Bandgießen für mehrschichtige piezoelektrische Keramiken: Schlüsseltechnologien für die Herstellung ultradünner Grünbänder

Das Gießverfahren ist der Kernprozess für die Herstellung dünner und großflächiger piezoelektrischer Mehrschichtkeramiken. Es ermöglicht die Fertigung gleichmäßiger Keramik-Grünlinge mit einer Dicke von 5–50 µm und Abmessungen > 100 mm × 100 mm und überwindet so die technischen Einschränkungen des Trockenpressens, das bei Dicken unter 50 µm zu Rissen und bei Flächen über 50 mm × 50 mm zu Verformungen neigt.

Diese Lösung beschreibt einen vollständig umsetzbaren Bandgießprozess aus vier Perspektiven: grundlegende Prinzipien, Prozessablauf und Parameteroptimierung.

I. Grundprinzipien des Bandgießverfahrens

Das Bandgießverfahren erzeugt dünne Keramikplatten in drei Schritten: Nivellieren der Suspension → Trocknen und Filmbildung → Ablösen des Trägermaterials.

Eine Keramikschlämme wird gleichmäßig auf eine flexible Trägerfolie (z. B. PET-Trennfolie) aufgetragen, wobei die Schichtdicke mittels Rakel kontrolliert wird. Die beschichtete Folie durchläuft anschließend eine Trockenkammer, in der die Lösungsmittel verdunsten und ein mechanisch stabiles, grünes Keramikband entsteht. Abschließend wird das getrocknete grüne Band von der Trägerfolie abgezogen und als Basis für die Mehrlagenfertigung verwendet.

• Zu den wichtigsten Leistungsvorteilen gehören:
• Dickentoleranz ≤ ±2%
• Oberflächenrauheit Ra ≤ 0,2 μm
• Chargenstabilität > 98 %

Aufgrund dieser Eigenschaften eignet sich das Bandgießverfahren hervorragend für die Herstellung von piezoelektrischen Mehrschichtkeramiken mit hoher Schichtanzahl (z. B. 200–500 Schichten).

II. Kernprozesse des Bandgießens und kritische Parameter

Der Arbeitsablauf beim Tapecasting besteht aus drei entscheidenden Phasen:

Schlammherstellung → Bandgießen → Nachbehandlung mit Grünband

Jede einzelne Phase bestimmt unmittelbar die endgültige Qualität des Dünnblechs. Eine strenge Parameterkontrolle ist daher erforderlich.

1. Schlammzubereitung: Sicherstellung des Verlaufverhaltens und der Filmbildungsfähigkeit

Die Gießschlammmischung muss folgende Eigenschaften aufweisen:

• Niedrige Viskosität
• Hohe Feststoffbeladung
• Keine Agglomeration

Die Formulierung und der Herstellungsprozess sind so ausgelegt, dass ein ausgezeichnetes rheologisches, Dispersions- und Trocknungsverhalten gewährleistet ist.

Zusammensetzung und Anforderungen an die Gießschlammmischung (Beispiel: Gießschlammmischung auf PZT-Basis)

Komponente	Funktion	Typisches Verhältnis	Wichtigste Anforderungen
PZT-Keramikpulver	Funktionsphase	70–75 Gewichtsprozent	Partikelgröße D50 = 0,5–1,5 μm; spezifische Oberfläche 10–15 m²/g; keine Agglomeration (Agglomeratgröße ≤ 5 μm)
Bindemittel	Bietet grüne Bandstärke	5%–8% (z. B. PVB – Polyvinylbutyral)	Gute Verträglichkeit mit Lösungsmitteln; Zugfestigkeit nach Filmbildung ≥ 15 MPa (um ein Brechen beim Ablösen des Klebebands zu verhindern)
Weichmacher	Verbessert die Flexibilität des Klebebands	3%–5% (z. B. DBP – Dibutylphthalat)	Weichmacher-Bindemittel-Verhältnis 1:1,5 bis 1:2; verhindert Sprödigkeit (grünes Klebeband biegt sich bis zu einem Radius von R ≤ 5 mm, ohne zu reißen)
Dispergiermittel	Verringert die Viskosität der Suspension	0,5 %–1 % (z. B. Triethanolamin)	Hält die Viskosität der Suspension bei 500–1500 mPa·s (Rotationsviskosimeter, 25 °C, 100 U/min)
Lösungsmittel	Passt die Fließfähigkeit der Suspension an	15%–20% (z. B. Ethanol + Toluol = 1:1)	Niedriger Siedepunkt (60–110 °C), hohe Flüchtigkeit; Restlösungsmittelgehalt nach dem Trocknen ≤ 0,1 %

Vorbereitungsverfahren

• Vormischen:

Geben Sie das Dispergiermittel in das Lösungsmittel und rühren Sie 10–15 Minuten lang, bis es sich vollständig aufgelöst hat.

• Pulverzugabe:

Geben Sie das Keramikpulver in 3 bis 5 Portionen hinzu und rühren Sie nach jeder Zugabe 5 Minuten lang um, um ein Verklumpen zu verhindern.

• Kugelmühle / Dispersion:

Um eine gleichmäßige Dispersion der Suspension zu erreichen, ist eine Kugelmühle erforderlich.

• Zugabe von Bindemitteln/Weichmachern:

Nach dem Kugelmahlen Bindemittel und Weichmacher zugeben. 2–3 Stunden bei niedriger Drehzahl (100–150 U/min) rühren, um Blasenbildung zu vermeiden.

• Schlammfiltration und Entlüftung:

Die Suspension wird durch ein Nylonsieb mit einer Maschenweite von 100–200 filtriert, um größere Partikel zu entfernen. Anschließend wird eine Vakuumentgasung bei –0,095 MPa für 30–60 Minuten durchgeführt, um Nadellöcher beim Bandgießen zu vermeiden.

2. Bandgießen: Kontrolle von Dicke und Gleichmäßigkeit

Dieser Schritt ist der Kern des Bandgießverfahrens und erfordert eine präzise Steuerung der Anlagen während des gesamten Beschichtungs-, Trocknungs- und Abziehvorgangs.

Vorbehandlung des Basisfilms:

Verwenden Sie eine 50–100 μm PET-Trägerfolie und achten Sie darauf, dass die Oberfläche frei von Öl und Verunreinigungen ist.

Einstellungen der Gießparameter

•Spalt der Doktorklinge:

Die Dicke des grünen Klebebands entsprechend der gewünschten Dicke anpassen.

(Lamellenspalt = Zieldicke × 1,2–1,5, unter Berücksichtigung einer Schrumpfung von 15–30 % nach dem Trocknen).

Beispiel: Bei einem 20 μm grünen Klebeband sollte der Klingenabstand auf 24–30 μm eingestellt werden.

• Trägerfilmempfindlichkeit:

1–5 m/min

– Zu schnell: unzureichende Nivellierung des Schmierstoffs

– Zu langsam: Lokale Dickenzunahme

Die Geschwindigkeit muss der Trocknungsgeschwindigkeit entsprechen.

• Gießdruck:

0,1–0,3 MPa, um sicherzustellen, dass die Suspension den Spalt zwischen Klinge und Trägerfolie vollständig und ohne Lücken ausfüllt.

Mehrstufige Trocknung

Um Risse durch schnelle Lösungsmittelverdunstung zu vermeiden, ist eine Trockenkammer mit 3 bis 5 Zonen und kontrollierten Temperaturgradienten erforderlich:

Zone 1 (Eingang): 40–50 °C

Langsame Verdunstung des Oberflächenlösungsmittels zur Vermeidung von Nadellöchern.

Zone 2–4: 60–80 °C

Allmähliche Verdunstung des internen Lösungsmittels; Gesamttrocknungszeit 10–20 min.

Zone 5 (Ausgang): 50–60 °C

Feuchtigkeitsausgleich zur Vermeidung von Verformungen.

Wichtigste Kennzahlen:

Restlösungsmittelgehalt nach dem Trocknen: ≤0,5 %

Dickenabweichung: ≤ ±2%

Grünes Klebeband löst sich ab

Verwenden Sie eine automatische Schälwalze mit einem Schälwinkel von 30°–45°.

Die Abziehgeschwindigkeit muss mit der Geschwindigkeit der Trägerfolie (1–5 m/min) synchronisiert sein, um ein Reißen des Klebebands durch übermäßige Abziehkraft zu verhindern.

3. Prozessoptimierung und Behebung häufiger Probleme

1. Optimierung der Kernprozesse (Verbesserung von Effizienz und Qualität)

• Umweltfreundlicher Schlammersatz:

Verwenden Sie wasserbasierte Lösungsmittel (deionisiertes Wasser + Ethanol) anstelle der herkömmlichen organischen Lösungsmittel (Toluol, Xylol).

Durch die Verwendung wasserbasierter Bindemittel (z. B. Acrylharze) werden die VOC-Emissionen um über 80 % reduziert.

Dispergiermittel (z. B. Natriumpolyacrylat) und Trocknungstemperaturen (70–90 °C) müssen entsprechend angepasst werden.

• Automatisierungsintegration:

Integrieren Sie die Bandgießmaschine über ein automatisiertes Fördersystem mit dem nachfolgenden Laminator.

Nach dem Zuschneiden der grünen Bänder gelangen diese direkt in das Bildverarbeitungsmodul des Laminiergeräts, wodurch Verunreinigungen und mechanische Beschädigungen durch manuelle Handhabung minimiert werden.

Dadurch wird der Ertrag um 5–8 % gesteigert.

Häufige Probleme und Korrekturmaßnahmen

Häufiges Problem	Grundursache	Korrekturmaßnahmen
Nadellöcher im grünen Klebeband	Unvollständige Entgasung der Suspension Das Lösungsmittel verdunstet zu schnell	Verlängern Sie die Vakuum-Entgasung auf 60–90 Minuten und fügen Sie mechanisches Rühren zur verbesserten Entgasung hinzu. Senken Sie die Temperatur der ersten Trockenzone auf 35–45 °C und reduzieren Sie die Bandgeschwindigkeit.
Kantenverdickung von grünem Klebeband	Ungleichmäßiger Rakeldruck an beiden Enden	Stellen Sie den Zylinderdruck an beiden Enden der Rakel ein. Bringen Sie Kantenabklebeband (5–10 mm breit) auf der Trägerfolie an, um das seitliche Abfließen der Suspension zu verhindern.
Bruch des grünen Klebebands beim Abziehen	Unzureichender Bindemittelgehalt übermäßiger Schälwinkel	Den Bindemittelgehalt auf 7–8 % erhöhen; eine Zugfestigkeit des grünen Klebebands von ≥ 15 MPa sicherstellen. Den Schälwinkel auf 20°–30° reduzieren, die Schälkraft auf 0,3–0,8 N verringern.
Dickenabweichung außerhalb der Spezifikation	Verschleiß des Rakelspalts Schwankung der Trägerfilmspannung	Regelmäßig den Rakelspalt kalibrieren (einmal pro 1000 m Produktion). Fügen Sie ein geschlossenes Spannungsregelungssystem hinzu; halten Sie die Spannungsschwankung ≤ ±0,2 N