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Aus
der Druckschrift
DE
102005025680 A1 ist ein Vielschichtbauelement mit einem
Varistor und einem LC-Filter bekannt.
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Aus
der Veröffentlichung
von O. S. Aleksić et al.: „Thick
film LC and LCV cell arrays”,
Proc. 20th International Conference an Microelectronics 1995, vol.
1, Seiten 85 bis 88, sind Vielschichtbauelemente bekannt, die LC-
und LCV-Filter bilden.
Dabei umfasst ein induktiver Bereich eine Ferrit-Keramik und eine
induktive Elektrodenstruktur, und ein kapazitiver Bereich ist mit
einer ZnO-Varistorpaste gebildet.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes Vielschichtbauelement
anzugeben, das für
die Integration einer Filterfunktion und einer ESD-Schutzfunktion
geeignet ist.
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Die
Aufgabe wird durch ein Vielschichtbauelement mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 oder des Anspruchs 3 gelöst. Ausgestaltungen ergeben
sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
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Es
wird ein Vielschichtbauelement angegeben, das wenigstens einen induktiven
Bereich aufweist. Der induktive Bereich umfasst eine Ferritkeramik,
die Elektrodenstrukturen aufweist. Durch die Elektrodenstrukturen
wird in dem induktiven Bereich wenigstens eine Induktivität gebildet.
Vorzugsweise umfasst die Induktivität eine Spulenstruktur.
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Das
Vielschichtbauelement weist zudem wenigstens einen kapazitiven Bereich
auf. Der kapazitive Bereich des Vielschichtbauelements umfasst wenigstens
eine Varistorkeramik. Durch Innenelektroden des kapazitiven Bereichs
wird wenigstens eine Kapazität
gebildet.
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Durch
den wenigstens einen induktiven Bereich und den wenigstens einen
kapazitiven Bereich des Vielschichtbauelements wird wenigstens ein LC-Filter
gebildet.
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Die
Elektrodenstrukturen umfassen Leiterbahnen und Durchkontaktierungen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weisen die Durchkontaktierungen eine konische Form auf. Konische
Durchkontaktierungen können
beispielsweise mittels konischer Nadeln oder mittels eines Lasers
in den Grünfolien
eines Vielschichtbauelements erzeugt werden.
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Durch
konische Durchkontaktierungen ist es beispielsweise möglich, dass
breite Leiterbahnen auf einer ersten Seite einer Schicht des Vielschichtbauelements
mit relativ schmalen nahe beieinander liegenden Leiterbahnen auf
einer zweiten Seite der Schicht kontaktiert werden können. Dadurch
ist beim Design der Leiterbahnen eine größere Gestaltungsfreiheit möglich.
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In
einer weiteren Ausführungsform
können beispielsweise
die konusförmigen
Durchkontaktierungen zweier übereinander
liegender Schichten mit den Spitzen zueinander gerichtet sein. Dadurch
kann beispielsweise eine Kontaktierung von einer breiten über eine
relativ schmale Leiterbahn hin zu einer breiten Leiterbahn erfolgen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Varistorkeramik eine ESD(electrostatic discharge)-Schutzfunktion auf.
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Die
Ferritkeramik kann Nickelzink(NiZn)-Ferrite umfassen. Es ist jedoch
auch möglich,
dass die Ferritkeramik Nickelkupferzink(NiCuZn)-Ferrite umfasst.
In einer weiteren Ausführungsform
kann die Ferritkeramik auch Nickelzinkkobalt(NiZnCo)-Ferrite umfassen.
Es ist jedoch auch möglich,
dass die Ferritkeramik hexagonale Ferrite enthält. In möglichen Ausführungsformen
umfasst die Ferritkeramik beispielsweise Bariumhexaferrit, Manganzinkferrit
oder Nickelzinkferrit. Bariumhexaferrit weist in einer Ausführungsform
beispielsweise eine Permeabilität
von vorzugsweise zwischen 1 und 20 auf. Die Permeabilität von Nickelzinkferrit
weist in einer weiteren Ausführungsform
beispielsweise einen Wert zwischen 10 und 1000 auf. Manganzinkferrit
weist in einer weiteren Ausführungsform
beispielsweise eine Permeabilität
von vorzugsweise zwischen 2000 und 20000 auf.
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Die
Varistorkeramik des Vielschichtbauelements kann in einer Ausführungsform
eine Zinkoxidwismutantimon(ZnO-BiSb)-Keramik umfassen. Es ist jedoch
auch möglich,
dass die Varistorkeramik eine Zinkoxidpraseodym(ZnOPr)-Keramik umfasst.
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Der
induktive Bereich des Vielschichtbauelements weist vorzugsweise
in mehreren Ebenen verlaufende Leiterbahnen und Leiterbahnen miteinander verbindende
Durchkontaktierungen auf.
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Der
Aufbau des Vielschichtbauelements ist vorzugsweise hinsichtlich
der Anordnung von kapazitiven und induktiven Bereichen in Bezug
auf eine Ebene, die parallel zu den Schichten des Vielschichtbauelements
angeordnet ist, symmetrisch. Ein symmetrischer Aufbau weist insbesondere
Vorteile hinsichtlich der Charakteristik des Filters auf. Des Weiteren
hat ein symmetrischer Aufbau Vorteil bei der Herstellung des Vielschichtbauelements.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist der Aufbau des Vielschichtbauelements folgende Abfolge der
Keramikbereiche auf: Eine Anzahl von n Bereichen einer Varistorkeramik
werden gefolgt von m Bereichen einer Ferritkeramik die wiederum
gefolgt werden von n Bereichen einer Varistorkeramik, wobei n ≥ 1 und m ≥ 1 ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weist das Vielschichtbauelement einen Aufbau der Keramikbereiche
auf, der mittels n Bereichen einer Ferritkeramik, gefolgt von m
Bereichen einer Varistorkeramik die von n Bereichen einer Ferritkeramik
gefolgt sind, aufgebaut ist, wobei n ≥ 1 und m ≥ 1 ist.
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Das
Vielschichtbauelement kann zwischen dem kapazitiven Bereich und
dem induktiven Bereich eine metallhaltige Zwischenschicht umfassen.
Die metallhaltige Zwischenschicht dient vorzugsweise als Diffusionssperre
zwischen einem kapazitiven und einem induktiven Bereich des Vielschichtbauelements.
Durch die metallhaltige Zwischenschicht wird die Diffusion von Dotierstoffen
zwischen den beiden Bereichen annähernd vollständig unterbunden.
Ohne einer metallhaltigen Zwischenschicht könnten beispielsweise Dotierstoffe
aus der Varistorkeramik in die Ferritkeramik diffundieren oder Dotierstoffe
der Ferritkeramik in die Varistorkeramik.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann ein kapazitiver Bereich die Eigenschaften eines Vielschicht-Keramik-Kondensators (MLCC)
aufweisen, der keine Varistorfunktion aufweist, wobei das Vielschichtbauelement
wenigstens einen weiteren kapazitiven Bereich aufweist, der eine
Varistorkeramik umfasst.
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Der
LC-Filter, der durch den induktiven und kapazitiven Bereich des
Vielschichtbauelements gebildet ist, weist in einer Ausführungsform
eine Pi-Struktur auf. Es ist jedoch auch möglich, dass der LC-Filter eine
T-Struktur aufweist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist es möglich,
dass auf der Oberfläche
des Vielschichtbauelements eine Widerstandsstruktur aufgebracht
ist. Eine Widerstandstruktur kann beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens
auf der Oberfläche
des Vielschichtbauelements aufgebracht sein. Durch einen derartigen
zusätzlichen
Widerstand ist es beispielsweise möglich, dass das Vielschichtbauelement
die Eigenschaften eines RLC-Filters aufweist.
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Das
Vielschichtbauelement umfasst zur Kontaktierung der Elektrodenstrukturen
im Inneren des Vielschichtbauelements mehrere Außenkontakte. In einer bevorzugten
Ausführungsform
sind die Außenkontakte
in Arrayform ausgeführt.
Hierbei kann es sich um ein Land Grid Array (LGA) oder auch um ein Ball
Grid Array (BGA) handeln.
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Durch
die Verwendung einer Ferritkeramik für den Aufbau der Induktivität können sehr
hohe Induktivitäten
erreicht werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Vielschichtbauelementen
weisen Ferritkeramiken eine wesentlich höhere Permeabilität auf. Die
Ferritkeramiken des Vielschichtbauelements weisen vorzugsweise eine
Permeabilität
auf, die größer als
1 ist. Vorzugsweise weist die Ferritkeramik eine Permeabilität zwischen
1 und 20000 auf.
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Durch
die Verwendung einer Varistorkeramik im kapazitiven Bereich können aufgrund
der hohen Dielektrizitätskonstante
der Varistorkeramik hohe Kapazitäten
erreicht werden. Dadurch kann ein weites Spektrum an möglichen
LC-Filterdesigns realisiert werden.
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Durch
den Aufbau des Vielschichtbauelements aus Varistorkeramik und Ferritkeramik
können ESD-Schutzfunktion
und Filterfunktion in einem Bauteil integriert werden. Dabei wird
die ESD-Schutzfunktion durch die Verwendung einer Varistorkeramik und
die Filterfunktion durch die Verwendung einer Ferritkeramik erreicht.
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Es
ist möglich
mehrere LC-Filter in einem Bauelement als Array anzuordnen. Dazu
werden mehrere LC-Filter beispielsweise nebeneinander in einem gemeinsamen
Bauelement angeordnet.
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Die
oben beschriebenen Gegenstände
werden anhand der folgenden Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Die
nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu
aufzufassen. Vielmehr können
zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert
oder auch verzerrt dargestellt sein. Elemente die einander gleichen
oder die die gleichen Funktionen übernehmen sind mit den gleichen
Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt
einen schematischen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels eines Vielschichtbauelements,
das einen induktiven und einen kapazitiven Bereich umfasst,
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2 zeigt
einen schematischen Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Vielschichtbauelements, das
einen induktive und zwei kapazitive Bereiche umfasst,
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3 zeigt
einen schematischen Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Vielschichtbauelements,
bei dem zwischen einem induktiven und einem kapazitiven Bereich
eine Zwischenschicht angeordnet ist,
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4 zeigt
einen schematischen Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Vielschichtbauelements,
das einen induktiven und zwei kapazitive Bereiche umfasst,
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5 zeigt
ein Ersatzschaltbild eines LC-Filters,
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6 zeigt
ein Ersatzschaltbild eines Pi-Typ LC-Filters,
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7 zeigt
einen schematischen Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Vielschichtbauelements,
bei dem auf der Oberfläche
ein Widerstand angeordnet ist,
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8 zeigt
ein Ersatzschaltbild eines LC-Filters mit einem Widerstand der in
Reihe mit Induktivität
geschaltet ist,
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9 zeigt
ein Ersatzschaltbild eines LC-Filters mit T-Struktur.
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In 1 ist
ein schematischer Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels eines Vielschichtbauelements
gezeigt. Das Vielschichtbauelement umfasst einen induktiven Bereich (1)
und einen kapazitiven Bereich (2). Der induktive Bereich
(1) umfasst in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Ferritkeramik, die
Elektrodenstrukturen, bestehend aus Leiterbahnen und Durchkontaktierungen,
enthält.
Die Elektrodenstrukturen des induktiven Bereichs (1) bilden
wenigstens eine Spulenstruktur und wenigstens eine Induktivität. Der kapazitive
Bereich (2) umfasst vorzugsweise eine Varistorkeramik,
wobei der kapazitive Bereich (2) wenigstens eine Kapazität und wenigstens
einen Widerstand bildet. Der induktive Bereich (1) und
der kapazitive Bereich (2) bilden zusammen wenigstens einen
LC-Filter. Die elektrischen Elemente des induktiven (1)
und kapazitiven (2) Bereichs sind als Ersatzschaltbild
in den 5 und 6 dargestellt. Das Vielschichtbauelement
ist zum Anschluss der Elemente nach Außen mit mehreren Außenkontakten
(8) versehen.
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Die 2 zeigt
eine weitere Ausführungsform
des Vielschichtbauelements, wobei das Vielschichtbauelement einen
induktiven Bereich (1) aufweist, der zwischen zwei kapazitiven
Bereichen (2) angeordnet ist. Der erste kapazitive Bereich
(2) kann beispielsweise die Funktion eines Varistors aufweisen.
Der zweite kapazitive Bereich (2) kann hierbei beispielsweise
eine rein kapazitive Funktion aufweisen. Durch den symmetrischen
Aufbau des Vielschichtbauelements wird die Herstellung vereinfacht. Des
Weiteren weist ein symmetrischer Aufbau beispielsweise Vorteile
bzgl. der Volumenausdehnung der einzelnen Keramiken im Sinterschritt
auf.
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In
der 3 ist eine weitere Ausführungsform des Vielschichtbauelements
nach einem vergleichbaren Aufbau wie in 1 dargestellt,
bei dem zwischen dem induktiven Bereich (1) und dem kapazitiven
Bereich (2) eine metallhaltige Zwischenschicht (7)
angeordnet ist. Die Zwischenschicht (7) dient vorzugsweise
als Diffusionssperre zwischen dem induktiven Bereich (1)
und dem kapazitiven Bereich (2).
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Die 4 zeigt
eine weitere Ausführungsform
des Vielschichtbauelements, wobei das Vielschichtbauelement einen
induktiven Bereich (1) aufweist, der zwischen zwei kapazitiven
Bereichen (2) angeordnet ist. Ein erster kapazitiver Bereich
(2) umfasst eine Varistorkeramik. Ein zweiter kapazitiver Bereich
(2') umfasst
einen Vielschichtkeramikkondensator (Multilager Ceramic Capacitor
= MLCC).
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In
der 5 ist ein Ersatzschaltbild eines LC-Filters eines
Ausführungsbeispiels
des Vielschichtbauelements dargestellt. Das Schaltbild zeigt einen
LC-Filter (6) zu dem zwei Varistoren (9) parallel geschaltet
sind. Der LC-Filter (6) bestehend aus einer Induktivität (3)
und einer Kapazität
(4), die parallel zueinander verschaltet sind. Die Induktivität (3)
ist in Leitungsrichtung geschaltet. Die Kapazität (4) ist zwischen
zwei Leitungen des LC-Filters (6) geschaltet.
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Die 6 zeigt
ein Ersatzschaltbild eines LC-Filters eines weiteren Ausführungsbeispiels
des Vielschichtbauelements. Der LC-Filter (6) hat die Gestalt
eines Pi-Typ LC-Filters. Der LC-Filter (6) umfasst eine
Induktivität
(3) und zwei parallel zur Induktivität (3) geschaltete
Kapazitäten
(4). Parallel zu dem LC-Filter (6) sind zwei Varistoren
(9) geschaltet, die als ESD-Schutzelemente für den LC-Filter
(6) dienen.
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In 7 ist
eine weitere Ausführungsform des
Vielschichtbauelements nach einem vergleichbaren Aufbau wie in 1 dargestellt,
bei dem auf der Oberfläche
des Vielschichtbauelements ein Widerstand (5) angeordnet
ist. Der Widerstand (5) kann beispielsweise mittels eines
Siebdruckverfahrens aus der Oberfläche des Vielschichtbauelements
aufgebracht sein. Vorzugsweise ist der Widerstand (5) in Reihe
zu wenigstens einer Induktivität
geschaltet. Die elektrische Kontaktierung des Widerstands (5)
zu der Induktivität
kann beispielsweise mittels Durchkontaktierungen oder auf der Oberfläche des
Vielschichtbauelements aufgebrachten Leiterbahnen erfolgen. Eine
derartige Anordnung bildet beispielsweise einen RLC-Filter, der in der 8 als
Ersatzschaltbild dargestellt ist. In einer weiteren, nicht dargestellten
Ausführungsform
ist es auch möglich,
dass weitere Widerstände
oder andere elektronische Bauelemente auf der Oberfläche des
Vielschichtbauelements aufgebracht sein können, die mit dem LC-Filter
verschaltet sind. Es ist auch möglich,
den Widerstand (5) oder weitere elektrische Bauelement
mit LC-Filtern zu
kombinieren, die in den 5, 6 und 9 dargestellt
sind.
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Die 8 zeigt
ein Ersatzschaltbild eines RLC-Filters eines Ausführungsbeispiels
des Vielschichtbauelements. Das Schaltbild zeigt einen RLC-Filter
(10), zu dem zwei Varistoren (9) parallel geschaltet
sind. Der RLC-Filter (10) bestehend aus einer Induktivität (3)
und einem Widerstand (5), die seriell geschaltet sind.
Zu der Induktivität
(3) und dem Widerstand (5) ist eine Kapazität (4)
parallel geschaltet. Die Induktivität (3) und der Widerstand
(5) sind in Leitungsrichtung geschaltet. Die Kapazität (4)
ist zwischen zwei Leitungen des RLC-Filters (10) geschaltet.
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In 9 ist
Ersatzschaltbild eines LC-Filters eines weiteren Ausführungsbeispiels
des Vielschichtbauelements dargestellt. Der LC-Filter (6)
hat die Gestalt eines T-Typ LC-Filters. Der LC-Filter (6)
umfasst zwei Induktivitäten
(3) und eine parallel zu Induktivitäten (3) geschaltete
Kapazität
(4). Parallel zu dem LC-Filter (6) sind zwei Varistoren
(9) geschaltet.
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Das
Vielschichtbauelement kann eine höhere Anzahl an Keramikbereichen
aufweisen. Erfindungsgemäß ist die
Anzahl der dargestellten Elemente nicht beschränkt. Die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen
können,
soweit technisch sinnvoll, miteinander kombiniert werden.
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- 1
- induktiver
Bereich
- 2,
2'
- kapazitiver
Bereich
- 3
- Induktivität
- 4
- Kapazität
- 5
- Widerstand
- 6
- LC-Filter
- 7
- Zwischenschicht
- 8
- Außenkontakte
- 9
- Varistor
- 10
- RLC-Filter