DE19945934C1 - Verfahren zur Herstellung einer Außenkontaktierung eines elektrokeramischen Bauelementes, insbesondere eines Piezoaktors - Google Patents

Abstract

Auf mindestens zwei Oberflächenbereichen des Bauelementes wird jeweils eine flächenhafte Außenmetallisierung durch Siebdruck einer metall-, insbesondere silberhaltigen Einbrennpaste und anschließendes Einbrennen erzeugt. Dazu wird in einem ersten Siebdruckvorgang eine erste, in ihrer Zusammensetzung auf Haftfestigkeit am Bauelement optimierte Einbrennpaste aufgebracht und danach, in mindestens einem weiteren Siebdruckvorgang, mindestens eine weitere, in ihrer Zusammensetzung insbesondere auf Lötbarkeit optimierte Einbrennpaste aufgebracht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Außenkontaktierung eines elektrokeramischen Bauelementes, bei dem auf mindestens zwei Oberflächenbereichen des Bauelementes jeweils eine flächenhafte Außenmetallisierung durch Siebdruck einer metall-, insbesondere silberhaltigen Einbrennpaste und anschließendes Einbrennen erzeugt wird.

Keramische elektrische Bauelemente, insbesondere in Viel­ schichtbauweise, wie Kondensatoren, Varistoren, Thermistoren oder Piezoaktoren, sollen zunehmend höhere Anforderungen an ihre Außenkontaktierung, also an ihre Lötflächen, erfüllen. Diese Lötflächen, die grundsätzlich auch aufgedampft oder ge­ sputtert werden können, werden heute üblicherweise mit Hilfe von Einbrennsilberpräparaten erzeugt. Diese bestehen aus Me­ tallpulver, speziellen Glasfritten und organischen Zusätzen und werden meistens in Siebdrucktechnik auf die Bauelemente aufgebracht, obwohl das Aufbringen auch mittels Tauch- oder Spritzverfahren erfolgen könnte. Neben der Erfüllung der elektrischen und geometrischen Bedingungen und neben der ge­ forderten Ablegierbeständigkeit sollen die Lötflächen vor al­ lem die grundlegenden Forderungen nach guter Benetzbarkeit bzw. Lötbarkeit sowie einer guten Haftung am Bauelement ge­ währleisten.

Die gleichzeitige Erfüllung der beiden letztgenannten Forde­ rungen scheint nicht ohne weiteres möglich zu sein, da bei vielen der handelsüblichen Dickschicht-Metallisierungspasten hinsichtlich ihrer Eigenschaften eine Konkurrenz zwischen den Anforderungen Haftfestigkeit und Lötbarkeit besteht, d. h. sehr haftfeste Pasten sind oft nur noch schlecht lötbar.

Besonderes Gewicht erhält die genannte Problematik im Zusam­ menhang mit der Herstellung von Außenkontaktierungen für Pie­ zoaktoren in Vielschichtbauweise. Letztere sind beispielswei­ se in der DE 196 46 676 C1 ausführlich beschrieben. Bei der­ artigen Piezokeramiken wird der Effekt ausgenutzt, daß diese sich unter einem mechanischen Druck bzw. Zug aufladen und an­ dererseits bei Anlegen einer elektrischen Spannung entlang der Hauptachse der Keramikschicht ausdehnen. Zur Vervielfa­ chung der nutzbaren Längenausdehnung werden monolithische Vielschichtaktoren verwendet, die aus einem gesinterten Sta­ pel dünner Folien aus Piezokeramik (z. B. Bleizirkonattitanat) mit eingelagerten metallischen Innenelektroden bestehen. Die Innenelektroden sind wechselseitig aus dem Stapel herausge­ führt und über Außenelektroden elektrisch parallel geschal­ tet. Auf den beiden Kontaktseiten des bis zu ca. 40 mm hohen Stapels ist hierzu jeweils eine streifen- oder bandförmige, durchgehende Außenmetallisierung aufgebracht, die mit allen Innenelektroden gleicher Polarität verbunden ist. Zwischen Außenmetallisierung und elektrischen Anschlüssen wird häufig noch eine in vielen Formen ausführbare Weiterkontaktierung, z. B. ein Cu-kaschierter Kaptonfolienstreifen, aufgebracht. Legt man eine elektrische Spannung an die Außenkontaktierung, so dehnen sich die Piezofolien in Feldrichtung aus. Durch die mechanische Serienschaltung der einzelnen Piezofolien wird die Nenndehnung des gesamten Stapels schon bei niedrigen elektrischen Spannungen erreicht.

Derartige Aktoren sind durch den mechanischen Hub einer er­ heblichen Belastung ausgesetzt. Trotzdem muß beispielsweise für die Anwendung dieser Bauteile in neu entwickelten Common- Rail-Einspritz-Systemen für Pkw-Dieselmotoren eine besonders zuverlässige und haltbare elektrische Kontaktierung sicherge­ stellt werden. Die genannte Problematik der Konkurrenz zwi­ schen auf Haftfestigkeit bzw. Lötbarkeit optimierte Pasten wird noch dadurch verschärft, daß gerade für Vielschichtakto­ ren erhebliche Schichtdicken der Außenmetallisierungsbahn von ca. 20 bis 50 µm wünschenswert sind. Derartige Schichtdicken sind bekanntlich vorteilhaft hinsichtlich der Stromtrag­ fähgkeit, der Wärmeleitfähigkeit, des Abbaus von mechanischen Spannungen und als Schutz vor Ablegierung beim Löten. Je grö­ ßer jedoch die Schichtdicke der Metallisierungsbahn wird, um­ so mehr Glasfritte wird nicht für den Haftungsaufbau unmit­ telbar am Interface Keramik-Metall benötigt. Dieser Überschuß an Glasfritte sammelt sich bevorzugt auf der freien Oberseite der Außenmetallisierung an, bildet dort schlimmstenfalls eine durchgängige Glasschicht und führt so zu einer drastisch ver­ ringerten Benetzbarkeit und damit auch Lötbarkeit der Außen­ metallisierung. Wird jedoch zur Erzielung guter Löteigen­ schaften der Frittegehalt der Dickschicht-Metallisierungs­ paste insgesamt herabgesetzt, so ist an den getesteten Proben ein deutlicher Rückgang der Haftfestigkeit zu beobachten. Im Übrigen sind Metallisierungsbahnen mit 20-50 µm Schichtdicke durch einen einmaligen Siebdruckvorgang im Allgemeinen nur mit Abstrichen bei der Qualität erzeugbar.

Aus der DE 197 53 930 und aus der DE 196 46 670 sind Vor­ schläge bekannt, die Rißbildung bei Außenelektroden von Pie­ zoaktoren durch Verwendung elastischer und in Längsrichtung dehnbarer Metallisierungsstreifen unschädlich zu machen. Aus der DE 34 35 807 ist eine Metallisierung für keramische Pie­ zowandler bekannt, bei der die Haftung zwischen einer galva­ nisch verstärkten Nickelschicht und einer darauf aufgebrach­ ten Goldkontaktschicht durch teilweises Absputtern der Nic­ kelscicht und Verwendung einer Haftvermittlerschicht aus Chrom oder Titan verbessert wird. Aus der JP-A-6232466 sind zweischichtige Silber-Pasten-Elektroden für Piezoaktoren be­ kannt.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein hinsichtlich der geschilderten Problematik verbessertes Verfahren der eingangs genannten Art insbesondere für Piezoaktoren bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel bei einem Verfahren der ein­ gangs genannten Art dadurch erreicht, daß in einem ersten Siebdruckvorgang eine erste, in ihrer Zusammensetzung auf Haftfestigkeit am Bauelement optimierte Einbrennpaste in ei­ ner Schichtdicke im eingebrannten Zustand von ca. 2 bis 10 µm aufgebracht und danach, in mindestens einem weiteren Sieb­ druckvorgang, mindestens eine weitere, in ihrer Zusammenset­ zung auf gute Lötbarkeit optimierte Einbrennpaste aufgebracht wird, wobei die erste Einbrennpaste einen höheren Glasfrit­ tenanteil als die zweite Einbrennpaste aufweist, so daß sich bezüglich des Glasfrittenanteils ein Gradient in der Außen­ kontaktierung ergibt und wobei für alle verwendeten Einbrenn­ pasten eine im Wesentlichen gleiche chemische Zusammensetzung der jeweiligen Glasfritten gewählt wird.

Zur Erzielung ausreichend dicker und haftfähiger Metallisie­ rungsbahnen werden erfindungsgemäß also mindestens zwei Sieb­ druckvorgänge durchgeführt, jedoch mit jeweils unterschied­ lich zusammengesetzten Dickschicht-Metallisierungspasten, als deren Metallanteil üblicherweise Silber oder Silber-Palladium gewählt wird. Dabei kann auf zwei unterschiedliche Arten vor­ gegangen werden:

• 1. A): die zweite Bedruckung wird direkt auf die nur getrocknete erste Bedruckungsbahn ausgeführt. Anschließend werden die beiden Einbrennpasten in einem gemeinsamen Zyklus einge­ brannt.
• 2. B): die erste Bedruckung wird eingebrannt, dann die zweite Bedruckung ausgeführt und wiederum eingebrannt.

Für die erste Bedruckung wird erfindungsgemäß eine sehr haft­ feste Dickschicht-Metallisierungspaste ausgewählt. Der demge­ mäß erhöhte Glasfritteanteil dieser Paste wird entsprechend angepaßt, ohne auf die Lötbarkeit Rücksicht zu nehmen. Die Schichtdicke dieser Metallisierungsbahn liegt im eingebrann­ ten Zustand typischerweise bei nur 2-10 µm. Die Wahl der Zu­ sammensetzung der weiteren Pasten kann im Hinblick auf ge­ wünschte Eigenschaften optimiert werden, wobei insbesondere die oberste Einbrennpaste auf Lötbarkeit optimiert wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu ent­ nehmen.

Im einzelnen kann so vorgegangen werden, daß auf die erste Bedruckung ein oder mehrere Siebdruckvorgänge mit einer oder mehreren Pasten folgen, die gegenüber der ersten Dickschicht­ paste eine sehr gute Lötbarkeit bei vernachlässigbaren, also relativ schlechten, Haftungseigenschaften aufweisen. Bei Va­ riante B) können diese Pasten vorteilhafterweise eine niedri­ gere Einbrenntemperatur gegenüber der ersten Paste besitzen, um unerwünschte Reaktionen zwischen den verschiedenen Glas­ fritten sowie weitergehende Reaktionen am Interface Keramik- Ag zu vermindern. Sehr günstig in dieser Hinsicht ist es, wenn die chemische Zusammensetzung der Glasfritten für alle verwendeten Pasten sehr ähnlich ist.

Bei mehr als zwei Siebdruckvorgängen ist für Variante B) so zu verfahren, daß nach Bedruckung und Einbrand der ersten, gut haftenden Schicht bei höherer Temperatur zwei oder mehr Bedruckungen mit Zwischentrocknung und anschließendem Ein­ brand bei niedrigerer Temperatur durchgeführt werden. Der Temperaturbereich für die Einbrände liegt, wie üblich, typi­ scherweise bei 600-800°C.

Mit diesem Mehrschicht- oder Gradientenaufbau der Außenmetal­ lisierung wird sichergestellt, daß den beiden Forderungen nach ausgezeichneter Haftfestigkeit sowie sehr guter Lötbar­ keit weitgehend unabhängig voneinander optimal nachgekommen werden kann, insbesondere mit Blick auf die eingangs erwähnte Anwendung im Kfz-Bereich. Die Auswahl an in Frage kommenden Dickschicht-Metallisierungssystemen wird deutlich erhöht, ei­ ne Anpassung an Prozessvariationen wesentlich erleichtert.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung einer Außenkontaktierung eines elektrokeramischen Bauelementes, bei dem auf mindestens zwei Oberflächenbereichen des Bauelementes jeweils eine flächenhafte Außenmetallisierung durch Siebdruck einer metall-, insbesondere silberhaltigen Einbrennpaste und anschließendes Einbrennen erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Siebdruckvorgang eine erste, in ihrer Zusammensetzung auf Haftfestigkeit am Bauelement optimierte Einbrennpaste in einer Schichtdicke im eingebrannten Zustand von ca. 2 bis 10 µm aufgebracht und danach, in mindestens einem weiteren Siebdruckvorgang, mindestens eine weitere, in ihrer Zusammensetzung auf gute Lötbarkeit optimierte Einbrennpaste aufgebracht wird, wobei die erste Einbrennpaste einen höheren Glasfrittenanteil als die zweite Einbrennpaste aufweist, so daß sich bezüglich des Glasfrittenanteils ein Gradient in der Außenkontaktierung ergibt und wobei für alle verwendeten Einbrennpasten eine im Wesentlichen gleiche chemische Zusammensetzung der jeweiligen Glasfritten gewählt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die erste Bedruckung eingebrannt, dann eine zweite Bedruckung aufgebracht und wiederum eingebrannt wird, wobei die zweite Einbrennpaste eine niedrigere Einbrenntemperatur gegenüber der ersten Einbrennpaste aufweist und dementsprechend bei niedrigerer Temperatur eingebrannt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die zweite und weitere Einbrennpasten nach dem Einbrennen der ersten Bedruckung in getrennten Siebdruckvorgängen mit Zwischentrocknungsschritten aufgebracht und gemeinsam eingebrannt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

• - bei dem die Außenmetallisierungen auf einem Piezoaktor in Vielschichtbauweise aufgebracht wird,
• - bei dem piezoelektrische Keramikschichten und Elektrodenschichten alternierend übereinander angeordnet und zu einem monolithischen Verbund verbunden werden, und
• - bei dem die Außenmetallisierungen in Form von zumindest zwei Metallisierungsstreifen seitlich am Stapel aufgebracht werden, um die Elektrodenschichten in alternierender Polarität elektrisch zu kontaktieren.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem zur Herstellung der Außenkontaktierung die Metallisierungsstreifen jeweils mit einer Weiterkontaktierung verbunden werden.