DE102009007316A1

DE102009007316A1 - Elektrisches Vielschichtbauelement

Info

Publication number: DE102009007316A1
Application number: DE102009007316A
Authority: DE
Inventors: Thomas Feichtinger; Georg Dr. Krenn; Thomas Pürstinger
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2009-02-03
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2010-08-05
Also published as: KR20110116041A; CN102308341B; JP2012517097A; JP5758305B2; US20120044039A1; KR101665742B1; WO2010089294A1; EP2394275B1; EP2394275A1; US8410891B2; CN102308341A

Abstract

Es wird ein elektrisches Vielschichtbauelement angegeben, das einen Grundkörper (1) mit wenigstens zwei Außenelektroden (2, 2') aufweist, wobei wenigstens eine erste (3) und eine zweite (4) Innenelektrode, die elektrisch leitend mit je einer Außenelektrode (2, 2') verbunden sind. Das elektrische Vielschichtbauelement weist wenigstens eine keramische Varistorschicht (5) auf, die wenigstens die erste Innenelektrode (3) umfasst, sowie wenigstens eine dielektrische Schicht (6), die zwischen der wenigstens einen Varistorschicht (5) und wenigstens einer weiteren Schicht (7), die die zweite Innenelektrode (4) umfasst, angeordnet ist. Die dielektrische Schicht (6) weist wenigstens eine Öffnung (8) auf, wobei die Öffnung (8) in der dielektrischen Schicht (6) mit einem halbleitendem Material oder einem Metall gefüllt ist.

Description

Aus der Druckschrift DE 10 2004 058 410 A1 ist ein elektrisches Vielschichtbauelement mit ESD-Schutzelement bekannt.
Eine zu lösende Aufgabe ist es, ein elektrisches Vielschichtbauelement anzugeben, das ein ESD-Schutzbauelement mit einer niedrigen Durchbruchspannung und einer niedrigen ESD-Klemmspannung umfasst.
Die Aufgabe wird durch ein elektrisches Vielschichtbauelement nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des elektrischen Vielschichtbauelements sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Es wird ein elektrisches Vielschichtbauelement angegeben, das einen Grundkörper mit wenigstens zwei Außenelektroden aufweist. Das elektrische Vielschichtbauelement weist wenigstens eine erste und wenigstens eine zweite Innenelektrode auf, die elektrisch leitend mit je einer Außenelektrode verbunden sind. Die Innenelektrode ist direkt oder über Durchkontaktierungen im Vielschichtbauelement mit der Außenelektrode verbunden.
Das elektrische Vielschichtbauelement weist wenigstens eine keramische Varistorschicht auf. Die keramische Varistorschicht umfasst wenigstens die erste Innenelektrode. Die erste Innenelektrode ist vorzugsweise größtenteils von der keramischen Varistorschicht umschlossen, wobei die erste Innenelektrode wenigstens im Bereich des Kontakts zu deren Außenelektrode frei kontaktierbar ist. In einer weiteren Ausführungsform ist die erste Innenelektrode direkt auf der Varistorschicht aufgebracht.
Das elektrische Vielschichtbauelement umfasst wenigstens eine dielektrische Schicht. Die dielektrische Schicht ist wenigstens zwischen einer Varistorschicht und wenigstens einer weiteren Schicht angeordnet.
Vorzugsweise umfasst die weitere Schicht die zweite Innenelektrode. In einer Ausführungsform ist die zweite Innenelektrode von der weiteren Schicht größtenteils umschlossen, wobei die zweite Innenelektrode wenigstens im Bereich des Kontakts zu deren Außenelektrode frei kontaktierbar ist. In einer weiteren Ausführungsform ist die zweite Innenelektrode vorzugsweise direkt auf der weiteren Schicht aufgebracht.
Die dielektrische Schicht weist wenigstens eine Öffnung auf. Die Öffnung kann als Durchbruch, als Aussparung beziehungsweise als eine Kavität ausgebildet sein. Die Öffnung in der dielektrischen Schicht ist vorzugsweise mit einem halbleitenden Material oder einem Metall gefüllt. Vorzugsweise ist die Öffnung vollständig gefüllt. In einer weiteren Ausführungsform sind jedoch auch einzelne oder mehrere geschlossene oder offene Kavitäten in der Füllung der Öffnung vorhanden.
In einer Ausführungsform umfasst das halbleitende Material, mit dem eine oder mehrere Öffnungen in der dielektrischen Schicht gefüllt sind, eine Varistorkeramik. Die Varistorkeramik, mit der die Öffnung in der dielektrischen Schicht gefüllt ist, ist vorzugsweise identisch mit der Varistorkeramik der weiteren Varistorschicht.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Varistorkeramik in der Öffnung der dielektrischen Schicht unterschiedlich zu der Keramik der Varistorschicht.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das halbleitende Material ein Widerstandsmaterial.
In einer Ausführungsform umfasst das Metall, mit dem eine oder mehrere Öffnungen einer dielektrischen Schicht gefüllt sind, ein Metall, das vorzugsweise Silber, Palladium, Platin, Silberpalladium oder weitere geeignete Metalle umfasst.
In einer Ausführungsform können Öffnungen in der dielektrischen Schicht mit unterschiedlichen Materialien gefüllt sein. Vorzugsweise sind alle Öffnungen einer dielektrischen Schicht mit dem gleichen Material gefüllt.
In einer Ausführungsform umfasst der Grundkörper des elektrischen Vielschichtbauelements Deckpakete, die den Grundkörper des Vielschichtbauelements in Dickenrichtung nach oben und unten abschließen. Die Deckpakete umfassen jeweils wenigstens eine dielektrische Schicht.
In einer Ausführungsform können die Deckpakete des elektrischen Vielschichtbauelements und die dielektrischen Schichten, die wenigstens eine Öffnung aufweisen, das gleiche Material umfassen. In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, dass die Deckpakete und die dielektrische Schicht unterschiedliche Materialien umfassen.
Vorzugsweise wird für die dielektrische Schicht ein Zirkoniumoxid (ZrO) beziehungsweise ein Zirkoniumoxid-Glas-Komposit, ein Aluminiumoxid (AlOx) beziehungsweise ein Aluminiumoxid-Glas-Komposit, ein Manganoxid (MnO) beziehungsweise ein Manganoxid-Glas verwendet. Die dielektrischen Schichten können jedoch auch weitere geeignete Materialien umfassen.
In einer Ausführungsform weist das elektrische Vielschichtbauelement einzelne oder mehrere Durchkontaktierungen, so genannte Vias auf, mit denen einzelne oder alle Innenelektroden des elektrischen Vielschichtbauelements mit den Außenkontakten verbunden sind.
In einer Ausführungsform sind die Außenkontakte des elektrischen Vielschichtbauelements als Array (Reihen- oder Matrixanordnung) ausgebildet. Hierbei sind besonders Land Grid Array (LGA) oder Ball Grid Array (BGA) geeignet.
Bei der Kontaktierung des elektrischen Vielschichtbauelements über Arrays (LGA, BGA) sind die Innenelektroden des elektrischen Vielschichtbauelements vorzugsweise über Durchkontaktierungen mit den Außenkontakten verbunden.
In einer Ausführungsform des elektrischen Vielschichtbauelements ist die dielektrische Schicht, die wenigstens eine Öffnung umfasst, derart ausgebildet, dass sie zusammen mit wenigstens zwei benachbarten Varistorschichten und zwei überlappenden Innenelektroden eine ESD-Entladungsstrecke bildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das elektrische Vielschichtbauelement die Funktion eines Varistors mit integriertem ESD-Schutzbauelement auf.
Der Varistor weist vorzugsweise eine Kapazität von weniger als 1 pF auf.
Das ESD-Schutzbauelement des elektrischen Vielschichtbauelements ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass es bei 1 mA Strom eine ESD-Durchbruchspannung von weniger als 20 V aufweist.
Bei einem ESD-Puls mit einer Spannung von 8 kV, der an dem elektrischen Vielschichtbauelement angelegt wird, weist das ESD-Schutzbauelement des elektrischen Vielschichtbauelements vorzugsweise eine ESD-Klemmspannung von weniger als 500 V auf.
Ein wie zuvor beschriebenes elektrisches Vielschichtbauelement weist speziell durch die Anordnung der seriell zu der Varistorkapazität geschalteten kleinen Kapazität der dielektrischen Schicht eine Reduktion der Gesamtkapazität des Bauteils auf. Die Klemmspannung des elektrischen Vielschichtbauelements ist durch die dielektrische Schicht gegenüber herkömmlichen Vielschichtbauelementen nur gering erhöht.
Die angegebene Klemmspannung des ESD-Schutzbauelements ist im Wesentlichen vom Abstand der Innenelektrodenschichten abhängig.
Durch ein wie zuvor beschriebenes Design des elektrischen Vielschichtbauelements wird bei einer sehr kleinen Kapazität somit eine geringe Klemmspannung erreicht.
Durch die zusätzliche Dielektrikumsschicht zwischen der Varistorschicht wird die Gesamtkapazität des elektrischen Vielschichtbauelements deutlich reduziert, wodurch die Stromtragfähigkeit und Pulsfestigkeit des Bauelements weiter erhöht ist.
Die oben beschriebenen Gegenstände werden anhand der folgenden Figuren und Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können die Darstellungen im Einzelnen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein. Elemente, die einander gleichen oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Es zeigen:
1 einen schematischen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels des elektrischen Vielschichtbauelements,
2 eine weitere Ausführungsform des elektrischen Vielschichtbauelements,
3 eine weitere Ausführungsform des elektrischen Vielschichtbauelements, wobei die Außenkontakte als Ball Grid Array ausgeführt sind,
4 eine weitere Ausführungsform des elektrischen Vielschichtbauelements, wobei die Außenkontakte als Land Grid Arrays ausgeführt sind,
5 eine weitere Ausführungsform des elektrischen Vielschichtbauelements, wobei die dielektrische Schicht zwei Öffnungen aufweist,
6 eine weitere Ausführungsform des elektrischen Vielschichtbauelements, das mehrere parallel geschaltete ESD-Bereiche in einem Vielschichtbauelement zeigt,
7 eine weitere Ausführungsform des elektrischen Vielschichtbauelements, bei dem zwischen zwei Elektroden mehrere dielektrische Schichten mit Durchbrüchen angeordnet sind.
In 1 ist eine erste Ausführungsform eines elektrischen Vielschichtbauelements gezeigt, das einen Grundkörper 1 umfasst. An den Seitenflächen des Grundkörpers 1 sind Außenelektroden 2, 2' angeordnet, die mit den im Inneren des Grundkörpers 1 liegenden Innenelektroden 3, 4 leitend verbunden sind. Der Grundkörper 1 weist eine Varistorschicht 5 auf, die eine erste Innenelektrode 3 umfasst. Die erste Innenelektrode 3 ist größtenteils von der Varistorschicht 5 umschlossen. Das elektrische Vielschichtbauelement weist eine weitere Schicht 7 auf, die in der dargestellten Ausführungsform als eine weitere Varistorschicht ausgeführt ist. Die weitere Schicht 7 umfasst eine zweite Innenelektrode 4, die von der weiteren Schicht 7 größtenteils umschlossen ist.
Zwischen der Varistorschicht 5 und der weiteren Schicht 7 ist eine dielektrische Schicht 6 angeordnet, die eine Öffnung 8 aufweist. Die Öffnung 8 ist mit einem halbleitenden Material oder einem Metall gefüllt. Der Grundkörper 1 des elektrischen Vielschichtbauelements ist in Dickenrichtung von Deckpaketen 9, 9' abgeschlossen, wobei die Deckpakete 9, 9' vorzugsweise jeweils wenigstens eine dielektrische Schicht umfassen.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform des elektrischen Vielschichtbauelements. Der Aufbau des elektrischen Vielschichtbauelements ist nahezu identisch zu dem Aufbau in der 1, wobei die erste Innenelektrode 3 auf einer Oberfläche der Varistorschicht 5 aufgebracht ist und die zweite Innenelektrode 4 auf einer Oberfläche der weiteren Schicht 7 aufgebracht ist. Die erste Innenelektrode ist zwischen der Varistorschicht 5 und dem Deckpaket 9 angeordnet. Die zweite Innenelektrode 4 ist zwischen der weiteren Schicht 7 und dem weiteren zweiten Deckpaket 9' angeordnet.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform des elektrischen Vielschichtbauelements. Das elektrische Vielschichtbauelement weist einen Grundkörper 1 auf, in dem eine Varistorschicht 5 angeordnet ist, auf der eine erste Innenelektrode 3 angeordnet ist. In Dickenrichtung sind die erste Innenelektrode 3 und die Varistorschicht 5 von einem ersten Deckpaket 9 nach oben hin abgeschlossen. Unterhalb der Varistorschicht 5 ist eine dielektrische Schicht 6 angeordnet, die Öffnungen 8 aufweist. Die Öffnungen 8 sind mit einem halbleitenden Material oder Metall gefüllt. Auf der Unterseite der dielektrischen Schicht 6 sind zweite Innenelektroden 4 angeordnet. Die erste Innenelektrode 3 und die zweiten Innenelektroden 4 sind über Vias 10 mit Außenkontakten 2 verbunden. Die Außenkontakte sind in der dargestellten Ausführungsform als Ball Grid Arrays ausgeführt. Der Grundkörper 1 des elektrischen Vielschichtbauelements ist in Dickenrichtung nach unten von einem zweiten Deckpaket 9' abgeschlossen.
In 4 ist eine weitere Ausführungsform des elektrischen Vielschichtbauelements dargestellt, die der Ausführungsform in 3 ähnelt, wobei die dielektrische Schicht 6 die zwei Öffnungen 8 aufweist. Die dielektrische Schicht 6 ist in Dickenrichtung zwischen zwei Schichten 5, 7 angeordnet. In der dargestellten Ausführungsform sind die beiden Schichten 5, 7 als Varistorkeramik ausgeführt. Die Außenkontakte 2, 2' des elektrischen Vielschichtbauelements sind in der dargestellten Ausführungsform als Land Grid Arrays ausgeführt.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform des elektrischen Vielschichtbauelements, die der Ausführungsform in 1 ähnelt. Die dielektrische Schicht 6 in der 5 weist zwei Öffnungen 8 auf, die mit einem halbleitenden Material beziehungsweise mit einem Metall gefüllt sind.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform des elektrischen Vielschichtbauelements, wobei das elektrische Vielschichtbauelement drei parallel geschaltete ESD-Schutzelemente aufweist. Die ESD-Schutzelemente sind je für sich in der 2 bereits detailliert beschrieben. Jedes der ESD-Schutzelemente umfasst eine erste Varistorschicht 5 sowie eine weitere Schicht 7. Die weitere Schicht 7 ist in der dargestellten Ausführungsform als weitere Varistorschicht ausgeführt. Zwischen der Varistorschicht 5 und der weiteren Schicht 7 ist eine dielektrische Schicht 6 angeordnet, die eine Öffnung 8 aufweist. Die Öffnung 8 ist mit einem halbleitenden Material beziehungsweise mit Metall gefüllt. Die ESD-Schutzelemente weisen jeweils eine erste Innenelektrode 3 und eine zweite Innenelektrode 4 auf, wobei die Innenelektroden 3, 4 auf der Varistorschicht 5 beziehungsweise auf der weiteren Schicht 7 aufgebracht sind.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform des elektrischen Vielschichtbauelements. Das elektrische Vielschichtbauelement weist einen Grundkörper 1 mit Deckpaketen 9, 9' auf, wobei die Deckpakete 9, 9' vorzugsweise wenigstens eine dielektrische Schicht umfassen. Zwischen den Deckpaketen 9, 9' ist eine Varistorschicht 5 und eine weitere Schicht 7 angeordnet, wobei die weitere Schicht 7 als Varistorschicht ausgeführt ist. Zwischen der Varistorschicht 5 und der weiteren Schicht 7 sind drei dielektrische Zwischenschichten 6 angeordnet, die durch Zwischenschichten aus einer Varistorkeramik voneinander in Dickenrichtung beabstandet sind. Die dielektrischen Schichten 6 weisen jeweils eine Öffnung 8 auf. Die Öffnungen 8 der dielektrischen Schichten 6 sind jeweils mit einem halbleitenden Material beziehungsweise die Öffnung 8' mit einem Metall gefüllt. Das elektrische Vielschichtbauelement weist Innenelektroden 3, 4 auf, die mit Außenkontakten 2, 2' verbunden sind. Die erste Innenelektrode 3 ist zwischen der Varistorschicht 5 und dem Deckpaket 9 angeordnet. Die zweite Innenelektrode 4 ist zwischen der weiteren Schicht 7 und dem zweiten Deckpaket 9' angeordnet.
Obwohl in den Ausführungsbeispielen nur eine beschränkte Anzahl möglicher Weiterbildungen der Erfindung beschrieben werden konnte, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt. Es ist prinzipiell möglich, dass das elektrische Vielschichtbauelement mehrere in Reihe oder parallel geschaltete ESD-Schutzeinrichtungen umfasst, die durch eine dielektrische Schicht mit einer oder mehreren Öffnungen wenigstens einer anliegenden Varistorschicht gebildet ist.
Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt; vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen, soweit technisch sinnvoll, beliebig miteinander kombiniert werden.

1: Grundkörper
2, 2': Außenelektrode
3: erste Innenelektrode
4: zweite Innenelektrode
5: Varistorschicht
6: dielektrische Schicht
7: weitere Schicht
8, 8': Öffnung
9, 9': Deckpaket
10: Vias

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004058410 A1 [0001]

Claims

Elektrisches Vielschichtbauelement aufweisend, – einen Grundkörper (1) mit wenigstens zwei Außenelektroden (2, 2'), – wenigstens eine erste (3) und eine zweite (4) Innenelektrode, die elektrisch leitend mit je einer Außenelektrode (2, 2') verbunden sind, – wenigstens eine keramische Varistorschicht (5), die wenigstens die erste Innenelektrode (3) umfasst, – wenigstens eine dielektrische Schicht (6), die zwischen der wenigstens einen Varistorschicht (5) und wenigstens einer weiteren Schicht (7), die die zweite Innenelektrode (4) umfasst, angeordnet ist, – wobei die dielektrische Schicht (6) wenigstens eine Öffnung (8) aufweist, – wobei die Öffnung (8) in der dielektrischen Schicht (6) mit einem halbleitendem Material oder einem Metall gefüllt ist.
Elektrisches Vielschichtbauelement nach Anspruch 1, wobei das halbleitende Material eine Varistorkeramik umfasst.
Elektrisches Vielschichtbauelement nach Anspruch 1, wobei das halbleitende Material ein Widerstandsmaterial umfasst.
Elektrisches Vielschichtbauelement nach Anspruch 1, wobei das Metall Ag, Pd, Pt, oder AgPd umfasst.
Elektrisches Vielschichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (1) Deckpakete (9, 9') aufweist, die wenigstens eine dielektrische Schicht (6) umfassen.
Elektrisches Vielschichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Schicht (6) ZrO2, ein ZrO2-Glas-Komposit, AlOx, ein AlOx-Glas, MgO, oder ein MgO-Glas umfasst.
Elektrisches Vielschichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Innenelektroden (3, 4) über Vias (10) mit den Außenkontakten (2, 2') verbunden sind.
Elektrisches Vielschichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Außenkontakte (2, 2') als Land Grid Array (LGA) oder als Ball Grid Array (BGA) ausgebildet sind.
Elektrisches Vielschichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Schicht (6) derart ausgebildet ist, dass sie zusammen mit wenigstens zwei benachbarten Varistorschichten (5) und zwei überlappenden Innenelektroden (2, 3) eine ESD-Entladungsstrecke bildet.
Elektrisches Vielschichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das die Funktion eines Varistors mit integriertem ESD-Schutzbauelement aufweist.
Elektrisches Vielschichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass eine Kapazität von weniger als 1 pF aufweist.
Elektrisches Vielschichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das bei 1 mA Strom eine ESD Durchbruchspannung von weniger als 20 V aufweist.
Elektrisches Vielschichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das bei einem ESD-Puls mit einer Spannung von 8 kV eine ESD Klemmspannung von weniger als 500 V aufweist.