Vielschichtbauelement mit einer Außenkontaktierung und

Verfahren zur Herstellung eines Vielschichtbauelements mit einer Außenkontaktierung.

Es wird ein Vielschichtbauelement mit einer

Außenkontaktierung angegeben. Beispielsweise ist das

Vielschichtbauelement ein Piezoaktor, der zum Betätigen eines Einspritzventils in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann. Alternativ kann das Vielschichtbauelement

beispielsweise ein Vielschichtkondensator oder ein

Vielschichtvaristor sein. Zur Kontaktierung eines Vielschichtbauelements wird

beispielsweise ein Anschlusselement mit einem Grundkörper verlötet, verklebt oder verschweißt. Bei einer derartigen Befestigung kann jedoch die Kontaktierung Einfluss auf die Bewegungen des Aktors nehmen. Zudem kann die Kontaktierung durch die oftmalige Auslenkung des Aktors beschädigt werden.

Es ist eine zu lösende Aufgabe, ein verbessertes

Vielschichtbauelement anzugeben. Insbesondere ist es eine zu lösende Aufgabe, ein besonders zuverlässiges

Vielschichtbauelement anzugeben.

Es wird ein Vielschichtbauelement angegeben, aufweisend einen Grundkörper und eine Außenkontaktierung. Die

Außenkontaktierung weist ein Anschlusselement und eine

Kontaktschicht auf. Die Kontaktschicht verbindet den

Grundkörper elektrisch leitend mit dem Anschlusselement. Eine Verbindung zwischen dem Grundkörper und dem Anschlusselement ist durch ein Sintern der Kontaktschicht hergestellt. Die Temperatur beim Sintern beträgt vorzugsweise weniger als 400°C. Beispielsweise ist die Kontaktschicht bei 250°C gesintert . Die gesinterte Kontaktschicht weist ein polykristallines Gefüge auf. Insbesondere sind in der gesinterten

Kontaktschicht Körner und Korngrenzen ausgebildet.

Vorzugsweise sind in der gesinterten Kontaktschicht Poren und/oder Sinterhälse ausgebildet. Die Poren und/oder

Sinterhälse sind beispielsweise zwischen Metallpartikeln, beziehungsweise zwischen Körnern ausgebildet.

Eine gesinterte Kontaktschicht hat den Vorteil, dass sie eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Zudem weist eine gesinterte Kontaktschicht eine hohe thermische Leitfähigkeit auf. Insbesondere weist eine gesinterte Kontaktschicht eine höhere elektrische Leitfähigkeit und eine höhere thermische Leitfähigkeit auf als beispielsweise Lote, insbesondere

Weichlote. Des Weiteren zeigt die gesinterte Kontaktschicht bei hohen Temperaturen eine geringe Materialermüdung.

Insbesondere finden nur eine geringe plastische Umformung der Kontaktschicht und ein geringes Risswachstum in der

Kontaktschicht statt. Dies ist durch einen hohen Schmelzpunkt der Kontaktschicht im Vergleich zu Loten begründet. Auch bei mechanischer oder thermomechanischer Wechsellast tritt nur eine geringe Materialermüdung der Kontaktschicht ein.

Aufgrund des relativ hohen Schmelzpunktes der Kontaktschicht können Vielschichtbauelemente mit einer derartigen

Kontaktschicht in einem Reflowprozess auf Platinen aufgelötet werden . Das Sintern der Kontaktschicht kann ohne Verwendung von

Flussmitteln stattfinden. Daher ist auch kein Waschprozess zum Entfernen von Flussmittelresten notwendig, wie

beispielsweise beim Löten.

Die Prozesstemperatur beim Sintern der Kontaktschicht ist deutlich geringer als beim Hartlöten oder beim Einbrennen von Metallpasten. Dadurch ist die Thermospannung im Prozess relativ niedrig und der Prozess ist einfacher und

kostengünstiger.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Kontaktschicht porös. Vorzugsweise weist die Kontaktschicht eine Porosität zwischen 1 Volumenprozent und 50 Volumenprozent auf.

Aufgrund der Porosität der Kontaktschicht ist der

Elastizitätsmodul der Kontaktschicht geringer als bei dichten Metallschichten. Dadurch können Klemmeffekte und mechanische Spannungen im Keramikkörper gesenkt werden.

Die Kontaktschicht weist ein Metall auf. Die Kontaktschicht besteht vorzugsweise aus Silber oder Kupfer. Insbesondere besteht die Kontaktschicht zu wenigstens 95 Gewichtsprozent, vorzugsweise zu 99 Gewichtsprozent, aus reinem Silber oder Kupfer. Insbesondere kann die Kontaktschicht zu wenigstens 99 Gewichtsprozent aus reinem Silber oder Kupfer bestehen.

Die Schmelztemperatur des Metalls der Kontaktschicht liegt über der Sintertemperatur der Kontaktschicht. Gemäß einer Ausführungsform liegt die Schmelztemperatur der

Kontaktschicht über 400°C. Insbesondere weist die

Kontaktschicht bei Betriebstemperaturen über 200°C eine hohe Temperaturstabilität auf. Gemäß einer Ausführungsform weist die Kontaktschicht eine Dicke zwischen 2 ym und 200 ym auf. Vorzugsweise weist die Kontaktschicht eine Dicke zwischen 10 ym und 100 ym auf. Der Grundkörper des Vielschichtbauelements kann einen Stapel aus dielektrischen Schichten und internen Elektrodenschichten aufweisen. Die Außenkontaktierung kann zur elektrischen

Kontaktierung der internen Elektrodenschichten dienen. Der Grundkörper ist beispielsweise quaderförmig ausgebildet.

Vorzugsweise sind die dielektrischen Schichten und die internen Elektrodenschichten entlang einer Stapelrichtung gestapelt. Die Stapelrichtung entspricht vorzugsweise der Längsrichtung des Grundkörpers. Vorzugsweise sind die

dielektrischen Schichten und die internen Elektrodenschichten alternierend übereinander gestapelt.

Vorzugsweise enthalten die internen Elektrodenschichten

Kupfer oder bestehen aus Kupfer. Alternativ enthalten die internen Elektrodenschichten Silber-Palladium oder bestehen aus Silber-Palladium.

Die dielektrischen Schichten können ein piezoelektrisches Material aufweisen. Beispielsweise können die dielektrischen Schichten ein keramisches Material, insbesondere ein

piezokeramisches Material aufweisen. Zur Herstellung des Grundkörpers können Grünfolien verwendet werden, auf die zur Bildung von internen Elektrodenschichten beispielsweise eine Metallpaste aufgebracht wird. Beispielsweise wird die

Metallpaste in einem Siebdruckverfahren aufgebracht. Die Metallpaste kann Kupfer enthalten. Alternativ kann die

Metallpaste Silber oder Silber-Palladium enthalten. Nach dem Aufbringen der Metallpaste werden die Folien vorzugsweise gestapelt, verpresst und gemeinsam gesintert, sodass ein monolithischer Sinterkörper entsteht. Vorzugsweise wird der Grundkörper des Bauelements durch einen monolithischen

Sinterkörper gebildet, beispielsweise durch einen wie oben beschrieben hergestellten Sinterkörper.

Beispielsweise ist das Vielschichtbauelement als

piezoelektrisches Bauelement, zum Beispiel als Piezoaktor, ausgebildet. Bei einem Piezoaktor dehnen sich beim Anlegen einer Spannung an die internen Elektrodenschichten zwischen den internen Elektrodenschichten angeordnete piezoelektrische Schichten aus, sodass ein Hub des Piezoaktors erzeugt wird. Das Vielschichtbauelement kann auch als ein anderes

Bauelement ausgebildet sein, beispielsweise als

Vielschichtkondensator . Der Vielschichtkondensator ist vorzugsweise geeignet für leistungselektronische Anwendungen mit DC-Spannungen größer 250 Volt und Einsatztemperaturen über 120°C. Die Außenkontaktierung dient vorzugsweise zum Anlegen einer Spannung zwischen in Stapelrichtung benachbarten internen Elektrodenschichten. Insbesondere dient die

Außenkontaktierung der Zuleitung von Strom zu den internen Elektrodenschichten. Beispielsweise sind zwei Außenelektroden auf gegenüberliegenden Außenseiten des Grundkörpers

angeordnet. Eine Außenelektrode weist jeweils eine

Kontaktschicht und ein Anschlusselement auf.

Vorzugsweise sind die internen Elektrodenschichten in

Stapelrichtung abwechselnd mit einer der Außenelektroden elektrisch verbunden und von der anderen Außenelektrode elektrisch isoliert. Die Außenkontaktierung kann dabei auf die Belastungen an dem Grundkörper ausgelegt sein. Beispielsweise wird die Elektrodenpaste so aufgebracht, dass die Elektrodenschichten in Stapelrichtung gesehen abwechselnd bis zu einer Außenseite des Stapels reichen und von der gegenüberliegenden Außenseite des Stapels beabstandet sind. Auf diese Weise können die Elektrodenschichten abwechselnd mit einer der Außenkontaktierungen elektrisch verbunden werden. Gemäß einer Ausführungsform kann zwischen einem Ende der internen Elektrodenschicht und einer Außenseite des Grundkörpers ein Luftspalt vorhanden sein. Beispielsweise kann abwechselnd jede zweite interne Elektrodenschicht mittels Ätzens zurückgesetzt sein, so dass zwischen den geätzten internen Elektrodenschichten und einer Außenseite des Grundkörpers ein Graben angeordnet ist. Zur Verbesserung der Druchbruchspannung können die Luftspalte, bzw. die Gräben mit Isoliermaterial gefüllt sein. Das Isoliermaterial kann beispielsweise ein elastomerer Werkstoff sein.

Bei einem Vielschichtbauelement mit einer durch Sintern befestigten Kontaktschicht können die Gräben nahezu

vollständig mit Isoliermaterial gefüllt sein. Dies ergibt sich daraus, dass auf den Einsatz eines Flussmittels

verzichtet werden kann. Dadurch können keine Flussmittelreste in den Gräben verbleiben, welche ein Befüllen der Gräben erschweren oder verhindern. Auf diese Weise kann die

Durchbruchspannung des Vielschichtbauelements im Vergleich zu einem Vielschichtbauelement mit einer verlöteten

Außenkontaktierung um ca. 10% erhöht sein.

Alternativ kann das Vielschichtbauelement ein vollaktives Vielschichtbauelement sein. Bei einem vollaktiven

Vielschichtbauelement erstrecken sich die internen

Elektrodenschichten über den gesamten Querschnitt des

Grundkörpers. Zur abwechselnden Verbindung der internen Elektrodenschichten mit einer Außenkontaktierung werden die internen Elektrodenschichten auf einer Außenseite

alternierend mit elektrisch isolierendem Material bedeckt. Vorzugsweise sind die internen Elektrodenschichten in

Stapelrichtung abwechselnd mit einer der Außenelektroden elektrisch verbunden und von der anderen Außenelektrode elektrisch isoliert. Die Außenkontaktierung ist beispielsweise streifenförmig ausgebildet. Vorzugsweise verläuft die Außenkontaktierung entlang der Stapelrichtung des Grundkörpers. Beispielsweise bedeckt die Außenkontaktierung eine Außenseite des

Grundkörpers nur teilweise. Alternativ kann die

Außenkontaktierung eine Außenseite des Grundkörpers

vollständig bedecken.

Die Anschlusselemente können die Form eines ebenen Körpers oder die Form eines dreidimensional strukturierten Körpers haben. Ein ebener Körper kann beispielsweise die Form eines Blechs, eines Mäanders, eines Kamms oder einer Leiter aufweisen. Ein dreidimensional strukturierter Körper kann beispielsweise die Form eines Drahtgeflechts, eines

Drahtgewirks oder eines Wellblechs aufweisen.

Die Anschlusselemente erstrecken sich vorzugsweise über die gesamte Länge des Vielschichtbauelements . Dadurch kann eine zuverlässige Kontaktierung auch bei einer Unterbrechung der Kontaktschicht während des Betriebs stets eine

Gesamtanbindung des Bauteils garantiert sein.

Gemäß einer Ausführungsform ist zwischen dem Grundkörper und der Kontaktschicht zusätzlich eine Grundmetallisierung aufgebracht. Die Grundmetallisierung kann durch Einbrennen einer Metallpaste gebildet sein. Insbesondere kann die

Grundmetallisierung durch Sintern an die Kontaktschicht angebunden sein. Der Grundmetallisierung kann eine Glaspaste zugesetzt sein. Alternativ kann die Grundmetallisierung durch Sputtern von Metallschichten auf den Grundkörper aufgebracht sein und durch Sintern an die Kontaktschicht angebunden sein. Dementsprechend kann die Grundmetallisierung lediglich aus einer aufgesputterten Schicht bestehen. Alternativ kann die Grundmetallisierung eine durch Einbrennen einer Metallpaste und durch eine zusätzliche Sputterschicht zwischen der eingebrannten Metallpaste und der Kontaktschicht gebildet sein .

Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines

Vielschichtbauelements angegeben. Das Verfahren umfasst in einem ersten Schritt das Bereitstellen eines Grundkörpers und eines Anschlusselements. Anschließend wird eine Metallpaste auf mindestens eine Außenseite des Grundkörpers aufgetragen. Das Anschlusselement wird auf der Metallpaste positioniert. Insbesondere kann das Anschlusselement zumindest teilweise in die Metallpaste hinein gedrückt werden. Anschließend erfolgt das Sintern der Metallpaste. Das Sintern erfolgt bei einer Temperatur unterhalb 400 °C. Dadurch wird das Anschlusselement mit dem Grundkörper elektrisch leitend verbunden.

Diese Metallpaste kann Metallpartikel, Salze und

Organikmaterial als Lösungsmittel und Coating-Material der Feststoffe enthalten. Die Metallpartikel sind beispielsweise Silber- oder Kupferpartikel. Als Salz eignet sich

beispielsweise Silberkarbonat.

Das Auftragen der Metallpaste erfolgt beispielsweise mit einer Schablone. Die aufgetragene Schicht der Metallpaste ist vorzugsweise 1 mm breit und 100 ym dick. Die Kontaktschicht wird getrocknet und gesintert.

Beispielsweise wird die Metallpaste bei 160°C 75 Minuten entbindert und danach 105 Minuten bei 250°C gesintert. Das Sintern kann unter Druck oder drucklos erfolgen.

Nach dem Sinterprozess liegt die Kontaktschicht als feste, poröse, reine Metallschicht vor. Der Grundkörper und die Außenkontaktierung sind an die Kontaktschicht fest

angebunden .

Während des Sinterprozesses wird die Metallpaste zur porösen Kontaktschicht umgewandelt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen, nicht maßstabsgetreuen Figuren erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine Schnittdarstellung eines

Vielschichtbauelements ,

Figur 2 eine Seitenansicht des Vielschichtbauelements aus

Figur 1. Figur 1 zeigt ein Vielschichtbaulement 1 in einer

Schnittdarstellung .

Das Vielschichtbauelement 1 weist einen Grundkörper 2 auf. Der Grundkörper 2 weist alternierend angeordnete erste und zweite interne Elektrodenschichten 5a, 5b und

piezoelektrische Schichten 6 auf. Auf einer Außenseite des Grundkörpers 2 ist eine Außenkontaktierung 9 aufgebracht. Die Außenkontaktierung 9 weist eine Kontaktschicht 3 und ein Anschlusselement 4 auf. Die Kontaktschicht 3 ist porös. Zudem weist die

Außenkontaktierung 9 eine Grundmetallisierung 8 auf. Die

Grundmetallisierung 8 kann beispielsweise eine eingebrannte Metallschicht und/oder eine Sputterschicht aufweisen. Die eingebrannte Metallschicht kann einen Glaszusatz aufweisen. Jede erste interne Elektrodenschicht 5a erstreckt sich bis zu der Außenseite des Grundkörpers 2, und ist dort durch die Außenkontaktierung 9 kontaktiert. Jede zweite interne

Elektrodenschicht 5b ist von der Außenseite des Grundkörpers 2 beabstandet. Insbesondere ist zwischen jeder zweiten internen Elektrodenschicht 5b und der Außenseite des

Grundkörpers eine Isolationszone 7 angeordnet. Die

Isolationszone 7 kann als Luftspalt ausgebildet sein.

Alternativ kann die Isolationszone 7 mit einem

Isoliermaterial gefüllt sein.

Wie in Figur 1 ersichtlich ist, ist das Anschlusselement 4 zumindest teilweise in die Kontaktschicht 3 eingebettet. Dadurch ist eine zuverlässige Verbindung zwischen dem

Anschlusselement 4 und der Kontaktschicht 3 hergestellt.

Figur 2 zeigt das Vielschichtbauelement 1 in einer

Seitenansicht. Dabei ist jede zweite interne

Elektrodenschicht 5b, welche durch eine Isolationszone 7 von der Außenseite des Grundkörpers 2 beabstandet ist,

gestrichelt dargestellt. Auf einer gegenüberliegenden

Außenseite des Grundkörpers erstrecken sich die zweiten internen Elektrodenschichten 5b bis zur Außenseite des

Grundkörpers 2, während die ersten internen Elektrodenschichten 5a durch eine Isolationszone 7 von dieser beabstandet sind.

Die Grundmetallisierung 8 und die Kontaktschicht 3 sind in Form eines Streifens ausgebildet, wobei die

Grundmetallisierung 8 etwas breiter ist als die

Kontaktschicht 3.

Das in Figur 2 gezeigte Anschlusselement 4 ist mäanderförmig ausgebildet. Das Anschlusselement 4 kann jedoch auch andere Formen aufweisen, beispielsweise die einer Leiter, eines Blechs oder Wellblechs, eines Drahtsiebs oder eines Kamms.

Bezugs zeichen

1 VielSchichtbauelement

2 Grundkörper

3 KontaktSchicht

4 Anschlusselement

5a interne Elektrodenschicht

5b interne Elektrodenschicht

6 piezoelektrische Schicht

7 Isolationszone

8 Grundmetallisierung

9 Außenkontaktierung