), - Aufbringen einer metallhaltigen Paste, die Kupfer und Lithiumvanadiumphosphat enthält, auf wenigstens eine Außenfläche (1') des keramischen Grundkörpers (1), - Einbrennen der metallhaltigen Paste in den keramischen Grundkörper (1), um eine Metallisierung (2) zu erhalten.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei als metallhaltige Paste eine Paste aufgebracht wird, die Kupfer, Lithiumvanadiumphosphat, Glas und Binder und Lösungsmittel enthält, wobei a der Mengenanteil an Kupfer ist, b der Mengenanteil an Lithiumvanadiumphosphat ist, c der Mengenanteil an Glas ist, d der Mengenanteil an Binder und Lösungsmitteln ist und für die Mengenanteile gilt: $$40\text{ wt\%}\le \text{a}\le \text{99 wt\%},$$

   

   $$1\text{ wt\%}\le \text{b}\le 30\text{ wt\%},$$

   

   $$0\text{ wt\%}\le \text{c}\le 20\text{ wt\%},$$

   

   $$\text{9 wt\%}\le \text{d}\le 60\text{ wt\%}.$$

   
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei mindestens einer der thermischen Prozesse ausgewählt aus Sintern und Einbrennen in einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei mindestens eine Deckschicht, die Kupfer und/oder Zinn und/oder Nickel enthält, auf die Metallisierung (2) aufgebracht wird.

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