DE102004014455A1 - Elektrisches Bauelement - Google Patents

Abstract

Die Erfindung gibt ein elektrisches Bauelement mit einem Grundkörper an, der mehrere dielektrische Lagen und dazwischen angeordnete innen liegende Elektroden aufweist. Auf den gegenüberliegenden Seitenflächen des Grundkörpers sind Außenkontakte angeordnet. Die innen liegenden Elektroden sind abwechselnd an den ersten und den zweiten Außenkontakt angeschlossen. Zumindest eine innen liegende Elektrode ist in einen aktiven Bereich, einen Zwischenbereich und einen Randbereich aufgeteilt, wobei diese Elektrode im Zwischenbereich strukturiert ist und dünne Brückenverbindungen aufweist, die den Randbereich und den aktiven Bereich elektrisch leitend miteinander verbinden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement, vorzugsweise ein Mehrschicht-Bauelement.
• Es sind keramische Bauelemente mit einem Grundkörper bekannt, der mehrere dielektrische Lagen und dazwischen angeordnete innen liegende Elektroden aufweist, die abwechselnd an einen ersten und den zweiten Außenkontakt des Bauelements angeschlossen sind. Beim Verlöten eines solchen Bauelements mit einer Platine sind die auf den einander gegenüberliegenden Seitenflächen des Bauelements angeordneten Außenkontakte größtenteils senkrecht zur Platine ausgerichtet, wobei die Außenkontakte in der Regel die Kanten der Seitenflächen teilweise umgreifen und teilweise auch auf der Ober- und Unterseite des Stapels angeordnet sind. Das Bauelement wird beim Löten erwärmt und abgekühlt, wobei sich das mit den Außenkontakten verbundene Lot nach dem Abkühlen zusammenzieht und dabei eine mechanische Zugspannung auf das Bauelement ausübt. Aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Schichten des Mehrschichtaufbaus entstehen bei starken Temperaturänderungen zusätzliche mechanische Spannungen, die zu Rissen führen können. Die auf das Bauelement von außen ausgeübte Zugspannung führt aufgrund der – verglichen mit einem homogenen Block aus dem entsprechenden dielektrischen Material – geringeren mechanischen Stabilität des Stapels in vertikaler Richtung sogar zum Abbrechen eines Teils des Grundkörpers an der Lötstelle (Lötschock). Die Rißlinie bildet sich im Querschnitt in der Regel zwischen dem Lötrand auf der Unterseite und der Seitenfläche des Stapels. Dieses Problem tritt insbesondere bei großen Bauformen keramischer Vielschichtbauelemente auf.
• Bei kleinen Bauformen keramischer Vielschicht-Bauelemente ist es möglich, der Rißbildung vorzubeugen, indem das Keramikmaterial mit geeigneten Eigenschaften, z. B. einer hohen Dichte, gewählt wird. Möglich ist es auch, die Geometrie des Bauelements, d. h. seine Abmessungen oder Ausgestaltung der Außenkontakte anzupassen. Wirtschaftliche Lösungen dieses Problems bei großen keramischen Vielschichtaufbauten sind bisher nicht bekannt.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein elektrisches Vielschicht-Bauelement mit einer hohen Lötschockbeständigkeit anzugeben.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch ein Bauelement nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den weiteren Ansprüchen hervor.
• Die Erfindung gibt ein elektrisches Bauelement mit einem Grundkörper an, der mindestens zwei dielektrische Lagen und eine dazwischen angeordnete innen liegende Elektrode aufweist. An der Außenfläche des Grundkörpers ist ein erster Außenkontakt angeordnet, an den die innen liegende Elektrode angeschlossen ist. Die innen liegende Elektrode ist in einen aktiven Bereich, einen Zwischenbereich und einen an den Außenkontakt angeschlossenen Randbereich aufgeteilt. Die innen liegende Elektrode ist im Zwischenbereich strukturiert und weist dünne Brückenverbindungen auf, die den Randbereich und den aktiven Bereich elektrisch leitend miteinander verbinden.
• In bevorzugter Variante der Erfindung weist der Grundkörper mehrere dielektrische Lagen und dazwischen angeordnete innen liegende Elektroden auf. Auf den gegenüberliegenden, zum Schichtaufbau senkrecht stehenden Seitenflächen des Grundkörpers ist ein erster und ein zweiter Außenkontakt angeordnet. Die innen liegenden Elektroden sind abwechselnd an den ersten und den zweiten Außenkontakt angeschlossen. Zumindest eine innen liegende Elektrode ist in einen aktiven Bereich, einen Zwischenbereich und einen Randbereich aufgeteilt, wobei diese Elektrode im Zwischenbereich strukturiert ist und dünne Brückenverbindungen aufweist, die den Randbereich und den aktiven Bereich elektrisch leitend miteinander verbinden.
• Die Erfindung hat den Vorteil, dass in vertikaler Richtung zwischen den Brückenverbindungen homogene und daher mechanisch stabile Säulen aus dielektrischem Material gebildet werden, die der Rißbildung im Grundkörper bei mechanischen oder thermischen Überlastungen vorbeugen.
• Die Erfindung hat des weiteren den Vorteil, daß bei thermischen und elektrischen Überlastungen die Brückenverbindungen zwischen den Außenkontakten und den einzelnen Innenelektroden zerstört werden, wobei die Übertragung der Wärme und des elektrischen Stroms zur Innenelektrode unterbrochen und so ein Kurzschluß zwischen zwei Innenelektroden vermieden wird.
• Der Randbereich ist vorzugsweise der entsprechenden Außenelektrode zugewandt. Die Länge des Randbereichs ist größer gleich 5 μm und liegt vorzugsweise zwischen 10 und 200 μm. Die Länge des Zwischenbereichs bzw. der Brückenverbindungen beträgt vorzugsweise zwischen 10 und 200 μm. Die Länge der Brückenverbindungen kann auch zwischen 5 μm und 500 μm liegen. Die Breite der Brückenverbindungen ist vorzugsweise kleiner gleich 100 μm. Die Breite der Brückenverbindungen liegt z. B. zwischen 5 μm und 100 μm.
• Das Verhältnis der Breite der Brückenverbindungen zum kleinsten Abstand zwischen zwei Brückenverbindungen beträgt maximal 1. Dies entspricht bei periodischer Anordnung der Brückenverbindungen im Zwischenbereich einem Metallisierungsverhältnis von 50%. Das Metallisierungsverhältnis im Zwischenbereich liegt vorzugsweise zwischen 10% und 50%.
• Unter einem Metallisierungsverhältnis versteht man im Sinne der Erfindung das Verhältnis einer metallisierten Fläche eines ausgewählten Bereichs (d. h. Zwischenbereichs) zu einer Gesamtfläche des entsprechenden Bereichs bzw. des Zwischenbereichs.
• Die dielektrischen Lagen sind vorzugsweise Keramiklagen z. B. aus LTCC-Keramik (LTCC = Low Temperature Cofired Ceramics). Die dielektrischen Lagen können auch piezokeramische Schichten sein.
• Die innen liegenden Elektroden enthalten vorzugsweise einen Anteil von Ag oder Cu.
• Die dünnen Brückenverbindungen können in einem an sich bekannten Verfahren zur Herstellung strukturierter Metallagen hergestellt werden, das z. B. bereits für die sogenannte Fine Line Technology eingesetzt wird.
• Es ist möglich, eine z. B. Ag/Pd enthaltende Metallpaste auf eine dielektrische Lage in einem Siebdruckverfahren aufzutragen. Dafür werden spezielle Siebe verwendet, deren Mesh sehr fein ist und spezielle Pasten, deren Körnigkeit sehr fein ist (< 1,5 μm). Die Mindestbreite der in einem gängigen Siebdruckverfahren hergestellten Leiterbahnen beträgt ca. 50 μm. Alternativ ist es möglich, eine Metallpaste mittels einer Walze aufzutragen (transfer printing).
• Möglich ist auch elektrophoretisches Abscheiden eines Metalls auf eine dielektrische Lage (electrophoretic deposition).
• Eine weitere Möglichkeit besteht darin, aus einer dünnen Metallfolie Leiterbahnen zu fertigen, wobei die Folie auf die dielektrische Lage aufgelegt wird und die Metall-Ionen (z. B. Ag-Ionen) mittels Laser auf die dielektrische Lage (z. B. piezokeramische Schicht) geschossen werden (Laser Direct Writing).
• Ferner ist es möglich, dünne Leiterbahnen auf einer dielektrischen Lage mittels Photolithographie unter Verwendung von geeigneten Masken und photosensitiven Pasten herzustellen. Mit diesem Verfahren gelingt es, besonders dünne Leiterbahnen herzustellen, die nur wenige Mikrometer breit sind.
• Es ist möglich, großflächige Bereiche der Innenelektrode – den aktiven Bereich und ggf. den Randbereich – in einem kostengünstigen Verfahren, z. B. mittels Siebdruck, herzustellen und nur die Brückenverbindungen in der Fine Line Technologie auszuführen. Die Brückenverbindungen können auf die darunter liegende dielektrische Lage vor oder nach dem Ausbilden der großflächigen Bereiche, beispielsweise vor dem großflächigen Auftragen der Metallpaste, aufgebracht werden.
• Möglich ist aber auch, alle Leiterbahnen einer innen liegenden Elektrodenschicht einschließlich des Randbereichs und des aktiven Bereichs in nur einer Technologie herzustellen.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen
• 1 im schematischen Querschnitt ein bekanntes Vielschicht-Bauelement mit Innenelektroden
• 2 in schematischer Ansicht von oben eine Innenelektrode des Bauelements gemäß 1
• 3 im schematischen Querschnitt ein erfindungsgemäßes Bauelement mit strukturierten Innenelektroden
• 4A, 4B jeweils eine Innenelektrode des erfindungsgemäßen Bauelements gemäß 3 in schematischer Ansicht von oben
• 1 zeigt im schematischen Querschnitt ein bekanntes Bauelement mit Mehrschichtaufbau, der dielektrische Lagen K1 und K2 sowie dazwischen angeordnete Innenelektroden IE umfaßt, und Außenkontakten A1 und A2. Eine Draufsicht auf eine Innenelektrode dieses Bauelements ist in 2 gezeigt.
• In 3 ist ein erfindungsgemäßes Vielschicht-Bauelement gezeigt. Die erste Innenelektrode E1 ist zwischen den dielektrischen Schichten K1 und K2 angeordnet, links an einen ersten Außenkontakt A1 angeschlossen und in 4A in schematischer Ansicht von oben gezeigt. Die zweite Innenelektrode E2 ist zwischen den dielektrischen Schichten K2 und K3 angeordnet, rechts an einen zweiten Außenkontakt A2 angeschlossen und in 4B in schematischer Ansicht von oben gezeigt. Die erste Innenelektrode E1 ist in einen aktiven Bereich AB, einen Zwischenbereich ZB und einen Randbereich RB aufgeteilt. Die zweite Innenelektrode E2 ist in einen aktiven Bereich AB2, einen Zwischenbereich ZB2 und einen Randbereich RB2 aufgeteilt. Die aktiven Bereiche AB, AB2 der einander gegenüberliegenden Innenelektroden E1, E2 sind in 3 so ausgebildet, daß sie in einer Projektionsebene, die parallel zu den Innenelektroden verläuft, größtenteils überlappen, wobei der aktive Bereich AB der ersten Innenelektrode E1 in der Projektionsebene hier auch teilweise mit dem Zwischenbereich ZB2 der zweiten Innenelektrode E2 überlappt und wobei der aktive Bereich AB2 der zweiten Innenelektrode E2 in der Projektionsebene hier auch teilweise mit dem Zwischenbereich ZB der ersten Innenelektrode E1 überlappt. Möglich ist auch, daß die aktiven Bereiche der einander gegenüberliegenden Innenelektroden komplett überlappen, so daß sich der aktive Bereich AB einer Innenelektrode E1 in der Projektionsebene bis zur Grenze des aktiven Bereichs AB2 und des Zwischenbereichs ZB2 der gegenüberliegenden Elektrode E2 erstreckt. Möglich ist auch, daß sich der aktive Bereich AB einer Innenelektrode in der Projektionsebene bis zur Grenze des Zwischenbereichs ZB2 und des Randbereichs RB2 der gegenüberliegenden Elektrode erstreckt.
• Die Breite des Randbereichs kann z. B. zwischen 1 und 5 μm liegen. Die Breite des Randbereichs kann in einer anderen Variante der Erfindung mindestens 5 μm sein und vorzugsweise zwischen 10 und 200 μm liegen. Die Breite des Zwischenbereichs ZB ist vorzugsweise zwischen 10 und 500 μm gewählt. Die Breite der Bereiche wird in 4A, 4B in x-Richtung gemessen. Die Breite der Brückenverbindungen wird dagegen in y-Richtung gemessen.
• Obwohl in den Ausführungsbeispielen nur eine beschränkte Anzahl möglicher Weiterbildungen der Erfindung beschrieben werden konnte, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt. Ein erfindungsgemäßes Bauelement ist auch nicht auf die angegebenen Materialien und auf die Anzahl der dargestellten Elemente beschränkt.

BV

Brückenverbindung

K1, K2

dielektrische Lage

E1

innen liegende Elektrode

A1

erster Außenkontakt

A2

zweiter Außenkontakt

AB

aktiver Bereich

ZB

Zwischenbereich

RB

Randbereich

Claims (11)

1. Elektrisches Bauelement – mit einem Grundkörper, der mindestens zwei dielektrische Lagen (K1, K2) und eine dazwischen angeordnete innen liegende Elektrode (E1) aufweist, – mit einem Außenkontakt (A1, A2), der an der Außenfläche des Grundkörpers angeordnet ist, – wobei die innen liegende Elektrode (E1) an den ersten Außenkontakt (A1, A2) angeschlossen ist, wobei die innen liegende Elektrode (E1) in einen aktiven Bereich (AB), einen Zwischenbereich (ZB) und einen an den Außenkontakt (A1, A2) angeschlossenen Randbereich (RB) aufgeteilt ist, – wobei die innen liegende Elektrode (E1) im Zwischenbereich (ZB) strukturiert ist und dünne Brückenverbindungen (BV) aufweist, die den Randbereich (RB) und den aktiven Bereich (AB) elektrisch leitend miteinander verbinden.
2. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die dielektrischen Lagen (K1, K2) Keramiklagen sind.
3. Bauelement nach Anspruch 2, bei dem die dielektrischen Lagen (K1, K2) piezoelektrisch sind.
4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die innen liegende Elektrode (E1) einen Anteil von Ag oder Cu enthält.
5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Breite der Brückenverbindungen (BV) ≤ 100 μm ist.
6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Breite der Brückenverbindungen (BV) zwischen 5 μm und 100 μm liegt.
7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Länge der Brückenverbindungen (BV) zwischen 5 μm und 500 μm liegt.
8. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Metallisierungsverhältnis im Zwischenbereich (ZB) zwischen 10% und 50% liegt.
9. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem mehrere innen liegende Elektroden (E1) vorgesehen sind.
10. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem ein erster und ein zweiter Außenkontakt (A1, A2) vorgesehen ist, wobei die Außenkontakte (A1, A2) auf den gegenüberliegenden, zum Schichtaufbau senkrecht stehenden Seitenflächen des Grundkörpers angeordnet sind.
11. Bauelement nach Anspruch 10, bei dem die innen liegenden Elektroden (E1) abwechselnd an den ersten (A1) und den zweiten (A2) Außenkontakt angeschlossen sind.