WO2020207743A1 - Keramisches bauelement und verfahren zur herstellung des keramischen bauelements - Google Patents

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Yongli Wang
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Definitions

  • the present invention relates to a ceramic component having a ceramic base body and at least one metallization which is attached to an outer surface of the ceramic base body.
  • the invention also relates to a method for producing the ceramic component.
  • Ceramic components are widespread components in industrial production.
  • the ceramic components usually have metallizations, for example for electrical contacting.
  • Metallizations have a negative influence on the ceramic base body of the ceramic component.
  • the object of the present invention is therefore to provide a
  • the ceramic base body and at least one metallization which is attached to an outer surface of the ceramic base body, provided.
  • the metallization contains Lithium vanadium phosphate with the general empirical formula Li x Vy (PC> 4) z and copper.
  • glass can also be used in the
  • A is the amount of copper
  • b is the amount of lithium vanadium phosphate
  • c is the amount of glass that is contained in the metallization and the following applies:
  • x is the amount of lithium
  • y is the amount of vanadium
  • z is the amount of phosphate in the
  • Lithium vanadium phosphate is and the following applies:
  • Lithium vanadium phosphate with the general formula Li x Vy (P04) z and copper and glass or lithium vanadium phosphate with the general formula Li x Vy (P04) z and copper are used as starting materials, whereby in general
  • the metallization can be produced by applying and baking a metal-containing paste, the metal-containing paste containing copper and lithium vanadium phosphate.
  • the metal-containing paste can also optionally contain glass.
  • the ceramic component can be a ceramic battery. Furthermore, the metallization can serve as a connection surface for making electrical contact with the ceramic component.
  • the composition of the metallization is optimally matched to the composition of the ceramic base body of the ceramic component.
  • the proportion of copper in the metallization ensures that the metallization is electrically conductive, which enables the ceramic component to be built into electronic components.
  • the proportion of lithium vanadium phosphate in the metallization ensures sufficient adhesion of the metallization to the
  • the lithium vanadium phosphate does not interact in a negative way with the ceramic base body, which leads to negative
  • the metallization can have at least one cover layer, which is at least copper and / or nickel and / or Contains tin.
  • the ceramic component can be soldered as a surface mounted device through this cover layer. As a result, the ceramic component can be integrated into conventional production processes for electronic components, whereby the
  • a method for producing the ceramic component can include the following sub-steps:
  • Component can have the following sub-steps:
  • metal-containing paste is already applied to the green body and is sintered together with the green body. Sintering turns the green body into a ceramic one Base body and the metallization from the metal-containing paste. This can be an additional
  • Burn-in step to burn in the metal-containing paste can be saved. This enables a reduction in the cost of manufacturing the ceramic component.
  • a paste can be applied to the ceramic base body as a metal-containing paste that contains copper,
  • the paste can also contain glass. If a is the proportion of copper, b is the proportion of
  • the proportion by weight of copper is 56 wt% and the proportion by weight of lithium vanadium phosphate is 12.5% by weight, the paste not containing any glass. Furthermore, the proportion of binder and solvents is 31.5 wt%. The sum of all proportions is 100 wt%.
  • ceramic component at least one of the thermal processes, which is selected from a group comprising
  • Sintering and baking can be carried out in a reducing atmosphere.
  • a reducing atmosphere is to be understood as an atmosphere that is one
  • At least one can be applied to the metallization
  • Top layer the copper and / or nickel and / or tin
  • the application of the top layer can be galvanic, chemical or physical
  • the invention is based on a
  • FIG. 1 shows a ceramic component having a ceramic base body and metallizations on outer surfaces of the ceramic base body.
  • Figure 1 shows a ceramic component having a ceramic base body 1 and two metallizations 2, which are on two opposite outer surfaces 1 'of the ceramic
  • the component is a ceramic battery.
  • a ceramic battery For the production of the ceramic component a
  • Green body (not shown) provided, in which the edges are rounded. Then a
  • metal-containing paste containing 56 wt% copper, 12.5 wt%
  • the green body (not shown) on which the metal-containing paste is applied is then sintered. The sintering results in the ceramic base body 1 of the ceramic component and the two metallizations 2, which each contain copper and lithium vanadium phosphate.
  • Copper ensures the electrical conductivity of the metallization.
  • the lithium vanadium phosphate ensures adequate adhesion of the metallization to the ceramic base body
  • Lithium vanadium phosphate does not result in any negative effects on the ceramic base body 1.
  • Methods of manufacturing the ceramic component can vary.

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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 < x, 0 < y, 0 < z. Weiterhin werden Verfahren zur Herstellung des keramischen Bauelements bereitgestellt.

Description

Beschreibung
Keramisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung des keramischen Bauelements
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 LixVy(PC>4)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 wt% < a d 99 wt%,
1 wt% < b d 30 wt% ,
0 wt% < c d 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 < x
0 < y
0 < z .
In einer weiteren Ausführungsform der Metallisierung wurden für die Herstellung der Metallisierung
Lithiumvanadiumphosphat mit der allgemeinen Summenformel LixVy(P04)z und Kupfer und Glas oder Lithiumvanadiumphosphat mit der allgemeinen Summenformel LixVy(P04)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:
0,5 < x < 4,5,
1.8 < y < 2,2,
2.8 < z < 3,2.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Metallisierung wurden für die Herstellung der Metallisierung
Lithiumvanadiumphosphat mit der Summenformel Li3V2(P04)3 und Kupfer und Glas oder Lithiumvanadiumphosphat mit der Summenformel LigVgiPO^g 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 wt% < a d 90 wt%,
1 wt% < b d 30 wt% ,
0 wt% < c d 20 wt% ,
9 wt% < d d 60 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 .
Figur 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 .
Figur 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

Patentansprüche
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 LixVy(PC>4)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 wt% < a d 99 wt%,
1 wt% < b d 30 wt% ,
0 wt% < c d 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 < x
0 < y
0 < z .
2. Keramisches Bauelement nach Anspruch 1,
wobei für die Herstellung der Metallisierung
Lithiumvanadiumphosphat mit der allgemeinen Summenformel LixVy(PC>4)z und Kupfer und Glas oder Lithiumvanadiumphosphat mit der allgemeinen Summenformel LixVy(P04)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: 0,5 < x < 4,5,
1,8 < y < 2,2, 2,8 < z < 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 wt% < a d 90 wt%,
1 wt% < b d 30 wt% ,
0 wt% < c d 20 wt% ,
9 wt% < d d 60 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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