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Es
wird ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisches Bauelements
beschrieben.
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Aus
der Druckschrift
DE
10020224 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von NTC Bauelementen mit
einem vorgegebenen spezifischen Widerstand bekannt. NTC steht für „Negative
Temperature Coefficient".
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Eine
zu lösende
Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisches
Bauelements mit geringen Toleranzen anzugeben.
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Das
Bauelement kann insbesondere ein Widerstands-Bauelement sein. Im
Bauelement ist mindestens eine Funktionseinheit wie z. B. ein NTC-Widerstand,
ein Kaltleiter oder ein Varistor realisiert. Das Bauelement umfasst
einen Grundkörper
mit mindestens zwei Elektroden. Der Grundkörper ist vorzugsweise ein gesinterter
Keramikkörper.
Der Grundkörper
des Bauelements wird ausgehend aus einem Substrat hergestellt, das
zur Bildung von mehreren Grundkörpern
vereinzelt wird.
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Die
tatsächlichen
Parameter (insbesondere der spezifische Widerstand und die Dicke)
des Substrats, das später
den Grundkörper
eines herzustellenden Bauelements bildet, können aus fertigungstechnischen
Gründen
jeweils von einem entsprechenden vorgegebenen Wert abweichen, der
für die zu
erreichende elektrische Größe des Bauelements berechnet
wurde. Dies hat zur Folge, dass der Istwert der elektrischen Größe des Bau elements
vom vorgegebenen Sollwert abweicht. Um diesen Fertigungsstreuungen
Rechnung zu tragen, kann die Fläche
eines Bauelementbereichs bei den tatsächlichen Parametern des Substrats
zur Erreichung des Sollwerts der elektrischen Größe angepasst werden. Beispielsweise
kann bei einer bezogen auf den Nominalwert der Substratdicke höheren Ist-Substratdicke
die Fläche
der Bauelementbereiche kleiner als der entsprechende Nominalwert
der Fläche
und umgekehrt, bei einer bezogen auf den Nominalwert der Substratdicke
kleineren Substratdicke die Fläche
der Bauelementbereiche größer gewählt werden.
Durch die Anpassung der Fläche
der Bauelementbereiche kann trotz des Fertigungsfehlers bei der
Herstellung des Substrats im Wesentlichen der Nominalwert des für die Erreichung
des Sollwerts relevanten Volumens erzielt werden.
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Es
wird ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bauelements
mit einem vorgegebenen Sollwert einer elektrischen Größe, z. B.
einem Soll-Widerstandswert angegeben. Zunächst wird eine Grundplatte
bereitgestellt, die ein Substrat, eine erste großflächige Elektrode und eine zweite
großflächige Elektrode
aufweist. Die großflächigen Elektroden
sind auf Hauptflächen,
d. h. auf der Grund- und Deckfläche
des Substrats angeordnet. Die Abmessung der Grundplatte ist in zwei
zueinander senkrechten lateralen Richtungen ein Vielfaches der entsprechenden
Abmessung eines vorgesehenen Bauelementbereichs. Zwischen den großflächigen Elektroden
wird der Istwert der elektrischen Größe des dazwischen angeordneten
Substratsbereichs – z.
B. sein Ist-Widerstand – gemessen.
Auf der Basis dieser Messung wird eine zur Erreichung des Soll-Widerstandswerts
notwendige Deckfläche
eines Bauelementbereichs berechnet. Die Grundplatte wird vereinzelt,
wobei zur Herstellung des Bauelements aus der Grundplatte der Bauelementbereich
mit der berechneten Deckfläche
herausgeschnitten wird.
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Die
Grundplatte wird vorzugsweise in eine zweidimensionale Anordnung
von gleichartigen Bauelementbereichen mit der berechneten Deckfläche aufgeteilt
und gemäß dieser
Aufteilung in separate Bauelementbereiche vereinzelt. Durch die
Anpassung der Fläche
des Bauelementbereichs bei der fertigungstechnisch bedingten Ist-Dicke
des Substrats gelingt es beispielsweise, den Toleranzfehler durch eine
vom Idealwert abweichende Substratdicke zu kompensieren.
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Das
angegebene Verfahren ist insbesondere zur Herstellung eines SMD-fähigen Widerstandselements
vorgesehen.
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Der
separierte Bauelementbereich bildet einen mit Elektroden versehenen
Grundkörper
des herzustellenden Bauelements. Nach der Vereinzelung der Grundplatte
wird aus der großflächigen ersten
und zweiten Elektrode eine erste bzw. eine zweite Elektrode des
Bauelements gebildet.
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Die
Grundplatte wird durch Sintern eines großflächigen Substrats, z. B. Keramiksubstrats,
und Metallisieren dieses Substrats zur Bildung der großflächigen Elektroden
erzeugt. In einer bevorzugten Variante wird zur Bildung der ersten
großflächigen Elektrode
eine erste Metallisierungsschicht auf der Oberseite des Substrats
und zur Bildung der zweiten großflächigen Elektrode
eine zweite Metallisierungsschicht auf der Unterseite dieses Substrats
erzeugt. Diese Schichten werden z. B. als Metallpaste auf die Hauptflächen des
Substrats aufgetragen und eingebrannt. Diese Schichten können zur
Bildung einer Barriereschicht vor oder nach der Vereinzelung der Grundplatte
vorzugsweise galvanisch oder durch Sputtern vernickelt werden. Die
vernickelten Elektroden können
in einer vorteilhaften Variante zur Bildung einer lötbaren Schicht
verzinnt werden.
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Auf
der jeweiligen Elektrode kann grundsätzlich eine als eine Diffusionsbarriere
geeignete Barriereschicht oder eine Schichtenfolge erzeugt werden, die
eine lötbare
Schicht und eine Barriereschicht umfasst. Die lötbare Schicht enthält vorzugsweise
Zinn oder eine Zinnlegierung. Die Barriereschicht ist zwischen der
lötbaren
Schicht und der entsprechenden Elektrode angeordnet. Die Barriereschicht
ist vorzugsweise eine Nickel enthaltende Schicht, die z. B. eine
Ni/Sn-Barriere bildet. Die auf den gegenüber liegenden Stirnflächen des
Grundkörpers
angeordneten Metallisierungsschichten (auf jeder Seite die Elektrode,
die Barriereschicht und die lötbare Schicht)
bilden elektrische Anschlüsse
des Bauelements.
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Die
Auftragung der Barriereschicht und ggf. auch der lötbaren Schicht
erfolgt vorzugsweise vor der Messung. Sie können aber auch erst nach der Messung
aufgetragen werden.
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Auf
die die vorzugsweise vernickelten Elektroden tragende erste und
zweite Stirnfläche
des Grundkörpers
und auf den stirnseitigen Bereich seiner Mantelfläche wird
in einer Variante eine erste bzw. eine zweite Außenelektrode z. B. durch Tauchen in
eine Metallpaste aufgebracht. In diesem Fall bildet der auf der
Mantelfläche
bzw. an der Unterseite des Grundkörpers angeordnete Bereich der
ersten und der zweiten Außenelektrode
jeweils einen zur Oberflächenmontage
geeigneten Kontakt des Bauelements.
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Für die Außenelektroden
kann ein ein Edelmetall – insbesondere
Silber oder eine Silberlegierung – enthaltendes Material verwendet
werden. Die Außenelektrode
kann auch ein lötbares
Material oder vorzugsweise als die äußere Schicht eine lötbare Schicht
enthalten. Die Außenelektrode
kann insbesondere verzinnt werden.
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Auf
die Mantelfläche
des Grundkörpers
kann vor der Auftragung der Außenelektroden
eine elektrisch isolierende Passivierungsschicht aufgetragen werden.
Zur Herstellung der Passivierungsschicht kann z. B. ein Glasschlicker
verwendet werden. Auch andere elektrisch isolierende Materialien
kommen für die
Passivierungsschicht in Betracht. Die Außenelektroden werden dabei
vorzugsweise derart aufgetragen, dass mindestens ein Bereich der
jeweiligen Außenelektrode
auf der Passivierungsschicht liegt.
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Die
Außenelektroden
bilden in einer bevorzugten Variante jeweils eine stirnseitige Anschlusskappe,
wobei die Seitenwand dieser Kappe auf der Passivierungsschicht liegt
und durch diese Schicht vom Grundkörper im Abstand gehalten bzw.
von diesem elektrisch isoliert wird. Die Anschlusskappe weist also
auf der Mantelfläche
des Bauelements angeordnete Bereiche. Da die auf der Mantelfläche des Bauelements
angeordneten Teile der Kappe vom Grundkörper durch die Passivierung
elektrisch isoliert sind, haben sie keinen Einfluss auf den Widerstand
des Bauelements. Die Verwendung der Passivierungsschicht hat also
den Vorteil, dass die mit der Aufbringung der Anschlusskappe zusammenhängenden
Toleranzen im Wesentlichen ausgeschlossen werden können.
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In
einer Variante wird zunächst
der Glasschlicker eingebrannt und erst danach die Außenelektroden
aufgetragen und eingebrannt. Möglich
ist aber auch, nach der Auftragung des Glasschlickers und der Außenelektroden
diese zusammen in einem Schritt einzubrennen.
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Im
Folgenden wird das angegebene Verfahren anhand von schematischen
und nicht maßstabsgetreuen
Figuren erläutert.
Es zeigen:
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1 die
in Bauelementbereiche zu vereinzelnde Grundplatte im Querschnitt;
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2 die
Aufteilung der Grundplatte gemäß 1 in
Bauelementbereiche;
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3 ein
Bauelement mit stirnseitig angeordneten SMD-Kontakten;
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4 ein
Bauelement mit einer Passivierungsschicht, die die auf der Mantelfläche angeordneten
Teile von Außenelektroden
vom Grundkörper des
Bauelements trennt.
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1 zeigt
den Querschnitt einer Grundplatte 1, die ein Substrat 100' aufweist. Als
Substrat 100' kann
z. B. eine Keramikplatte verwendet werden. Auf der Oberseite des
Substrats ist eine erste großflächige Elektrode 211' und auf seiner
Unterseite eine zweite großflächige Elektrode 221' angeordnet.
Die großflächigen Elektroden 211', 221' sind z. B.
silberhaltige Metallschichten. Zur Bildung dieser Schichten wird
eine Metallpaste auf das Substrat 100' aufgetragen und vorzugsweise eingebrannt.
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2 zeigt
eine Draufsicht auf die Grundplatte 1 von oben. Mit den
strichpunktierten Linien (Trennlinien) ist die Aufteilung der Grundplatte
in Bauelementbereiche 11, 12, 13, ..., 1N; 21,
...; 31, ...; M1, M2, M3 ... MN angedeutet. Die Grundplatte 1 wird
entlang dieser Linien z. B. durch Sägen vereinzelt.
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Die
zweidimensionale Anordnung von Bauelementbereichen 11 ...
MN bildet eine Matrix der Dimension M × N mit M Reihen und N Spalten,
wobei gilt N > 2 und
M > 2. Die Grundplatte
ist also eine großflächige Platte,
deren laterale Abmessungen ein Vielfaches der Lateralabmessungen
Lx, Ly eines vorgesehenen Bauelementbereichs betragen. Mit x und y
sind Lateralrichtungen und mit z eine Vertikalrichtung bezeichnet.
Die Hauptflächen
der Grundplatte umfassen vorzugsweise die Stirnseiten der zu vereinzelnden
Bauelementbereiche. Die Dicke der Grundplatte 1 definiert
im Wesentlichen die Länge des
herzustellenden Bauelements. Die in z-Richtung gemessene Dicke des
Substrats 100' und
die Fläche Lx × Ly eines
Bauelementbereichs definieren den tatsächlichen Widerstandswert des
Bauelements.
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Vor
dem Vereinzeln der Grundplatte 1 wird der Widerstand des
zwischen der ersten und der zweiten großflächigen Elektrode 211', 221' angeordneten
Substratbereichs bei der tatsächlichen
Substratdicke gemessen. Der gemessene Widerstandswert lässt bei
den gegebenen Abmessungen der großflächigen Elektroden 211', 221' auf den spezifischen
Widerstand des Substratmaterials schließen. Falls der aus dieser Messung
bestimmte tatsächliche spezifische
Widerstand des Substratmaterials oder die tatsächliche Substratdicke vom entsprechenden Idealwert
abweicht, kann die Fläche
eines Bauelementbereichs so angepasst werden, dass der einzustellende
Widerstand des Bauelements erzielt wird.
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In 3 ist
ein vereinzeltes Bauelementbereich bzw. Bauelement gezeigt. Der
Grundkörper 100 des
Bauelements wurde aus dem Substrat 100' erzeugt. Die erste Elektrodenschicht 211 wurde
aus der ersten großflächigen Elektrode 211' und die zweite Elektrodenschicht 221 des
Bauelements wurde aus der ersten großflächigen Elektrode 221' erzeugt.
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Auf
die Elektrodenschicht 211, 221 wurde eine Barriereschicht 212, 222 und
auf die letztere eine lötbare
Schicht 213, 223 vorzugsweise galvanisch oder
durch Sputtern aufgetragen. Als Material für die Schichten 211, 221 kommt
insbesondere Silber, AgPd, Au, Al, Cu oder Cr in Betracht. Die Barriereschichten 212, 222 sind
z. B. nickelhaltige Schichten und die lötbaren Schichten 213, 223 zinnhaltige Schichten.
Die zur Oberflächenmontage
geeigneten elektrischen Anschlüsse 210, 220 des
Bauelements sind in dieser Variante auf den Stirnseiten des Grundkörpers angeordnet
und jeweils durch die Schichtenfolge 211, 212, 213 und 221, 222, 223 gebildet.
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Die
Barriereschicht 212, 222 kann nach der Messung
auf die beiden Hauptflächen
der Grundplatte 1 galvanisch oder durch Sputtern aufgetragen
werden. Sie kann aber auch erst nach dem Vereinzeln von Bauelementbereichen
auf die Elektroden 211, 211 aufgetragen werden.
Dies gilt auch für
die lötbare Schicht 213, 223.
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In 4 ist
ein Bauelement mit auf seiner Unterseite angeordneten SMD-Kontakten 51, 52 gezeigt.
Auch in dieser Variante sind die Elektroden 211, 221 auf
den Stirnseiten des Grundkörpers 100 angeordnet.
Auf die Mantelfläche
des Grundkörpers 100 eines
vereinzelten Bauelementbereichs wird zur Erzeugung einer Passivierungsschicht 30 vorzugsweise
in einem Sprühverfahren
ein Glasschlicker aufgetragen.
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Anstelle
der lötbaren
Schicht 213, 223 wird in der Variante gemäß 4 eine
Außenelektrode 41, 42 verwendet.
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Die
Außenelektroden 41, 42 werden
vorzugsweise aus einem silberhaltigen und/oder lötbaren Material gebildet. Jede
Außenelektrode
kann auch mehrere Schichten, z. B. eine Ag-Schicht und eine Ni/Sn-Schicht
enthalten. Diese Schichten werden jeweils beispielsweise durch Eintauchen
der jeweiligen Stirnseite des Grundkörpers in eine Metallpaste oder
galvanisch erzeugt.
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Die
Außenelektroden 41, 42 bilden
jeweils eine stirnseitige Metallkappe, wobei die Seitenwand dieser
Kappe auf der Passivierungsschicht 30 liegt und durch diese
Schicht vom Grundkörper 100 im Abstand
gehalten bzw. von diesem elektrisch isoliert wird. Die auf der Unterseite
des Grundkörpers 100 angeordneten
Bereiche der Außenelektroden 41, 42 bilden
SMD-Kontakte des
Bauelements.
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Die
Außenelektroden 41, 42 werden
nach dem Auftragen der Passivierungsschicht 30 erzeugt. Es
ist möglich,
zunächst
die Passivierungsschicht 30 einzubrennen, danach zur Erzeugung
von Außenelektroden 41, 42 auf
den mit der Passivierungsschicht versehenen Grundkörper stirnseitig
mindestens eine Metallschicht aufzutragen und diese einzubrennen. Möglich ist
aber auch, die Passivierungsschicht 30 und die zur Ausbildung
der Außenelektrode 41, 42 vorgesehene
Metallschicht nacheinander aufzutragen und beide Schichten zusammen
einzubrennen.
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Um
die Elektroden 211, 221 der Bauelementbereiche
von der Passivierungsschicht 30 frei zu halten, kann auf
diese Elektroden nach der Messung und vor der Auftragung der Passivierungsschicht 30 ein
vorzugsweise organisches Schutzlack auf getragen werden, der im Laufe
des Einbrennens der Passivierungsschicht 30 verkohlt. Der
Schutzlack kann großflächig auf
die beiden Hauptflächen
der Grundplatte 1 aufgetragen werden. Er kann aber auch
nach dem Vereinzeln von Bauelementbereichen auf deren Stirnseiten
aufgetragen werden.
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In
einer Variante des Verfahrens können
die großflächigen Elektroden 211' und 221' nach der Messung
entfernt werden. Dies kann vor oder nach der Vereinzelung des Substrats,
vor oder nach der Aufbringung und/oder Einbrennung der Passivierungsschicht 30 z.
B. in einem chemischen Ätzverfahren
geschehen. Die Außenelektroden 41, 42 können dann
nach der Aufbringung der Passivierungsschicht 30 auf die
in diesem Fall metallfreien Stirnseiten des Bauelements und die
stirnseitigen Bereiche der Passivierungsschicht 30 aufgebracht
werden. Das Einbrennen der Passivierungsschicht 30 und
der Außenelektroden 41, 42 kann
wie bereits erläutert nacheinander
oder in einem Einbrennensschritt erfolgen.
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- 1
- Grundplatte
- 100'
- Substrat
- 100
- Grundkörper
- j1
... jN
- in
j-ter Reihe angeordnete Bauelementbereiche
- M1
... MN
- in
M-ter Reihe angeordnete Bauelementbereiche
- 1k
... Mk
- in
k-ter Spalte angeordnete Bauelementbereiche
- 210,
220
- elektrische
Anschlüsse
des Bauelements
- 211'
- erste
großflächige Elektrode
- 221'
- zweite
großflächige Elektrode
- 211,
221
- erste
bzw. zweite Elektrode
- 212,
222
- Barriereschicht
- 213,
223
- lötbare Elektrodenschicht
- 30
- Passivierungsschicht
- 41
- erste
Außenelektrode
- 42
- zweite
Außenelektrode
- 51,
52
- durch
Bereiche der Außenelektroden 41, 42 gebildete
SMD-Kontakte
- Lx
- Abmessung
eines Bauelementbereichs in x-Richtung
- Ly
- Abmessung
eines Bauelementbereichs in y-Richtung
- x
- erste
laterale Richtung
- y
- zweite
laterale Richtung
- z
- vertikale
Richtung