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