-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung einer Orientierung und/oder eines Qualitätskriteriums von Keramikvielschicht-Kondensatoren gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Anordnung gemäß Anspruch 5.
-
In elektronischen Komponenten, insbesondere für Kraftfahrzeuge, werden aufgrund geringer Anschaffungskosten und hoher Packungsdichte sowie Kapazität an sich bekannte Keramikvielschicht-Kondensatoren (MLCC) verwendet, wobei insbesondere Klasse-2-Keramikkondensatoren ferroelektrische bzw. piezoelektrische Eigenschaften aufweisen. Dies führt im Betrieb mit Wechselspannung oder bei Gleichspannung mit überlagerter Wechselspannung, z.B. bei Schwankungen der Versorgungsspannung, zur Erzeugung mechanischer Schwingungen durch den Kondensator. Diese Schwingungen können insbesondere dann auf einen Schaltungsträger überkoppeln und/oder hörbaren Schall abstrahlen, wenn die Kondensatoren als SMD-Bauelemente direkt auf dem Schaltungsträger kontaktiert sind. Die Folgen können Störungen, Beschädigungen oder, insbesondere im Falle von Resonanzeffekten, die Zerstörung von elektronischen, elektromechanischen und/oder mikromechanischen Baugruppen und/oder Bauelementen sein.
-
Zur Vermeidung von Vibrationen aufgrund ferroelektrischer Deformation von Keramikvielschicht-Kondensatoren wird in der
US 2009/0147456 A1 ein Leiterplattenmodul beschrieben, welches eine Öffnung mit einem darin angeordneten und kontaktierten Keramikvielschicht-Kondensator aufweist, wobei der Schwerpunkt des Kondensators und der Leiterplatte im Wesentlichen auf einen gemeinsamen Punkt fallen.
-
Die
US 2012/0298407 A1 beschreibt diesbezüglich eine Befestigungsanordnung eines Schaltungsträgers mit einem darauf befindlichen MLCC, wobei zur Verringerung von Vibrationen innere Elektroden des Kondensators horizontal zu dem Schaltungsträger angeordnet sind und das Verhältnis einer Verbindungsfläche des Kondensators zum Schaltungsträger zu einer Fläche von externen Elektroden des Kondensators kleiner als 1,4 ist.
-
An sich bekannte Herstellungsverfahren von Kondensatoren in SMD-Ausführung erlauben keine definierte Ausrichtung der inneren Elektroden. Einige Baugrößen ermöglichen einen Rückschluss auf die Orientierung über die äußere Geometrie des Kondensators. Weist der Kondensator bzw. die äußeren Elektroden eine durch dessen Höhe und Breite definierte, im Wesentlichen quadratische Querschnittsfläche auf, ist eine Ausrichtung mittels der äußeren Geometrie jedoch nicht möglich.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Mittel bereitzustellen, mit welchem eine Prüfung der Orientierung von Keramikvielschicht-Kondensatoren in SMD-Ausführung vorgenommen werden kann, insbesondere um durch entsprechende Ausrichtung dieser Beeinflussungen weiterer funktioneller Baugruppen bzw. Bauelemente durch ferro- bzw. piezoelektrische Effekte zu verringern oder zu vermeiden.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Anordnung gemäß Anspruch 5 gelöst.
-
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Prüfung einer Orientierung und/oder eines Qualitätskriteriums, insbesondere der Permeabilität, eines Keramikvielschicht-Kondensators in SMD-Ausführung, welcher zumindest zwei äußere Elektroden, eine Mehrzahl zueinander im wesentlichen parallel ausgerichteter, innerer Elektroden und ein insbesondere ferround/oder piezoelektrisches Dielektrikum umfasst, wobei eine Ermittlung des Qualitätskriteriums und/oder der Orientierung der inneren Elektroden unter Ausnutzung einer Anisotropie des Keramikvielschicht-Kondensators bezüglich wenigstens eines magnetischen und/oder elektrischen Feldes vorgenommen wird.
-
In vorteilhafter Weise ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine 100%-Prüfung von Keramikvielschicht-Kondensatoren in SMD-Ausführung, insbesondere bei Vorliegen von im Wesentlichen gleicher Höhe und Breite, hinsichtlich deren Orientierung möglich. Somit kann eine definierte Ausrichtung dieser auf Schaltungsträgern realisiert werden. Aufgrund vorhandener Vorzugsrichtungen von durch ferro- bzw. piezoelektrische Effekte hervorgerufener Vibrationen kann durch eine definierte Ausrichtung der Kondensatoren eine Reduzierung bzw. Vermeidung von Beeinflussungen weiterer funktioneller Baugruppen bzw. Bauelemente über einen Schaltungsträger erreicht werden. Beispielsweise wird ein solchermaßen verursachtes Übersprechen von Spannungsschwankungen des Kraftfahrzeugbordnetzes auf elektromechanische oder mikromechanische Bauelemente, wie Beschleunigungs- oder Drehratensensoren verringert oder vermieden.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das magnetische und/oder elektrische Feld außerhalb des Keramikvielschicht-Kondensators hervorgerufen und durchdringt diesen beim Einbringen in das magnetische und/oder elektrische Feld teilweise oder vollständig. Somit ist in vorteilhafter Weise eine Prüfung der Orientierung des Kondensators möglich, ohne beispielsweise eine elektrische Kontaktierung vorzunehmen.
-
Zur Ermittlung der Orientierung der inneren Elektroden wird besonders bevorzugt zumindest eine physikalische Größe und/oder Änderung der physikalischen Größe des magnetischen und/oder elektrischen Feldes und/oder zumindest einer mit dem magnetischen und/oder elektrischen Feld korrelierten physikalischen Größe unter Verwendung eines oder mehrerer Sensoren und/oder einer oder mehrerer Messanordnungen erfasst. Auf eine im Wesentlichen parallele Orientierung der inneren Elektroden bezogen auf einen vorgegebenen Verlauf des magnetischen Feldes wird dabei bevorzugt geschlossen, wenn der Keramikvielschicht-Kondensator gegenüber dem magnetischen Feld einen geringeren magnetischen Widerstand als für wenigstens eine andere Orientierung der inneren Elektroden und/oder wenigstens einen definierten Grenzwert aufweist. Die erfindungsgemäße Prüfung der Kondensatoren erfolgt dabei bevorzugt in Verbindung mit einer Markierung vor einem Abpackprozess und/oder nach einem Entpackprozess, jedoch vor der abschließenden Kontaktierung mit einem Schaltungsträger. Eine Integration in eine automatisierte Fertigung ist aufgrund der hohen Automatisierbarkeit sowie eines möglichen geringen Platzbedarfs einer das Verfahren ausführenden Anordnung in vorteilhafterweise möglich.
-
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren in einer Anordnung zur Prüfung einer Orientierung und/oder Ausrichtung eines Keramikvielschicht-Kondensators verwendet.
-
Die Erfindung beschreibt weiterhin eine Anordnung zur Prüfung einer Orientierung eines Keramikvielschicht-Kondensators in SMD-Ausführung, welcher zumindest zwei äußere Elektroden, eine Mehrzahl zueinander im wesentlichen parallel ausgerichteter, innerer Elektroden und ein insbesondere ferro- und/oder piezoelektrisches Dielektrikum umfasst, wobei wenigstens ein Sensor zur Erfassung wenigstens einer physikalischen Größe eines außerhalb des Keramikvielschicht-Kondensators erzeugten und diesen teilweise oder vollständig durchdringenden magnetischen und/oder elektrischen Feldes vorgesehen ist. Bevorzugt findet ein Sensor Anwendung, welcher in handelsüblicher Form als Drehzahlsensor für Kraftfahrzeuge eingesetzt wird und solchermaßen in Kombination mit einem Impulsrad betrieben wird. Eine Automatisierung der Prüfung der Orientierung von Keramikvielschicht-Kondensatoren ist somit in vorteilhafter Weise mit an sich bekannten und vorhandenen Sensoren effizient realisierbar. Weiterhin ist die Anordnung zur Prüfung der Orientierung eines Keramikvielschicht-Kondensators bevorzugt so ausgelegt, dass diese ebenfalls zur definierten Ausrichtung des Keramikvielschicht-Kondensators geeignet ist, wobei die definierte Ausrichtung insbesondere derart vorgesehen ist, dass eine Schwingungsübertragung auf einen Schaltungsträger minimiert wird.
-
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand von Figuren.
-
In Prinzipdarstellung zeigen:
-
1 eine Schnittdarstellung eines Keramikvielschicht-Kondensators (MLCC) in SMD-Ausführung gemäß dem Stand der Technik,
-
2 eine drehbar gelagerte Anordnung zur Prüfung der Orientierung und/oder Ausrichtung eines Keramikvielschicht-Kondensators in SMD-Ausführung,
-
3 eine Anordnung zur Prüfung der Orientierung eines Keramikvielschicht-Kondensators in SMD-Ausführung mittels Magnetfeldsensor und
-
4 eine Anordnung zur Prüfung der Orientierung und der Permeabilität eines Keramikvielschicht-Kondensators in SMD-Ausführung mittels eines magnetischen Kreises.
-
Um eine kurze und einfache Beschreibung der Ausführungsbeispiele zu ermöglichen, werden gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen und jeweils nur die für die Erfindung wesentlichen Details erläutert.
-
Die 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Keramikvielschicht-Kondensators 1 (MLCC) in SMD-Ausführung gemäß dem Stand der Technik. Entlang der Höhe H weist der Kondensator 1 einen geschichteten Aufbau aus wechselweise inneren Elektroden 3 und Dielektrikum 4 auf. Die inneren Elektroden 3 sind über die Länge L und Breite B flächig ausgebildet und werden durch Dielektrikum 4 gegeneinander elektrisch isoliert. Zudem sind die inneren Elektroden 3 in der Reihenfolge entlang der Höhe H alternierend mit jeweils einer der äußeren Elektroden 2 elektrisch leitend verbunden.
-
Das Ausmaß der Beeinflussung von elektronischen, elektromechanischen und/oder mikromechanischen Baugruppen und/oder Bauelementen in Folge von ferro- bzw. piezoelektrisch hervorgerufenen Vibrationen von Keramikvielschicht-Kondensatoren 1 wird unter anderem von der Ausrichtung der Schichtstruktur bzw. der inneren Elektroden 3 beeinflusst. Einige Baugrößen erlauben einen Rückschluss auf die Orientierung der inneren Elektroden 3, da die Höhe H kleiner als die Breite B ist. Eine Ausrichtung mittels Sichtprüfung ist jedoch nicht möglich, wenn die Kondensatoren 1 beispielsweise eine durch die Höhe H und Breite B definierte, im Wesentlichen quadratische Querschnittsfläche aufweisen. Ohne zusätzliche Prüfung ist mit den an sich bekannten Herstellungsverfahren keine definierte Ausrichtung dieser Kondensatoren 1 möglich. Häufig ist daher nicht definiert mit welcher Orientierung die Kondensatoren 1 in den Gurten bzw. Verpackungen liegen und mit welcher Orientierung sie letztendlich auf einem Schaltungsträger kontaktiert werden.
-
Die 2 zeigt an einem ersten Ausführungsbeispiel den prinzipiellen Grundgedanken des erfindungsgemäßen Verfahrens in vereinfachter Darstellungsweise. Dabei sind lediglich die inneren Elektroden 3 von Kondensator 1 vereinfacht dargestellt. Aufgrund des über die Höhe H geschichteten Aufbaus mit insbesondere weichmagnetischem Dielektrikum 4 und der davon abweichenden Anordnung entlang der Breite B verhält sich Kondensator 1 gegenüber einem äußeren magnetischen und/oder elektrischen Feld anisotrop. Beispielsweise ist der magnetische Widerstand in einer zu den inneren Elektroden 3 parallelen Ebene geringer als zu einer dazu senkrechten Ebene.
-
Die Prüfung der Orientierung der inneren Elektroden 3 von Kondensator 1 kann gemäß diesem Ausführungsbeispiel mittels Magnet bzw. Elektromagnet 5 erfolgen. Dieser erzeugt ein magnetisches Feld 6, welches Kondensator 1 teilweise oder vollständig durchdringt. Magnet 5 befindet sich auf einer Seite einer nicht dargestellten äußeren Elektrode von Kondensator 1, wobei keine Kontaktierung bzw. Verbindung von Kondensator 1 und Magnet 5 vorgesehen werden braucht. Eine fiktive, vom Nordpol zum Südpol verlaufende Achse von Magnet 5 ist im Wesentlichen parallel zu einer von der Breite und Höhe von Kondensator 1 definierten Querschnittsfläche orientiert. Magnet 5 und/oder Kondensator 1 sind drehbar gelagert, weshalb sich aufgrund der magnetischen Anisotropie von Kondensator 1 und der sich somit ergebenden Kraftwirkung eine Ausrichtung von Magnet 5 und/oder Kondensator 1 zueinander in der Weise ergibt, dass die fiktive Nord-/Südpol Achse von Magnet 5 parallel zu den Ebenen der inneren Elektroden 3 orientiert ist. Die Orientierung der inneren Elektroden 3 ist damit bekannt und kann zur Ausrichtung von Kondensator 1 auf einem Schaltungsträger genutzt werden. In Abhängigkeit davon, an welcher Stelle eines Produktionsprozesses das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung findet, kann beispielsweise eine Markierung an Kondensator 1 vorgenommen werden oder die Ausrichtung erfolgt direkt vor dem Aufsetzen und Kontaktieren auf einen Schaltungsträger, wobei die Drehbewegung aufgrund Magnetfeldwirkung genutzt werden und/oder durch eine automatisierte Vorrichtungen stattfinden kann.
-
Die 3 zeigt eine weitere Anordnung zur Realisierung des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens. Kondensator 1 wird auf der längsseitigen Fläche, senkrecht zur von der Breite B und Höhe H definierten Fläche, von Magnetfeld 6 teilweise oder vollständig durchdrungen. Der auf dieser längsseitigen Fläche von Kondensator 1 angeordnete Magnetfeldsensor 7 wird ebenfalls von Magnetfeld 6 durchdrungen. Da das weichmagnetische Dielektrikum 4 zwischen den inneren Elektroden 3 einen geringen magnetischen Widerstand aufweist, ergibt sich ein fokussierter Verlauf von Magnetfeld 6, wenn die inneren Elektroden 3 im Wesentlichen parallel zu dem durch die Anordnung vorgegebenen Verlauf des Magnetfelds 6 orientiert sind. Sind die inneren Elektroden 3 im Wesentlichen senkrecht zu den Feldlinien von Magnetfeld 6 orientiert, ergibt sich eine geringere oder keine Fokussierung. Aufgrund der Änderung der Feldstärke und/oder der Feldrichtung kann die Orientierung der inneren Elektroden 3 bezüglich des Sensors 6 festgestellt werden und eine Markierung bzw. Ausrichtung erfolgen.
-
Die erfasste physikalische Größe von Magnetfeld
6 ist dabei insbesondere vom verwendeten Sensor bzw. zugrunde liegenden Sensoreffekt abhängig. Zur bestimmungsgemäßen Messung von Magnetfeld
6 können z. B. ein oder mehrere Hall- und/oder XMR-Sensoren eingesetzt werden, welche zur Bestimmung des Verlaufs von Magnetfeld
6 unter Umständen zweckmäßig angeordnet werden können. In einfacher Weise könnte für diese Anwendung auch ein im Wesentlichen handelsüblicher, digitaler oder analoger Drehzahlsensor, wie beispielsweise in der
EP 0 729 582 B1 beschrieben, genutzt werden, welcher üblicherweise Änderungen eines Magnetfelds in Folge der Zähne oder Lücken eines Impulsrades erkennt. Sind dabei die inneren Elektroden
3 im Wesentlichen parallel zum durch die Anordnung vorgegebenen Verlauf von Magnetfeld
6 orientiert, würde dies der Erkennung eines Zahnes des Impulsrades entsprechen und bei senkrechter Orientierung einer Lücke. Alternativ wird bevorzugt eine im Wesentlichen vergleichbare, jedoch in optimierter Weise an die Erfindung angepasste Sensoranordnung verwendet. Beispielsweise ist die Verwendung eines leistungsfähigeren Magneten und/oder unterschiedlicher elektrischer Parameter, im Vergleich zu einem handelsüblichen Drehzahlsensor, vorteilhaft, wenn eine qualitative bzw. quantitative Verbesserung der Prüfung erzielt wird. Diese umfasst bevorzugt ebenfalls einen ringförmigen Magneten, welcher, wie bereits beschrieben, in Richtung von Kondensator
1 magnetisiert ist, sowie wenigstens einen insbesondere analogen Hall-Sensor, der besonders bevorzugt im Bereich eines Feldnullpunkts von Magnetfeld
6 angeordnet ist, um eine Sättigung durch das Grundfeld zu vermeiden und im Wesentlichen lediglich die Veränderung des Verlaufs von Magnetfeld
6 durch Kondensator
1 zu messen. Im Falle der Verwendung eines analogen Sensors kann des Weiteren beispielsweise über den Betrag der Veränderung auf die Qualität, insbesondere die Permeabilität, des Kondensators geschlossen werden.
-
Weiterhin ist eine Prüfung mittels Wirbelstromsensoren umsetzbar, da die Propagation von Wirbelströmen in senkrecht zum Magnetfeld 6 orientierten, inneren Elektroden 3, im Vergleich zu parallel orientierten, begünstigt ist. Eine weitere Alternative stellt die Verwendung kapazitiver Sensoren dar, welche eine nach außen wirkende Anisotropie von Kondensator 1 bezüglich eines elektrischen Feldes ausnutzt. In diesem Fall braucht kein Magnetfeld vorgesehen zu werden. In ebensolcher Weise können, unter Ausnutzung der Anisotropie von MLCCs gegenüber magnetischen und elektrischen Feldern, auch elektromagnetische Sensoren eingesetzt werden.
-
Die 4 zeigt eine weitere beispielsgemäße Anordnung zur Prüfung der Orientierung von Kondensator 1 bzw. dessen innerer Elektroden 3. Mit dieser Anordnung kann, insbesondere bei bekannter Orientierung der inneren Elektroden 3, weiterhin eine qualitative Bestimmung der magnetischen Permeabilität von Kondensator 1 vorgenommen werden. Die beispielsgemäße Anordnung weist einen mit einem Transformator vergleichbaren Grundaufbau auf, wobei ein magnetischer Kreis mit zwei Spulen 8 und 9 vorgesehen ist, welche einen Kern 10 geringen magnetischen Widerstands, beispielsweise einen Ferritkern, umschließen. Spule 8 wird mittels Wechselspannungs- bzw. Wechselstromgenerator 11 betrieben, wobei sich aufgrund des Übertragungsverhaltens der Anordnung eine Spannung bzw. ein Strom an Spule 9 ergibt. Der magnetische Kreis bzw. der Ferritkern 10 weist zumindest einen Spalt auf, in welchen Kondensator 1 eingebracht wird. In Abhängigkeit der Orientierung der inneren Elektroden 3 ändert sich das Übertragungsverhalten von Spule 8 zu Spule 9 der Anordnung, was mittels Spannungs- bzw. Strommessgerät 12 an Spule 9 ermittelt wird. Sind die inneren Elektroden 3 im Wesentlichen parallel zum Verlauf von Magnetfeld 6 orientiert, ergibt sich ein, im Vergleich zur senkrechten Orientierung der inneren Elektroden 3, höheres Übertragungsverhältnis und somit eine höhere Spannung an Spannungsmessgerät 12.
-
Insbesondere für die parallele Orientierung der inneren Elektroden 3 kann daher eine insbesondere qualitative Bestimmung der magnetischen Permeabilität von Kondensator 1 vorgenommen werden. Die Unterschiede der Permeabilität, vorzugsweise im Vergleich zwischen mehreren Kondensatoren, spiegeln sich ebenfalls in sich ändernden Übertragungsverhältnissen wider. Da das ferro- bzw. piezoelektrische Verhalten nur bei Keramikvielschicht-Kondensatoren 1 mit ferrobzw. piezoaktiven Dielektrika 4 vorkommt und somit ein Zusammenhang zwischen der magnetischen Permeabilität und dem ferro- bzw. piezoelektrischen Verhalten besteht, kann die Erkenntnis über die Permeabilität von Kondensator 1 genutzt werden, um beispielsweise eine Klasseneinstufung bezüglich der Größenordnung dieses Verhaltens vorzunehmen und um z.B. über ein Kriterium hinsichtlich der Verwendung in empfindlichen oder weniger empfindlichen Applikationen zu verfügen. Eine Einstufung ist insbesondere unter Verwendung einer oder mehrerer Schwellwerte der ermittelten Spannungs- bzw. Stromwerte in einer automatisierten Fertigung möglich, wobei ein Vorteil ist, dass die Prüfung auf Bauteilebene erfolgen kann, ohne eine elektrische Kontaktierung bzw. Schallpegelbestimmung vornehmen zu müssen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Keramikvielschicht-Chipkondensator
- 2
- Äußere Elektrode
- 3
- Innere Elektrode
- 4
- Ferroelektrisches Dielektrikum
- 5
- Magnet/Elektromagnet
- 6
- Magnetfeld/Feldlinien
- 7
- Magnetfeldsensor
- 8
- Spule
- 9
- Spule
- 10
- Ferritkern
- 11
- Wechselspannungsgenerator
- 12
- Spannungsmessgerät
- 13
- Messanordnung
- L
- Länge
- B
- Breite
- H
- Höhe
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 2009/0147456 A1 [0003]
- US 2012/0298407 A1 [0004]
- EP 0729582 B1 [0026]
