DE102005036102A1

DE102005036102A1 - Elektrisches Bauelement

Info

Publication number: DE102005036102A1
Application number: DE200510036102
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Hirschler; Axel Dr. Pecina
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2005-08-01
Filing date: 2005-08-01
Publication date: 2007-02-08
Also published as: EP1911052B1; WO2007014550A1; EP1911052A1

Abstract

Es wird ein elektrisches Bauelement angegeben, umfassend einen Keramikmaterial (3) enthaltenden Grundkörper (1), in dem mehrere Innenelektroden (2) angeordnet sind, wobei mindestens ein erster Innenelektrodensatz (4) mit wenigstens zwei Innenelektroden gebildet ist, die mittels wenigstens einer Durchkontaktierung (6) miteinander verbunden sind.

Description

Es wird ein elektrisches Bauelement mit hoher Spannungskapazität beschrieben.

Aus DE 10146947 B4 und DE 10110680 A1 sind elektrische Bauelemente mit Varistorkeramik enthaltende Grundkörper bekannt.

Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein elektrisches Bauelement mit hoher Stromtragfähigkeit anzugeben.

Gemäß wenigstens einer Ausführungsform eines elektrischen Bauelements ist ein Keramikmaterial enthaltender Grundkörper vorgesehen, in dem ein erster Innenelektrodensatz mit wenigstens zwei Innenelektroden gebildet ist, die mittels wenigstens einer Durchkontaktierung miteinander verbunden sind.

Eine solche Konstruktion wird vorzugsweise für ein Varistor verwendet. Elektrische Bauelemente, wie z.B. keramische PTC- oder NTC-Bauelemente, können jedoch auch eine solche Konstruktion aufweisen. Die nachfolgend nur im Zusammenhang mit einem Varistor erwähnten Ausführungsbeispiele sollen jedoch nicht nur auf diesen beschränkt sein.

Es ist günstig, wenn der Innenelektrodensatz mit einem Außenkontakt des Varistors verbunden ist, der vorzugsweise an der Oberfläche des Grundkörpers in der Form einer Schicht aufgebracht ist.

Die Durchkontaktierung bzw. Vias können als im Keramikmaterial enthaltene, elektrische Leiter realisiert sein. Hierzu eignen sich metallisierte Körper mit oder ohne im Körper enthaltenem, nichtmetallisiertem Raum. Dabei werden hohlzylinderförmige Durchkontaktierungen bevorzugt.

Mit einem Innenelektrodensatz, dessen Innenelektroden mittels Durchkontaktierungen miteinander verbunden sind, wird die Stromtragfähigkeit des elektrischen Bauelements erhöht, da die übereinander liegende Innenelektroden ein erhöhten Leitervolumen mit reduziertem Widerstand bei gleichbleibenden Querschnitt des Varistors darstellen.

Die Durchkontaktierungen ermöglichen die Reduzierung des elektrischen Serienwiderstands mehrerer, beispielsweise übereinander liegender Innenelektroden, da der Strom von einer Innenelektrode zur nächsten innerhalb des Grundkörpers ohne Überwindung eines mit einem Dielektrikum gefüllten Raum gelangen kann.

Es wird bevorzugt, dass die Innenelektroden des Innenelektrodensatzes mittels mehrerer Durchkontakierungen miteinander verbunden werden. Dabei können die Durchkontakierungen in gleichen Abständen voneinander angeordnet sein.

Es ist günstig, wenn der ganze Innenelektrodensatz im Grundkörper eingebettet ist. Hierdurch wird er vorteilhafterweise vor äußeren Einflüssen geschützt, sodass keine zusätzliche Schutzschicht nötig ist. Dabei soll jedoch ein Ende einer Innenelektrode mit einem Außenkontakt verbunden sein, sodass lediglich das Ende der Innenelektrode als nicht im Grundkörper eingebettet angesehen werden kann.

Der Varistor weist vorzugsweise einen zweiten Innenelektrodensatz auf, dessen Innenelektroden mit einem elektrischen Potential beaufschlagbar sind, der sich von dem des vom ersten Elektrodensatz getragenem Potential unterscheidet. Die Innenelektroden des zweiten Innenelektrodensatzes sind ebenfalls mittels mindestens einer Durchkontaktierung miteinander verbunden. Der zweite Innenelektrodensatz weist eine hohe Stromtragfähigkeit auf und genießt diesselben Vorteile wie der erste Innenelektrodensatz.

Auch hier ist es günstig, wenn der gesamte zweite Innenelektrodensatz im Grundkörper eingebettet ist.

Beide Innenelektrodensätze werden vorzugsweise mit dem größtmöglichen Abstand voneinander in sich gegenüberliegende Grund- und Deckbereiche des elektrischen Bauelements angeordnet. Damit wird eine maximale Menge und Dicke an keramischem Material zwischen den Innelektrodensätzen gesichert, wodurch hohe Widerstandswerte des Grundkörpers erreichbar sind.

Es sind Außenkontakte vorgesehen, welche mit einem Innenelektrodensatz elektrisch verbunden sind. Dabei wird der erste Innenelektrodensatz mit einem ersten Außenkontakt und der zweite Innenelektrodensatz mit einem zweiten Außenkontakt verbunden.

Eine besonders handliche und kompakte Bauform wird durch die Anordnung von Außenkontakten an der Oberfläche des Grundkörpers gewährleistet, wobei in diesem Falle die Außenankontakte bevorzugt als Kontaktschichten realisiert werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Varistor lediglich mit einem einzigen Innenelektrodensatz ausgebildet, wobei neben einem Außenkontakt eine einzelne zweite Elektrode, an der Oberfläche des Grundkörpers oder in ihr eingebettet angeordnet sein kann.

Die beschriebenen Gegenstände werden anhand der folgenden Figur und Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 einen Varistor, der zwei mit Durchkontaktierungen gekennzeichnete Innenelektrodensätze enthält.
In 1 ist ein Varistor mit einem Grundkörper 1 dargestellt, der mehrere Keramik enthaltende Schichten 3 in einer gestapelten Vielschichtbauweise sowie mehrere Innenelektroden 2 aufweist. Die keramischen Schichten werden aus Grünfolien geschnitten, übereinander gestapelt, zusammengepresst und anschließend anhand eines Sintervorgangs miteinander verbunden. Ein geeigneter Hauptanteil des keramischen Materials ist dabei die Varistorkeramik Zinkoxid (ZnO).
Wenn die obigen Konstruktion für ein beispielsweise scheibenförmig hergestelltes NTC-Bauelement verwendet werden soll, würde der Grundkörper vorzugsweise Mischkristalle wie beispielsweise Fe₃O₄ mit Zn₂TiO₄ oder MgCrO₄, Fe₂O₃ mit TiO₂, NiO oder CoO mit Li₂O aufweisen.
Wenn dagegen ein PTC-Bauelement von der genannten Konstruktion profitieren soll, würde der Grundkörper vorzugsweise eine ferroelektische Mischkeramik, beispielsweise BaTiO₃ oder SrTiO₃ enthalten.
Der Grundkörper weist zwei Innenelektrodensätze 4 und 5 auf, die jeweils zwei übereinander angeordnete Innenelektroden 2 aufweisen, die mit drei Durchkontakierungen 6 elektrisch miteinander kontaktiert sind. Dabei kann der Innenelektrodensatz bzw. können die Innenelektroden dieses Satzes mit einem gleichen elektrischen Potential beaufschlagt werden. Die Innenelektroden sowie die Durchkontaktierungen enthalten vorzugsweise eine Silber-Palladium (Ag-Pd) Legierung. Die Innenelektroden werden vorzugsweise mittels Siebdrucken auf die keramischen Schichten aufgebracht. Die Durchkontaktierungen werden ausgestanzt und mittels des elektrisch leitenden Mediums, vorzugsweise eine Paste, unter Druck gefüllt. Zwischen den Durchkontaktierungen ist vorzugsweise dielektrisches, vorzugsweise keramisches Material vorgesehen.
Die Innenelektrodensätze 4 und 5 sind jeweils mit einem an der Oberfläche des Grundkörpers 1 aufgebrachten Außenkontakt 7 kontaktiert, wobei ein Ende jeder Innenelektrode 2 mit einem Außenkontakt verbunden ist. Der Außenkontakt enthält vorzugsweise eine galvanische Silberschicht oder eine direkt lötbare Silberlegierung.
Die Innenelektrodensätze sind in gegenüberliegenden Endbereichen, d.h. in den Grund- und Deckbereichen des Grundkörpers eingebettet um einen möglichst großen Abstand zwischen ihnen zu verschaffen. Zwischen ihnen ist dabei ein durch keramisches Material gebildeter dielektrischer Pfad frei von weiteren Innenelektroden vorhanden. Bei Innenelektroden, welche im Grundkörper eingebettet sind, ist keine Passivierung des Varistors nötig.
Die Innenelektrodensätze werden unterschiedlichen Potentialen ausgesetzt, wobei der Varistor bei einer Bauhöhe von ca. 3 mm mit Spannungen von bis zu 275 Volt beaufschlagbar ist und diese sicher beherrscht.
Aus herstellungstechnischen Gründen kann es günstig sein, den Varistor lediglich mit einem Innenelektrodensatz 4 mit integrierten Durchkontaktierungen auszubilden. Dabei kann eine zweite, einzelne Elektrode an der gegenüberliegenden Oberfläche oder im gegenüberliegenden Grund- oder Deckbereich des Grundkörpers angeordnet sein. Hierdurch ist das Integrieren von Innenelektroden im keramischen Grundkörper nur für den einen Innenelektrodensatz 4 nötig, sodass die Abstimmung der Veränderung des Materialzustands eines Innenelektrodensatzes bei benötigter Sintertemperatur nur einmal erforderlich ist. Das Aufbringen der zweiten Elektrode kann dabei unabhängig vom Sintervorgang erfolgen, wenn sie an der Oberfläche des Grundkörpers aufgebracht wird. Dabei wird bevorzugt, dass für die Elektrode ein Leitsilber verwendet wird. Da diese Elektrode nicht im Grundkörper eingebettet ist, wird bevorzugt, dass der Varistor mittels Glas an seiner Oberfläche passiviert wird.
Ein Innenelektrodensatz 4 oder 5 kann aus mehr als zwei, vorzugsweise aus drei Innenelektroden 2 bestehen, wobei an den beiden Oberflächen der mittleren Innenelektrode Durchkontakierungen 6 vorgesehen sind, die die benachbarten beiden Innenelektroden kontaktieren. Dabei ist es günstig, wenn die mittlere Innenelektrode dicker ausgebildet ist, als die äußeren beiden Innenelektroden, da die mittlere Innenelektrode den größten Stromanteil trägt. Mittels eines aus drei oder mehr Innenelektroden 2 gebildeten Innenelektrodensatzes kann eine noch höhere Stromtragfähigkeit des Varistors realisiert werden, wobei die Dicke des zwischen den Innenelektrodensätzen befindlichen Keramikstapels erhöht werden kann, um den reduzierten Abstand zwischen den sich gegenüberliegenden Innenelektrodensätzen auszugleichen. Dies hätte eine größere Bauhöhe des Varistors zur Folge, jedoch wäre dies bei manchen Anwendungen tolerierbar, wie zum Beispiel bei noch höheren Spannungsklassen bis 600 V.

1: Grundkörper eines elektrischen Bauelements
2: Innenelektrode
3: keramische Schicht
4: erster Innenelektrodensatz
5: zweiter Innenelektrodensatz
6: Durchkontaktierung
7: Außenkontakt

Claims

Elektrisches Bauelement, umfassend einen Keramikmaterial (3) enthaltenden Grundkörper (1), in dem ein erster Innenelektrodensatz (4) mit wenigstens zwei Innenelektroden (2) gebildet ist, die mittels wenigstens einer Durchkontaktierung (6) miteinander verbunden sind.
Elektrisches Bauelement nach Anspruch 1, der einen zweiten Innenelektrodensatz (5) umfasst, dessen Innenelektroden (2) mittels wenigstens einer Durchkontaktierung (6) miteinander verbunden sind.
Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem zwischen den Innenelektroden (2) eines Innenelektrodensatzes (4, 5) Keramikmaterial (3) vorhanden ist.
Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Innenelektroden (2) eines Innenelektrodensatzes (4, 5) mittels mehrerer Durchkontaktierungen (6) miteinander verbunden sind.
Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Innenelektrodensätze (4, 5) in gegenüberliegenden Grund- und Deckbereichen des Grundkörpers (1) angeordnet sind.
Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem zwischen den Innenelektrodensätzen (4, 5) der Grundkörper (1) frei von Innenelektroden ist.
Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Grundkörper (1) einen Stapel aus Keramikschichten (3) umfasst.
Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der wenigstens einen Außenkontakt (7) umfasst, wobei jeder Innenelektrodensatz (4, 5) mit einem Außenkontakt elektrisch verbunden ist.
Elektrisches Bauelement nach Anspruch 8, bei dem der Außenkontakt (7) an der Oberfläche des Grundkörpers (1) angeordnet ist.
Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ein Varistor ist, wobei der Grundkörper (1) eine Varistorkeramik enthält.
Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ein NTC- oder ein PTC-Bauelement ist, wobei der Grundkörper (1) jeweils eine NTC- oder eine PTC-Keramik enthält.