CN108002865B - 功能陶瓷元件及在功能陶瓷层上形成电极的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种功能陶瓷元件及在功能陶瓷层上形成电极的方法。该功能陶瓷元件包括多个功能陶瓷层，至少一个所述功能陶瓷层具有电极，按照如下方法在所述功能陶瓷层上形成电极：在陶瓷基材或者陶瓷坯体的表面附着填孔材料，以填充所述表面的孔隙；按照设定图案将导体浆料印刷在附着有所述填孔材料的表面上；将所述导体浆料进行烧结，以使填孔材料中的有机物被去除，以及所述导体浆料形成电极并置于所述表面上。该方法能够有效防止导体浆料渗透进孔隙中。填孔材料有效避免了功能陶瓷层的两个电极被导通，防止了短路的发生。
Description
技术领域
本发明涉及功能陶瓷技术领域，更具体地，涉及一种功能陶瓷元件及在功能陶瓷层上形成电极的方法。
背景技术
功能陶瓷特别是多层压电陶瓷元件、多层电容元件、多层电感元件等，需要在每层陶瓷层的两侧印刷电极，从而向陶瓷层提供电信号。功能陶瓷一般是由N层陶瓷，和N+1层电极组成，其中N≥1。
然而，由于结构设计需要，有的陶瓷层或者陶瓷生胚层较薄，例如厚度为微米级；或者由于材料自身原因，例如陶瓷基材或者陶瓷生胚的孔隙较多，在使用丝网印刷技术印刷电极时，会发生金属导体浆料渗透的现象，这使得陶瓷层两边的电极导通，进而使该陶瓷元件失效。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种在功能陶瓷层上形成电极的方法的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种功能陶瓷元件。该功能陶瓷元件包括多个功能陶瓷层，至少一个所述功能陶瓷层具有电极，按照如下方法在所述功能陶瓷层上形成电极：在陶瓷基材或者陶瓷坯体的表面附着填孔材料，以填充所述表面的孔隙；按照设定图案将导体浆料印刷在附着有所述填孔材料的表面上；将所述导体浆料进行烧结，以使填孔材料中的有机物被去除，以及所述导体浆料形成电极并置于所述表面上。
可选地，所述在陶瓷基材或者陶瓷坯体的表面附着填孔材料，以填充所述表面的孔隙，包括：将有机膜层成型在陶瓷基材或者陶瓷坯体上，以使所述有机膜层置于所述陶瓷基材或者所述陶瓷坯体的表面，并且填充所述表面的孔隙；所述有机膜层作为填孔材料，所述有机膜层在烧结过程中被烧掉。
可选地，采用流延的方法形成所述有机膜层，并且将所述有机膜层与所述陶瓷基材或者陶瓷坯体进行压合。
可选地，采用印刷的方法形成所述有机膜层，并将所述有机膜层进行干燥。
可选地，所述有机膜层呈多孔的网状结构。
可选地，所述有机膜层的材质选自聚乙烯醇、聚偏氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乳酸和聚乙烯醇缩丁醛中的任意一种。
可选地，所述导体浆料的烧结在所述陶瓷坯体的排胶或者所述陶瓷坯体的烧结过程中进行。
可选地，所述按照设定图案将导体浆料印刷在附着有所述填孔材料的表面上，包括：按照设定图案制备网版；将网版置于所述表面上；将所述导体浆料透过所述网版印刷在附着有所述填孔材料的表面上。
可选地，所述填孔材料包括无机材料粉体和粘结剂，所述无机材料粉体和所述粘结剂混合在一起，以形成粉体浆料；所述粘结剂在烧结过程中被烧掉或者挥发掉。
根据本发明的另一个方面，提供了一种在功能陶瓷层上形成电极的方法。该方法包括：在陶瓷基材或者陶瓷坯体的表面附着填孔材料，以填充所述表面的孔隙；按照设定图案将导体浆料印刷在附着有所述填孔材料的表面上；将所述导体浆料进行烧结，以使填孔材料中的有机物被去除，以及所述导体浆料形成电极并置于所述表面上。
根据本公开的一个实施例，首先，通过填孔材料填充陶瓷基材或者陶瓷坯体的表面的孔隙。然后，通过烧结形成电极，并且去除填孔材料中的有机物，以使电极置于表面上。
该方法能够有效防止导体浆料渗透进孔隙中。填孔材料有效避免了功能陶瓷层的两个电极被导通，防止了短路的发生。
此外，该方法提高了功能陶瓷层的成品率。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是根据本发明的一个实施例的形成电极的方法的流程图。
图2是根据本发明的一个实施例的烧结之前的功能陶瓷层的侧视图。
图3是根据本发明的一个实施例的功能陶瓷层的俯视图。
图4是根据本发明的一个实施例的功能陶瓷元件的结构分解图。
附图标记说明：
10：电极；11：外电极；12：陶瓷基材；13：电路；14：有机膜层；15：陶瓷坯体；16：导体浆料；17：内电极；18：孔隙。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
根据本发明的一个实施例，提供了一种功能陶瓷元件。该功能陶瓷元件包括多个功能陶瓷层，至少一个所述功能陶瓷层具有电极，按照如下方法在所述功能陶瓷层上形成电极。如图1-2所示，该方法包括：
S1、在陶瓷基材12或者陶瓷坯体15的表面附着填孔材料，以填充表面的孔隙18。填孔材料用于填充陶瓷基材12或者陶瓷坯体15的表面的孔隙18，以防止导体浆料16通过该孔隙18进行渗透。
陶瓷基材12是指经过排胶和烧结处理后的形成的功能陶瓷材料。陶瓷坯体15是指已经成型但未经过排胶和烧结的坯体材料。陶瓷坯体经烧结后形成陶瓷基材。上述两种材料均存在孔隙18。填孔材料可以直接附着到陶瓷基材12上，也可以附着到陶瓷坯体15上。
S2、按照设定图案将导体浆料16印刷在附着有填孔材料的表面上。导体浆料16包括有机溶剂和金属粉体，二者混合在一起，以形成浆料。例如，金属粉体选自金、银、铜、镍和钯中的至少一种或者上述材料的合金。上述粉体的导电性能良好，并且不易被氧化。导体浆料16在烧结过程中，粉体颗粒相互连通，最终形成电极10。有机溶剂在烧结过程中会挥发或者燃烧掉。功能陶瓷的电极10具有设定的图案。本领域技术人员可以根据实际需要对图案进行设计。
导体浆料16通过印刷的方式贴附在附着有填孔材料的表面上。印刷的方法能够形成设定厚度的导体浆料16，进而形成设定厚度的电极10。
在一个例子中，印刷方法包括：
S01、制作网版材料。该步骤包括：选择设定目数、倾斜角度的纱网；
在纱网上涂覆乳胶，乳胶成型后形成膜层，即网版材料。膜层的厚度对印刷层的厚度影响较大。通过控制乳胶的涂覆量，可以控制膜层的厚度。
S02、按照设定图案制备网版。具体地，按照设定的图案刻蚀乳胶膜层，以形成镂空区。
S03、将网版置于待印刷的元件的表面。在设置时，镂空区与元件的设定位置相对应。例如，待印刷的元件为陶瓷基材12或者陶瓷坯体15。
S04、将印刷料(例如，导体浆料16)透过网版印刷在附着有填孔材料的表面上。具体地，将印刷料涂覆到镂空区。例如，通过刮刀涂覆印刷料，以使形成的印刷层的厚度一致。
镂空区被印刷料所填充，从而形成了设定的图案。印刷料固化后形成了具有设定图案的印刷层。例如，印刷层为导体浆料16。
S05、移除网版。
该方法形成的电极10的厚度较薄，并且厚度可控。例如，形成的外电极11的厚度可达5-10μm。形成内电极17的厚度可达0.5-5μm。该厚度既能保证良好的导通效果，又顺应了电子设备轻薄化的发展趋势。
该方法可以用于形成薄的膜层，例如，印刷料可以是各种浆料、未固化的有机材料等。
S3、将导体浆料16进行烧结，以使填孔材料中的有机物被去除，以及导体浆料16形成电极10并置于表面上。最终形成带有电极的功能陶瓷层，如图3所示。在导体浆料16的烧结过程中，有机溶剂挥发或者燃烧掉，并且金属粉体连接在一起，以形成导通。
在一个例子中，导体浆料16的烧结在陶瓷坯体15的排胶或者陶瓷坯体15的烧结过程中进行。这样不用单独对再导体浆料16进行烧结，节省了加工工序。
当然，当导体浆料16被印刷到陶瓷基材12上时，需要单独对导体浆料16进行烧结。
本领域技术人员可以根据实际需要设置烧结的温度，只要能形成电极10，并使电极10与陶瓷基材12或者陶瓷坯体15结合，排除有机物以及使金属粉体连接、导通即可。
在本发明实施例中，首先，通过填孔材料填充陶瓷基材12或者陶瓷坯体15的表面的孔隙18。然后，通过烧结形成电极10，并且去除填孔材料中的有机物，以使电极10置于表面上。
该方法能够有效防止导体浆料16渗透进孔隙18中。填孔材料有效避免了功能陶瓷层的两个电极被导通，防止了短路的发生。
此外，该方法提高了功能陶瓷层的成品率。
在一个例子中，如图2所示，在陶瓷基材12或者陶瓷坯体15的表面附着填孔材料，以填充表面的孔隙18，包括：将有机膜层14成型在陶瓷基材12或者陶瓷坯体15上，以使有机膜层14置于陶瓷基材12或者陶瓷坯体15的表面，并且填充表面的孔隙18。
成型在陶瓷基材12或者陶瓷坯体15上是指有机膜层14的原料在流动状态时，附着在陶瓷基材12或者陶瓷坯体15，然后进行固化成型。当原料处于流动状态时，能容易地被填充到孔隙18中。
本领域技术人员可以采用本领域常用的固化方法使有机膜层14的原料固化。例如，加热固化、干燥固化、UV固化等。
在该例子中，有机膜层14作为填孔材料。有机膜层14在烧结过程中被烧掉。这样，导体浆料16会与陶瓷基材12或者陶瓷坯体15的表面接触，并且形成紧密的结合。
在一个例子中，有机膜层14的材质选自聚乙烯醇(PVA)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乳酸和聚乙烯醇缩丁醛(PVB)中的任意一种。这两种材料能够被做成更薄的膜层，这样能够在烧结过程中被迅速地烧掉，从而使导体浆料16更快地与陶瓷基材12或者陶瓷坯体15结合在一起。
此外，在流动状态时，这两种材料填孔效果好。
当然，有机膜层14的材质不限于上述两种，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。
在一个例子中，采用流延的方法形成有机膜层14，并且将有机膜层14与陶瓷基材12或者陶瓷坯体15进行压合。流延即在流动状态时，将有机膜层14的原料附着到陶瓷基材12或者陶瓷坯体15的表面，并且依靠原料自身的流动性，延展成膜层。流延的方法操作简单，加工速度快。
此外，通过压合的方法能使有机膜层14填孔的效率更高。
在另一个例子中，采用印刷的方法形成有机膜层14，并将有机膜层14进行干燥。印刷的方法如前所述。在该例子中，印刷料为流动状态的有机膜层14的原料。形成的印刷层为有机膜层14。印刷的方法便于控制有机膜层14的厚度。
本领域技术人员可以根据实际需要设置乳胶的厚度，从而控制有机膜层14的厚度。还可以通过设置网版的目数、线径、张网角度、乳胶厚度以及有机胶体的组分、粘度等因素调节有机膜层14的厚度。有机膜层14越薄，在烧结过程中越容易被烧掉，并且越有利于电极10与陶瓷基材12或者陶瓷坯体15的结合。通过印刷的方法形成的有机膜层14的厚度可达到1μm以下。
在一个例子中，有机膜层14呈多孔的网状结构。在印刷导体浆料16时，导体浆料16能渗入网孔中。网状结构提高了导体料浆与有机膜层14的结合力，并使得导体浆料的图案的稳定性提高。
此外，导体料浆可以穿过网孔，并与陶瓷基材12或者陶瓷坯体15相接触。这样能够提高电极10与陶瓷基材12或者陶瓷坯体15的结合力。
此外，网状结构减少了有机膜层14的面积。在烧结过程中，有机膜层14能够更迅速地被烧掉，从而使导体浆料16能够更迅速地与陶瓷基材12或者陶瓷坯体15结合在一起。
当然，形成有机膜层14的方法不限于以上方法，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。
在一个例子中，填孔材料包括无机材料粉体和粘结剂，无机材料粉体和粘结剂混合在一起，以形成粉体浆料。粉体浆料可以通过直接涂覆、印刷的方法附着到陶瓷基材12或者陶瓷坯体15的表面。
印刷的方法如前所述。在该例子中，印刷料为无机材料粉体和粘结剂形成的粉体浆料。
在该例子中，粘结剂在烧结过程中被烧掉或者挥发掉。这样，不会影响导体浆料16与陶瓷基材12或者陶瓷坯体15的结合。
与有机膜层14相比，无机材料粉体和粘结剂形成的填孔材料与陶瓷基材12或者陶瓷坯体15的相容性更好。这样，填孔材料的填孔效果更好。
此外，在烧结过程中，无机材料粉体能与导体浆料16以及陶瓷基材12或者陶瓷坯体15形成更加紧密的连接，提高了功能陶瓷层的可靠性。
在一个例子中，无机材料粉体与陶瓷基材12或者陶瓷坯体15原料的材质相同或者相近。例如，陶瓷基材12或者陶瓷坯体15的原料为氧化锆。无机材料粉体选择氧化锆粉体。这样，填孔材料与陶瓷基材12或者陶瓷坯体15的相容性更好，能够更容易地进行填孔。并且不会对功能陶瓷层的性能造成不利影响。
此外，相同或者相近的无机材料粉体能使填孔材料与陶瓷基材12或者陶瓷坯体15的结合力更强。
优选地，无机材料粉体的粒径小于或等于制作陶瓷基材12或陶瓷粉体的原料的粒径。这使得填孔材料能更容易地填充到陶瓷基材12或者陶瓷坯体15的孔隙18中。
当然，本领域技术人员可以根据实际需要选择无机材料粉体和粘结剂的种类，只要能起到填孔的效果即可。
在一个例子中，如图4所示，该元件包括多个功能陶瓷层。功能陶瓷层包括陶瓷基材12和附着在陶瓷基材的上、下两侧的电极10。在该例子中，根据本发明的方法在陶瓷基材12上形成电极10。电极10为位于各个陶瓷基材12之间的内电极17和/或位于表层的陶瓷基材12的外侧的外电极11。电极10中的一部分作为正极，另一部分作为负极，并且分别与外部的电路13的正、负极导通。该功能陶瓷元件具有成品率高，耐用性良好的特点。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种在功能陶瓷层上形成电极的方法。该方法包括：
在陶瓷基材或者陶瓷坯体的表面附着填孔材料，以填充所述表面的孔隙；
按照设定图案将导体浆料印刷在附着有所述填孔材料的表面上；
将所述导体浆料进行烧结，以使填孔材料中的有机物被去除，以及所述导体浆料形成电极并置于所述表面上。
根据该方法，首先，通过填孔材料填充陶瓷基材或者陶瓷坯体的表面的孔隙。然后，通过烧结形成电极，并且去除填孔材料中的有机物，以使电极置于表面上。
该方法能够有效防止导体浆料渗透进孔隙中。填孔材料有效避免了功能陶瓷层的两个电极被导通，防止了短路的发生。
此外，该方法提高了功能陶瓷层的成品率。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (8)
1.一种功能陶瓷元件的制备方法，其特征在于，包括多个功能陶瓷层，至少一个所述功能陶瓷层具有电极，按照如下方法在所述功能陶瓷层上形成电极：
在陶瓷基材或者陶瓷坯体的表面附着填孔材料，以填充所述表面的孔隙，有机膜层作为填孔材料，所述有机膜层在烧结过程中被烧掉，或者
所述填孔材料包括无机材料粉体和粘结剂，所述无机材料粉体和所述粘结剂混合在一起，以形成粉体浆料，所述粘结剂在烧结过程中被烧掉或者挥发掉；
按照设定图案将导体浆料印刷在附着有所述填孔材料的表面上，所述电极为至少两个，并且分别设置在所述陶瓷基材或者陶瓷坯体相对的表面上；
将所述导体浆料进行烧结，以使填孔材料中的有机物被去除，以及所述导体浆料形成电极并置于所述表面上；
导体浆料包括混合在一起的有机溶剂和金属粉体。
2.根据权利要求1所述的功能陶瓷元件的制备方法，其特征在于，所述在陶瓷基材或者陶瓷坯体的表面附着填孔材料，以填充所述表面的孔隙，包括：
将有机膜层成型在陶瓷基材或者陶瓷坯体上，以使所述有机膜层置于所述陶瓷基材或者所述陶瓷坯体的表面，并且填充所述表面的孔隙。
3.根据权利要求2所述的功能陶瓷元件的制备方法，其特征在于，采用流延的方法形成所述有机膜层，并且将所述有机膜层与所述陶瓷基材或者陶瓷坯体进行压合。
4.根据权利要求2所述的功能陶瓷元件的制备方法，其特征在于，采用印刷的方法形成所述有机膜层，并将所述有机膜层进行干燥。
5.根据权利要求2所述的功能陶瓷元件的制备方法，其特征在于，所述有机膜层呈多孔的网状结构。
6.根据权利要求2所述的功能陶瓷元件的制备方法，其特征在于，所述有机膜层的材质选自聚乙烯醇、聚偏氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乳酸和聚乙烯醇缩丁醛中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的功能陶瓷元件的制备方法，其特征在于，所述导体浆料的烧结在所述陶瓷坯体的排胶或者所述陶瓷坯体的烧结过程中进行。
8.根据权利要求1所述的功能陶瓷元件的制备方法，其特征在于，所述按照设定图案将导体浆料印刷在附着有所述填孔材料的表面上，包括：
按照设定图案制备网版；
将网版置于所述表面上；
将所述导体浆料透过所述网版印刷在附着有所述填孔材料的表面上。
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