Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektro-keramisches
Vielschichtbauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung nach Patentanspruch
5.
Elektro-keramische Vielschichtbauelemente der gattungsgemäßen
Art sind beispielsweise aus der DE-OS 23 21 478 bekannt. Bei
den Vielschichtbauelementen nach dieser Druckschrift handelt
es sich um Thermistoren, die ebenfalls einen die Bauelementefunktion
definierenden keramischen Bauelementekörper, in diesem
befindliche sich alternierend sich zu jeweils einer
Stirnseite erstreckende Innenelektroden sowie an den Stirnseiten
vorgesehene die Innenelektroden kontaktierende Anschlußmetallisierungen
umfassen. Ein derartiges Vielschichtbauelement
kann elektrisch als eine Parallelschaltung einer
Vielzahl von Einzelelementen aufgefaßt werden, die jeweils
durch einen sich zwischen zwei Innenelektroden befindlichen
Teil des Bauelementekörpers gebildet werden. Die Parallelschaltung
kommt dabei durch die die Innenelektroden kontaktierenden
Anschlußmetallisierungen zustande.
Eine spezielle Form eines derartigen Vielschichtbauelementes
in Form eines Vielfachkaltleiters ist weiterhin aus der DE-PS
42 30 848 bekannt. Es handelt sich dabei um einen Vielfachkaltleiter
mit einer Vielzahl von an zwei sich gegenüberliegenden
Stirnflächen Metallkontakte aufweisenden parallel geschalteten
Einzelkaltleiterscheiben, bei dem die Einzelkaltleiterscheiben
in zu ihren Stirnflächen senkrechter Richtung
übereinander angeordnet sind und die Metallkontakte derart
elektrisch miteinander verbunden sind, daß dazu vorgesehene
Metallverbindungen zu sich gegenüberliegenden Mantelflächen
der Einzelkaltleiterscheiben beabstandet verlaufen und freie
Enden der Metallkontakte einen Abstand von an ihnen vorbeiverlaufenden
metallischen Verbindungen aufweisen.
Will man bei einem derartigen Vielfachkaltleiter die Abstände
der zu sich gegenüberliegenden Mantelflächen der Einzelkaltleiterscheiben
verlaufenden Metallverbindungen vermeiden,
weil dies herstellungstechnisch aufwendig ist, so kommen Anschlußmetallisierungen
nach der erstgenannten DE-OS 23 21 478
in Betracht, welche nicht nur die Innenelektroden kontaktieren,
sondern auch mit dem die Bauelementefunktion definierenden
keramischen Bauelementekörper in Kontakt stehen.
Bei Vielschichtbauelementen der in Rede stehenden Art soll
die Bauelementefunktion, etwa eine Kaltleiterfunktion, durch
die Teile des keramischen Bauelementekörpers zustande kommen,
welche im sich überlappenden Bereich der Innenelektroden liegen.
Dies ist unter anderem für die geometrische Dimensionierung
des Bauelementes von Bedeutung, was insbesondere dann in
Betracht zu ziehen ist, wenn kleine Bauelementeabmessungen
gefordert sind.
Speziell bei niederohmigen Vielschichtbauelementen können
sich aufgrund des elektrischen Kontaktes der Anschlußmetallisierungen
nicht nur mit den Innenelektroden sondern auch mit
dem keramischen Bauelementekörper Probleme ergeben, weil sich
elektrische Wege zwischen den Anschlußmetallisierungen und
den jeweils gegenpoligen Innenelektroden über den keramischen
Bauelementekörper ergeben können.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
ein Vielschichtbauelement der in Rede stehenden Art anzugeben,
bei dem sich elektrische Wege im wesentlichen nur über
die Bereiche des keramischen Bauelementekörpers ergeben, welche
in den sich überlappenden Bereichen der Innenelektroden
liegen.
Diese Aufgabe wird bei einem elektro-keramischen Vielschichtbauelement
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch
die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1
gelöst.
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen elektro-keramischen
Vielschichtbauelements sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Vielschichtbauelements
ist Gegenstand des Patentanspruchs 5.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigt:
- Figur 1
- eine schematische Darstellung des grundsätzlichen
Aufbaus eines elektro-keramischen Vielschichtbauelements;
- Figur 2
- ein schematisches Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäß
ausgebildeten elektro-keramischen Vielschichtbauelementes
nach Figur 1;
- Figur 3
- eine schematische perspektivische Darstellung zur Erläuterung
eines Herstellungsverfahrens eines erfindungsgemäßen
elektro-keramischen Vielschichtbauelementes;
und
- Figur 4 bis Figur 6
- jeweils eine schematische Darstellung von
praktischen Ausführungsformen elektro-keramischer
Vielschichtbauelemente.
Anhand von Figur 1 wird nachfolgend der grundsätzliche Aufbau
eines elektro-keramischen Vielschichtbauelementes erläutert.
Ein derartiges Vielschichtbauelement besitzt einen die Bauelementefunktion
definierenden keramischen insgesamt mit 1
bezeichneten Bauelementekörper. Wie nachfolgend anhand des
erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens noch erläutert wird,
können Ausgangspunkt für Bereiche 2 des Bauelementekörpers 1
Keramikplättchen bzw. -Folien sein. Im Keramikkörper sind Innenelektroden
3 vorgesehen, welche sich alternierend bis zu
jeweils einer Körperstirnseite erstrecken. Diese Innenelektroden
3 sind durch Anschlußmetallisierungen 4, 5 auf den
Körperstirnseiten elektrisch kontaktiert.
In soweit ist ein elektro-keramisches Vielschichtbauelement
aus der eingangs genannten DE-OS 23 21 478 an sich bekannt.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, daß die Innenelektroden 3
durch ein sperrschichtabbauendes Material und die Anschlußmetallisierungen
4, 5 durch ein nicht sperrschichtabbauendes
Material gebildet sind. Bei einer derartigen erfindungsgemäßen
Ausbildung eines Vielschichtbauelementes nach Figur 1 ergeben
sich elektrische Verhältnisse, die anhand des schematischen
Ersatzschaltbildes nach Figur 2 erläutert werden sollen.
In dieser Figur 2 sind gleiche Teile wie in Figur 1 mit
gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Darstellung nach Figur
2 bezieht sich auf ein Element, wie es gemäß Figur 1 durch
einen zwischen zwei Innenelektroden 3 liegenden Bereich 2 des
Bauelementekörpers 1 gebildet wird. Es sei noch darauf hingewiesen,
daß in Figur 2 die Innenelektroden 3 nicht direkt am
keramischen Körper 2 dargestellt sind, wie dies in der Praxis
tatsächlich der Fall ist. Diese Darstellung ist lediglich zur
Erläuterung der elektrischen Verhältnisse gewählt. Entsprechendes
gilt für die in Figur 2 gestrichelt dargestellten Anschlußmetallisierungen
4, 5.
Da die Innenelektroden 3 aus sperrschichtabbauendem Material
hergestellt sind, ergibt sich eine niederohmige elektrische
Verbindung zum Keramikkörper 2, wie in Figur 2 schematisch
durch Strichverbindungen angedeutet ist. Da sowohl die Innenelektroden
3 als auch die Anschlußmetallisierungen 4, 5
aus elektrisch gut leitendem Material hergestellt sind, ergeben
sich auch zwischen diesen niederohmige elektrische Verbindungen,
die ebenfalls durch Strichverbindungen schematisch
angedeutet sind.
Da weiterhin erfindungsgemäß die Anschlußmetallisierungen 4,
5 durch ein nicht sperrschichtabbauendes Material gebildet
sind, ergibt sich zwischen dem Keramikkörper 2 und diesen Anschlußmetallisierungen
4, 5 eine durch eine Sperrschicht gebildete
hochohmige elektrische Verbindung, die in Figur 2
schematisch durch Widerstände 10 angedeutet ist.
Durch die erfindungsgemäße vorgesehenen Materialien für die
Innenelektroden 3 und die Anschlußmetallisierungen 4, 5 wird
also sichergestellt, daß die wirksame Bauelementefunktion
durch den Teil des Bauelementekörper zustande kommt, welcher
im Überlappungsbereich der Innenelektroden 3 liegt.
Als sperrschichtabbauendes Material für die Innenelektroden 3
kommt in Weiterbildung der Erfindung ein Stoff aus der Gruppe
Chrom, Nickel oder Aluminium in Betracht. Weiterhin ist auch
Silber mit sperrschichtabbauenden Zusätzen geeignet. Solche
Zusätze sind ausgewählt aus In, Ga, B, Zn und Al. Die Zusätze
sind üblicherweise in einem Anteil bis maximal 5 Gewichtsprozent
enthalten. Sperrschichtabbauende Zusätze enthaltendes
Silber wird auch als Grundsilber bezeichnet, da es in an sich
bekannter Weise bei der Herstellung elektro-keramischer Bauelemente
als Grundschicht für Kontakte bzw. Metallisierungen
Verwendung findet. Dabei ist sowohl eine sperrschichtfreie
als auch eine gut leitende Kontaktierung gewährleistet.
Als Material für die Anschlußmetallisierungen 4, 5 ist beispielsweise
Silber geeignet. Dies zeichnet sich durch einfache
Aufbringung mittels einfachen Tauchens der Bauelement-Kappen
und anschließendes Einbrennen aus. Für verschiedene
Anwendungen ist es daher möglich, ausschließlich Silber für
die Anschlußmetallisierungen zu verwenden, zum Beispiel für
Klemmkontaktierung.
Wird das erfindungsgemäße Bauelement jedoch für eine Löten umfassende
Weiterverarbeitung vorgesehen, so sind zusätzliche
Schichten über einer aus Silber bestehenden Grundschicht vorteilhaft.
Eine über einer Silbergrundschicht aufgebrachte
Dreifachschicht, bestehend aus Cr/Ni/Ag ermöglicht ein Löten
des Bauelements. Ein Löten ist beispielsweise beim Bedrahten
und Umhüllen des Bauelements, analog wie bei Vielschichtkondensatoren
erforderlich. Die Mehrfachschicht wird vorzugsweise
durch Sputtern aufgebracht. Weitere Mehrfachschichten
für eine nicht sperrschichtabbauende Metallisierung sind die
Schichtfolgen Ag/Ni/Sn, Ag/Pd, Ag/Ni oder Cr/Ni/Ag. Da ein
derart verwendetes Silber bei Vielschichtbauelementen zur
Kontaktierung auch über Silber mit sperrschichtabbauenden Zusätzen
(Grundsilber) aufgebracht wird, wird es in der Verbindung
mit der Kontaktierung derartiger Bauelemente auch als
Decksilber bezeichnet.
Als Basismaterial für die Anschlußmetallisierungen 4, 5 wird
ein Silber verwendet, dem Gläser zugesetzt sind, beispielsweise
Blei- oder Boroxide. Diese dienen zur mechanischen Ankopplung
der Anschlußmetallisierungen am Substrat. Der Anteil
des Glaszuschlags beträgt typischerweise maximal 10 Prozent.
Dieser Glaszuschlag kann auch in der Innenelektrode enthalten
sein.
In einer bevorzugten Kombination besteht die Innenelektrode 3
aus einem sperrschichtabbauende Zusätze enthaltenden Silber-Grundmaterial,
und die Anschlußmetallisierungen 4, 5 aus einer
Silberbasisschicht ohne sperrschichtabbauende Zusätze,
die einen geeigneten Glasanteil aufweist. Eine solche Elektrodenkombination
zeichnet sich durch einfache Herstellbarkeit
und niedrige Kosten aus.
Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen elektro-keramischen
Vielschichtbauelementes wird nachfolgend anhand
von Figur 3 erläutert. Ausgangspunkt sind dabei gesinnterte
Keramikfolien 20 aus einer die Bauelementefunktion definierenden
Keramik, die einseitig mit einem sperrschichtabbauenden
Material derart beschichtet werden, daß sich beschichtete
Bereiche 22 und beschichtungsfreie Randbereiche 21
ergeben. Derartig beschichtete Folien werden um 180° gegeneinander
verdreht derart gestapelt, daß jeweils eine beschichtete
Seite einer Folie 20 auf eine unbeschichtete Seite
der nächstfolgenden Folie 20 zu liegen kommt. Durch das um
180° verdrehte Stapeln der Folien 20 ergeben sich die alternierend
bis zu jeweils einer Stirnseite des Stapels erstreckenden
beschichteten Bereiche 22, wodurch eine Innenelektrodenkonfiguration
nach Figur 1 entsteht.
Der so geschichtete Stapel wird zum Einbrennen des sperrschichtabbauenden
Materials einer Temperaturbehandlung unterzogen,
wodurch das sperrschichtabbauende Material der Bereiche
22 zur Kontaktierung auch in die entsprechende nicht beschichtete
Seite der jeweils darüberliegenden Folie 20 eingebrannt
wird. Ein derartiges Verfahren unter Verwendung von
bereits gesinnterten Keramikfolien 20 hat den Vorteil, daß
der Stapelkörper nicht mehr den hohen Sintertemperaturen unterworfen
werden muß. Das Einbrennen kann bei unterhalb der
Sintertemperaturen liegenden Temperaturen von beispielsweise
etwa 560°C erfolgen.
Die in soweit fertig erstellten Folienstapel können dann mittels
an sich bekannter Verfahren mit den Anschlußmetallisierungen
-4,5 nach Figur 1- aus nicht sperrschichtabbauendem
Material versehen werden.
Es sei darauf hingewiesen, daß das vorstehend erläuterte Verfahren
lediglich eine vorteilhafte Möglichkeit zur Herstellung
von erfindungsgemäßen elektro-keramischen Vielschichtbauelementen
ist. In Abhängigkeit von den verwendeten Materialien
kommen auch andere dem Fachmann zur Verfügung stehende
Herstellungsmöglichkeiten in Betracht.
Die Figuren 4 bis 6 zeigen mögliche praktische Ausführungsformen
eines erfindungsgemäßen elektro-keramischen Vielschichtbauelementes.
Figur 4 zeigt ein Bauelement mit einem Bauelementekörper 30
und lötbaren Anschlußmetallisierungen 31 und 32, das sich für
eine direkte Montage in Platinen eignet.
Figur 5 zeigt ein Bauelement mit einem Bauelementekörper 30
und drahtförmigen Anschlußmetallisierungen 33, 34 und einer
teilweise dargestellten Umhüllung 35 beispielsweise aus
Kunststoff.
Figur 6 zeigt ein für eine SMD-Montage geeignetes Bauelement
mit einem Bauelementekörper 30 und SMD-Anschlußmetallisierungen
36, 37, das gegebenenfalls auch noch mit einer Umhüllung
entsprechend der Umhüllung nach Figur 5 versehen werden kann.