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Dokumentenidentifikation DE102005050638A1 06.06.2007
Titel Elektrisches Bauelement
Anmelder EPCOS AG, 81669 München, DE
Erfinder Wozniak, Uwe, Dr., Deutschlandsberg, AT;
Feichtinger, Thomas, Graz, AT;
Grünbichler, Hermann, St. Josef, AT;
Dudesek, Pavol, Bad Gams, AT
Vertreter Epping Hermann Fischer, Patentanwaltsgesellschaft mbH, 80339 München
DE-Anmeldedatum 20.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005050638
Offenlegungstag 06.06.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.06.2007
IPC-Hauptklasse H01C 7/00(2006.01)A, F, I, 20051020, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01C 1/146(2006.01)A, L, I, 20051020, B, H, DE   H01G 4/12(2006.01)A, L, I, 20051020, B, H, DE   H01G 4/005(2006.01)A, L, I, 20051020, B, H, DE   
Zusammenfassung Es wird ein elektrisches Bauelement mit einem keramischen Grundkörper (1), der mehrere keramische Schichten (1a, 1b) aufweist, angegeben, wobei
- eine Funktionsschicht (1a) an eine Kompositschicht (1b) angrenzt und
- die Kompositschicht eine Zirkonoxid-Glasfüllstoffmischung enthält.

Beschreibung[de]

Es wird ein elektrisches Bauelement mit keramischen Schichten aus unterschiedlichen Materialien beschrieben, sowie ein elektrisches Bauelementmodul mit einem einzigen keramischen Grundkörper, in dem mehrere Elektrodensätze angeordnet sind.

Aus DE 199 31 056 B4 ist ein Vielschichtvaristor mit Innenelektroden bekannt, der eine niedrige Kapazität aufweist.

Aus DE 101 36 545 B4 ist ein keramischer Vielschichtkondensator mit innen liegenden Elektroden bekannt.

Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein elektrisches Bauelement anzugeben, dessen Grundkörper mehrere keramische Materialien enthält und in einen monolithischen Körper sinterbar ist.

Die Aufgabe wird durch ein elektrisches Bauelement gelöst, das einen keramischen Grundkörper mit mehreren keramischen Schichten aufweist, wobei eine Funktionsschicht an eine Kompositschicht angrenzt und die Kompositschicht eine Zirkonoxid-Glasfüllstoffmischung enthält.

Das elektrische Bauelement wirkt vorzugsweise passiv, indem es nur eine Signalgröße erhält und bei einer angelegten Spannung ein entsprechender Strom erzeugt wird oder umgekehrt. Eine Hilfsenergie, beispielsweise in der Form einer Stromversorgung, wird dabei nicht benötigt.

Die Kompositschicht dient vorzugsweise als Passivierungs- bzw. Isolier- und/oder elektrische Entkopplungsschicht. Dabei kann sie die Funktionsschicht vor äußeren Einflüssen schützen. Wenn Kontaktierungsmittel in der Kompositschicht enthalten sind, können Kopplungskapazitäten zwischen ihnen durch die Entkopplungseigenschaft der Kompositschicht reduziert werden.

Die Kompositschicht wirkt außerdem als Mittel zur Reduzierung bzw. Einstellung der parasitären Kapazität der Funktionsschicht, wodurch der Einfluss auf eine Leiterplatte, auf die das Bauelement montiert werden kann, reduziert bzw. eingestellt werden kann.

Es ist vorteilhaft, dass die Kompositschicht Zirkonoxid enthält, da dieses Material mit anderen Materialien, wie zum Beispiel diejenigen der Funktionsschicht, schlecht reagiert und daher die elektrischen Eigenschaften des elektrischen Bauelements nach der Sinterung der unterschiedlichen Schichten miteinander einstellbar bzw. klar voraussehbar sind. Hiermit wird die Einstellung der elektrischen Kennlinie des Bauelements erleichtert. Mittels der Glasfüllstoff enthaltenden Kompositschicht wird außerdem die Bildung von Unregelmäßigkeiten, wie zum Beispiel Rissen, im Grenzbereich zur Funktionsschicht verringert, sodass auch aus diesem Grund die Einstellung der elektrischen Kennlinie des Bauelements erleichtert wird.

Der Glasfüllstoff der Kompositschicht enthält vorzugsweise Zinkborsilikat (Zn-B-Si) oder Aluminiumsilikat.

Die Funktionsschicht enthält eine Funktionskeramik und weist vorzugsweise eine höhere Dielektrizitätskonstante auf, als die Kompositschicht. Die Funktionskeramik kann eine Varistor-Kondensator-, NTC- oder PTC-Keramik enthalten.

Als Hauptanteil einer Varistorkeramik wird ZnO bevorzugt. Es kann aber auch SiC verwendet werden. Als Varistor dient das elektrische Bauelement vorzugsweise zur Spannungsstabilisierung, Stoßspannungsbegrenzung sowie Schutz vor Überspannungen.

Die Kondensatorkeramik enthält als Hauptanteil vorzugsweise anorganische, nicht metallische und polykristalline Substanzen, wie z.B. TiO2 (COG) oder ferroelektrisches BaTiO3 (X7R oder Z5U), mit oder ohne Sperrschichten. Als Kondensator, insbesondere keramischer Vielschichtkondensator kann das elektrische Bauelement beispielsweise in Mess- und Regeltechnik, Datentechnik, Kommunikationstechnik, Schaltnetzteilen und Kraftfahrzeugelektronik eingesetzt werden.

Als Hauptanteil einer NTC-Keramik werden Fe3O4, Fe2O3, NiO oder CoO bevorzugt. Ein eine Funktionsschicht mit NTC-Keramik aufweisendes elektrisches Bauelement wird vorzugsweise als Detektor eines Temperaturfühlers eingesetzt. Alternativ kann es zur Einstellung einer Strömungsgeschwindigkeit sowie für Schutz- und Kompensationsaufgaben eingesetzt werden.

Als Hauptanteil einer PTC-Keramik werden BaTiO3 oder SrTiO3 bevorzugt. Ein eine Funktionsschicht mit PTC-Keramik aufweisendes elektrisches Bauelement wird vorzugsweise als Bestandteil eines Temperaturfühlers, Thermostats oder zur Stromstabilisierung eingesetzt.

Sowohl die Kompositschicht als auch die Funktionsschicht können mit organischen Binder vermischt worden sein um daraus Schlicker zu schaffen, die später zu Grünfolien verarbeitet werden können. Eine Entbinderung kann dabei während der Sinterung der Schichten miteinander stattfinden.

Es ist günstig, wenn die Kompositschicht eine niedrigere Dielektrizitätskonstante aufweist als die Funktionsschicht, wodurch die Streukapazität im Bereich der Kompositschicht möglichst gering gehalten wird.

Gemäß einer Ausführungsform des elektrischen Bauelements sind Funktionsschichten und Kompositschichten abwechselnd übereinander gestapelt. Dabei können die Kompositschichten sowohl den Boden als auch den oberen Teil des Bauelements bilden, sodass die Funktionsschicht auf ihrer Ober- und ihrer Unterseite jeweils von einer Kompositschicht abgedeckt ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des elektrischen Bauelements ist mindestens eine Innenelektrode in bzw. an der Funktionsschicht angeordnet. Es ist vorteilhaft, Innenelektroden im Bauelement vorzusehen, da hiermit eine besonders genaue Einstellung der Kapazitäts- bzw. Widerstandswerte des Bauelements erreicht werden kann.

Es können mehrere Innenelektroden mittels eines Kontaktierungsmittels mit einem Außenkontakt an der Oberfläche des Grundkörpers verbunden sein. Ein Beispiel eines Kontaktierungsmittels ist dabei eine Durchkontaktierung oder ein Draht aus einem elektrisch leitfähigen Material. Es ist günstig, wenn das Kontaktierungsmittel mit einem metallhaltigen Material befüllbar ist. Dabei kann es sich um ein Durchgangsloch in den Keramikmaterialien handeln, welches mit einem Metall befüllt ist, oder um eine Via-Struktur, die mit einem Metall befüllbar ist.

Gemäß einer anderen Ausführungsform des elektrischen Bauelements ist mindestens ein Elektrodensatz, bestehend aus mindestens zwei Innenelektroden, in bzw. an der Funktionsschicht angeordnet. Unter einem Elektrodensatz wird eine Anordnung mehrerer Elektroden verstanden, welche zusammen eine gemeinsame Funktion erfüllen, wie z.B. ein elektrisches Feld in bzw. an einem Dielektrikum zu erzeugen. Es kann sich dabei um einen Stapel mehrerer Elektroden handeln, welche miteinander verbunden und mit demselben Potential beaufschlagt sind.

Es ist es günstig, wenn sich zwei Innenelektroden gegenüber liegen, und der Raum zwischen ihnen mit dem Material der Funktionsschicht gefüllt ist. Es können mehrere solche Innenelektrodensätze nebeneinander in bzw. an der Funktionsschicht angeordnet sein. Die Elektroden eines jeden Satzes können mittels des Kontaktierungsmittels miteinander kontaktiert sein. Auch so können Kapazitäten und Widerstandswerte des Bauelements besonders genau eingestellt werden. Mit einer solchen Konstruktion kann die Funktionsschicht eine Varistorkeramik enthalten und das elektrische Bauelement ein Varistor sein.

Es wird außerdem ein elektrisches Bauelementmodul mit einem keramischen Grundkörper vorgeschlagen, der eine keramische Funktionsschicht und eine keramische Kompositschicht der zuvor und nachfolgend beschriebenen Art sowie mehrere Innenelektrodensätze enthält. Die Innenelektrodensätze sind gemeinsamen in einem einzigen, monolithischen keramischen Grundkörper nebeneinander angeordnet. Jeder Innenelektrodensatz ist vorzugsweise mit einem ihm zugeordneten Außenanschluss verbunden und bildet zusammen mit seinem zugeordneten Außenanschluss und dem keramischen Grundkörper ein elektrisches Bauelement. Durch die mehrfache Anordnung solcher elektrischen Bauelemente in einem einzigen, gemeinsamen Grundkörper kann das dadurch entstehende Bauelement als Bauelementmodul bezeichnet werden.

Es wird bevorzugt, dass Funktions- und Kompositschichten des elektrischen Bauelementmoduls aneinander angrenzen. Dabei können sie übereinander gestapelt sein.

Gemäß einer Ausführungsform des elektrischen Bauelementmoduls kann die Kompositschicht eine Zirkonoxid-Glasfüllstoffmischung enthalten, sodass besonders gutes gemeinsames Sintern mit der Funktionsschicht erreichbar ist.

Die beschriebenen Gegenstände werden anhand der folgenden Figuren und Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:

1a bis 1d unterschiedliche Schichtaufbauten eines keramischen Grundkörpers,

1e ein elektrisches Bauelement mit einem keramischen Grundkörper nach einem der

1a bis 1d, insbesondere nach 1a, mit integrierten Innenelektroden,

2a und 2b unterschiedliche Perspektiven auf einen Varistor,

3a bis 3c unterschiedliche Perspektiven auf ein elektrisches Bauelementmodul,

4 eine Grafik zur Darstellung des Sinterschwunds eines Varistors in Abhängigkeit des Anteils von Glas im Grundkörper,

5 eine Grafik zur Darstellung der Verringerung der Kapazität eines Varistors in Abhängigkeit des Anteils von Glas im Grundkörper.

Es wurde ein keramischer Grundkörper getestet, bei dem Zinkoxid als Hauptanteil einer Funktionsschicht und Zirkonoxid als Hauptanteil einer Kompositschicht in abwechselnd gestapelter Weise bereitgestellt waren. Bei der Sinterung des Grundkörpers kam es zur Bildung von Rissen in der Grenzschicht zwischen den beiden Schichten, porösen Grenzschichten oder sogar zum Nichtversintern des Grundkörpers.

Es wurde herausgefunden, dass ein großer Unterschied in der Sintertemperatur und im Sinterschwund von Zinkoxid und anderen, nicht metallischen, anorganischen Keramikmaterialien, wie z.B. Zirkonoxid (ZrO2- auch Zirkoniumdioxid genannt), vorlag, und dass dieser Unterschied die gemeinsame Sinterung dieser Keramikmaterialien erschwerte.

Es wurde außerdem herausgefunden, dass mit einer Anreicherung von Zirkonoxid mit einer Glasfüllkomponente sich die oben genannten Effekte vermeiden oder zumindest vermindern ließen.

Dabei wurde dem Zirkonoxid eine Glasfüllkomponente in einem Anteil von zwischen 5 und 30 Gew.-% beigemengt, wodurch ein haftender Bereich zwischen den beiden Schichten erzeugt und ein gemeinsames Sintern der beiden Keramikmaterialien bzw. Schichten ermöglicht wurde.

Während des Sintervorgangs wirkte die beigemengte Glasfüllkomponente zudem als Pufferschicht, die die unterschiedlichen Ausdehnungen der Keramiken ausglich. Dabei wurde erkannt, dass bei:

  • (a) hohen Temperaturen während des Sintervorgangs das verflüssigte Glas Spalten zwischen den verschiedenen Materialien ausfüllt. Dies führt zu einer Glas-Zwischenschicht zwischen der Kompositschicht und der Funktionsschicht. Hierdurch wird die Bildung bzw. der Erhalt von Hohlräumen unterdrückt bzw. verhindert, sodass die elektrischen Kennlinien des Grundkörpers nicht in unerwünschter Weise beeinträchtigt werden. Da das Glas bei höheren Temperaturen noch plastisch ist, kann es durch Verformung Spannungen zwischen den Schichten abbauen.
  • (b) mittleren Temperaturen das Glas plastisch genug ist, um eine Gleitebene zwischen den unterschiedlichen Schicht entstehen zu lassen. Dadurch wird ein mechanisches Mittel zum Spannungsabbau zwischen den Schichten während des Sintervorgangs geschaffen.
  • (c) tieferen Temperaturen während des Abkühlvorgangs des Grundkörpers nach der Sinterung, das Glas so stabil ist, dass keine Risse in der Kompositschicht auftreten.

Die Kompositschicht senkt mit einer geringeren Dielektrizitätskonstante die Streukapazität des Grundkörpers.

Es wird eine Kompositschicht vorgeschlagen, die ein Gemisch aus einer Glasfüllkomponente und Zirkonoxid darstellt, wobei Glas in einem Anteil von vorzugsweise zwischen 5 und 30% Gew.-% vorhanden ist. Der übrige Anteil ist überwiegend dem Zirkonoxid und in geringerem Maße der Organik zuzuordnen. Diese Schicht kann je nach Anwendung und gewünschter Kapazität bzw. Leitfähigkeit mittels Mg, Sb, B oder Al dotiert sein.

Die Glasfüllkomponente enthält vorzugsweise Zinkborsilikat oder Aluminiumsilikat. Es hat sich herausgestellt, dass diese Silikate mit Zirkonoxid und mit Zinkoxid gut verträglich sind und daher die elektrischen Eigenschaften der Komposit- und der Funktionsschichten nicht oder zumindest nur wenig durch chemische Reaktion beeinflusst werden. Folgende Materialien bzw. Zusammensetzung kommen aber auch in Betracht:

Na2O·Al2O3·B2O3·SiO2, Na2O·BaO·SiO2, ZnO·B2O3·SiO2, SiO2·BaO·B2O3, Bi2O3·B2O3, B2O3·ZnO·Bi2O3, B2O3·ZnO, SiO2·B2O3·ZnO, B2O3·ZnO, SiO2·B2O3·ZnO.

Aufgrund ihrer Zusammensetzung mit Zirkonoxid weist die Kompositschicht eine besonders hohe thermische Beständigkeit auf. Somit hat die Verwendung einer solchen Kompositschicht den Vorteil, dass der Varistor nicht aufplatzt, wenn er mit Stoßströmen bzw. hohen Spannung beaufschlagt wird, die den Varistor schlagartig aufheizen. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn die Kompositschicht als Deckschicht eines Grundkörpers realisiert ist.

Die Funktionskeramik kann dagegen eine Varistorkeramik umfassen, wodurch der Grundkörper zum Grundkörper eines Varistors wird. Die Varistorkeramik enthält vorzugsweise Zinkoxid, und kann mittels Dotierstoffen wie beispielsweise Bi, Pr, oder Sb dotiert sein, um die Permittivität der Varistorkeramik zu steigern oder zu senken. Die Funktionskeramik kann jedoch ein anderes Material enthalten, das beispielsweise für einen keramischen Vielschichtkondensator oder für ein NTC- oder PTC-Bauelement geeignet wäre.

1a bis 1d zeigen einen Grundkörper 1 eines elektrischen Bauelements, bei dem eine erste Schicht 1a eine Funktionsschicht ist, eine Funktionskeramik enthält und jeweils ober- und unterseitig an eine Kompositschicht 1b angrenzt, die vorzugsweise eine geringere Dielektrizitätskonstante aufweist, als die erste Schicht. Die Kompositschicht ist vorzugsweise eine Passivierungsschicht. Die unterschiedlichen Schichten sind abwechselnd übereinander angeordnet und bilden zusammen eine Sandwichstruktur.

1a zeigt, wie die Funktionsschicht 1a zwischen zwei Schichten mit geringerer Dielektritätskonstante angeordnet ist.

1b zeigt einen Grundkörper mit zwei Funktionsschichten 1a, die jeweils ober- und unterseitig an eine Kompositschicht 1b mit geringerer Dielektritätskonstante angrenzen.

1c zeigt ein Grundkörper gemäß 1b, bei dem jedoch die unterste Kompositschicht 1b fehlt und stattdessen eine Funktionsschicht 1a den Boden des Grundkörpers bildet.

1d zeigt ein Grundkörper, bei dem zwei Kompositschichten 1b jeweils ober- und unterseitig an eine Funktionsschicht 1a angrenzen. Dabei bilden Funktionsschichten jeweils die Oberseite und den Boden des Grundkörpers.

1e zeigt einen keramischen Grundkörper der mit Außenkontaktierungen 4 versehen ist, die seine Seitenflanken abdecken. Eine solche Außenkontaktierung 4 kann in gleicher Weise an die Grundkörper, wie sie in den 1a bis 1d vorgestellt wurden, angebracht werden. Außer den Außenkontaktierungen 4 können in jedem Grundkörper Elektroden 2 angeordnet werden. Dabei wird bevorzugt, dass Zuleitungen bzw. die Elektroden in einer Funktionsschicht 1a eingebettet sind. Es ist jedoch auch möglich, die Zuleitungen zumindest teilweise in der Kompositschicht 1b anzuordnen, in der die Kopplungskapazitäten aufgrund der Entkopplungseigenschaft der Kompositschicht zwischen mehreren Zuleitungen gering gehalten werden können.

Der Herstellungsvorgang des Grundkörpers läuft vorzugsweise folgendermaßen ab:

  • 1. Für die Kompositschicht wird eine Mischung von vorzugsweise dotiertem Zirkonoxid, am besten als pulverisierte Masse, bereitgestellt. Dieser Mischung wird ein Glasfüllstoff in einem Anteil von 5 bis 70 Gew.-%, vorzugsweise jedoch in einem Anteil von 5 bis 30 Gew.-%, beigemengt. Für die Funktionsschicht kann in analoger Weise eine vorzugsweise dotierte keramische Mischung aus Zinkoxid oder anderem geeigneten Material bereitgestellt werden.
  • 2. Die Pulvermassen werden mittels eines Binders zu Grünfolien mit einem Mindestmaß an Zusammenhalt geformt und anschließend getrocknet. Der Binder kann dabei Wasser und organisches Material enthalten.
  • 3. Die getrockneten Grünfolien werden je nach Bedarf übereinander gestapelt um einen vielschichtigen, grünen Grundkörper zu erhalten.
  • 4. Wenn nötig werden Elektroden und Kontaktierungsmittel auf die keramische Schichten aufgedruckt bzw. in die keramische Schichten eingeführt. Vorzugsweise werden die Elektroden mittels Dünnschichttechnik oder mittels Siebdrucken stapelweise oder in kammartig ineinander greifender Weise auf die gewünschten Schichten aufgebracht. Geeignete Elektrodenmaterialien sind beispielsweise Nickel oder Kupfer.
  • 5. Der Grünkörper wird in einer reduzierten oder nichtreduzierten Atmosphäre gesintert, wobei der Binder, insbesondere seine organischen Bestandteile, verflüchtigt. Die Glasfüllkomponente bildet durch den Sintervorgang eine Pufferschicht zwischen den unterschiedlichen keramischen Schichten, sodass diese ohne Bildung von Rissen untereinander gesintert werden können.
  • 5a. Bei der Sinterung des grünen Grundkörpers (mit oder ohne Elektroden bzw. Kontaktierungsmittel) kann folgendes erstes Profil verwendet werden, bei dem organische Bestandteile der keramischen Schichten verflüchtigen können:

    – Aufheizen des grünen Grundkörpers auf 100°C in Schritten von 5°C pro Minute,

    – Weiteres Aufheizen auf 450°C in Schritten von 0,2 bis 0,5°C pro Minute,

    – Weiteres Aufheizen auf 880°C in Schritten von 5 bis 10°C pro Minute,

    – Verbleib bei 880°C für 15 Minuten bis 1 Stunde.

    – Kühlung des Grundkörpers bei –5 bis –15°C bis auf Raumtemperatur.
  • 5b. Für einen anschließenden Sintervorgang kann folgendes, zweites Profil verwendet werden, bei dem die keramischen Schichten des Grundkörpers gemeinsamen gesintert werden:

    – Aufheizen des grünen Grundkörpers auf 1000 bis 1100°C in Schritten von 1 bis 4°C pro Minute.

    – Verbleib bei 1000 bis 1100°C für 180 bis 240 Minuten,

    – Kühlung des Grundkörpers bei –1 bis –4°C auf Raumtemperatur.
  • 5c. Die Sinterprofile können in Abhängigkeit der Schmelztemperatur der gegebenenfalls im Grundkörper vorhandenen Elektroden bzw. Kontaktierungsmittel ausgesucht werden. Dabei wird vorzugsweise eine Sintertemperatur gewählt, welche Unterhalb der Schmelztemperatur der Elektroden bzw. Kontaktierungsmittel liegt.
  • 6. Der so erhaltene, gesinterte Grundkörper wird vorzugsweise großflächig mit einer metallischen Außenkontaktierungsschicht versehen. Dieser Schritt kann jedoch auch nach der Vereinzelung des Grundkörpers (Schritt 7) ausgeführt werden.
  • 7. Je nach Anwendung kann der gesinterte Grundkörper, vor oder nachdem er eine Außenkontaktierungsschicht erhalten hat, vereinzelt werden. Beispielsweise wird der Grundkörper nach einem Raster, definiert durch Einheiten von mehreren, nebeneinander angeordneten Elektrodenstapeln, vereinzelt. Nach der Vereinzelung würden sich dadurch Module, bestehend aus mehreren Sätzen von Innenelektroden, ergeben, wobei die Innenelektrodensätze jeweils zusammen mit einer Außenkontaktierung die Funktion eines einzelnen elektrischen Bauelements, beispielsweise Varistors, ergeben würden. Ein solches Modul kann, wenn es im vorherigen Schritt noch keine Außenkontaktierung erhalten hat, nun in einem gewünschten Muster eine Außenkontaktierung erhalten.

2a zeigt in perspektivischer Ansicht einen Varistor V mit zwei Außenkontakten 4 und einem monolithischen keramischen Grundkörper 1, der aus unterschiedlichen keramischen Schichten 1a und 1b besteht. Der Varistor ist vorzugsweise ein SMD-Varistor mit niedriger Kapazität von weniger als 1 pF.

Eine Draufsicht einer mit der gestrichelten Linie gekennzeichneten Ebene dieses Varistors V wird mit der 2b gezeigt. Es sind mehrere, vorzugsweise vier Innenelektroden 2 in der Funktionsschicht 1a angeordnet, welche mittels Kontaktierungsmittel 3 mit jeweils diesen Elektroden zugeordneten Außenkontakten 4 kontaktiert werden können.

Die genannten vier Innenelektroden 2 sind vorzugsweise auf einer Seite flächig mit der Kompositschicht 1b verbunden, auf der anderen Seite jedoch in der Funktionsschicht 1a eingebettet. In dieser Weise sind zwei Paare von Innenelektroden 2 im Grundkörper angeordnet, wobei für jedes Paar eine erste Innenelektrode gegenüber der zweiten Innenelektrode liegt und der Raum zwischen diesen Innenelektroden eines Innenelektrodenpaars durch die Funktionsschicht 1a gefüllt ist.

Innerhalb der Funktionsschicht können jedoch noch weitere Innenelektroden angeordnet sein, sodass mehrere Innenelektrodensätze mit mehr als zwei Innenelektroden pro Satz gebildet werden. Die Innenelektroden eines Satzes können dabei mittels des Kontaktierungsmittels 3 miteinander verschaltet werden.

Ein Beispiel eines Kontaktierungsmittels zur Kontaktierung einer oder mehrerer Innenelektroden mit einem Außenkontakt wäre eine metallische Durchkontaktierung 3, die vorzugsweise mit Silber, Silber-Palladium, Silber-Platin, oder schlicht Platin befüllt sein kann. Jede Durchkontaktierung verläuft dabei zumindest teilweise durch die Kompositschicht 1b, sodass die Kopplungskapazitäten unter mehreren Durchkontaktierungen im Bauelement erheblich reduziert werden können.

3a bis 3c zeigen zusammen ein elektrisches Bauelementmodul aus unterschiedlichen Perspektiven. Das Bauelementmodul umfasst einen keramischen Grundkörper, der mehrere keramische Schichten aus unterschiedlichen Materialien aufweist, unter denen eine Funktionsschicht an eine Kompositschicht angrenzt und mehrere Innenelektrodensätze im gemeinsamen keramischen Grundkörper nebeneinander angeordnet sind. Es wird bevorzugt, dass die Kompositschicht eine niedrigere Dielektrizitätskonstante aufweist als die Funktionsschicht, und dass die Kompositschicht eine Zirkonoxid-Glasfüllstoffmischung enthält, damit der keramische Grundkörper besonders gut in einen monolithischen Körper sinterbar ist.

Wenn als Funktionsschicht eine Varistorkeramik verwendet wird, kann das elektrische Bauelementmodul als Varistormodul bezeichnet werden. Analoges gilt für die Verwendung der eingangs Art genannten, alternativen Keramikmaterialien.

3a zeigt wie die Oberfläche des Grundkörpers mit Außenkontakten 4 in gleichmäßiger, vorzugsweise rechteckiger Anordnung versehen ist. Die Oberfläche ist vorzugsweise die Unterseite des Grundkörpers, die bei der Montage des Bauelements auf eine Leiterplatte ihr zugewandt sein wird. Ebenfalls an der genannten Oberfläche des Grundkörpers ist im Zentrum der Anordnung von Außenkontakten ein gemeinsamer Massenkontakt GND angeordnet. Jeder Außenkontakt kann mit einer Lotkugel 5 versehen werden.

3b zeigt eine Schnittansicht des mit der Draufsicht gezeigten elektrischen Bauelementmoduls EM aus 3a, wobei der Schnitt dem Verlauf der in 3a gezeigten, gestrichelt gestuften Linie entspricht. Mit jedem Außenkontakt 4 oder GND ist eine vorzugsweise teilweise durch die Kompositschicht 1b verlaufende Durchkontaktierung 3 verbunden, welche ihrerseits eine oder mehrere Innenelektroden 2 kontaktiert. Mittels der Durchkontaktierung können diese miteinander verschaltet werden. Es werden mehrere Innenelektrodensätze, bestehend jeweils aus drei Innenelektroden 2, gezeigt, wobei die einzelnen Innenelektroden in einer einzigen Funktionsschicht 1a eingebettet sind. Jeder Innenelektrodensatz, dessen Innenelektroden mittels einer Durchkontaktierung 3 mit einem Außenkontakt 4 kontaktiert sind, bildet zusammen mit den keramischen Schichten ein elektrisches Bauelement, sodass mehrere elektrische Bauelemente in einem gemeinsamen Grundkörper nebeneinander angeordnet sein können. Wenn dabei die Funktionsschicht eine Varistorkeramik enthält, kann ein Varistormodul geschaffen werden. Wenn alternativ eine Kondensatorkeramik als Funktionsschicht verwendet wird, die Innenelektrodensätze sich gegenseitig mit ihren einzelnen Innenelektroden kammartig überlappen und gegenpolig beladen sind, kann ein keramischer Vielschichtkondensator geschaffen werden. Dabei können mehrere Sätze von überlappenden Innenelektroden, die unmittelbar mit einem Außenkontakt oder mittelbar über ein Kontaktierungsmittel mit einem Außenkontakt verbunden sind, zusammen mit dem gemeinsamen keramischen Grundkörper eine Anordnung von mehreren Kondensatoren ergeben, die zu einem keramischen Kondensatormodul zusammengefasst sind.

Somit sind im Varistormodul bzw. Kondensatormodul insgesamt 5 Varistoren bzw. Kondensatoren mit einem gemeinsamen, monolithischen Grundkörper enthalten, wobei ein Varistor bzw. Kondensator einen Außenkontakt in der Form einer unter allen Varistoren bzw. Kondensatoren gemeinsamen Masse GND aufweist.

3c zeigt eine Sicht von oben durch das elektrische Bauelementmodul EM hindurch. Es wird ein kreuzförmiger Außenanschluss für die Masse GND gezeigt, der an der Unterseite des Bauelementmoduls angeordnet ist. An derselben Unterseite sind neben dieser kreuzförmigen Masseelektrode GND die Außenkontakte 4 (zusammen mit den Lotkugeln 5) der Varistoren bzw. Kondensatoren in symmetrischer Weise angeordnet. Die gestrichelten Kreise in der Figur zeigen die Umrisse der Lotkugeln 5, die vier Quadrate die Querschnitte der Innenelektroden 2 und die gefüllten, kleineren Kreise die Querschnitt der Durchkontaktierungen 3 eines jeden Varistors bzw. Kondensators. Da die Außenkontakte 4 einen Querschnitt aufweisen, der mit dem der Lotkugeln deckungsgleich ist, sind die Außenkontakte in dieser Figur nicht dargestellt.

4 zeigt eine Grafik zur Darstellung des Sinterschwunds &Dgr;L eines vielschichtigen keramischen Grundkörpers mit zwei Kompositschichten und eine dazwischen liegende Funktionsschicht in Abhängigkeit des Glasfüllstoffanteils GA in der Kompositschicht 1b. Ohne Zusatz von Glasfüllstoff in der Kompositschicht ergibt sich durch die Sinterung des keramischen Grundkörpers ein Sinterwund, gemessen anhand Vergrößerung der lateralen Ausdehnung des Grundkörpers, von nahezu 20%. Der Sinterschwund verringert sich in nahezu linearer Weise, je mehr Glasfüllstoff der Kompositschicht beigemengt ist. Bei einem Glasfüllstoffgehalt von 40 Gew.-% ergab sich nur noch ein Sinterschwund des keramischen Grundkörpers von ca. 9%.

5 zeigt eine schematische Grafik, die einen Vergleich der Kapazität mehrerer Varistoren A bis D mit unterschiedlichen Glasfüllstoffanteilen in einer Zirkonoxid enthaltenden Kompositschicht (Z-G Wert) im Gegensatz zu einem Referenzvaristor R ohne Glasstoffanteil darstellt. Alle keramischen Körper der Varistoren wurden bei ca. 1000°C gesintert. Die Varistoren weisen jeweils Elektrodenstapel auf, wobei verschiedene Varistoren mit unterschiedlichen Elektrodenabständen getestet wurden. Diese Abstände verringerten sich nach der Sinterung der keramischen Grundkörper um bis zu 0,4 mm. Wenn ursprünglich der Abstand zwischen den Elektroden also beispielsweise bei 0,12 mm lag, kann der tatsächliche Abstand nach der Sinterung bei ca. 0,08 mm liegen.

Beim Referenzvaristor R beträgt der Z-G Wert 0%. Seine Kapazität liegt bei einer Spannung von ca. 68 V bei 2,3 pF.

Für Varistor A beträgt der Z-G Wert 60%, sodass seine Kapazität bei ungefähr 0,6 pF liegt.

Für Varistor B beträgt der Z-G Wert 40% sodass seine Kapazität bei veränderten Spannungsverhältnissen auch bei ungefähr 0,6 pF liegt.

Für Varistor C beträgt der Z-G Wert 20%. Bei einer Spannung von ca. 115 V hat er eine Kapazität von ungefähr 0,78 pF.

Für Varistor D beträgt der Z-G Wert 5%. Bei einer Spannung von ca. 116 V hat er eine Kapazität von ungefähr 1 pF.

Im Allgemeinen ist erkennbar, dass je mehr Glasfüllstoff in der Zirkonmischung enthalten ist, desto geringer die Kapazität wird.

1
keramischer Grundkörper
1a
erste Schicht des Grundkörpers
1b
zweite Schicht des Grundkörpers
2
Innenelektroden
3
Kontaktierungsmittel
4
Außenkontakte
5
Lötkugel
EM
elektrisches Bauelementmodul


Anspruch[de]
Elektrisches Bauelement mit einem keramischen Grundkörper (1), der mehrere keramische Schichten (1a, 1b) aufweist, wobei

– eine Funktionsschicht (1a) an eine Kompositschicht (1b) angrenzt, und

– die Kompositschicht eine Zirkonoxid-Glasfüllstoffmischung enthält.
Elektrisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Dielektrizitätskonstante der Kompositschicht (1b) kleiner ist, als die der Funktionsschicht (1a). Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Kompositschicht (1b) eine Passivierungs- oder eine elektrische Entkopplungsfunktion aufweist. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Glasfüllstoff der Kompositschicht (1b) Zinkborsilikat oder Aluminiumsilikat umfasst. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Glasfüllstoff in der Kompositschicht (1b) zu einem Anteil von 5 bis 70 Gew.-% vorhanden ist. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Funktionsschichten (1a) und Kompositschichten (1b) abwechselnd übereinander gestapelt sind. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine Innenelektrode (2) mit der Funktionsschicht (1a) verbunden ist, welche mittels eines Kontaktierungsmittels (3) mit einem Außenkontakt (4) des Grundkörpers (1) verbunden ist. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 7, bei dem das Kontaktierungsmittel (3) eine mit einem metallhaltigen Material befüllte Durchkontaktierung ist. Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem mehrere Innenelektroden (2) mit der Funktionsschicht (1a) verbunden sind und zusammen mindestens einen Innenelektrodensatz bilden, wobei die Innenelektroden mittels des Kontaktierungsmittels (3) miteinander kontaktiert sind. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Funktionsschicht (1a) eine Varistorkeramik enthält. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 10, das ein Varistor ist. Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Funktionsschicht (1a) eine Kondensatorkeramik enthält. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 12, das ein keramischer Vielschichtkondensator ist. Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Funktionsschicht (1a) eine NTC-Keramik enthält. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 14, das ein NTC-Bauelement ist. Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Funktionsschicht (1a) eine PTC-Keramik enthält. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 16, das ein PTC-Bauelement ist.






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