DE10022487A1 - Bauelement, Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung - Google Patents

Bauelement, Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit einem Grundkörper (1) aus Keramikmaterial, das eine organische Lösungsmittel enthaltende Umhüllung (2) aufweist und bei dem auf der Oberfläche des Grundkörpers (1) ein Schichtstapel (3) angeordnet ist, der eine die Diffusion der organischen Lösungsmittel behindernde, elektrisch leitfähige Schutzschicht (4) und eine mit einem Kontaktelement (9) verlötete Lötschicht (5) aufweist. Ferner betrifft die Erfindung die Herstellung des Bauelements im Hochvakuum. Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung des Bauelements als PTC-Widerstand in Überlastschutzschaltungen. Durch die zusätzliche Schutzschicht in der Sandwichelektrode kann die Widerstandsstabilität des keramischen Bauelements verbessert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauelement, das eine organische Lösungsmittel enthaltende Umhüllung aufweist, mit einem Grundkörper aus Keramikmaterial, der wenigstens eine Oberflä­ che 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. Dar­ über hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung des Bauele­ ments.
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 er­ wünscht, daß die PTC-Widerstände möglichst über ihre gesamte Lebensdauer stabile Bauelementeigenschaften aufweisen. Eine besonders kennzeichnende Eigenschaft des PTC-Widerstands ist sein elektrischer Widerstand. Somit wird also eine möglichst gute Widerstandsstabilität des PTC-Widerstands gefordert.
Die bekannten Bauelemente haben den Nachteil, daß die in der Umhüllung vorhandenen organischen Lösungsmittel in den Grund­ körper eindringen können. Da organische Lösungsmittel oxi­ dierbare Verbindungen enthalten, wirken sie reduzierend. Die­ se 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 die bekannten Bauelemente eine relative Widerstandsänderung von 10 bis 20% nach einer Lagerung von tausend Stunden auf. Im Extrem­ fall kann das Eindringen der organischen Lösungsmittel in den Grundkörper des Bauelements sogar zur Ausbildung sogenannter Ionisationskanäle führen, die praktisch einen Kurzschluß dar­ stellen. Wird nun ein solches Bauelement an eine äußere Span­ nungsquelle angeschlossen, kann das zur thermischen Zerstö­ rung des Bauelements führen.
Die auf der Oberfläche der bekannten PTC-Bauelemente aufge­ brachten Sandwichelektroden, die der Kontaktierung des Bau­ elements dienen, sind nicht dazu geeignet, das Eindringen der organischen Lösungsmittel in den Grundkörper des Bauelements zu verhindern. Als Sandwichelektroden sind Elektroden mit der Schichtenfolge Chrom, Nickel und Silber bekannt. Die Schicht­ stärken dieser einzelnen Lagen sind für Chrom 0,1 µm, für Nickel 0,3 µm und für Silber 0,4 µm. Dabei hat Chrom die Funktion des Sperrschichtabbaus. Nickel fungiert gleichzeitig als Diffusions- und Lötschicht, während Silber die Stromtrag­ fähigkeit der Kontaktierungsanordnung, bestehend aus der Sandwichelektrode und dem auf der Lötschicht festgelöteten Draht, erhöht.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Bauelement mit einer verbesserten Widerstandsstabilität bereitzustellen.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch ein Bauelement nach Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin­ dung sowie ein Verfahren zur Herstellung der Erfindung und eine Verwendung der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung gibt ein Bauelement an, das einen Grundkörper aus Keramikmaterial aufweist. Unter Keramikmaterial sind da­ bei insbesondere Metalloxide, wie beispielsweise Bariumtita­ nat oder Aluminiumoxid zu verstehen. Das Bauelement weist ei­ ne Umhüllung auf, die organische Lösungsmittel enthält. Auf der Oberfläche des Grundkörpers ist ein Schichtstapel ange­ ordnet, der eine mit einem Kontaktelement verlötete Löt­ schicht und eine elektrisch leitfähige Schutzschicht auf­ weist. Die elektrisch leitfähige Schutzschicht ist so be­ schaffen, daß sie die Diffusion der organischen Lösungsmittel behindert. Als Kontaktelement, mit dem der Grundkörper des Bauelements kontaktiert ist, kommt insbesondere ein Kupfer­ draht in Betracht.
Das erfindungsgemäße Bauelement hat den Vorteil, daß durch das Vorsehen der Schutzschicht das Eindringen der organischen Lösungsmittel in den Grundkörper des Bauelements behindert wird. Dadurch erhöht sich die Widerstandsstabilität des Bau­ elements. Zusätzlich vermindert die Schutzschicht auch das Eindringen weiterer reduzierend wirkender Stoffe, wie bei­ spielsweise reduzierend wirkender Umweltkomponenten. Diese Komponenten können beispielsweise in der Umgebung des Bauele­ ments vorhandenes Wasserstoffgas sein.
Durch das erfindungsgemäße Vorsehen einer Schutzschicht wird erreicht, daß die chemische Veränderung des Keramikmaterials gehemmt wird. Tests haben gezeigt, daß die Schutzschicht be­ sonders wirksam ist, wenn sie zwischen der Oberfläche des Grundkörpers und der Lötschicht angeordnet wird.
Der auf der Oberfläche des Grundkörpers angeordnete Schicht­ stapel kann besonders vorteilhaft in Dünnschichttechnik auf­ gebracht sein. Das Anwenden der Dünnschichttechnik hat den Vorteil, das die einzelnen Schichten des Schichtstapels un­ tereinander eine gute Haftung sowie einen guten elektrischen Kontakt bzw. einen niedrigen Widerstand des jeweiligen Schichtübergangs aufweisen. Darüber hinaus gelingt das Auf­ tragen des Schichtstapels in Dünnschichttechnik unter zuver­ lässiger Einhaltung der Schichtparameter, wie beispielsweise Zusammensetzung oder Schichtdicke.
Es ist darüber hinaus 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.
Ferner ist ein Bauelement besonders vorteilhaft, bei dem die Oberfläche die Grundfläche eines Zylinders ist. Eine solche Oberfläche ist eben und läßt sich somit besonders einfach mit einem Schichtstapel beschichten. Außerdem ist eine solche Oberfläche rotationssymmetrisch, so daß bei fester Orientie­ rung der Zylinderachse eine leichte Positionierung des Kon­ taktelementes sowie ein anschließendes Festlöten des Kontak­ telementes unabhängig vom Drehwinkel des Zylinders möglich ist.
Es ist des weiteren besonders vorteilhaft, die im Schichtsta­ pel enthaltene Lötschicht wiederum als Teilschichtstapel aus­ zubilden, dessen erste Teilschicht eine lötbare Schicht und dessen zweite Teilschicht eine Leitschicht ist. Dabei ist die elektrische Leitfähigkeit der Leitschicht wenigstens doppelt so groß wie die elektrische Leitfähigkeit der lötbaren Schicht.
Die Unterteilung der Lötschicht in zwei Teilschichten hat den Vorteil, daß diese beiden Teilschichten optimal auf die Er­ füllung zweier verschiedener Aufgaben ausgerichtet sein kön­ nen. Aufgabe der lötbaren Schicht ist es, die Lötbarkeit und damit unter anderem die mechanische Fixierung des Kontaktele­ mentes sicher zu stellen. Daher kommt als lötbare Schicht beispielsweise eine Nickelschicht in Betracht. Aufgabe der Leitschicht ist es, den Kontaktwiderstand zwischen dem Kon­ taktelement und dem Grundkörper so weit wie möglich zu redu­ zieren. Daher kommt als Leitschicht insbesondere eine Schicht mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit, beispielsweise eine Silberschicht, in Betracht.
Es ist darüber hinaus besonders vorteilhaft, die Schutz­ schicht aus Metall herzustellen. Metalle weisen im allgemei­ nen eine gute elektrische Leitfähigkeit auf, so daß durch die Schutzschicht der Kontaktwiderstand zwischen dem Kontaktele­ ment und dem Grundkörper nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Im Hinblick auf eine gute Wirksamkeit der Schutzschicht in Bezug auf die Diffusion der organischen Lösungsmittel kommt insbesondere eine Schutzschicht aus Edelmetall in Be­ tracht. Edelmetallschichten haben sich in Experimenten als besonders geeignet dafür erwiesen.
Bei einer direkt auf dem Grundkörper angeordneten Schutz­ schicht bildet sich zwischen der Schutzschicht und dem Grund­ körper ein Schottky-Kontakt aus, der durch eine entsprechende Schottky-Barriere gekennzeichnet ist. Diese Schottky-Barriere behindert den Ladungstransport zwischen der Schutzschicht und dem Grundkörper, so daß es besonders vorteilhaft ist, zwi­ schen der Schutzschicht und der lötbaren Schicht oder zwi­ schen der Schutzschicht und dem Grundkörper eine Kontakt­ schicht anzuordnen, die die Höhe der Schottky-Barriere ab­ senkt. Als Material für eine solche, die Schottky-Barriere absenkende Kontaktschicht ist beispielsweise Chrom geeignet.
Die Schutzschicht kann besonders vorteilhaft aus Gold beste­ hen, da Gold neben der Einschränkung der Diffusion der orga­ nischen Lösungsmittel bzw. der Diffusion von reduzierend wir­ kenden Umweltkomponenten auch noch die Diffusion von Silber in die Keramik hemmt. Silber wird insbesondere als Leit­ schicht im Schichtstapel bevorzugt eingesetzt. Durch die Hem­ mung der Diffusion von Silber in die Keramik werden schlei­ chende Widerstandsänderungen aufgrund von Einlagerung eines leitfähigen Materials in die Keramik vermieden, wodurch die Widerstandsstabilität des Bauelements weiter verbessert wird.
Als besonders vorteilhaft hat sich eine Schutzschicht aus Gold mit einer Dicke zwischen 0,05 und 1,5 µm erwiesen. Eine dünnere Schutzschicht erfüllt, wie Tests gezeigt haben, nur noch eine unzureichende Schutzfunktion gegenüber den organi­ schen Lösungsmitteln. Eine dickere Schutzschicht hat keinen nennenswerten verbesserten Schutzeffekt mehr und darüber hin­ aus den Nachteil von erhöhten Materialkosten (Kosten für den Rohstoff Gold).
Ferner ist ein Bauelement besonders vorteilhaft, bei dem das Keramikmaterial Bariumtitanat (BaTiO3) ist, das zusätzlich noch Beimengungen mit einem Gewichtsanteil von insgesamt we­ niger 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 Dotie­ rungen, 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.
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 Restbe­ standteile an organischen Lösungsmitteln die Widerstandssta­ bilität des Bauelements nicht beeinträchtigen können, da das Bauelement erfindungsgemäß mit einer die Diffusion organi­ scher Lösungsmittel behindernden Schutzschicht ausgestattet ist. Dadurch kommt das erfindungsgemäße Konzept bei dem ge­ nannten Bauelement besonders vorteilhaft zum Tragen.
Ferner gibt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements an, wobei der Schichtstapel durch aufeinander folgendes Abscheiden der den Schichtstapel bildenden Schich­ ten im Hochvakuum erfolgt. Während des Abscheidens der Schichten beträgt der Druck weniger als 10-6 bar. Während der gesamten Herstellung des Schichtstapels, also auch zwischen der Herstellung der einzelnen Schichten, beträgt der Druck der das Bauelement umgebenden Atmosphäre weniger als 10-5 bar.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Bauele­ ments hat den Vorteil, daß durch den niedrigen Druck, dem das Bauelement während der Herstellung des Schichtstapels ausge­ setzt ist, eine sehr saubere Anbindung der einzelnen Schich­ ten mit guter Haftung und geringem Übergangswiderstand mög­ lich ist.
Ferner gibt die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemä­ ßen Bauelements als PTC-Widerstand in Überlastschutzschaltun­ gen an. Das erfindungsgemäße Bauelement ist besonders gut als PTC-Widerstand in Überlastschutzschaltungen geeignet, da die­ se Schaltungen über lange Zeiten im Einsatz sind und daher eine hohe zeitliche Stabilität der die Schaltung bildenden Bauelemente gefordert wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spieles und der dazu gehörigen Figur näher erläutert.
Die Figur zeigt beispielhaft ein erfindungsgemäßes Bauelement im schematischen Querschnitt.
Die Figur Zeit 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 Zylin­ ders, der eine Höhe von ca. 2,5 mm und einen Durchmesser von ca. 16-20 mm aufweist.
Auf der Grund- bzw. Deckfläche des Zylinders ist das Bauele­ ment jeweils durch ein Kontaktelement 9 kontaktiert. Dieses Kontaktelement 9 kann beispielsweise ein Kupferdraht sein. Zur Herstellung des Kontakts zwischen dem Kupferdraht und dem Grundkörper 1 des Bauelements wird ein Schichtstapel 3 ver­ wendet.
Der Schichtstapel 3 weist eine direkt auf der Oberfläche des Grundkörpers 1 aufgebrachte Schutzschicht 4 auf. Die Schutz­ schicht 4 besteht aus Gold und weist eine Schichtdicke von 0,1 µm auf. Sie ist, ebenso wie die anderen Schichten 6, 7, 8 des Schichtstapels 3, durch Sputtern im Hochvakuum aufge­ bracht.
Über der Schutzschicht 4 befindet sich eine Kontaktschicht 8, die eine 0,1 µm dicke Chromschicht ist. Die Kontaktschicht 8 kann sich aber auch besonders vorteilhaft zwischen der Schutzschicht 4 und dem Grundkörper 1 befinden. Über der Kon­ taktschicht 8 ist eine lötbare Schicht 6 angeordnet, die in Form einer 0,3 µm dicken Nickelschicht ausgeführt ist. Die lötbare Schicht 6 ist mittels Lot 10 mit dem Kupferdraht ver­ lötet. Über der lötbaren Schicht 6 ist eine Leitschicht 7 an­ geordnet, die den Kontaktwiderstand zwischen dem Kupferdraht und dem Grundkörper 1 reduziert. Die Leitschicht ist als 0,4 µm dicke Silberschicht ausgeführt.
Der Grundkörper 1 ist zudem von einer Umhüllung 2 umhüllt, die beispielsweise als silikonhaltiger, hochtemperaturbestän­ diger Lack ausgeführt sein kann. Dieser Lack kann im ausge­ härteten Zustand eine Schichtdicke von < 0,1 µm aufweisen. Er umhüllt das gesamte Bauelement. Lediglich die Kontaktelemente 9 ragen durch den Lack nach außen.
Das in der Figur gezeigte Bauelement kann beispielsweise in Überlastschutzschaltungen bei einem Laststrom von 100 mA bis 4 A und bei einer Spannung von 220 V ohne störende Beein­ trächtigungen der Widerstandsstabilität betrieben werden.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die beispielhaft ge­ zeigte Ausführungsform, sondern wird in ihrer allgemeinsten Form durch die Ansprüche 1 und 16 definiert.

Claims (17)

1. Bauelement mit einem Grundkörper (1) aus Keramikmaterial, das eine organische Lösungsmittel enthaltende Umhüllung (2) aufweist und bei dem auf der Oberfläche des Grundkör­ pers (1) ein Schichtstapel (3) angeordnet ist, der eine die Diffusion der organischen Lösungsmittel behindernde, elektrisch leitfähige Schutzschicht (4) und eine mit ei­ nem Kontaktelement (9) verlötete Lötschicht (5) aufweist.
2. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Schutzschicht (4) zwischen der Oberfläche des Grundkörpers (1) und der Lötschicht (5) angeordnet ist.
3. Bauelement nach Anspruch 1 bis 2, bei dem der Schichtstapel (3) in Dünnschichttechnik auf die Oberfläche aufgebracht ist.
4. Bauelement nach Anspruch 1 bis 3, bei dem die Lötschicht (5) ein Teilschichtstapel ist, dessen erste Teilschicht eine lötbare Schicht (6) und dessen zweite Teilschicht eine Leitschicht (7) ist, deren elektrische Leitfähigkeit wenigstens doppelt so groß ist wie die elektrische Leitfähigkeit der lötbaren Schicht (6).
5. Bauelement nach Anspruch 1 bis 4, bei dem die Schutzschicht (4) aus Metall besteht.
6. Bauelement nach Anspruch 4 und 5, bei dem zwischen der Schutzschicht (4) und dem Grundkör­ per (1) eine Kontaktschicht (8) angeordnet ist, die die Höhe der Schottky-Barriere des zwischen der Schutzschicht (4) und dem Grundkörper (1) bestehenden Schottky-Kontakts absenkt.
7. Bauelement nach Anspruch 5 bis 6, bei dem die Schutzschicht (4) aus Gold besteht.
8. Bauelement nach Anspruch 1 bis 7, bei dem die Schutzschicht (4) eine Dicke zwischen 0,05 und 1,5 µm aufweist.
9. Bauelement nach Anspruch 4 bis 8, bei dem die lötbare Schicht (6) aus Nickel besteht.
10. Bauelement nach Anspruch 4 bis 9, bei dem die Leitschicht (7) aus Silber besteht.
11. Bauelement nach Anspruch 6 bis 10, bei dem die Kontaktschicht (8) aus Chrom besteht.
12. Bauelement nach Anspruch 6 bis 11, bei dem die Dicke der lötbaren Schicht (6) 0,2 bis 0,4, die Dicke der Leitschicht (7) 0,3 bis 0,5 und die Dicke der Kontaktschicht (8) 0,08 bis 0,12 µm betragen.
13. Bauelement nach Anspruch 1 bis 12, bei dem das Keramikmaterial Bariumtitanat ist, das als Beimengungen Kalzium, Strontium und/oder Blei mit einem Gewichtsanteil von insgesamt weniger als 10% enthält.
14. Bauelement nach Anspruch 1 bis 13, das als Dotierungen Yttrium und Mangan mit einem Ge­ wichtsanteil von insgesamt weniger als 1% enthält.
15. Bauelement nach Anspruch 1 bis 14, bei dem die Umhüllung (2) ein ausgehärteter Lack ist, der Restbestandteile an organischen Lösemitteln enthält.
16. Verfahren zur Herstellung eines Bauelements nach Anspruch 1 bis 15, wobei der Schichtstapel (3) durch Abscheiden der den Schichtstapel (3) bildenden Schichten (6, 4, 5, 7, 8) bei einem Druck von weniger als 10-6 bar herge­ stellt wird und wobei während der gesamten Herstellung des Schichtstapels (3) der Druck unter 10-5 bar gehalten wird.
17. Verwendung eines Bauelements nach Anspruch 1 bis 15 als PTC-Widerstand in Überlastschutzschaltungen.
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