WO2024046918A1 - Monolithisches funktionskeramikelement und verfahren zur herstellung einer kontaktierung für eine funktionskeramik - Google Patents

Monolithisches funktionskeramikelement und verfahren zur herstellung einer kontaktierung für eine funktionskeramik Download PDF

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WO2024046918A1
WO2024046918A1 PCT/EP2023/073414 EP2023073414W WO2024046918A1 WO 2024046918 A1 WO2024046918 A1 WO 2024046918A1 EP 2023073414 W EP2023073414 W EP 2023073414W WO 2024046918 A1 WO2024046918 A1 WO 2024046918A1
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WO
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ceramic
functional ceramic
functional
monolithic
layer
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Application number
PCT/EP2023/073414
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Inventor
Stephan Bigl
Daniel Bretterklieber
Michael Krenn
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Tdk Electronics Ag
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    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H05B1/0227—Applications
    • H05B1/0288—Applications for non specified applications
    • H05B1/0294—Planar elements

Definitions

  • the present invention relates to a functional ceramic element, a method for producing a contact on a functional ceramic and the use of the element in a heating module.
  • Such heating modules are increasingly being used as heating registers in electric vehicles. Such use requires that the register be operated directly with the high-voltage battery (typically 200 - 800 V). The insulation strength must therefore be designed accordingly.
  • PTC elements are usually electrically contacted on two opposite sides using a conductor track.
  • the conductor track is supported by a substrate, which couples out the resulting heat on the other side.
  • the heat output that can be extracted depends heavily on the thermal path through the layer structure described above. Heat must travel from the point of origin (the PTC) via the contact and through the substrate to the extraction surface.
  • the PTC point of origin
  • Thermal and electrical considerations for optimizing the heating element are often subject to opposing arguments, ie state-of-the-art designs are compromise solutions between power density, thermal agility and insulation capacity or robustness and reliability.
  • the PTC element itself acts as a heat source when Joule heat is generated by current. However, this is not generated homogeneously in the material, but depending on the geometry and possible material inhomogeneities, the electric field distribution in the component can cause a temperature gradient.
  • the heat, starting from hotspots, must first reach the surface of the elements before it can be transported further. This can happen very slowly and sluggishly due to the relatively poor thermal conductivity of the PTC ceramic (usually ⁇ 5 W/mK).
  • the document DE 11 2017 006 124 T5 describes a corresponding electrical heating device according to the prior art with insulation layers between conductor tracks and cooling lame 11.
  • the document EP 1 182 908 A1 describes a similar PTC heating device with at least one PTC element and two contact plates that contact the PTC element.
  • a metal foil is provided, which is coated on both sides with adhesive. Isolation of the contact plates is not provided here.
  • One object of the present invention is to provide an improved functional ceramic element that can also be used in a heating module.
  • the present invention relates to a method for producing a contact with a functional ceramic, in particular a PTC ceramic or a method for producing a functional ceramic element, in particular a, preferably monolithic, thermistor element.
  • the method includes at least the steps described below.
  • a functional ceramic is provided.
  • the ceramic referred to below as functional ceramic is preferably a thermistor ceramic and even more preferably a PTC ceramic.
  • the functional or PTC ceramic can be provided in green state or sintered state.
  • the functional ceramic is preferably provided as a film in the green state, with the film having a small film thickness compared to the film surface. Only when sintered does the functional ceramic exhibit its desired functionality.
  • a green ceramic is also referred to as a functional ceramic, which only has functionality in the sintered state. The same applies to a PTC ceramic.
  • the functional ceramic can be any suitable
  • metal paste is applied to two opposing surfaces of the functional ceramic.
  • the metal paste is preferably applied with a thickness of a few micrometers or a few 100 nanometers.
  • the metal paste preferably comprises an electrically conductive metal such as nickel, cobalt, copper, silver, another noble metal or a metal alloy in powder form. Furthermore, the metal paste includes, for example, suitable suspending agents.
  • the metal paste can in particular not be applied flatly, but in a form that can be converted into comb-shaped metal structures by a sintering step.
  • the metal paste can be applied in particular in a comb structure.
  • the two comb structures are preferably applied to the opposite surfaces in such a way that the comb structures do not lie on top of one another, but are arranged offset.
  • the comb structures each include a continuous section as the main strand and sections branching off from it as secondary strands.
  • the metal paste can be applied, for example, by (screen) printing or by sputtering.
  • ceramic substrate green films are applied and laminated to the two opposite surfaces of the functional ceramic.
  • the ceramic substrate green films can comprise a similar ceramic material as the functional ceramic or another ceramic material.
  • the ceramic material which is formed from the ceramic substrate green sheets after sintering, is preferably electrically insulating and has good thermal conductivity.
  • the ceramic substrate green films are applied in such a way that they preferably cover the entire surface of the functional ceramic and the metal paste applied thereto.
  • the ceramic substrate green films are applied directly to the surface of the functional ceramic or applied to the metal paste applied thereon.
  • a layer stack which comprises the two ceramic substrate green films which enclose the functional ceramic in a sandwich-like structure. Structures made of metal paste are also arranged between the functional ceramic and the ceramic substrate green films, which serve to produce electrical contact with the functional ceramic.
  • the layer stack is sintered together to form the functional ceramic element. In a preferred embodiment, this is
  • Monolithic functional ceramic element “Monolithic” means that the functional ceramic element does not consist of different, individual elements, but of a single element. This means that no (sub-)elements need to be mechanically connected or glued.
  • the functional ceramic element is a monolithic thermistor element.
  • the functional ceramic element is preferably a thermistor element with a thermistor functionality.
  • the functional ceramic is then a ceramic with thermistor properties, in particular an NTC or preferably a PTC ceramic.
  • the monolithic functional ceramic element is formed by jointly sintering the functional ceramic to form a functional ceramic layer, the ceramic substrate green films to form electrically insulating ceramic layers and the metal paste to form electrically conductive metal structures.
  • the functional ceramic element formed in this way therefore includes the functional ceramic layer, the electrically insulating ceramic layers and the electrically conductive metal structures.
  • defects that arise when assembling a functional ceramic element from different sub-elements can be avoided. For example, cavities that can arise during bonding can be avoided. Furthermore, leakage or smearing of glue can be avoided. Furthermore, an incomplete connection between separate functional ceramic elements and insulating ceramic elements can be avoided.
  • the stability and time stability of the functional ceramic element can be increased.
  • the heat coupling between the individual layers is improved, so that when a functional ceramic layer designed as a thermistor layer is heated by applying an electrical voltage, the resulting heat can be easily released to the outside via the electrically insulating ceramic layers.
  • the ceramic layers are preferably made thin.
  • a functional ceramic film can contain several conventional functional ceramic stones, e.g. B. Replace PTC stones, each with significantly smaller surface dimensions.
  • the thin films also allow the formation of a homogeneous electric field even without a surface application of the electrically conductive structures and thus, in the case of a thermistor element, homogeneous heating of the thermistor element.
  • the functional ceramic element can still be easily produced using existing automated processes for producing multilayer ceramic elements.
  • the electrically conductive metal structures can be electrically contacted to the outside.
  • recesses are provided in the electrically insulating ceramic layers.
  • the recesses can be formed, for example, by incompletely covering the metal structures with ceramic foils or by later removing ceramic material.
  • the metal structures can then be electrically contacted, for example with wires.
  • the wires are, for example, soldered to the metal structures.
  • the metal structures can be electrically contacted, for example by means of clamping contacts. Other suitable contacting methods are also possible.
  • the metal structures preferably do not extend to the edge of the ceramic layers in order to form an area on the edges of the functional ceramic element which is not subjected to an electrical voltage even during operation.
  • the functional ceramic is provided in one embodiment as a functional ceramic film in the green state.
  • the functional ceramic is provided in particular as a film in the green state and the metal paste and the ceramic substrate green films are applied directly to the functional ceramic film in the green state. Preferably no further processing steps are carried out between the steps mentioned.
  • functional ceramic is provided as a film in the green state and the green functional ceramic is first sintered to form a functional ceramic layer. The metal paste and the ceramic substrate green films are then applied to the functional ceramic layer in the sintered state.
  • the functional ceramic is provided as a green film and sintered at high temperatures above 1000 ° C, preferably above 1300 ° C, before applying the metal paste and the ceramic substrate green films To form a functional ceramic layer.
  • the functional ceramic then preferably comprises an HTCC (high temperature cofired ceramics) ceramic material.
  • the metal paste Before sintering, the metal paste is preferably dried at an elevated temperature in order to evaporate a suspending agent or solvent.
  • the functional ceramic is provided in the sintered state.
  • the ceramic substrate green films preferably comprise an LTCC (low temperature cofired ceramics) ceramic material.
  • the subsequent joint sintering is preferably carried out at a lower temperature below 1000 ° C, preferably below 800 ° C.
  • the metal paste and the ceramic substrate green films are applied to the functional ceramic in the green state provided as a film in the green state.
  • the layer stack formed in this way is then sintered together.
  • the joint sintering is preferably carried out at a high temperature above 1000 ° C, preferably above 1300 ° C.
  • both the functional ceramic and the further ceramic layers preferably comprise an HTCC ceramic.
  • the ceramics can be sintered at the same temperature.
  • the creation of mechanical stresses during sintering can be reduced or avoided.
  • the functional ceramic film and the ceramic substrate green films have essentially the same composition.
  • the composition of the functional ceramic film and the ceramic substrate green films preferably only differs in the proportion of dopants in the composition.
  • dopants can be, for example, yttrium or manganese.
  • the electrical resistance of the ceramic material can be increased by a higher proportion of the dopants mentioned and an electrically insulating ceramic material can thus be provided.
  • the functional ceramic film and the ceramic substrate green films have the same ceramic base material, with the PTC functionality or the substrate function being adjusted via the choice of dopants and/or the concentration of the dopants is defined.
  • the formation of mechanical stresses during sintering can be reduced or reduced be avoided .
  • the thermal coupling between individual layers is improved by selecting similar materials.
  • the functional ceramic films are separated, for example, by cutting or punching.
  • Each individual functional ceramic film preferably has a rectangular shape with a dimension of at least 3 cm x 10 cm.
  • the thickness of the film is preferably a maximum of 150 pm.
  • the dimensions of the functional ceramic layer are then smaller in accordance with the usual sintering shrinkage.
  • the invention further relates to a monolithic functional ceramic element, in particular a monolithic thermistor element.
  • the functional ceramic element is preferably manufactured using the method described above. All features and embodiments that have been described in relation to the method can also apply to the functional ceramic element.
  • the functional ceramic element can be a thermistor element in all embodiments and exemplary embodiments.
  • the invention also relates to a monolithic functional ceramic element, preferably a monolithic thermistor element, which comprises at least the following layers which are laminated in a stacking direction perpendicular to an outer surface of the monolithic functional ceramic element.
  • the monolithic functional ceramic element comprises, on the one hand, a functional ceramic layer, preferably a PTC ceramic layer, with two opposing surfaces.
  • the monolithic functional ceramic element comprises two, electrically conductive metal structures with different polarities in the operating state, which are arranged in direct contact on one of the opposite surfaces of the functional ceramic layer.
  • direct contact here is that the electrically conductive metal structures rest directly on the surfaces of the functional ceramic layer and no further intermediate structures are formed.
  • the electrically conductive metal structures are also electrically connected to the electrically conductive functional ceramic layer. This means that an electric field can be applied to the functional ceramic layer via the electrically conductive metal structures. an electrical voltage can be applied.
  • the functional ceramic element comprises two electrically insulating ceramic layers, each of which is arranged on one of the opposite surfaces of the functional ceramic layer and the metal structures arranged thereon. The electrically insulating ceramic layers lie directly on the surface of the functional ceramic layer or of the metal structures.
  • the functional ceramic layer comprises or consists of an HTCC ceramic and the electrically insulating ceramic layers comprise or consist of an LTCC ceramic.
  • the electrically insulating ceramic layers in this embodiment preferably comprise an aluminum oxide ceramic.
  • the electrically insulating ceramic layers should also be good thermal conductors and consist of a material that has high thermal conductivity.
  • the functional ceramic layer and the electrically insulating ceramic layers each comprise or consist of an HTCC ceramic.
  • the functional ceramic layer and the electrically insulating ceramic layers then preferably have essentially the same ceramic composition.
  • the ceramics differ in one embodiment.
  • composition of the functional ceramic layer and the electrically insulating ceramic layers only by the proportion of dopants in the ceramic composition.
  • Such a functional ceramic element has a particularly high heat coupling between the individual layers, which is advantageous, for example, for use as a thermistor element in a heating module.
  • the functional ceramic layer comprises a barium titanate ceramic, which can further contain, for example, a strontium compound such as strontium oxide and/or a lead compound such as lead oxide and a dopant such as yttrium or manganese.
  • the functional ceramic layer has a maximum layer thickness of 150 ⁇ m.
  • the functional ceramic layer preferably has a smaller layer thickness of a maximum of 100 pm or maximum 50 pm.
  • the layer thickness should be at least 40 pm.
  • a homogeneous electric field can easily be generated in such a thin layer. Even with non-flat metal structures, for example in the form of a comb, it is possible to apply an electric field that is formed evenly in the entire area of the functional ceramic layer covered by the metal structures.
  • the electrically insulating ceramic layers have a maximum layer thickness of 200 ⁇ m.
  • the insulating ceramic layers preferably cover the entire functional ceramic layer along the two opposite surfaces. Due to the thin design of the layers can be the dimension of the entire
  • the thin insulating ceramic layers also enable good heat conduction to the outside of the functional ceramic element.
  • the functional ceramic element has a thickness of a maximum of 800 pm, preferably 500 pm, even more preferably 400 pm in a stacking direction of the layers mentioned.
  • the electrically conductive metal structures are formed in a comb structure.
  • the comb structures each include a continuous section and several sections branching off from the continuous section.
  • the electrically conductive metal structures are preferably not arranged one above the other in the stacking direction, so that during operation all line paths in the functional ceramic layer, via which electrical current is conducted through the functional ceramic layer, run diagonally. Despite the small thickness of the functional ceramic layer, a minimal conduction path through the layer of preferably at least 4 mm can be provided.
  • the minimum conduction path i.e. the shortest path on which current can flow between two metal structures with different polarities during operation, is preferably pronounced in the functional ceramic layer between two branching sections of one of the electrically conductive metal structures.
  • the maximum current flow can also be reduced when a certain electrical voltage is applied to the ceramic layer. This means, for example, that the energy consumption of a connected battery can be reduced. Furthermore, inrush current peaks that are for the battery or represent a high load for connected switching electronics, can be reduced.
  • the present invention further relates to a heating module that includes one or more of the previously described monolithic thermistor elements.
  • the described improved heat coupling, heat conduction and heat transfer properties of the monolithic thermistor element can increase the efficiency of the heating module.
  • the heating module is, for example, a lamella heating module, which comprises several of the monolithic thermistor elements described, on the surfaces of which lamellas are applied, which are formed by one Heat fluid flows through.
  • the thermal fluid is heated during operation by the thermistor elements.
  • a corresponding heating module can be used, for example, in the automotive sector and should preferably have a heat output of at least 5 kilowatts.
  • Figure 1 Schematic representation of the manufacturing process of a first exemplary embodiment of a monolithic thermistor element.
  • Figure 2 Cross section through a first exemplary embodiment of the monolithic thermistor element with the minimum line path shown.
  • Figure 3 Microscopic image of a section in the edge area of the first exemplary embodiment of the monolithic thermistor element.
  • Figure 4 Microscopic image of a cross section through a second exemplary embodiment of a monolithic thermistor element.
  • Figure 5 Top view of an exemplary embodiment of the monolithic thermistor element with external contacting by wires.
  • Figure 6 Change in the cold resistance of a PTC ceramic layer of an exemplary thermistor element according to the invention as a function of the number of cycles. In each cycle, 450 volts DC is applied to the thermistor element for 5 seconds and then cooled for 30 seconds.
  • FIG. 7 Switch-on current curve of the exemplary thermistor element according to the invention.
  • the current flow I through a PTC ceramic layer is shown when a direct voltage U of 450 volts is applied as a function of the time t from switching on.
  • Figure 8 Photograph of a heating module comprising monolithic thermistor elements.
  • FIG. 1 shows the production of a first exemplary embodiment of a functional ceramic element according to the invention.
  • a functional ceramic element according to the invention.
  • it is in particular a monolithic thermistor element 100.
  • a PTC ceramic film 1 is used
  • the expansion of the Large PTC ceramic film 1 is, for example, 4 inches x 4 inches. Alternatively, the expansion can be any other, preferably larger, dimension.
  • the thickness of the PTC ceramic film 1 is between 40 and 250 micrometers, preferably between 50 and 150 micrometers, even more preferably less than 100 micrometers.
  • PTC ceramic films 2 with a smaller expansion can be separated from the large PTC ceramic film 1 provided.
  • the individual PTC ceramic films 2 are punched or cut out of the large PTC ceramic film 1, for example.
  • three PTC ceramic films 2 are separated from the exemplary large PTC ceramic film 1 with an area of 4 inches x 4 inches.
  • the isolated PTC ceramic films 2 preferably have a rectangular shape with an extension of approx. 3 cm x 10 cm on .
  • the PTC ceramic films 2 can also have dimensions larger than 3 cm x 10 cm.
  • the PTC ceramic films 2 produced in this way have a significantly larger surface area and a smaller thickness compared to conventionally used PTC ceramic stones.
  • a monolithic thermistor element comprising a single PTC ceramic film 2 can be produced, while conventional processes use a large number of PTC ceramic bricks.
  • the thickness of the thermistor element can be reduced by using the thin PTC ceramic film 2.
  • the isolated PTC ceramic films 2 are sintered in a subsequent step.
  • the PTC ones are preferred Ceramic foils 2 for producing a desired one
  • Thermistor functionality sintered at a high temperature for example between 1240°C and 1320°C.
  • the expansion of the PTC ceramic film 2 is reduced by an amount typical of sintering shrinkage.
  • Sintering converts the green PTC ceramic film 2 into a sintered functional ceramic layer, namely a PTC ceramic layer 3.
  • the surface area of the PTC ceramic layer 3 is, for example, 26 mm x 78 mm and preferably not more than 3 mm x 9 mm.
  • Electrically conductive metal structures 5 are then applied to the sintered PTC ceramic layer 3.
  • a metal paste 4 is printed or sputtered onto the two opposite surfaces of the PTC ceramic layer 3.
  • the metal paste 4 is preferably applied in the form of a comb.
  • the metal paste 4 includes, for example, nickel, copper, aluminum, a noble metal or an alloy of individual metals mentioned.
  • the comb comprises a continuous section 6, essentially the main strand of the comb, from which several sections 7 branch off, preferably at a right angle, essentially the secondary strands of the comb.
  • the metal paste 4 is therefore not applied flatly to the surfaces.
  • the advantageous thin layer thickness of the PTC ceramic layer 3 according to the invention makes it possible in the operating state Formation of a uniform electric field in the PTC ceramic layer 3. In particular, this leads to electrical current being uniformly converted into thermal energy in the PTC ceramic layer 3 in the operating state.
  • the thermal energy is released into the environment via the additional ceramic layers 10, which preferably have good thermal conductivity.
  • the heat release to the environment is further promoted by the good heat coupling between the individual, jointly sintered layers of the monolithic thermistor element 100.
  • the two combs on the two surfaces of the PTC ceramic layer 3 are structured so that they do not lie on top of each other in a direction perpendicular to the surface of the PTC ceramic layer 3.
  • D. H . viewed from a direction from one of the surfaces of the PTC ceramic layer 3, in the theoretical case of a transparent PTC ceramic layer 3, both comb structures would be visible next to each other.
  • the main strands 6 of the combs are applied to different sides of the respective surfaces.
  • the branching sections 7 are each applied next to each other with recesses in between so that the sections 7 of the two combs do not lie on top of each other, but each point in the direction of the other comb structure.
  • the conduction path 8 in the PTC ceramic layer 3 is maximized as shown in Figure 2.
  • the line path 8 refers to the route over which an electrical current flows in the PTC system in the operating state. Ceramic layer 3 would cover.
  • the shortest line path 8 in the PTC ceramic layer 3 between two metal structures 5 should preferably be at least 4 mm. This shortest line path 8 is preferably formed between two adjacent branching sections 7, each of one of the two electrically conductive metal structures 5.
  • the minimum conduction path 8 described enables the application of high electrical voltages, for example in the range between 400 and 1000 volts, preferably in the range over 800 volts.
  • the applied metal paste 4 is then dried at a temperature of, for example, at least 180° C. over a period of, for example, at least 30 minutes.
  • a ceramic substrate green film 9 is applied to both surfaces of the PTC ceramic layer 3, each of which covers the entire surface of the PTC ceramic layer 3 and the metal paste 4 applied thereto.
  • the thickness of the structure made of metal paste 4 is compared to the thickness of the ceramic layers or - foils is negligible and is in the micrometer or sub-micrometer range.
  • the PTC ceramic layer 3 preferably comprises a high-temperature sintered HTCC ceramic
  • the further ceramic layers 10, which are formed from the ceramic substrate green films 9, preferably comprise an LTCC ceramic material that is sintered at comparatively lower temperatures.
  • the material of the PTC ceramic layer 3 is, for example, a barium titanate ceramic or a similar material, which can also include other metals such as lead or strontium. However, it is preferably a lead-free ceramic.
  • the ceramic of the PTC ceramic layer 3 is preferably doped with other elements such as yttrium and/or manganese.
  • the LTCC ceramic of the further ceramic layers 10 is, for example, an aluminum oxide ceramic or a similar material that is preferably good heat conductor but electrically insulating.
  • the ceramic substrate green films 9 preferably have a film thickness between 50 and 200 micrometers.
  • the entire layer stack is pressed and sintered together. Sintering is preferably carried out at low temperatures, for example between 850 and 950 ° C under an air atmosphere, so that the ceramic substrate green films 9 are converted into ceramic layers 10, which are electrically insulating, and the metal paste 4 into electrically conductive metal structures 5.
  • the lower sintering temperature during joint sintering ensures that the PTC ceramic layer 3 is not or hardly oxidized, so that the desired thermistor functionality is retained.
  • the process can be slightly modified.
  • All steps that are not described again in detail are carried out analogously to the previous procedure.
  • the PTC ceramic film 2 is not sintered before the metal paste 4 and the ceramic substrate green films 9 are applied. Rather, the metal paste 4 and the ceramic substrate green films 9 are applied to the non-sintered, green PTC ceramic film 2.
  • the ceramic substrate green films 9 have a similar material to PTC ceramic film 2.
  • the ceramic substrate green films 9 therefore, like the PTC ceramic film 2, comprise an HTCC ceramic.
  • the PTC ceramic film 2 and the ceramic substrate green films 9 preferably comprise essentially the same ceramic material, which only differs in the amount of doping elements added.
  • a suitable material would be, for example, a barium titanate ceramic that is provided with a boron nitrite sintering additive.
  • the thermistor functionality of the PTC ceramic layer 3 or The electrically insulating property of the further ceramic layers 10 is adjusted by the amount of doping with other elements such as yttrium and/or manganese.
  • two different HTCC ceramics can also be selected for the PTC ceramic film 2 and the ceramic substrate green films 9.
  • the entire stack comprising the foils 2 and 9 and the metal paste 4, is sintered together at a high temperature.
  • An exemplary sintering temperature is between 1000 and 1300 ° C.
  • the stack is sintered at 1150 °C.
  • the formed monolithic thermistor element 100 can be reoxidized by heating to 600 to 800 ° C under an air atmosphere to produce the thermistor functionality of the PTC ceramic layer 2.
  • FIG. 4 A scanning electron microscope image of a cross section through a correspondingly produced monolithic thermistor element 100 is shown in Figure 4.
  • wires 11, for example, can then be connected to the electrically conductive structures 5, as shown in Figure 5.
  • the wires 11 are soldered to a surface of the electrically conductive structures 5.
  • recesses 12 can be provided in the electrically insulating ceramic layers 10 or can be formed subsequently at appropriate locations by removing the ceramic material. These recesses 12 are preferably formed at corners or close to the corners of the monolithic thermistor element 100 .
  • the monolithic thermistor element 100 produced using the method described can be made significantly thinner than previously known thermistor elements. Due to the layer structure described and the joint sintering of the entire layer stack to form a monolithic element, additional assembly steps such as pressing and gluing individual components are no longer necessary. Through Eliminating these steps also avoids or minimizes possible assembly errors such as the creation of gaps or cavities between the individual elements.
  • the reliability of the thermistor element 100 in operation and the stability of its functionality over time can thus be increased.
  • the method described enables flexible production of thermistor elements 100 of different dimensions and with various desired electrical properties using established automated manufacturing processes from multilayer ceramic technology.
  • Figure 6 shows an example diagram of the cold resistance of the PTC ceramic layer 3 as a function of the number of switching cycles.
  • a direct voltage of 450 volts is applied to the PTC ceramic layer for 5 seconds and the current is then switched off and the thermistor element 100 is cooled for 30 seconds.
  • the cold resistance is measured in the cooled state.
  • the next switching cycle then begins.
  • the diagram shows that the cold resistance hardly depends on the number of switching cycles, so that the properties of the thermistor element 100 do not change, for example, due to the layers becoming detached.
  • the fluctuations shown are caused by the short cycle times, which prevent the establishment of thermal equilibrium.
  • Figure 7 shows another diagram showing the inrush current curve for a monolithic thermistor element 100 according to the invention.
  • the thermistor element with a room temperature resistance of about 25 kQ reaches a
  • the applied direct voltage of 450 volts reaches the maximum inrush current after about 50 ms (milliseconds). minimal electrical resistance.
  • the voltage curve is also shown in steps in the diagram.
  • the monolithic thermistor element 100 according to the invention is preferably used in a heating module 200.
  • the heating module 200 which is shown in FIG. 8, comprises several, for example six, thermistor elements 100.
  • Laminate structures 201 are then applied to the surface of the electrically insulating but highly heat-conducting ceramic layers 10, through which a fluid heating medium is guided.
  • the heating medium is heated as it flows through the lamellar structures 201 and can then release the heat to the areas to be heated.
  • Corresponding heating modules are used, for example, in the automotive sector to heat the passenger cell or in the electro-automotive sector to heat the battery to a uniform, desired temperature, for example 40 ° C. used.
  • the heating output of such a heating module 200 should preferably be at least 5 kilowatts.
  • the thermistor element 100 Due to the monolithic structure of the thermistor element 100, there are no special requirements such as a high mechanical driving force when assembling the heating module 200.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Kontaktierung für eine Funktionskeramik (3), umfassend die Schritte: Bereitstellen einer Funktionskeramik (2, 3), Aufbringen von Metallpaste (4) auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen der Funktionskeramik (2, 3), Laminieren von Keramiksubstrat-Grünfolien (9) auf den zwei gegenüberliegenden Oberflächen der Funktionskeramik (2, 3) auf der Metallpaste (4), gemeinsames Sintern der Funktionskeramik (2, 3), der Keramiksubstrat-Grünfolien (9) zur Bildung elektrisch isolierender Keramikschichten (10) und der Metallpaste (4) zur Bildung von elektrisch leitenden Metallstrukturen (5). Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein, insbesondere nach dem beschriebenen Verfahren hergestelltes, monolithisches Funktionskeramikelement.

Description

Beschreibung
Monolithisches Funktionskeramikelement und Verfahren zur Herstellung einer Kontaktierung für eine Funktionskeramik
Die vorliegende Erfindung betri f ft ein Funktionskeramikelement , ein Verfahren zur Herstellung einer Kontaktierung einer Funktionskeramik und die Verwendung des Elements in einem Hei zmodul .
Die Verwendung von Funktionskeramikelementen in Hei zmodulen, insbesondere die Verwendung von PTC- ( „Positive Temperature Coef ficient" = Kaltleiter ) Thermistorelementen hat den Vorteil , dass durch ihre Eigenschaft als temperaturabhängiger Widerstand die Leistungsaufnahme automatisch begrenzt wird, wenn eine gewisse Temperatur erreicht wird . Diese Eigenschaft verhindert insbesondere eine Überlastung des Hei zmoduls .
Vermehrt werden solche Hei zmodule als Hei zregister in Elektrofahrzeugen eingesetzt . Ein solcher Einsatz erfordert es , das Register direkt mit der Hochvolt-Batterie zu betreiben ( typischer Weise 200 - 800 V) . Daher muss die I solations festigkeit entsprechend ausgelegt werden .
Üblicherweise werden PTC-Elemente auf zwei gegenüberliegenden Seiten mittels einer Leiterbahn elektrisch kontaktiert . Die Leiterbahn wird durch ein Substrat getragen, welches auf der anderen Seite die entstehende Wärme auskoppelt .
Die auskoppelbare Wärmeleistung hängt stark vom thermischen Pfad durch die oben beschriebene Schichtstruktur ab . Wärme muss vom Entstehungsort ( dem PTC ) über die Kontaktierung und durch das Substrat zur Auskopplungs fläche gelangen . Hier sind thermische und elektrische Betrachtungen zur Optimierung des Heizelements oft gegenläufigen Argumenten unterworfen, d.h. Designs nach dem Stand der Technik sind Kompromiss-Lösungen zwischen Leistungsdichte, thermischer Agilität und Isolationsvermögen bzw. Robustheit und Zuverlässigkeit.
Das PTC-Element selbst fungiert als Wärmequelle, wenn durch Bestromung Joul'sche Wärme generiert wird. Diese wird jedoch nicht homogen im Material erzeugt, sondern abhängig von der Geometrie und möglichen Materialinhomogenitäten kann die elektrische Feldverteilung im Bauteil einen Temperaturgradienten hervorrufen. Die Wärme muss ausgehend von Hotspots erst die Oberfläche der Elemente erreichen, bevor sie weiter transportiert werden kann. Dies kann aufgrund der relativ schlechten Wärmeleitfähigkeit der PTC Keramik (i.d.R. ~ 5 W/mK) sehr langsam und träge von statten gehen.
Das Dokument DE 11 2017 006 124 T5 beschreibt eine entsprechende elektrische Heizvorrichtung nach dem Stand der Technik mit Isolationsschichten zwischen Leiterbahnen und Kühl lame 11 en .
Das Dokument EP 1 182 908 Al beschreibt eine ähnliche PTC- Heizvorrichtung mit wenigstens einem PTC-Element und zwei Kontaktplatten, die das PTC-Element kontaktieren. Zur Verbindung der Oberfläche des PTC-Elements mit den Kontaktplatten ist eine Metallfolie vorgesehen, die beidseitig mit Klebstoff beschichtet ist. Eine Isolation der Kontaktplatten ist hier nicht vorgesehen.
Weiterhin ist ein PTC-Heizer mit verringertem Einschaltstrom aus dem Dokument DE 2017 101 946 Al bekannt. Dokument DE 10 2016 108 604 Al beschreibt weiterhin wie eine ähnliche Funktionskeramik in ein keramisches Substrat eingebettet werden kann .
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es , ein verbessertes Funktionskeramikelement , das auch in einem Hei zmodul verwendet werden kann, bereitzustellen .
Die vorliegende Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Herstellung einer Kontaktierung einer Funktionskeramik, insbesondere einer PTC-Keramik bzw . ein Verfahren zur Herstellung eines Funktionskeramikelements , insbesondere eines , bevorzugt monolithischen, Thermistorelements . Das Verfahren umfasst zumindest die im Folgenden beschriebenen Schritte .
In einem ersten Schritt wird eine Funktionskeramik bereitgestellt . Die im Folgenden als Funktionskeramik bezeichnete Keramik ist bevorzugt eine Thermistorkeramik und noch bevorzugter eine PTC-Keramik .
Die Funktions- bzw . PTC-Keramik kann im grünen Zustand oder im gesinterten Zustand bereitgestellt werden . Bevorzugt wird die Funktionskeramik als Folie im grünen Zustand bereitgestellt , wobei die Folie im Vergleich zur Folienfläche eine geringe Foliendicke aufweist . Erst im gesinterten Zustand weist die Funktionskeramik ihre gewünscht Funktionalität auf . Als eine Funktionskeramik wird in der vorliegenden Anmeldung auch eine grüne Keramik bezeichnet , die erst im gesinterten Zustand eine Funktionalität aufweist . Dasselbe gilt für eine PTC-Keramik .
Die Funktionskeramik kann ein beliebiges geeignetes
Keramikmaterial enthalten . Mögliche Keramikmaterialien sind beispielsweise Bariumtitanat-Keramiken . Weiterhin kann die Keramik z . B . auch Blei und/oder Strontium umfassen . Die Keramik kann weiterhin mit geeigneten Dotierstof fen wie beispielsweise Yttrium oder Mangan in geeigneten Mengen dotiert sein, um eine gewünschte Funktionalität , insbesondere eine Thermistorfunktionalität , bereitzustellen .
In einem weiteren Schritt wird Metallpaste auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen der Funktionskeramik aufgebracht .
Die Metallpaste wird bevorzugt mit einer Dicke von wenigen Mikrometern oder einigen 100 Nanometern aufgebracht .
Die Metallpaste umfasst bevorzugt ein elektrisch leitendes Metall wie beispielsweise Nickel , Kobalt , Kupfer, Silber, ein anderes Edelmetall oder eine Metalllegierung in Pulverform . Weiterhin umfasst die Metallpaste beispielsweise geeignete Suspensionsmittel .
Die Metallpaste kann in einer Aus führungs form insbesondere nicht flächig, sondern in einer Form aufgebracht werden, die durch einen Sinterschritt in kammförmige Metallstrukturen überführt werden kann . Dazu kann die Metallpaste insbesondere in einer Kammstruktur aufgebracht werden . Bevorzugt werden die beiden Kammstrukturen auf den gegenüberliegenden Oberflächen so aufgebracht , dass die Kammstrukturen nicht übereinander liegen, sondern versetzt angeordnet sind . Die Kammstrukturen umfassen j eweils einen durchgehenden Abschnitt als Hauptstrang und davon abzweigende Abschnitte als Nebenstränge . Die Metallpaste kann beispielsweise per ( Sieb- ) Druck oder per Sputtern aufgebracht werden .
In einem weiteren Schritt werden Keramiksubstrat-Grünfolien auf den zwei gegenüberliegenden Oberflächen der Funktionskeramik aufgebracht und laminiert .
Die Keramiksubstrat-Grünfolien können ein ähnliches Keramik- Material wie die Funktionskeramik oder ein anderes Keramik- Material umfassen . Das Keramikmaterial , das nach dem Sintern aus den Keramiksubstrat-Grünfolien gebildet wird, ist bevorzugt elektrisch isolierend und gut wärmeleitfähig .
Die Keramiksubstrat-Grünfolien werden so aufgebracht , dass sie bevorzugt j eweils die gesamte Oberfläche der Funktionskeramik und die darauf aufgebrachte Metallpaste bedecken . Die Keramiksubstrat-Grünfolien werden direkt auf die Oberfläche der Funktionskeramik bzw . auf die darauf aufgebrachte Metallpaste aufgebracht .
Durch die zuvor beschriebenen Schritte , die bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden, wird ein Schichtstapel bereitgestellt , der die zwei Keramiksubstrat- Grünfolien umfasst , die in einer sandwichartigen Struktur die Funktionskeramik einschließen . Zwischen der Funktionskeramik und den Keramiksubstrat-Grünfolien sind weiterhin Strukturen aus Metallpaste angeordnet , die zur Herstellung einer elektrischen Kontaktierung der Funktionskeramik dienen .
In einem weiteren Schritt wird der Schichtstapel gemeinsam gesintert , um das Funktionskeramikelement zu bilden . In einer bevorzugten Aus führungs form ist das
Funktionskeramikelement monolithisch . „Monolithisch" bedeutet , dass das Funktionskeramikelement nicht aus verschiedenen, einzelnen Elementen, sondern aus einem einzigen Element besteht . Es müssen also keine ( Sub- ) Elemente mechanisch verbunden oder verklebt werden .
In einer Aus führungs form ist das Funktionskeramikelement ein monolithisches Thermistorelement .
Mit dem Begri f f „Sintern" ist hier insbesondere nur der so bezeichnete Temperaturbehandlungsschritt gemeint . Der Begri f f „Sintern" impli ziert hier insbesondere nicht , dass alles , was gesintert wird, vorher im Grünzustand war . Auch bereits gesinterte Strukturen können einem entsprechenden Temperaturbehandlungsschritt unterzogen werden, der dann wenig oder keine Auswirkungen auf die bereits gesinterten Strukturen hat .
Bei dem Funktionskeramikelement handelt es sich bevorzugt um ein Thermistorelement mit einer Thermistorfunktionalität . Die Funktionskeramik ist dann eine Keramik mit Thermistoreigenschaften, insbesondere eine NTC- oder bevorzugt eine PTC-Keramik .
Durch das gemeinsame Sintern der Funktionskeramik zur Bildung einer Funktionskeramikschicht , der Keramiksubstrat-Grünfolien zur Bildung elektrisch isolierender Keramikschichten und der Metallpaste zur Bildung von elektrisch leitenden Metallstrukturen wird das monolithische Funktionskeramikelement gebildet . Das so gebildete Funktionskeramikelement umfasst also die Funktionskeramikschicht , die elektrisch isolierenden Keramikschichten und die elektrisch leitenden Metallstrukturen .
Durch die Bildung eines monolithischen Funktionskeramikelements können Defekte , die beim Zusammenbau eines Funktionskeramikelements aus verschiedenen Subelementen entstehen, vermieden werden . Beispielsweise können Hohlräume , die beim Verkleben entstehen können vermieden werden . Weiterhin kann ein Auslaufen oder Verschmieren von Kleber vermieden werden . Weiterhin kann eine unvollständige Verbindung zwischen separaten Funktionskeramikelementen und isolierenden Keramikelementen vermieden werden .
Außerdem vereinfacht sich das Verfahren, da auf eine Montage verschiedener Subelemente verzichtet werden kann .
Durch die Ausbildung einer Funktionskeramikschicht , elektrisch leitender Strukturen und isolierender Keramikschichten in einem monolithischen Element kann die Stabilität und Zeitbeständigkeit des Funktionskeramikelements erhöht werden .
Weiterhin wird so die Wärmekopplung zwischen den einzelnen Schichten verbessert , sodass beim Erhitzen einer als Thermistorschicht ausgeprägten Funktionskeramikschicht durch Anlegen einer elektrischen Spannung die entstehende Wärme gut über die elektrisch isolierenden Keramikschichten nach außen abgegeben werden kann . Die Keramikschichten sind hierzu bevorzugt dünn ausgeführt . Durch die Anwendung von Folientechnologie bei der Herstellung des Funktionskeramikelements kann ein groß flächiges und sehr dünnes Funktionskeramikelement bereitgestellt werden . Die Dicke des Funktionskeramikelements kann also reduziert werden . Weiterhin kann eine Funktionskeramikfolie mehrere konventionelle Funktionskeramik-Steine , z . B . PTC-Steine , mit j eweils deutlich geringeren Flächenabmessungen ersetzen .
Die dünnen Folien erlauben weiterhin auch ohne einen flächigen Auftrag der elektrisch leitenden Strukturen die Ausbildung eines homogenen elektrischen Feldes und somit im Falle eines Thermistorelements einer homogenen Erwärmung des Thermistorelements .
Das Funktionskeramikelement lässt sich weiterhin einfach mittels bestehender automatisierter Prozesse zur Herstellung von Vielschichtkeramikelementen produzieren .
Durch die Herstellung eines monolithischen Funktionskeramikelements kann auch auf die Bereitstellung einzelner Komponenten wie konventioneller Funktionskeramik- Steine oder isolierender Keramik-Bauteile und elektrisch leitender Metall folien verzichtet werden, die an verschiedenen Orten gefertigt und anschließend zusammengebaut werden müssen .
Die elektrisch leitenden Metallstrukturen können nach außen elektrisch kontaktiert werden . Hierzu sind beispielsweise Aussparungen in den elektrisch isolierenden Keramikschichten vorgesehen . Die Aussparungen können beispielsweise durch unvollständiges Bedecken der Metallstrukturen mit Keramikfolien oder durch ein späteres Entfernen von Keramikmaterial gebildet werden . Im Bereich der Aussparungen können die Metallstrukturen dann beispielsweise mit Drähten elektrisch kontaktiert werden . Die Drähte sind beispielsweise mit den Metallstrukturen verlötet . Alternativ können die Metallstrukturen beispielsweise mittels Klemmkontakten elektrisch kontaktiert sein . Andere geeignete Kontaktierungsverfahren sind ebenfalls möglich .
Bevorzugt reichen die Metallstrukturen nicht bis zum Rand der Keramikschichten, um an dem Rändern des Funktionskeramikelements einen Bereich aus zubilden, der auch im Betrieb nicht mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt wird .
Die Funktionskeramik wird in einer Aus führungs form als Funktionskeramik-Folie im grünen Zustand bereitgestellt . In einer Aus führungs form wird die Funktionskeramik insbesondere als Folie im grünen Zustand bereitgestellt und die Metallpaste und die Keramiksubstrat-Grünfolien werden direkt auf der Funktionskeramik-Folie im grünen Zustand aufgebracht . Bevorzugt werden keine weiteren Verarbeitungsschritte zwischen den genannten Schritten durchgeführt . In einer alternativen Aus führungs form wird Funktionskeramik als Folie im grünen Zustand bereitgestellt und die grüne Funktionskeramik zuerst zur Bildung einer Funktionskeramikschicht gesintert . Die Metallpaste und die Keramiksubstrat-Grünfolien werden dann auf die Funktionskeramikschicht im gesinterten Zustand aufgebracht .
In einer Aus führungs form wird die Funktionskeramik als grüne Folie bereitgestellt und vor dem Aufbringen der Metallpaste und der Keramiksubstrat-Grünfolien bei hohen Temperaturen über 1000 ° C, bevorzugt über 1300 ° C, gesintert , um die Funktionskeramikschicht zu bilden . Die Funktionskeramik umfasst dann bevorzugt ein HTCC (High temperature cofired ceramics ) -Keramik-Material .
Bevorzugt wird die Metallpaste vor dem Sintern bei erhöhter Temperatur getrocknet , um ein Suspensions- oder Lösemittel zu verdampfen .
In einer alternativen Aus führungs form wird die Funktionskeramik im gesinterten Zustand bereitgestellt .
Die Keramiksubstrat-Grünfolien umfassen bevorzugt ein LTCC ( low temperature cofired ceramics ) -Keramik-Material . Das nachfolgende gemeinsame Sintern wird bevorzugt bei einer niedrigeren Temperatur unter 1000 ° C, bevorzugt unter 800 ° C, durchgeführt .
Durch das Sintern bei niedrigen Temperaturen bleibt z . B . eine Thermistorfunktionalität der Funktionskeramik unverändert erhalten . Insbesondere wird durch das nachfolgende Sintern bei niedrigen Temperaturen eine unerwünschte Oxidation der Funktionskeramik vermieden .
In einer alternativen Aus führungs form werden die Metallpaste und die Keramiksubstrat-Grünfolien auf die als Folie im grünen Zustand bereitgestellte Funktionskeramik im grünen Zustand aufgebracht . Anschließend wird der so gebildete Schichtstapel gemeinsam gesintert . Das gemeinsame Sintern wird bevorzugt bei einer hohen Temperatur über 1000 ° C, bevorzugt über 1300 ° C, durchgeführt . Bevorzugt umfassen in der vorliegenden Aus führungs form sowohl die Funktionskeramik als auch die weiteren Keramikschichten eine HTCC-Keramik .
Somit können die Keramiken bei der gleichen Temperatur gesintert werden . Durch die Wahl möglichst ähnlicher Keramiken kann weiterhin die Entstehung von mechanischen Spannungen während des Sinterns reduziert oder vermieden werden .
In einer bevorzugten Aus führungs form weisen die Funktionskeramik-Folie und die Keramiksubstrat-Grünfolien im Wesentlichen die gleiche Zusammensetzung auf .
Bevorzugt unterscheidet sich die Zusammensetzung der Funktionskeramik-Folie und der Keramiksubstrat-Grünfolien nur durch den Anteil von Dotierstof fen in der Zusammensetzung . Solche Dotierstof fe können beispielsweise Yttrium oder Mangan sein . Insbesondere kann durch einen höheren Anteil der genannten Dotierstof fe der elektrische Widerstand des Keramikmaterials erhöht werden und so ein elektrisch isolierendes Keramikmaterial bereitgestellt werden .
Verallgemeinert ausgedrückt kann es bevorzugt sein, dass die Funktionskeramik-Folie und die Keramiksubstrat-Grünfolien das gleiche Keramik-Grundmaterial aufweisen, wobei über die Wahl der Dotierstof fe und/oder die Konzentration der Dotierstof fe die PTC-Funktionalität oder die Substrat-Funktion eingestellt oder definiert wird .
Durch die Wahl möglichst ähnlicher Keramiken für die verschiedenen Keramikschichten kann die Ausbildung mechanische Spannungen während des Sinterns reduziert oder vermieden werden . Somit wird auf eine Defektbildung im Funktionskeramikelement , beispielsweise die Bildung von Hohlräumen zwischen den Schichten unterdrückt . Weiterhin wird durch die Auswahl ähnliche Materialien die Wärmekopplung zwischen einzelnen Schichten verbessert .
In einem bevorzugten Verfahren werden mehrere Funktionskeramik-Folien aus einer Funktionskeramik-Folie größerer Ausmessung separiert . Dies ermöglicht eine einfache serielle Fertigung der Funktionskeramikelemente . Durch die Vereinzelung der Funktionskeramik aus Folie kann auf einfache Weise eine groß flächige , aber sehr dünne Funktionskeramik bereitgestellt werden .
Die Funktionskeramik-Folien werden beispielsweise per Schneiden oder Stanzen vereinzelt .
Jede vereinzelte Funktionskeramik-Folie weist bevorzugt eine rechteckige Form mit einer Abmessung von mindestens 3 cm x 10 cm auf . Die Dicke der Folie beträgt bevorzugt maximal 150 pm . Die Maße der Funktionskeramikschicht sind dann entsprechend des gewöhnlichen Sinterschwundes geringer .
Die Erfindung betri f ft weiterhin ein monolithisches Funktionskeramikelement , insbesondere ein monolithisches Thermistorelement . Das Funktionskeramikelement ist bevorzugt nach dem zuvor beschriebenen Verfahren gefertigt . Alle Merkmale und Aus führungs formen, die in Bezug auf das Verfahren beschrieben wurden, können auch auf das Funktionskeramikelement zutref fen . Insbesondere kann das Funktionskeramikelement in allen Aus führungs formen und Aus führungsbeispielen ein Thermistorelement sein . Insbesondere betri f ft die Erfindung auch ein monolithisches Funktionskeramikelement , bevorzugt ein monolithisches Thermistorelement , das zumindest die folgenden Schichten umfasst , die in einer Stapelrichtung senkrecht zu einer Außenfläche des monolithischen Funktionskeramikelements laminiert sind .
Alle Merkmale und Aus führungs formen, die in Bezug auf das Verfahren beschrieben wurden, können auch auf das monolithische Funktionskeramikelement zutref fen .
Das monolithische Funktionskeramikelement umfasst zum einen eine Funktionskeramikschicht , bevorzugt eine PTC- Keramikschicht , mit zwei gegenüberliegenden Oberflächen .
Weiterhin umfasst das monolithische Funktionskeramikelement zwei , im Betriebs zustand unterschiedlich gepolte , elektrisch leitende Metallstrukturen, die in direktem Kontakt auf j eweils einer der gegenüberliegenden Oberflächen der Funktionskeramikschicht angeordnet sind . Mit direktem Kontakt ist hierbei gemeint , dass die elektrisch leitenden Metallstrukturen direkt auf den Oberflächen der Funktionskeramikschicht aufliegen und keine weiteren Zwischenstrukturen ausgebildet sind .
Die elektrisch leitenden Metallstrukturen sind auch elektrisch mit der elektrisch leitenden Funktionskeramikschicht verbunden . Das heißt über die elektrisch leitenden Metallstrukturen kann ein elektrisches Feld auf die Funktionskeramikschicht beaufschlagt werden bzw . eine elektrische Spannung angelegt werden . Weiterhin umfasst das Funktionskeramikelement zwei elektrisch isolierende Keramikschichten, die auf j eweils einer der gegenüberliegenden Oberflächen der Funktionskeramikschicht und der darauf angeordneten Metallstrukturen angeordnet sind . Die elektrisch isolierenden Keramikschichten liegen direkt auf der Oberfläche der Funktionskeramikschicht bzw . der Metallstrukturen auf .
In einer Aus führungs form umfasst die Funktionskeramikschicht eine HTCC-Keramik oder besteht aus dieser und die elektrisch isolierenden Keramikschichten umfassen eine LTCC-Keramik oder bestehen aus dieser .
Bevorzugt umfassen die elektrisch isolierenden Keramikschichten in dieser Aus führungs form eine Aluminiumoxid-Keramik .
Die elektrisch isolierenden Keramikschichten sollten weiterhin gut wärmeleitend sein, als aus einem Material bestehen, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist .
In einer Alternativen Aus führungs form umfassen die Funktionskeramikschicht und die elektrisch isolierenden Keramikschichten j eweils eine HTCC-Keramik oder bestehen aus dieser .
Bevorzugt weisen die Funktionskeramikschicht und die elektrisch isolierenden Keramikschichten dann im Wesentlichen die gleiche Keramik-Zusammensetzung auf .
In einer Aus führungs form unterscheiden sich die Keramik-
Zusammensetzung der Funktionskeramikschicht und der elektrisch isolierenden Keramikschichten nur durch den Anteil von Dotierstof fen in der Keramik-Zusammensetzung .
Ein solches Funktionskeramikelement weist eine besonders hohe Wärmekopplung zwischen den einzelnen Schichten auf , was beispielsweise für eine Anwendung als Thermistorelement in einem Hei zmodul vorteilhaft ist .
In einer beliebigen Aus führungs form umfasst die Funktionskeramikschicht eine Bariumtitanat-Keramik, die weiterhin beispielsweise eine Strontium-Verbindung wie Strontium-Oxid und/oder eine Blei-Verbindung wie Blei-Oxid und einen Dotierstof f wie Yttrium oder Mangan enthalten kann .
In einer Aus führungs form weist die Funktionskeramikschicht eine Schichtdicke von maximal 150 pm auf . Bevorzugt weist die Funktionskeramikschicht eine geringere Schichtdicke von maximal 100 pm bzw . maximal 50 pm auf . Die Schichtdicke sollte minimal 40 pm betragen .
In einer solchen dünnen Schicht kann einfach ein homogenes elektrisches Feld erzeugt werden . Auch mit nicht- flächigen Metallstrukturen, zum Beispiel in Kammform, ist die Applikation eines elektrischen Feldes möglich, dass sich im gesamten von den Metallstrukturen bedeckten Bereich der Funktionskeramikschicht gleichmäßig ausbildet .
In einer Aus führungs form weisen die elektrisch isolierenden Keramikschichten eine Schichtdicke von maximal 200 pm auf .
Die isolierenden Keramikschichten bedecken bevorzugt die gesamte Funktionskeramikschicht entlang der zwei gegenüberliegenden Oberflächen . Durch die dünne Aus führung der Schichten kann die Abmessung des gesamten
Funktionskeramikelements reduziert werden .
Die dünnen isolierenden Keramikschichten ermöglichen weiterhin eine gute Wärmeleitung an die Außenseiten des Funktionskeramikelements .
Gemäß einer Aus führungs form weist das Funktionskeramikelement in einer Stapelrichtung der genannten Schichten eine Dicke von maximal 800 pm, bevorzugt 500 pm, noch bevorzugter 400 pm auf .
In einer Aus führungs form sind die elektrisch leitenden Metallstrukturen in einer Kammstruktur ausgebildet .
Die Kammstrukturen umfassen j eweils einen durchgehenden Abschnitt und mehrere vom durchgehenden Abschnitt abzweigende Abschnitte . Bevorzugt sind die elektrisch leitenden Metallstrukturen in der Stapelrichtung nicht übereinander angeordnet , sodass im Betrieb alle Leitungswege in der Funktionskeramikschicht , über die elektrischer Strom durch die Funktionskeramikschicht geleitet wird, diagonal verlaufen . So kann trotz der geringen Dicke der Funktionskeramikschicht ein minimaler Leitungsweg durch die Schicht von bevorzugt mindestens 4 mm bereitgestellt werden .
Der minimale Leitungsweg, also der kürzeste Weg, auf dem Strom zwischen zwei im Betrieb unterschiedlich gepolten Metallstrukturen fließen kann, ist in der Funktionskeramikschicht bevorzugt zwischen zwei abzweigenden Abschnitten j eweils einer der elektrisch leitenden Metallstrukturen ausgeprägt . Durch die Ausbildung der Kammstruktur kann weiterhin metallisches Material eingespart werden .
Durch den so garantierten minimalen Leitungsweg können vorgeschriebene Kriechstrecken eingehalten werden, sodass eine gewünschte I solations festigkeit erreicht wird und gleichzeitig die Dicke der Funktionskeramikschicht weiter reduziert werden kann . Trotz der geringen Foliendicke können so elektrische Spannungen von bevorzugt 450 Volt bis 800 Volt , noch bevorzugter bis 1000 Volt appli ziert werden .
Durch den garantierten minimalen Leitungsweg kann weiterhin der maximale Stromfluss bei der Beaufschlagung mit einer bestimmten elektrischen Spannung auf die Keramikschicht reduziert werden . Somit kann beispielsweise der Energieverbrauch einer angeschlossenen Batterie reduziert werden . Weiterhin können so Einschaltstromspitzen, die für die Batterie bzw . für eine angeschlossene Schaltelektronik eine hohe Belastung darstellen, reduziert werden .
Die vorliegende Erfindung betri f ft weiterhin ein Hei zmodul , das eines oder mehrere der zuvor beschriebenen monolithischen Thermistorelemente umfasst .
Durch die beschriebenen verbesserten Wärmekopplungs- , Wärmeleitungs- und Wärmeübertragungseigenschaften des monolithischen Thermistorelements kann die Ef fi zienz des Hei zmoduls erhöht werden .
Bei dem Hei zmodul handelt es sich beispielsweise um ein Lamellenhei zmodul , das mehrere der beschriebenen monolithischen Thermistorelemente umfasst , auf deren Oberflächen Lamellen aufgebracht sind, die von einem Wärmefluid durchströmt werden . Das Wärmefluid wird im Betrieb durch die Thermistorelemente erwärmt . Ein entsprechendes Hei zmodul kann beispielsweise im automotiven Bereich eingesetzt werden und sollte eine Wärmeleistung von bevorzugt mindestens 5 Kilowatt aufweisen .
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Aus führungsbeispielen und dazugehörigen Figuren näher beschrieben .
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Beispiele beschränkt .
Ähnliche oder augenscheinlich gleiche Elemente in den Figuren sind mit dem gleichen Bezugs zeichen versehen . Die Figuren und die Größenverhältnisse in den Figuren sind nicht zwingend maß stabs get reu .
Die Figuren zeigen :
Figur 1 : Schematische Darstellung des Herstellungsverfahrens eines ersten Aus führungsbeispiels eines monolithischen Thermistorelements .
Figur 2 : Querschnitt durch ein erstes Aus führungsbeispiel des monolithischen Thermistorelements mit eingezeichnetem minimalem Leitungsweg .
Figur 3 : Mikroskopische Aufnahme eines Ausschnitts im Randbereich des ersten Aus führungsbeispiels des monolithischen Thermistorelements . Figur 4 : Mikroskopische Aufnahme eines Querschnitts durch ein zweites Aus führungsbeispiel eines monolithischen Thermistorelements .
Figur 5 : Draufsicht auf ein Aus führungsbeispiel des monolithischen Thermistorelements mit Außenkontaktierung durch Drähte .
Figur 6 : Veränderung des Kaltwiderstands einer PTC- Keramikschicht eines beispielhaften erfindungsgemäßen Thermistorelements in Abhängigkeit der Zyklenzahl . In j edem Zyklus wird für 5 Sekunden 450 Volt Gleichspannung auf das Thermistorelement beaufschlagt und anschließend für 30 Sekunden gekühlt .
Figur 7 : Einschaltstromkurve des beispielhaften erfindungsgemäßen Thermistorelements . Dargestellt ist der Stromfluss I durch ein PTC-Keramikschicht bei Anlegen einer Gleichspannung U von 450 Volt in Abhängigkeit von der Zeit t ab dem Einschalten .
Figur 8 : Fotografie eines Hei zmoduls umfassend monolithische Thermistorelemente .
In Figur 1 wird die Herstellung eines ersten Aus führungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Funktionskeramikelements gezeigt . Im vorliegenden Beispiel handelt es sich insbesondere um ein monolithisches Thermistorelement 100 .
In einem ersten Schritt wird eine PTC-Keramikf olie 1 als
Funktionskeramikfolie mit einer großen flächigen Ausdehnung und einer geringen Dicke bereitgestellt . Die Ausdehnung der großen PTC-Keramikf olie 1 beträgt beispielsweise 4 Zoll x 4 Zoll . Die Ausdehnung kann alternativ ein beliebiges anderes , bevorzugt größeres Maß betragen . Die Dicke der PTC- Keramikfolie 1 beträgt zwischen 40 und 250 Mikrometer, bevorzugt zwischen 50 und 150 Mikrometer, noch bevorzugter weniger als 100 Mikrometer .
Aus der bereitgestellten großen PTC-Keramikf olie 1 können eine beliebige Anzahl an PTC-Keramikf olien 2 mit einer geringeren Ausdehnung vereinzelt werden . Die einzelnen PTC- Keramikf olien 2 werden beispielsweise aus der großen PTC- Keramikfolie 1 ausgestanzt oder ausgeschnitten .
Aus der beispielhaften großen PTC-Keramikf olie 1 mit einer Ausdehnung von 4 Zoll x 4 Zoll werden beispielsweise drei PTC-Keramikf olien 2 vereinzelt . Die vereinzelten PTC- Keramikf olien 2 weisen bevorzugt eine rechteckige Form mit einer Ausdehnung von j eweils ca . 3 cm x 10 cm auf . Die PTC- Keramikf olien 2 können auch größere Ausdehnungen als 3 cm x 10 cm aufweisen .
Die so hergestellten PTC-Keramikf olien 2 haben im Vergleich zu konventionell eingesetzten PTC-Keramiksteinen deutlich größere Ausdehnungen in der Fläche bei geringerer Dicke . Somit kann ein monolithisches Thermistorelement , das eine einzige PTC-Keramikf olie 2 umfasst , hergestellt werden, während in konventionellen Verfahren eine Viel zahl von PTC- Keramiksteinen verwendet werden . Weiterhin kann die Dicke des Thermistorelements durch den Einsatz der dünnen PTC- Keramikfolie 2 reduziert werden .
Die vereinzelten PTC-Keramikf olien 2 werden in einem anschließenden Schritt gesintert . Bevorzugt werden die PTC- Keramikfolien 2 zur Herstellung einer erwünschten
Thermistorfunktionalität bei einer hohen Temperatur, beispielsweise zwischen 1240 ° C und 1320 ° C gesintert .
Während des Sinterns reduziert sich die Ausdehnung der PTC- Keramikfolie 2 um einen für einen Sinterschwund typischen Betrag . Durch das Sintern wird die grüne PTC-Keramikf olie 2 in eine gesinterte Funktionskeramikschicht , nämlich eine PTC- Keramikschicht 3 , umgewandelt . Die flächige Ausdehnung der PTC-Keramikschicht 3 beträgt beispielsweise 26 mm x 78 mm und bevorzugt nicht mehr als 3 mm x 9 mm .
Auf die gesinterte PTC-Keramikschicht 3 werden anschließend elektrisch leitende Metallstrukturen 5 aufgebracht . Hierzu wird beispielsweise eine Metallpaste 4 auf den beiden gegenüberliegenden Oberflächen der PTC-Keramikschicht 3 auf gedruckt oder auf gesputtert . Bevorzugt wird die Metallpaste 4 in Form eines Kammes aufgebracht .
Die Metallpaste 4 umfasst beispielsweise Nickel , Kupfer, Aluminium, ein Edelmetall oder eine Legierung einzelner der genannten Metalle .
Der Kamm umfasst , wie in den Abbildungen gezeigt , einen durchgehenden Abschnitt 6 , quasi den Hauptstrang des Kammes , von dem, bevorzugt in einem rechten Winkel , mehrere Abschnitte 7 abzweigen, quasi die Nebenstränge des Kammes .
Die Metallpaste 4 wird also nicht flächig auf den Oberflächen aufgebracht .
Obwohl die Metallpaste 4 nicht flächig aufgebracht wird ermöglicht die vorteilhafte dünne Schichtdicke der erfindungsgemäßen PTC-Keramikschicht 3 im Betriebs zustand die Ausbildung eines gleichmäßigen elektrischen Feldes in der PTC-Keramikschicht 3 . Dies führt insbesondere dazu, dass in der PTC-Keramikschicht 3 im Betriebs zustand gleichmäßig elektrischer Strom in thermische Energie umgewandelt wird .
Die thermische Energie wird über die bevorzugt gut wärmeleitenden weiteren Keramikschichten 10 an die Umgebung abgegeben . Die Wärmeabgabe an die Umgebung wird weiterhin durch die gute Wärmekopplung zwischen den einzelnen, gemeinsam gesinterten Schichten des monolithischen Thermistorelements 100 begünstigt .
Die beiden Kämme auf den beiden Oberflächen der PTC- Keramikschicht 3 sind so strukturiert , dass sie in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche der PTC-Keramikschicht 3 nicht übereinander liegen . D . h . , aus einer Richtung von einer der Oberflächen der PTC-Keramikschicht 3 aus betrachtet wären im theoretischen Fall einer durchsichtigen PTC-Keramikschicht 3 beide Kammstrukturen nebeneinanderliegend sichtbar . Die Hauptstränge 6 der Kämme sind an verschiedenen Seiten der j eweiligen Oberflächen aufgebracht . Die abzweigenden Abschnitte 7 sind j eweils so nebeneinander mit dazwischenliegenden Aussparungen aufgebracht , dass die Abschnitte 7 der beiden Kämme nicht übereinander liegen, aber j eweils in die Richtung der j eweils anderen Kammstruktur weisen .
Durch diese Strukturierung der Metallpaste 4 und damit auch der später daraus gebildeten elektrisch leitenden Metallstrukturen 5 wird der Leitungsweg 8 in der PTC- Keramikschicht 3 wie in Figur 2 gezeigt maximiert . Als Leitungsweg 8 wird dabei die Strecke bezeichnet , den ein elektrischer Strom im Betriebs zustand in der PTC- Keramikschicht 3 zurücklegen würde . Der kürzeste Leitungsweg 8 in der PTC-Keramikschicht 3 zwischen zwei Metallstrukturen 5 soll bevorzugt minimal 4 mm betragen . Dieser kürzeste Leitungsweg 8 ist bevorzugt zwischen zwei nebeneinanderliegenden abzweigenden Abschnitten 7 von j eweils einem der beiden elektrisch leitenden Metallstrukturen 5 ausgebildet .
Der beschriebene minimale Leitungsweg 8 ermöglicht trotz der geringen Keramikdicken eine Applikation hoher elektrischer Spannungen beispielsweise im Bereich zwischen 400 und 1000 Volt , bevorzugt im Bereich über 800 Volt .
Die aufgebrachte Metallpaste 4 wird anschließend bei einer Temperatur von beispielsweise mindestens 180 ° C über eine Zeitspanne von beispielsweise mindestens 30 Minuten getrocknet .
Anschließend wird, wie in Figur 3 gezeigt , auf beiden Oberflächen der PTC-Keramikschicht 3 eine Keramiksubstrat- Grünfolie 9 aufgebracht , die j eweils die gesamte Oberfläche der PTC-Keramikschicht 3 und die darauf aufgebrachte Metallpaste 4 bedeckt . Die Dicke der Struktur aus Metallpaste 4 ist im Vergleich zur Dicke der Keramikschichten bzw . - folien vernachlässigbar und liegt im Mikrometer- oder Sub- Mikrometerbereich .
Während die PTC-Keramikschicht 3 bevorzugt eine hochtemperaturgesinterte HTCC-Keramik aufweist , umfassen die weiteren Keramikschichten 10 , die aus den Keramiksubstrat- Grünfolien 9 gebildet werden, bevorzugt ein LTCC- Keramikmaterial , das bei vergleichsweise niedrigeren Temperaturen gesinterten wird . Bei dem Material der PTC-Keramikschicht 3 handelt es sich beispielsweise um eine Bariumtitanat-Keramik oder ein ähnliches Material , das darüber hinaus auch weitere Metalle , wie Blei oder Strontium umfassen kann . Bevorzugt handelt es sich j edoch um eine blei freie Keramik . Zur Herstellung der Thermistorfunktionalität ist die Keramik der PTC- Keramikschicht 3 bevorzugt mit weiteren Elementen wie beispielsweise Yttrium und/oder Mangan dotiert .
Bei der LTCC-Keramik der weiteren Keramikschichten 10 handelt es sich beispielsweise um eine Aluminiumoxid-Keramik oder ein ähnliches Material , das bevorzugt gut wärmeleitend aber elektrisch isolierend ist .
Die Keramiksubstrat-Grünfolien 9 haben bevorzugt eine Foliendicke zwischen 50 und 200 Mikrometer .
Nach dem Auf laminieren der Keramiksubstrat-Grünfolien 9 wird der gesamte Schichtstapel verpresst und gemeinsam gesintert . Bevorzugt wird bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise zwischen 850 und 950 ° C unter Luftatmosphäre gesintert , sodass die Keramiksubstrat-Grünfolien 9 in Keramikschichten 10 , die elektrisch isolierend sind, und die Metallpaste 4 in elektrisch leitende Metallstrukturen 5 umgewandelt werden .
Durch die niedrigere Sintertemperatur beim gemeinsamen Sintern wird sichergestellt , dass die PTC-Keramikschicht 3 nicht oder kaum oxidiert wird, sodass die gewünschte Thermistorfunktionalität erhalten bleibt .
Für eine alternative Aus führungs form, kann das Verfahren leicht modi fi ziert werden . Im modi fi zierten Verfahren werden alle Schritte , die nicht erneut detailliert beschrieben werden analog zum vorherigen Verfahren ausgeführt . Im Unterschied zum zuvor beschriebenen Verfahren wird im modi fi zierten Verfahren die PTC-Keramikf olie 2 nicht vor dem Aufbringen der Metallpaste 4 und der Keramiksubstrat- Grünfolien 9 gesintert . Vielmehr wird die Metallpaste 4 und werden die Keramiksubstrat-Grünfolien 9 auf die nicht gesinterte , grüne PTC-Keramikf olie 2 aufgebracht .
Im Unterschied zum zuvor beschriebenen Verfahren ist es erforderlich, dass die Keramiksubstrat-Grünfolien 9 ein ähnliches Material wie PTC-Keramikf olie 2 aufweisen . Die Keramiksubstrat-Grünfolien 9 umfassen daher wie die PTC- Keramikfolie 2 eine HTCC-Keramik .
Bevorzugt umfassen die PTC-Keramikf olie 2 und die Keramiksubstrat-Grünfolien 9 im Wesentlichen dasselbe Keramikmaterial , das sich nur durch die Menge an zugesetzten Dotierelementen unterscheidet . Ein geeignetes Material wäre beispielsweise eine Bariumtitanat-Keramik, die mit einem Bornitrit-Sinteradditiv versehen ist . Die Thermistorfunktionalität der PTC-Keramikschicht 3 bzw . die elektrisch isolierenden Eigenschaft der weiteren Keramikschichten 10 wird durch die Menge der Dotierung mit weiteren Elementen wie Yttrium und/oder Mangan eingestellt .
Alternativ können aber auch zwei unterschiedliche HTCC- Keramiken für die PTC-Keramikf olie 2 und die Keramiksubstrat- Grünfolien 9 gewählt werden .
Der gesamte Stapel , umfassend die Folien 2 und 9 und die Metallpaste 4 , wird gemeinsam bei einer hohen Temperatur gesintert . Eine beispielhafte Sintertemperatur liegt zwischen 1000 und 1300 ° C . Beispielsweise wird der Stapel bei 1150 ° C gesintert .
In einem anschließenden Schritt kann das gebildete monolithische Thermistorelement 100 durch Erhitzen auf 600 bis 800 ° C unter einer Luftatmosphäre reoxidiert werden um die Thermistorfunktionalität der PTC-Keramikschicht 2 herzustellen .
Eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines Querschnitts durch ein entsprechend hergestelltes monolithisches Thermistorelement 100 ist in Figur 4 dargestellt .
Zur externen elektrischen Kontaktierung können anschließend beispielsweise Drähte 11 mit den elektrisch leitenden Strukturen 5 verbunden werden, wie in Figur 5 gezeigt .
Beispielsweise werden die Drähte 11 hierzu auf einer Oberfläche der elektrisch leitenden Strukturen 5 auf gelötet . Hierzu können Aussparungen 12 in den elektrisch isolierenden Keramikschichten 10 vorgesehen sein oder im Nachhinein durch Entfernen des Keramikmaterials an entsprechenden Stellen gebildet werden . Bevorzugt sind diese Aussparungen 12 an Ecken oder nahe an den Ecken des monolithischen Thermistorelements 100 ausgebildet .
Das mit dem beschriebenen Verfahren hergestellte monolithische Thermistorelement 100 kann deutlich dünner ausgeführt werden als bisher bekannte Thermistorelemente . Durch den beschriebenen Schichtaufbau und das gemeinsame Sintern des gesamten Schichtstapels zur Bildung eines monolithischen Elements fallen zusätzliche Montageschritte wie Verpressen und Verkleben einzelner Bauelemente weg . Durch das Wegfällen dieser Schritte werden auch mögliche Montagefehler wie das Entstehen von Lücken oder Hohlräumen zwischen den einzelnen Elementen vermieden oder minimiert .
Die Zuverlässigkeit des Thermistorelements 100 im Betrieb und die Beständigkeit seiner Funktionalität über die Zeit können so erhöht werden .
Weiterhin ermöglicht das beschriebene Verfahren eine flexible Herstellung von Thermistorelementen 100 verschiedener Abmessungen und mit verschiedenen gewünschten elektrischen Eigenschaften mittels etablierter automatisierter Herstellungsprozesse aus der Vielschichtkeramik-Technologie .
Figur 6 zeigt beispielhaft in einem Diagramm den Kaltwiderstand der PTC-Keramikschicht 3 als Funktion der Schalt zyklenzahl . In j edem Schaltzyklus wird für 5 Sekunden eine Gleichspannung von 450 Volt auf die PTC-Keramikschicht appli ziert und der Strom anschließend abgeschaltet und das Thermistorelement 100 für 30 Sekunden gekühlt . Der Kaltwiderstand wird j eweils im abgekühlten Zustand gemessen . Anschließend beginnt der nächste Schalt zyklus .
Das Diagramm zeigt , dass der Kaltwiderstand kaum von der Schalt zyklenzahl abhängt , sich die Eigenschaften des Thermistorelements 100 also nicht beispielsweise durch ein Ablösen der Schichten verändert . Die dargestellten Schwankungen sind durch die kurzen Zyklus zeiten bedingt , die die Einstellung eines thermischen Gleichgewichts verhindern .
Figur 7 zeigt ein weiteres Diagramm, das die Einschaltstromkurve für ein erfindungsgemäßes monolithisches Thermistorelement 100 zeigt . Das Thermistorelement mit einem Raumtemperaturwiderstand von etwa 25 kQ erreicht bei einer angelegten Gleichspannung von 450 Volt nach etwas 50 ms (Millisekunden) den maximalen Einschaltstrom bzw . minimalen elektrischen Widerstand . In Bezug auf die Widerstands- Temperatur-Daten der eingesetzten PTC-Keramik würde dies einer Temperatur von etwa 170 ° C entsprechen . Die Spannungskurve ist ebenfalls stufenförmig im Diagramm dargestellt .
Durch den vergleichsweise langen Leitungsweg 8 durch die diagonale Anordnung der elektrisch leitenden Strukturen 5 auf der PTC-Keramikschicht 3 kann die Stromspitze nach dem Einschalten des Stroms , die im Diagramm bei ca . 50 ms zu sehen ist , reduziert werden . Somit wird der Stromverbrauch reduziert und das beanspruchte Material geschont .
Das erfindungsgemäße monolithische Thermistorelement 100 wird bevorzugt in einem Hei zmodul 200 verwendet . Das Hei zmodul 200 , das in Figur 8 dargestellt ist , umfasst mehrere , beispielsweise sechs , Thermistorelemente 100 .
Auf der Oberfläche der elektrisch isolierenden, aber gut wärmeleitenden Keramikschichten 10 sind dann lamellenförmige Strukturen 201 aufgebracht , durch die ein fluides Wärmemittel geführt wird .
Das Wärmemittel wird beim Durchfließen der lamellenförmigen Strukturen 201 erwärmt und kann die Wärme anschließend an den zu hei zenden Stellen abgeben .
Entsprechende Hei zmodule werden beispielsweise im automotiven Bereich zum Hei zen der Fahrgast zelle oder im elektro- automotiven Bereich zur Erwärmung der Batterie auf eine gleichmäßige , gewünschte Temperatur, beispielsweise 40 ° C, eingesetzt . Die Hei zleistung eines solchen Hei zmoduls 200 sollte bevorzugt mindestens 5 Kilowatt betragen .
Aufgrund der monolithischen Struktur des Thermistorelements 100 sind keine besonderen Anforderungen wie beispielsweise eine hohe mechanische Antriebskraft beim Zusammenbau des Hei zmoduls 200 zu stellen .
Bezugs zeichenliste
1 große PTC-Keramikf olie
2 PTC-Keramikf olien
3 PTC-Keramikschicht
4 Metallpaste
5 elektrisch leitende Struktur
6 zusammenhängender Kammabschnitt
7 abzweigende Kammabschnitte
8 Leitungsweg
9 Keramiksubstrat-Grünfolien
10 elektrisch isolierende Keramikschichten
11 Drähte
12 Aussparungen in den Keramikschichten
100 monolithisches Thermistorelement
200 Hei zmodul
201 lamellenförmige Strukturen

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Kontaktierung für eine Funktionskeramik (3) , umfassend die Schritte: Bereitstellen einer Funktionskeramik (2,3) ,
Aufbringen von Metallpaste (4) auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen der Funktionskeramik (2,3) , Laminieren von Keramiksubstrat-Grünfolien (9) auf den zwei gegenüberliegenden Oberflächen der Funktionskeramik (2,3) auf der Metallpaste (4) , gemeinsames Sintern der Funktionskeramik (2,3) , der Keramiksubstrat-Grünfolien (9) zur Bildung elektrisch isolierender Keramikschichten (10) und der Metallpaste (4) zur Bildung von elektrisch leitenden Metallstrukturen (5) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Funktionskeramik als Funktionskeramik-Folie (2) im grünen Zustand bereitgestellt wird .
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei mehrere Funktionskeramik- Folien (2) aus einer Funktionskeramik-Folie (1) größerer Abmessung separiert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei jede Funktionskeramik- Folie (2) eine rechteckige Form mit einer Abmessung von mindestens 3 cm x 10 cm aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Funktionskeramik (3) eine Thermistorkeramik ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Funktionskeramik (2,3) eine PTC-Keramik (2,3) ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein monolithisches Funktionskeramikelement (100) gebildet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Funktionskeramik (3) im gesinterten Zustand bereitgestellt wird .
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Funktionskeramik als Folie (2) im grünen Zustand bereitgestellt wird und vor dem Aufbringen der Metallpaste
(4) und der Keramiksubstrat-Grünfolien (9) bei hohen Temperaturen über 1000 °C zur Bildung einer Funktionskeramikschicht (3) gesintert wird, und wobei das nachfolgende, gemeinsame Sintern zur Bildung des Funktionskeramikelements (100) bei einer niedrigeren Temperatur unter 1000 °C, durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Funktionskeramik als Folie (2) im grünen Zustand bereitgestellt wird, und wobei die Metallpaste (4) und die Keramiksubstrat-Grünfolien (9) auf die Funktionskeramik (2) im grünen Zustand aufgebracht werden und wobei das nachfolgende, gemeinsame Sintern zur Bildung des Funktionskeramikelements (100) bei einer hohen Temperatur über 1000 °C durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Funktionskeramik- Folie (2) und die Keramiksubstrat-Grünfolien (9) im Wesentlichen die gleiche Zusammensetzung aufweisen und sich die Zusammensetzung der Funktionskeramik-Folie (2) und der Keramiksubstrat-Grünfolien (9) nur durch den Anteil von Dotierstoffen in der Zusammensetzung unterscheiden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Funktionskeramik-Folie (2) eine rechteckige Form mit einer Abmessung von mindestens 3 cm x 10 cm aufweist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Metallpaste (4) in einer Struktur aufgebracht wird, welche durch das gemeinsame Sintern in kammförmige Metallstrukturen (5) überführt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 2, wobei neben den Funktionskeramik-Folie (2) auch Keramiksubstrat-Grünfolien (9) in grünem Zustand aufgebracht werden und durch einen gemeinsamen Sinterschritt in einen nicht-grünen, gesinterten Zustand überführt werden.
15. Monolithisches Funktionskeramikelement (100) umfassend zumindest folgende Schichten, die in einer Stapelrichtung senkrecht zu einer Außenfläche des Funktionskeramikelements (100) laminiert sind: eine Funktionskeramikschicht (3) mit zwei gegenüberliegenden Oberflächen, zwei im Betrieb unterschiedlich gepolte elektrisch leitende Metallstrukturen (5) , die in direktem Kontakt auf jeweils einer der gegenüberliegenden Oberflächen der Funktionskeramikschicht (3) angeordnet sind, zwei elektrisch isolierende Keramikschichten (10) , die auf jeweils einer der gegenüberliegenden Oberflächen der Funktionskeramikschicht (3) und der darauf angeordneten Metallstrukturen (5) angeordnet sind.
16. Monolithisches Funktionskeramikelement (100) nach Anspruch 15, wobei die Funktionskeramikschicht (3) eine HTCC- Keramik umfasst oder aus dieser besteht und die elektrisch isolierenden Keramikschichten (10) eine LTCC-Keramik umfassen oder aus dieser bestehen.
17. Monolithisches Funktionskeramikelement (100) nach Anspruch 16, wobei die elektrisch isolierenden Keramikschichten (10) eine Aluminiumoxid-Keramik umfassen.
18. Monolithisches Funktionskeramikelement (100) nach Anspruch 15, wobei die Funktionskeramikschicht (3) und die elektrisch isolierenden Keramikschichten (10) jeweils eine HTCC-Keramik umfassen oder aus dieser bestehen.
19. Monolithisches Funktionskeramikelement (100) nach Anspruch 18, wobei die Funktionskeramikschicht (3) und die elektrisch isolierenden Keramikschichten (10) im Wesentlichen die gleiche Keramik-Zusammensetzung aufweisen und sich die Keramik-Zusammensetzung der Funktionskeramikschicht (3) und der elektrisch isolierenden Keramikschichten (10) nur durch den Anteil von Dotierstoffen in der Keramik-Zusammensetzung unterscheiden .
20. Monolithisches Funktionskeramikelement (100) nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei die Funktionskeramikschicht (3) eine Bariumtitanat-Keramik umfasst.
21. Monolithisches Funktionskeramikelement (100) nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei die elektrisch isolierenden Keramikschichten (10) eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
22. Monolithisches Funktionskeramikelement (100) nach einem der Ansprüche 15 bis 21, wobei die Funktionskeramikschicht (3) eine Schichtdicke von maximal 150 pm aufweist.
23. Monolithisches Funktionskeramikelement (100) nach einem der Ansprüche 15 bis 22, wobei die elektrisch isolierenden Keramikschichten (10) eine Schichtdicke von maximal 200 pm aufweisen .
24. Monolithisches Funktionskeramikelement (100) nach einem der Ansprüche 15 bis 23, das in einer Stapelrichtung der genannten Schichten eine Dicke von maximal 500 pm aufweist.
25. Monolithisches Funktionskeramikelement (100) nach einem der Ansprüche 15 bis 24, wobei die elektrisch leitenden Metallstrukturen (5) in einer Kammstruktur ausgebildet sind, umfassend jeweils einen durchgehenden Abschnitt (6) und mehrere vom durchgehenden Abschnitt abzweigende Abschnitte (7) .
26. Monolithisches Funktionskeramikelement (100) nach Anspruch 25, wobei die elektrisch leitenden Metallstrukturen
(5) in der Stapelrichtung nicht übereinander angeordnet sind, sodass im Betrieb alle Leitungswege (8) in der Funktionskeramikschicht (3) , über die elektrischer Strom durch die Funktionskeramikschicht (3) geleitet wird, diagonal verlaufen .
27. Monolithisches Funktionskeramikelement (100) nach Anspruch 26, wobei ein minimaler Leitungsweg (8) in der Funktionskeramikschicht (3) zwischen zwei abzweigenden Abschnitten (7) jeweils einer der elektrisch leitenden Metallstrukturen (5) ausgeprägt ist und mindestens 4 mm beträgt .
28. Monolithisches Funktionskeramikelement (100) nach einem der Ansprüche 15 bis 27, wobei das monolithische Funktionskeramikelement (100) ein monolithisches Thermistorelement (100) ist.
29. Monolithisches Funktionskeramikelement (100) nach Anspruch 28, wobei die Funktionskeramik (2,3) eine PTC- Keramik (2,3) ist.
30. Monolithisches Funktionskeramikelement (100) nach einem der Ansprüche 15 bis 29, wobei die Funktionskeramikschicht (3) von einer Funktionskeramikfolie mit einer Abmessung von mindestens 3 cm x 10 cm abgeleitet ist.
31. Heizmodul (200) , das das monolithische Thermistorelement (100) nach einem der Ansprüche 28 oder 29 umfasst.
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