DE10016863C2

DE10016863C2 - Component, method for producing the component and use of the component

Info

Publication number: DE10016863C2
Application number: DE2000116863
Authority: DE
Inventors: Reinhold Flaschberger; Harald Schoepf; Michael Marchl
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2000-04-05
Filing date: 2000-04-05
Publication date: 2002-09-19
Anticipated expiration: 2020-04-06
Also published as: DE10016863A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauelement, das eine organische Lösungsmittel enthaltende Umhüllung aufweist, mit einem Grundkörper aus Keramikmaterial, der wenigstens eine Oberfläche aufweist, die mit einer lötbaren Schicht bedeckt ist und auf der ein Kontaktelement angelötet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements. Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung des Bauelements.The invention relates to a component which is an organic Has solvent-containing envelope, with a Base body made of ceramic material, the at least one Has surface that is covered with a solderable layer and on which a contact element is soldered. Further The invention relates to a method for producing the Component. In addition, the invention relates to the Use of the component.

Es sind Bauelemente der eingangs genannten Art bekannt, bei denen das Keramikmaterial Bariumtitanat enthält und die als PTC-Widerstände verwendet werden. Solche PTC-Widerstände sind unter anderem zum Einsatz in Motorschutzschaltungen zum Schutz vor Überlast geeignet. Dabei ist es insbesondere erwünscht, daß die PTC-Widerstände möglichst über ihre gesamte Lebensdauer stabile Bauelementeeigenschaften aufweisen. Eine besonders kennzeichnende Eigenschaft des PTC- Widerstands ist sein elektrischer Widerstand. Somit wird also eine möglichst gute Widerstandsstabilität des PTC-Widerstands gefordert.Components of the type mentioned at the outset are known for which the ceramic material contains barium titanate and which as PTC resistors are used. Such PTC resistors are among other things for use in motor protection circuits for Suitable for protection against overload. It is special desires that the PTC resistors are above their stable component properties over the entire service life exhibit. A particularly characteristic feature of the PTC Resistance is its electrical resistance. So thus the best possible resistance stability of the PTC resistor required.

Aus der Druckschrift DE 36 38 342 A1 und aus der Druckschrift DE 36 38 286 A1 sind Bauelemente der eingangs genannten Art bekannt, bei denen zwischen dem Grundkörper aus Keramikmaterial und der organische Lösungsmittel enthaltenden Umhüllung noch eine Zwischenschicht angeordnet ist, die ihrerseits organische Bestandteile enthält. Die Zwischenschicht kann das Eindringen von organischen Lösungsmitteln aus der Umhüllung in das Keramikmaterial des Grundkörpers nicht verhindern. From the document DE 36 38 342 A1 and from the document DE 36 38 286 A1 are components of the type mentioned at the beginning known in which between the base body Ceramic material and the organic solvent containing Wrapping is still arranged an intermediate layer in turn contains organic components. The Interlayer can penetrate organic Solvents from the coating in the ceramic material of the Do not prevent the main body.

Die bekannten Bauelemente haben den Nachteil, daß die in der Umhüllung vorhandenen organischen Lösungsmittel in den Grundkörper eindringen können. Da organische Lösungsmittel einen hohen Anteil an Wasserstoff enthalten, wirken sie reduzierend. Diese reduzierende Wirkung entfalten sie beim Eindringen in den Keramik-Grundkörper und bewirken dadurch eine Veränderung des Materials. Insbesondere bewirken sie den Entzug von Sauerstoff. Daraus resultiert eine Änderung des elektrischen Widerstands des Bauelements, die mit zunehmender Lebensdauer des Bauelements immer weiter fortschreitet. Beispielsweise weisen bekannten Bauelemente eine relative Widerstandsänderung von 10 bis 20% nach einer Lebensdauer von tausend Stunden auf. Im Extremfall kann das Eindringen der organischen Lösungsmittel in den Grundkörper des Bauelements sogar zur Ausbildung sogenannter Ionisationskanäle führen, die praktisch einen Kurzschluß darstellen. Wird nun ein solches Bauelement an eine äußere Spannungsquelle angeschlossen, kann das zur thermischen Zerstörung des Bauelements führen.The known components have the disadvantage that the Wrapping existing organic solvents in the Basic body can penetrate. Because organic solvents they contain a high proportion of hydrogen reducing. They have this reducing effect on Penetrate into the ceramic base body and thereby cause a change in material. In particular, they do that Deprivation of oxygen. This changes the electrical resistance of the component, which increases with increasing Lifetime of the component continues to advance. For example, known components have a relative Resistance change of 10 to 20% after a lifetime from a thousand hours on. In extreme cases, the penetration of organic solvents in the base of the Component even for the formation of so-called Ionization channels lead to practically a short circuit represent. Now such a component is connected to an external one Voltage source connected, this can lead to thermal Destruction of the component.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Bauelement mit einer verbesserten Widerstandsstabilität bereitzustellen.The aim of the present invention is therefore a component to provide with improved resistance stability.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch ein Bauelement nach Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung der Erfindung und eine Verwendung der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.This goal is achieved according to the invention by a component Claim 1 reached. Advantageous embodiments of the Invention and a method for producing the invention and a use of the invention are others Claims.

Die Erfindung gibt ein Bauelement an, das einen Grundkörper aus Keramikmaterial aufweist. Unter Keramikmaterial sind beispielsweise Bariumtitanat oder Metalloxide, wie Aluminiumoxid, zu verstehen. Der Grundkörper weist mindestens eine Oberfläche auf, die mit einer Schutzschicht bedeckt ist. Die Schutzschicht behindert die Diffusion organischer Lösungsmittel. Dabei ist jedoch nicht die gesamte Oberfläche mit der Schutzschicht bedeckt, sondern es ist eine Lötfläche ausgespart. Diese Lötfläche ist mit einer lötbaren Schicht bedeckt, auf deren Oberfläche ein Kontaktelement angelötet ist. Dieses Kontaktelement leitet den elektrischen Strom über die Lötfläche zum Bauelement. Ferner weist das Bauelement eine Umhüllung auf, die organische Lösungsmittel enthält. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen einer Schutzschicht wird erreicht, daß das Eindiffundieren der organischen Lösungsmittel wenigstens behindert, wenn nicht sogar ganz verhindert werden kann. Dadurch wird eine chemische Veränderung des Keramikmaterials vermieden, wodurch die Widerstandsstabilität des Bauelements verbessert wird. The invention provides a component that has a base body made of ceramic material. Ceramic materials include barium titanate or metal oxides, such as Alumina, to understand. The main body points at least one surface with a protective layer is covered. The protective layer hinders diffusion organic solvent. However, the whole is not Surface covered with the protective layer, but it's a Cut out soldering area. This soldering surface is solderable Layer covered, on the surface of a contact element is soldered on. This contact element conducts the electrical Current over the soldering area to the component. Furthermore, the Component on a coating, the organic solvent contains. By providing a Protective layer is achieved that the diffusion of the organic solvents at least hampered if not can even be prevented entirely. This will make one chemical change of the ceramic material avoided, whereby the resistance stability of the component is improved.

Es ist ein Bauelement besonders vorteilhaft, bei dem der Grundkörper die Form eines Zylinders aufweist. Solche Bauelemente sind sehr leicht aus Keramikmaterial durch Pressen und Sintern von Keramikpulver herstellbar.It is a component is particularly advantageous in which the Base body has the shape of a cylinder. Such Components are made very easily from ceramic material Pressing and sintering of ceramic powder can be produced.

Ferner ist ein Bauelement besonders vorteilhaft, bei dem die Lötfläche eine mit der Grundfläche des Zylinders konzentrische Kreisfläche ist. Eine solche Lötfläche ermöglicht, bei fester Orientierung der Zylinderachse, eine leicht Positionierung des Kontaktelementes sowie ein anschließendes Festlöten des Kontaktelementes unabhängig vom Drehwinkel des Zylinders.Furthermore, a component is particularly advantageous in which the Solder area with the base of the cylinder is concentric circular area. Such a solder pad enables a fixed orientation of the cylinder axis easy positioning of the contact element as well then soldering the contact element regardless of Angle of rotation of the cylinder.

Des weiteren ist eine solche Lötfläche gleichbedeutend damit, daß die Grundfläche des Zylinders nur entlang eines Kreisrings am Rand der Grundfläche von der Schutzschicht bedeckt ist. Dies hat den Vorteil, daß die Schutzschicht auf den besonders kritischen Bereich, nämlich den Rand des Zylinders, beschränkt wird. Dies bewirkt eine Einsparung an Schutzschichtmaterial. Der Rand des Zylinders ist deshalb besonders kritisch, weil hier die organischen Lösungsmittel sowohl von den Grundflächen des Zylinders als auch von seiner gekrümmten Randfläche her in den Grundkörper eindringen können, wodurch dort das Problem der chemischen Veränderung des Keramikmaterials besonders schwerwiegend ist.Furthermore, such a soldering surface is synonymous with that the base of the cylinder is only along one Circular ring on the edge of the base of the protective layer is covered. This has the advantage that the protective layer is on the particularly critical area, namely the edge of the Cylinder, is limited. This causes savings Protective layer material. The edge of the cylinder is therefore particularly critical because here the organic solvents both of the base of the cylinder and its penetrate into the base body can, causing the problem of chemical change there of the ceramic material is particularly serious.

Ferner ist ein Bauelement besonders vorteilhaft, bei dem das Keramikmaterial Bariumtitanat (BaTiO₃) ist, das zusätzlich noch Beimengungen mit einem Gewichtsanteil von insgesamt weniger als 10% enthält. Diese Beimengungen können Kalzium, Strontium und/oder Blei sein. Durch diese Beimengungen wird das Bauelement als PTC-Widerstand geeignet. Ferner kann das Bauelement noch besonders vorteilhaft Dotierungen, wie beispielsweise Yttrium oder Mangan, enthalten, wobei der Gewichtsanteil der Dotierungen insgesamt weniger als 1% beträgt. Ein solches Bauelement ist in besonderer Weise als PTC-Widerstand geeignet.Furthermore, a component is particularly advantageous in which the ceramic material is barium titanate (BaTiO ₃ ), which additionally contains additions with a total weight fraction of less than 10%. These additions can be calcium, strontium and / or lead. These admixtures make the component suitable as a PTC resistor. Furthermore, the component can still particularly advantageously contain dopants, such as yttrium or manganese, the total weight fraction of the dopants being less than 1%. Such a component is particularly suitable as a PTC resistor.

Eine elektrisch leitfähige Schutzschicht hat den Vorteil, daß für den durch das Kontaktelement fließenden elektrischen Strom die Möglichkeit besteht, auch über den nicht mit der lötbaren Schicht bedeckten Teil der Oberfläche in das Keramikmaterial hinein zu fließen, wodurch eine gute Verteilung des elektrischen Stroms innerhalb des Bauelements möglich ist.An electrically conductive protective layer has the advantage that for the the contact element flowing electrical current Possibility exists also over the not with the solderable Layer covered part of the surface in the ceramic material flow into it, which ensures a good distribution of the electrical current within the component is possible.

Eine solche Schutzschicht kann beispielsweise eine in Siebdruck aufgebrachte, silberhaltige Schicht sein, die den Vorteil hat, daß sie leicht herstellbar ist und zugleich eine gute Diffusionssperre für organische Lösungsmittel darstellt. Es ist jedoch auch denkbar, die Schutzschicht anstatt in Silber in Aluminium auszuführen, oder anstelle des Siebdrucks als Verfahren zum Aufbringen der Schutzschicht beispielsweise Flammspritzen zu verwenden.Such a protective layer can, for example, be a Screen-printed, silver-containing layer that the The advantage is that it is easy to manufacture and at the same time one good diffusion barrier for organic solvents. However, it is also conceivable to use the protective layer instead of Silver in aluminum, or instead of screen printing as a method for applying the protective layer, for example Use flame spraying.

Ferner ist ein Bauelement besonders vorteilhaft, bei dem die lötbare Schicht die Schutzschicht bedeckt. Ein solches Bauelement hat den Vorteil, daß die Schutzschicht besonders leicht auf die Oberfläche des Grundkörpers aufgebracht werden kann, da die lötbare Schicht die gesamte Oberfläche des Grundkörpers bedeckt und somit auf eine Formgebung der lötbaren Schicht nicht geachtet werden muß.Furthermore, a component is particularly advantageous in which the solderable layer covers the protective layer. Such one Component has the advantage that the protective layer is special can be easily applied to the surface of the base body can, since the solderable layer covers the entire surface of the Base body covered and thus on a shape of the solderable layer does not have to be considered.

Ferner hat ein solches Bauelement den Vorteil, daß sich das elektrische Feld, das von der mit dem Kontaktelement verbundenen lötbaren Schicht ausgeht, homogen über den Grundkörper des Bauelements verteilen kann, da die gesamte Oberfläche des Grundkörpers mit dem Kontaktelement elektrisch kontaktiert ist. Insbesondere in Verbindung mit der elektrisch leitfähigen Schutzschicht ergibt sich ferner der Vorteil, daß sich der durch das Bauelement fließende Strom weitgehend homogen über den Grundkörper verteilen kann.Furthermore, such a component has the advantage that the electrical field from that with the contact element connected solderable layer, homogeneous over the Main body of the component can distribute as the entire Surface of the base body with the contact element electrically is contacted. Especially in connection with the electrically conductive protective layer also results in Advantage that the current flowing through the component can distribute largely homogeneously over the base body.

Weiterhin ist ein Bauelement besonders vorteilhaft, bei dem die lötbare Schicht eine gesputterte Silberschicht ist. Eine solche gesputterte Silberschicht ist besonders einfach aufzutragen und weist eine gute Lötbarkeit für das aufzulötenden auf.Furthermore, a component in which the solderable layer is a sputtered silver layer. A such a sputtered silver layer is particularly simple to apply and has good solderability for that to be soldered on.

Ferner ist ein Bauelement besonders vorteilhaft, bei dem die Umhüllung ein ausgehärteter Lack ist, der Restbestandteile an organischen Lösungsmitteln enthält. Eine solche Umhüllung ist besonders einfach und billig herstellbar, wobei die Restbestandteile an organischen Lösungsmitteln die Widerstandsstabilität des Bauelements nicht beeinträchtigen können, da das Bauelement erfindungsgemäß mit einer die Diffusion organischer Lösungsmittel behindernden Schutzschicht ausgestattet ist. Dadurch kommt das erfindungsgemäße Konzept bei dem genannten Bauelement besonders vorteilhaft zum Tragen.Furthermore, a component is particularly advantageous in which the Wrapping is a hardened varnish, the remaining ingredients contains organic solvents. Such an envelope is particularly easy and cheap to manufacture, the Residual components of organic solvents Do not affect the resistance stability of the component can, since the component according to the invention with a Diffusion of organic solvents Protective layer is equipped. That’s why Concept according to the invention in the aforementioned component particularly advantageous to wear.

Ferner gibt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements an, bei dem die Schutzschicht als Siebdruckpaste auf die Oberfläche des Grundkörpers aufgebracht und bei 500 bis 700°C ausgehärtet wird. Anschließend wird die lötbare Schicht, beispielsweise als Silberschicht, aufgesputtert.The invention also provides a method for producing a Component in which the protective layer as a screen printing paste applied to the surface of the base body and at 500 is cured up to 700 ° C. Then the solderable Layer sputtered, for example as a silver layer.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Bauelements ist besonders vorteilhaft, da beim Aufbringen der Schichten in umgekehrter Reihenfolge die Lötbarkeit einer bereits vorhandenen lötbaren Schicht durch die hohen Temperaturen verschlechtert würde. Deswegen ist die erfindungsgemäße Reihenfolge der Aufbringung der Schutz- bzw. lötbaren Schicht besonders vorteilhaft.The inventive method for producing the Component is particularly advantageous because when the Layers in reverse order the solderability of a already existing solderable layer due to the high Temperatures would deteriorate. That's why it is sequence of application of the protective or solderable layer particularly advantageous.

Ferner gibt die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Bauelements als PTC-Widerstand in Überlastschutzschaltungen an. Das erfindungsgemäße Bauelement ist besonders gut als PTC-Widerstand in Überlastschutzschaltungen geeignet, da diese Schaltungen über lange Zeiten im Einsatz sind und daher eine gute zeitliche Stabilität der die Schaltung bildenden Bauelemente gefordert wird.Furthermore, the invention provides the use of Component according to the invention as a PTC resistor in Overload protection circuits. The component according to the invention is particularly good as a PTC resistor in Overload protection circuits suitable because these circuits over long periods of use and therefore a good time Stability of the components forming the circuit is required becomes.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazu gehörigen Figur näher erläutert.In the following the invention is based on a Embodiment and the associated figure closer explained.

Die Figur zeigt ein erfindungsgemäßes Bauelement im schematischen Querschnitt.The figure shows an inventive component in schematic cross section.

Die Figur zeigt ein erfindungsgemäßes Bauelement mit einem Grundkörper 1 aus Keramikmaterial. Das Keramikmaterial kann als Bariumtitanat mit Beimengungen an Kalzium, Strontium und Blei sowie mit Dotierungen von Yttrium und Mangan gewählt werden. Der Grundkörper 1 hat die Form eines flachen Zylinders, der eine Höhe von circa 2,5 mm und einen Durchmesser von circa 16 bis 20 mm aufweist.The figure shows a component according to the invention with a base body 1 made of ceramic material. The ceramic material can be selected as barium titanate with admixtures of calcium, strontium and lead as well as with doping of yttrium and manganese. The base body 1 has the shape of a flat cylinder, which has a height of approximately 2.5 mm and a diameter of approximately 16 to 20 mm.

Auf der Grund- bzw. Deckfläche des Zylinders befindet sich je eine Schutzschicht 3, die in dem in der Figur dargestellten Beispiel als silberhaltige Siebdruck-Elektrode ausgeführt ist. Die silberhaltige Siebdruck-Elektrode weist eine schlechte Lötbarkeit und eine Dicke von circa 10 µm auf. Sie bedeckt nicht die ganze Grund- bzw. Deckfläche des Grundkörpers 1, sondern es ist eine Lötfläche 2 in Form eines zur Grund- bzw. Deckfläche des Zylinders konzentrischen Kreises ausgespart.On the base or top surface of the cylinder there is a protective layer 3 , which in the example shown in the figure is designed as a silver-containing screen printing electrode. The silver-containing screen printing electrode has poor solderability and a thickness of approximately 10 µm. It does not cover the entire base or cover surface of the base body 1 , but a soldering surface 2 in the form of a circle which is concentric with the base or cover surface of the cylinder is left out.

Die Größe der Lötfläche 2 beträgt beispielhaft 5 mm². Die Lötfläche 2 bzw. die Schutzschichten 3 sind mit einer lötbaren Schicht 4 bedeckt. Diese lötbare Schicht 4 ist als Schichtstapel, auf der Innenseite beginnend mit einer Chromschicht, einer darüber liegenden Nickelschicht und einer nach außen abschließenden Silberschicht aufgebaut. Der Schichtstapel wird durch Sputtern der einzelnen Teilschichten hergestellt und weist eine Schichtdicke von etwa 1 µm auf. Die direkt auf dem Grundkörper aufliegende Chromschicht hat die Aufgabe, die zwischen der metallischen lötbaren Schicht 4 und dem der halbleitenden Keramik des Grundkörpers 1 (Schottky-Kontakt) bestehende Sperrschicht abzubauen.The size of the soldering area 2 is, for example, 5 mm ² . The soldering surface 2 or the protective layers 3 are covered with a solderable layer 4 . This solderable layer 4 is constructed as a layer stack, beginning on the inside with a chrome layer, an overlying nickel layer and an outwardly closing silver layer. The layer stack is produced by sputtering the individual partial layers and has a layer thickness of approximately 1 μm. The chrome layer lying directly on the base body has the task of breaking down the barrier layer existing between the metallic solderable layer 4 and that of the semiconducting ceramic of the base body 1 (Schottky contact).

Die über der Chromschicht liegende Nickelschicht ist die eigentliche Lötschicht und verhindert darüber hinaus die Diffusion von Silber aus der über ihr liegenden Silberschicht in den Grundkörper 1 hinein. Die über der Nickelschicht angeordnete Silberschicht hat die Aufgabe, die Stromtragefähigkeit für den durch das mit der lötbaren Schicht 4 verbundene Kontaktelement transportierten Strom zu verbessern.The nickel layer lying above the chrome layer is the actual solder layer and also prevents the diffusion of silver from the silver layer lying above it into the base body 1 . The silver layer arranged over the nickel layer has the task of improving the current carrying capacity for the current transported by the contact element connected to the solderable layer 4 .

Auf den lötbaren Schichten 4 ist jeweils ein Kontaktelement 5 mittels Lot 7 festgelötet. Das Kontaktelement kann beispielsweise ein Kupferdraht mit 1 mm Durchmesser sein. Als Lot 7 wird vorzugsweise Blei verwendet. Das gesamte Bauelement ist von einer Umhüllung 6 umhüllt, die vorzugsweise als siliconhaltiger hochtemperaturbeständiger Lack ausgeführt ist. Dieser Lack weist im ausgehärteten Zustand eine Schichtdicke von circa 0,1 µm auf und umhüllt das gesamte Bauelement. Lediglich die Kontaktelemente 5 ragen durch den Lack nach außen.A contact element 5 is soldered onto the solderable layers 4 by means of solder 7 . The contact element can be, for example, a copper wire with a 1 mm diameter. Lead is preferably used as the solder 7 . The entire component is encased by a covering 6 , which is preferably designed as a silicone-containing, high-temperature-resistant lacquer. When cured, this lacquer has a layer thickness of approximately 0.1 µm and envelops the entire component. Only the contact elements 5 protrude through the paint.

Das in der Figur beispielhaft dargestellte erfindungsgemäße Bauelement kann beispielsweise für tausend Stunden an eine Spannung von 265 Volt angeschlossen werden, wobei sich aus entsprechenden Widerstandsmessungen eine relativ Änderung des elektrisch Widerstands des PTC-Widerstands von weniger als 10% ergibt. The inventive example shown in the figure For example, component can last for a thousand hours Voltage of 265 volts can be connected, resulting in corresponding resistance measurements a relative change in electrical resistance of the PTC resistor of less than 10% results.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die beispielhaft gezeigte Ausführungsform, sondern wird in ihrer allgemeinsten Form durch die Ansprüche 1, 10 und 11 definiert.The invention is not limited to the examples shown embodiment, but is in its most general Form defined by claims 1, 10 and 11.

Claims

1. Component with a base body ( 1 ) made of ceramic material, which has at least one surface that is at least partially covered, with the exception of a soldering surface ( 2 ), with an electrically conductive protective layer ( 3 ) that hinders the diffusion of organic solvents, in which the soldering surface ( 2 ) is covered with a solderable layer ( 4 ), on the surface of which a contact element ( 5 ) is soldered, and which has a coating ( 6 ) containing organic solvents.

2. The component according to claim 1, wherein the base body ( 1 ) has the shape of a cylinder.

3. The component according to claim 2, wherein the soldering surface ( 2 ) is a circular surface concentric to the base of the cylinder.

4. Component according to claim 1 to 3, in which the ceramic material is barium titanate, which as Calcium, strontium and / or lead additions with a Contains less than 10% total weight.

5. The component according to claim 4, in which the ceramic material as doping yttrium and Manganese totaling less than Contains 1%.

6. The component according to claim 1 to 5, wherein the solderable layer ( 4 ) covers the protective layer ( 3 ).

7. The component according to claim 1 to 6, wherein the solderable layer ( 4 ) is a sputtered silver layer.

8. The component according to claim 1 to 7, wherein the covering ( 6 ) is a hardened lacquer, which contains residual components of organic solvents.

9. The component according to claim 1 to 8, wherein the contact element ( 5 ) is a wire.

10. A method for producing a component according to claim 1 to 9, in which the protective layer ( 3 ) is applied as a screen printing paste to the surface and cured at 500 to 700 ° C and in which the solderable layer ( 4 ) is then sputtered on.

11. Use of a component according to claim 5 to 9 as PTC resistor in overload protection circuits.