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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein keramisches Bauelement, wie beispielsweise einen Varistor, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelements.
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Hintergrund der Erfindung
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Zum Schutz von Hochfrequenzschaltungen vor Beschädigung durch elektrostatische Entladungen können Varistoren verwendet werden. Bei einem solchen elektronischen Bauteil ist der Widerstand spannungsabhängig und wird oberhalb einer bestimmten Schwellspannung abrupt kleiner. Dadurch kann Ladung bei einer hohen anliegenden elektrischen Spannung über den Varistor abgeleitet werden.
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Herkömmliche Vielschichtvaristoren weisen äußere Anschlusskontakte auf, von denen sich kammartige Innenelektroden in den keramischen Grundkörper erstrecken. Ein solcher Vielschichtvaristor ist beispielsweise in der
DE19931056 gezeigt.
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Die Kapazität eines solchen Bauteils kann nicht beliebig reduziert werden, da insbesondere die Außenelektroden bei einem keramischen Grundkörper mit hoher Dielektrizitätszahl zu einem verhältnismäßig hohen Gesamtkapazitätswert beitragen. Weiterhin ist die Genauigkeit bei der Aufbringung der kammartigen Innenelektroden, beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens, begrenzt, wodurch Toleranzen in der Kapazität der Bauteile entstehen. Dies gilt auch beispielsweise für prozessbedingte Schwankungen der einzelnen Schichten des keramischen Grundkörpers, die beispielsweise keramische Folien sind.
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Es ist wünschenswert, ein keramisches Bauelement anzugeben, das eine niedrige Kapazität aufweist und bei dem herstellungsbedingte Toleranzen ausgeglichen werden können. Weiterhin ist es wünschenswert, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen keramischen Bauelements anzugeben.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst ein keramisches Bauelement einen Grundkörper mit zwei daran angebrachten Anschlusskontakten. Das keramische Bauelement umfasst weiterhin eine erste und eine zweite länglich ausgedehnte Via-Elektrode, die jeweils mit einem der Anschlusskontakte gekoppelt sind. Die erste und die zweite Via-Elektrode weisen jeweils in Projektion in Längsrichtung eine ausgedehnte Fläche auf.
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Durch die Kontaktierung eines inneren Bereichs des keramischen Bauelements mittels Via-Elektroden ist es möglich, die Kapazität des keramischen Bauelements sehr klein einzustellen. Insbesondere weist das keramische Bauelement eine Kapazität < 3 pF auf.
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In Ausführungsformen überlappen sich die Projektion der ersten Via-Elektrode und die Projektion der zweiten Via-Elektrode jeweils in Längsrichtung auf einer gemeinsamen Projektionsebene. Insbesondere ist der Teil der Projektion, bei dem sich die Projektionen überlappen, größer als ein Teil, bei dem sich die Projektionen nicht überlappen. In weiteren Ausführungsformen ist die Fläche der Projektion der ersten Via-Elektrode auf der gemeinsamen Projektionsebene kleiner als die Fläche der Projektion der zweiten Via-Elektrode. Die Projektion der ersten Via-Elektrode ist auf der Projektionsebene innerhalb der Projektion der zweiten Via-Elektrode angeordnet. So können herstellungsbedingte Toleranzen ausgeglichen werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Bauelements ein Schichten einer Mehrzahl von keramischen Schichten zu einem Schichtstapel, der einen Grundkörper des keramischen Bauelements ausbildet. In den Schichtstapel werden quer zur Schichtenfolge zwei Via-Elektroden von zwei gegenüberliegenden Seiten des Schichtstapels eingebracht. Zwei Anschlusskontakte werden an dem Schichtstapel angebracht, sodass die Anschlusskontakte jeweils mit einer der Via-Elektroden elektrisch gekoppelt sind. In Ausführungsformen werden zum Einbringen der Via-Elektroden Ausnehmungen in den Schichtstapel gestanzt und diese mit einem elektrisch leitfähigen Material gefüllt.
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So kann ein keramisches Bauelement hergestellt werden, das eine niedrige Kapazität aufweist und bei dem herstellungsbedingte Toleranzen ausgeglichen werden können.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile, Merkmale und Weiterbildungen ergeben sich aus den nachfolgenden, in Verbindung mit den Figuren erläuterten Beispielen. Gleiche, gleichartige und gleich wirkende Elemente können in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse zueinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie beispielsweise Schichten oder Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
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Es zeigen:
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1A und 1B eine schematische Darstellung eines keramischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform,
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2 eine schematische Darstellung eines keramischen Bauelements gemäß einer weiteren Ausführungsform,
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3 eine schematische Darstellung eines keramischen Bauelements gemäß einer weiteren Ausführungsform,
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4A und 4B eine schematische Darstellung eines keramischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform,
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5A und 5B eine schematische Darstellung eines keramischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform,
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6 eine schematische Darstellung eines keramischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform,
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7 eine schematische perspektivische Darstellung eines keramischen Bauelements perspektivischer Darstellung gemäß einer Ausführungsform,
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8 eine schematische Darstellung eines keramischen Bauelements mit vier Anschlusskontakten, und
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9 eine schematische Darstellung eines keramischen Bauelements mit acht Anschlusskontakten gemäß einer Ausführungsform.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
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1A zeigt ein keramisches Bauelement 100 in einer Querschnittsansicht. Das keramische Bauelement weist einen Grundkörper 101 auf, der aus keramischen Schichten aufgebaut ist. An zwei gegenüberliegenden Seitenflächen 126, 127 ist jeweils ein Anschlusskontakt 102, 103 zur elektronischen Kontaktierung des Bauelements 100 angebracht. Beginnend an der Seitenfläche 126 erstreckt sich eine länglich ausgedehnte Via-Elektrode 104 in den Grundkörper 101. Beginnend an der Seitenfläche 127 erstreckt sich eine weitere Via-Elektrode 105 in den Grundkörper 101. Die Via-Elektroden reichen bis an einen aktiven Bereich 125, in dem beispielsweise eine Varistorkeramik angeordnet ist. Die Via-Elektroden 104 und 105 weisen jeweils an dem Ende, das dem Anschlusskontakt 102 beziehungsweise 103 abgewandt ist, mit dem sie elektrisch gekoppelt sind, eine quer zur Längsrichtung ausgedehnte Fläche 106 beziehungsweise 107 auf.
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Die keramischen Schichten des Grundkörpers 101 sind in einen Schichtstapel angeordnet. Die Schichten sind in der Y-Richtung der 1 flächig ausgedehnt und in der X-Richtung der 1 aufeinander gestapelt. Die Schichten sind quer zur flächigen Ausdehnung der Anschlusskontakte 102, 103 aufeinander angeordnet. Die Via-Elektroden 104 und 105 erstrecken sich quer zu der Stapelrichtung des Schichtstapels. Die Via-Elektroden 104 und 105 durchdringen mehrere keramische Schichten, insbesondere mehr als zwei keramische Schichten.
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1B zeigt eine Schnittansicht des Bauelements der 1A entlang der Ebene A-A'. Die Fläche 106 und die Fläche 107 weisen in Projektion in Längsrichtung der Via-Elektroden auf eine Projektionsebene, beispielsweise die Ebene A-A', einen sich überlappenden Bereich auf. Vorzugsweise überlappen sich die Projektionen vollständig, wie in 1B dargestellt. Ein Durchmesser 115 der Via-Elektrode 104 und der Via-Elektrode 105 quer zur Längsausbreitung ist gleich groß.
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Der Flächeninhalt der Projektion auf der Projektionsebene der beiden Via-Elektroden 104 und 105 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel gleich groß. Beispielsweise ist der Flächeninhalt der Projektion der Via-Elektroden 104 und 105 jeweils etwa zwischen 3500 μm2 und 6500 μm2. Wenn die Projektion eine Kreisform aufweist, entspricht dies einem Durchmesser von etwa 65 μm bis etwa 90 μm.
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Die Projektion der Via-Elektroden ist jeweils kreisförmig, wenn die Via-Elektroden 104 und 105 beispielsweise eine Kreiszylinderform aufweisen. Die Grund- und Deckfläche der Zylinderform entsprechen der Fläche 106 der Via-Elektrode 104 und der Fläche der Via-Elektrode, die dem Anschlusskontakt 102 zugewandt ist. Die Via-Elektroden weisen in Ausführungsformen eine Kreiszylinderform auf, sie können aber auch andere Formen aufweisen, beispielsweise eine elliptische Grundfläche oder eine rechteckige Grundfläche.
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Der für die elektrische Funktion des keramischen Bauelements, insbesondere die Varistorfunktion, vorrangig relevante Bereich 125 ist zwischen den Flächen 106 und 107 der Via-Elektroden 104 und 105 angeordnet. Dadurch können die Toleranzbereiche, beispielsweise der Kapazität des Bauteils, verkleinert werden und hängen beispielsweise im Wesentlichen nur noch von einer Schwankung des Abstands zwischen der Fläche 106 und 107 ab.
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Die Via-Elektroden werden in den Schichtstapel eingebracht, nachdem die keramischen Schichten aufeinander angeordnet wurden. Beispielsweise werden die Via-Elektroden in den Schichtstapel eingestanzt und daraufhin mit einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise einer Paste, gefüllt.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Bauelements 100. Im Unterschied zu der Darstellung der 1A und 1B weisen die Via-Elektroden 104 und 105 zueinander verschiedene Durchmesser 115 beziehungsweise 116 auf. In Projektion in Längsrichtung ist der Flächeninhalt der Via-Elektrode 105 größer als der Flächeninhalt der Via-Elektrode 104. Vorzugsweise sind die beiden Via-Elektroden koaxial. Insbesondere liegt die Projektion mit dem kleineren Flächeninhalt vollständig innerhalb der Projektion mit dem größeren Flächeninhalt. Zumindest ist der sich überlappende Anteil der beiden Projektionen größer als der Teil, der sich nicht überlappt.
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Da die Elektrode 105 quer zur Längsausbreitungsrichtung stärker ausgedehnt ist als die Via-Elektrode 104, werden Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften des Bauelements, die aus Verschiebungen der Via-Elektroden in Bezug aufeinander auftreten, verringert. Auch bei einer relativen Verschiebung quer zur Längsausbreitungsrichtung der beiden Via-Elektroden 104 und 105 zueinander liegt die Projektion der Via-Elektrode 104 in Längsrichtung innerhalb der Projektion der Via-Elektrode 105. Die kapazitiven Eigenschaften des Bauelements werden dabei vorrangig von der Via-Elektrode 104 mit der kleineren Ausdehnung quer zur Längsrichtung bestimmt.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Bauelements 100. Im Unterschied zu den vorherigen Figuren weist das Bauelement 100 eine weitere Via-Elektrode 108 auf, die zwischen der Via-Elektrode 104 und der Via-Elektrode 105 angeordnet ist. Die zusätzliche Via-Elektrode 108 ist vorzugsweise koaxial zu den Via-Elektroden 104 und 105 angeordnet. In Projektion in Längsausbreitungsrichtung der Via-Elektroden überlappen sich die Projektionen der drei Via-Elektroden 104, 105 und 108, vorzugsweise vollständig. Zwischen der Fläche 106 der Via-Elektrode 104 und einer gegenüberliegenden Fläche 109 der Via-Elektrode 108 ist eine Varistorkeramik angeordnet. Zwischen der Fläche 107 der Via-Elektrode 105 und einer gegenüberliegenden Fläche 110 der Via-Elektrode 108 ist eine weitere Schicht, die eine Varistorkeramik umfasst, angeordnet.
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Durch die Anordnung von zwei aktiven Bereichen, einer zwischen der Via-Elektrode 104 und der Via-Elektrode 108 sowie einer zwischen der Via-Elektrode 108 und der Via-Elektrode 105, in Serie wird die Kapazität des Bauelements verringert.
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4A und 4B zeigen eine weitere Ausführungsform des Bauelements 100, bei dem im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsbeispielen jeweils zwei Via-Elektroden mit einem der Anschlusskontakte gekoppelt sind. Mit dem Anschlusskontakt 102 ist die Via-Elektrode 104 und eine weitere Via-Elektrode 111 elektrisch gekoppelt. Mit dem Anschlusskontakt 103 ist die Via-Elektrode 105 und eine weitere Via-Elektrode 112 elektrisch gekoppelt.
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Die Via-Elektroden 104 und 111 beziehungsweise 105 und 112 verlaufen gleichgerichtet, vorzugsweise parallel, beginnend an den jeweiligen Anschlusskontakten in Längsrichtung ins Innere des Grundkörpers 101 bis zum aktiven Bereich.
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In 4B ist eine Schnittansicht entlang der Ebene A-A' der 4A gezeigt. Gestrichelt ist die Projektion der Via-Elektroden 105 und 112 auf die Ebene A-A' dargestellt. Die Projektion der Via-Elektroden 104 und 112 umgeben den Querschnitt der Via-Elektrode 104 beziehungsweise der Via-Elektrode 111. Die Projektionen der Via-Elektroden 104 und 105 beziehungsweise 111 und 112 überlappen sich jeweils vollständig. Die Projektionen der Via-Elektroden 104 beziehungsweise 111, die den kleineren Flächeninhalt aufweisen, sind jeweils vollständig innerhalb der Projektionen der Via-Elektroden 104 beziehungsweise 111 angeordnet.
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5A und 5B zeigen eine weitere Ausführungsform des Bauelements 100, bei dem der Grundkörper Materialien mit zueinander verschiedenen Dielektrizitätszahlen umfasst.
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Ein Bereich 117 des Grundkörpers 101, der dem Anschlusskontakt 102 zugewandt ist und mit diesem eine gemeinsame Kontaktfläche (Seitenfläche 126) aufweist, weist eine niedrigere Dielektrizitätszahl auf als ein Bereich 118 des Grundkörpers 101, der sich in Richtung weg vom Anschlusskontakt 102 an den Bereich 117 anschließt. In einem Bereich 119 des Grundkörpers 101, der dem Anschlusskontakt 103 zugewandt ist und mit diesem eine gemeinsame Kontaktfläche (Seitenfläche 127) aufweist, weist wiederum eine niedrigere Dielektrizitätszahl auf als der Bereich 118, vorzugsweise die gleiche Dielektrizitätszahl wie der Bereich 117. Ein Material 120 der Bereiche 117 und 119 weist die niedrigere Dielektrizitätszahl auf als ein Material 121 des Bereichs 118. Beispielsweise weist der Bereich 117 beziehungsweise der Bereich 119 eine Dielektrizitätszahl von etwa εr = 5 auf. Je niedriger die Dielektrizitätszahl der Bereiche 117 und 119 desto geringer ist die Kapazität des Bautelements durch die Anschlusskontakte. Die Bereiche 117, 118 und 119 können jeweils aus einer Mehrzahl von keramischen Schichten gebildet werden. Die keramischen Schichten der Bereiche 117, 118 und 119 sind quer zur Längsrichtung der Via-Elektroden aufeinander geschichtet.
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Durch die Verwendung von Materialien mit unterschiedlicher Dielektrizitätszahl in den Bereichen 117 und 119, die an die Anschlusskontakte angrenzen, und in dem Bereich 118, in dem der aktive Bereich 125 und die Endflächen 106 und 107 der Via-Elektroden 104 und 105 liegen, weist das Bauelement 100 eine niedrige Kapazität auf, insbesondere eine Kapazität von < 5 pF, vorzugsweise eine Kapazität < 3 pF. Da die Via-Elektroden 104 und 105 in den Bereichen 117 und 119 von dem Material 120 umgeben sind, das eine niedrige Dielektrizitätszahl aufweist, können elektrische Streueffekte aus den Bereichen 117 und 119 verringert werden. Um eine chemische Reaktion zwischen Schichten mit hoher und niedriger Dielektrizitätszahl zu verringern, vorzugsweise zu verhindern, wird der Bereich 118 dicker ausgebildet. Insbesondere ist ein Teil der Via-Elektroden in dem Bereich 118 angeordnet.
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5B zeigt eine Schnittansicht entlang der Ebene A-A' der 5A. Entlang der Ebene A-A' ist die Via-Elektrode 105 von dem Material 120 mit der vergleichsweise niedrigen Dielektrizitätszahl umgeben.
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6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Bauelements 100, bei dem die Via-Elektroden 104 und 105 jeweils entlang ihrer Längsausbreitungsrichtung quer zur Längsaubreitungsrichtung unterschiedliche Ausdehnungen aufweisen. In den Bereichen 117 und 119, die an die Anschlusskontakte 102 beziehungsweise 103 angrenzen, weist ein Bereich 123 der Via-Elektrode 105, der von dem Material 120 umgeben ist, eine größere Ausdehnung quer zur Längsausbreitung auf, als in dem anschließenden Bereich 124 der Via-Elektrode 105. Insbesondere weist der Bereich 124 den Durchmesser 115 auf und der Bereich 123 einen Durchmesser 122, der größer ist als der Durchmesser 115.
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Durch den Bereich 123 der Via-Elektrode 104 beziehungsweise der Via-Elektrode 105, der eine vergleichsweise große Ausdehnung aufweist, können die Via-Elektroden 104 und 105 gut elektrisch an die entsprechenden Anschlusskontakte 102 beziehungsweise 103 angekoppelt werden. Zur Abschirmung und um die Kapazität des Bauelements gering zu halten, werden die Bereiche 123 in dem Material 120 angeordnet. Im Bereich 118 mit dem Material 121, das eine höhere Dielektrizitätszahl als das Material 120 aufweist, werden die Via-Elektroden mit einem kleineren Querschnitt ausgebildet als in den Bereichen 123.
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7 zeigt das Bauelement 100 in perspektivischer Darstellung. Das Bauelement weist beispielsweise Zirkonoxid, ZnO-BI und/oder ZnO-PR als Varistorkeramiken auf. Das Bauelement kann in weiteren Ausführungsformen Kondensatormaterialien umfassen, insbesondere C0G, X7R, Z5U, Y5V und/oder HQM.
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8 zeigt eine weitere Ausführungsform des Bauelements 100 in perspektivischer Darstellung, bei dem an dem Grundkörper 101 vier Anschlusskontakte angeordnet sind. An der Seitenfläche 127 des Grundkörpers 101 sind zwei Anschlusskontakte 103 angeordnet. An der gegenüberliegenden Seitenfläche 126 sind zwei Anschlusskontakte 102 angeordnet. Je Anschlusskontakt erstreckt sich eine Via-Elektrode in Richtung des gegenüberliegenden Anschlusskontakts durch einen Teil des Grundkörpers. Das Bauelement 100 gemäß der Ausführungsform der 8 weist beispielsweise eine Bauelementfläche von ≤ 5,12 mm2 auf, vorzugsweise eine Bauelementfläche von 2,5 mm2.
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9 zeigt das Bauelement 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform mit acht Anschlusskontakten 102 beziehungsweise 103. Je Seitenfläche 126 beziehungsweise 127 sind vier Anschlusskontakte 102 beziehungsweise 103 angeordnet. Je Anschlusskontakt erstreckt sich eine Via-Elektrode ins Innere des Grundkörpers 101. In weiteren Ausführungsformen erstrecken sich je Anschlusskontakt mehrere Via-Elektroden, beispielsweise zwei Via-Elektroden, ins Innere des Grundkörpers 101. Das Bauelement 100 gemäß der Ausführungsform der 9 weist beispielsweise eine Bauelementfläche von ≤ 8 mm2 auf, insbesondere eine Bauelementfläche von 5,12 mm2.
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Mit den Ausführungsformen der 8 und 9 sind Varistor-Arrays ausgebildet, die eine Mehrzahl von einzelnen Varistoren umfassen.
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Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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