DE102014101092A1

DE102014101092A1 - Chip mit Schutzfunktion und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102014101092A1
Application number: DE102014101092.2A
Authority: DE
Inventors: Yasuharu Miyauchi; Pavol Dudesek; Christian Faistauer; Gerhard Fuchs; Stefan Obermair; Klaus-Dieter Aichholzer; Christian Block; Sebastian Brunner
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2014-01-29
Filing date: 2014-01-29
Publication date: 2015-07-30
Also published as: US9865381B2; JP2017504974A; US20170011827A1; JP6334718B2; WO2015113778A1

Abstract

Es wird ein Chip mit Varistorfunktion vorgeschlagen, der eine Varistorschicht (VS) aus Zinkoxid und darin eine mehrschichtige Elektrodenstruktur aufweist. Galvanisch oder stromlos verstärkte löt- oder bondbaren Außenkontakte (AK) sind auf einer ersten Hauptoberfläche der Varistorschicht (VS) vorgesehen. Eine Glasschicht bedeckt die nicht mit Metallisierung versehenen Bereiche der ersten Hauptoberfläche. Die Glasschicht weist als Hauptbestandteil Oxide von Si und/oder Ge, B und K auf, die in Summe zumindest 70 Gew.% der Bestandteile der Glasschicht umfassen und im Wesentlichen frei von Al, Ga, Cr und Ti ist. Die Glasschicht schützt die Varistorschicht bei einer Galvanik und erlaubt einen dünnen Chip mit unbeschädigter Varistorfunktion. Der Chip kann als Substrat für elektrische Bauelemente mit integrierter Schutzfunktion eingesetzt werden.

Description

Die Anmeldung betrifft einen Chip mit Schutzfunktion und niedriger Bauhöhe, der oberflächenmontierbar ist.
Zum Schutz von empfindlichen Anlagen, Bauelementen und Netzen gegen ESD (Electro Static Discharge) können diskrete Bauelemente mit Varistorfunktion eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um nicht-lineare Bauelemente, deren Widerstand bei Überschreiten einer bestimmten angelegten Spannung stark absinkt. Varistoren sind daher geeignet, Überspannungspulse unschädlich abzuleiten. Hergestellt werden Varistoren aus einer Zinkoxidkeramik mit Kornstruktur.
Varistoren lassen sich schlecht in Mehrlagenkeramiken integrieren und werden daher üblicherweise als diskrete Bauelemente eingesetzt. Oberflächenmontierbare Varistoren benötigen löt- oder bondbare Metallisierungen, die dann zwangsläufig auf der Zinkoxid-Oberfläche des Varistors aufgebracht werden müssen. Bei der Erzeugung dieser Kontakte ergibt sich jedoch das Problem, dass löt- und bondfähige Kontakte guter Qualität nur mit galvanischer Verstärkung hergestellt werden können. Die üblicherweise eingesetzten Galavanikbäder sind jedoch sauer oder basisch eingestellt und daher geeignet, das Zinkoxid der Varistoren aufzulösen.
Eine galvanische Beschichtung zur Herstellung der löt- oder bondbaren Kontakte von Zinkoxidvaristoren erfordert daher für die nicht zu beschichtende Zinkoxidoberfläche eine geeignete Schutzschicht.
Es sind schon Schutzschichten auf Glasbasis vorgeschlagen worden, die eine strukturierte Herstellung von Kontakten ermöglichen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass Varistoren mit einer Glasbeschichtung eine Degradation aufweisen, die sich in einem stärker werdenden Leckstrom, auch Sperrstrom zeigt. Schaltungen mit derartigen Varistoren zeigen einen über den zulässigen Wert hinaus erhöhten Stromverbrauch. Weiter kann sich die Degradation als Anstieg des Kornwiderstands zeigen und zu einer Erhöhung der Klemmenspannung führen. Während das Problem der Degradation bei dicken Varistorbauelementen nur zu einer relativ geringfügigen Degradation führt, wirkt sich die Degradation bei dünner werdenden Varistorbauelementen umso stärker aus.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen oberflächenmontierbaren Chip mit Schutzfunktion anzugeben, der eine niedrige Bauhöhe bei gleichzeitig niedrigem Sperrstrom unter Einhaltung der Anforderungen an U_C und an die Varistorspannung U_V aufweist. Gemäß einer weiteren Teilaufgabe soll ein Substrat für elektrische Bauelemente mit höher Wärmeentwicklung angegeben werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Chip mit Varistorfunktion und den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung des Chips sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Es wurde gefunden, dass die oben genannten Degradationseffekte bei Varistorbauelementen bestimmten Ionen zuzuordnen sind, die aus der Glasschutzschicht in die Keramik eindiffundieren und die Varistorfunktion beeinträchtigen. Weiter wurde gefunden, dass sich das Problem durch Verwendung einer Glasschutzschicht lösen lässt, die als Hauptbestandteile Oxide von Silizium und/oder Germanium, von Bor und Kalium umfasst und die dabei im Wesentlichen frei ist von störenden Zusätzen wie Aluminium, Gallium, Chrom und Titan. Im Wesentlichen frei bedeutet dabei einen Gehalt, der deutlich unter einem Gewichtsprozent, vorzugsweise unter einem halben Gewichtsprozent bezogen auf die gesamte Glaszusammensetzung liegt. Anteile dieser störenden Zusätze in der Nähe von 1 Gew.% und darüber haben andernfalls merkbare Veränderungen von UC und IC zur Folge. Die Hauptbestandteile machen dabei zumindest 70 Gew.-% der Bestandteile der Glasschicht aus. Möglich ist es auch, dass die eingesetzte Glasschicht ausschließlich aus den genannten Hauptbestandteilen besteht.
Auf einer Varistorschicht aus Zinkoxid, die als Schutz- und Maskenschicht eine Glasschicht der genannten Zusammensetzung aufweist, lässt sich problemlos eine direkt auf der Varistorschicht erzeugte Metallisierung in einem Standardgalvanikbad galvanisch oder stromlos verstärken, ohne dass dabei die Zinkoxidoberfläche vom Galvanikbad angegriffen wird. Auch die Glasschicht erzeugt keinerlei Degradation in der Varistorschicht.
Die Chips mit Varistorfunktion und einer auf eine ausreichend Dicke verstärkten Metallisierung für die löt- und/oder bondbaren Außenkontakte und Anschlussflächen sind Langzeit stabil und zeigen keine Minderung ihrer Eigenschaften und insbesondere keinen unzulässigen Anstieg des Leckstroms. Dies zeigt, dass durch die Verwendung einer Glasschicht der genannten Zusammensetzung die Eindiffusion störender Ionen und die dadurch ausgelöste elektrische Degradation der Varistoren erfolgreich verhindert werden kann.
Die Varistorfunktion ist in herkömmlicher und an sich bekannter Weise durch eine mehrschichtige Elektrodenstruktur innerhalb der Varistorschicht realisiert, die elektrisch mit den Außenkontakten verbunden ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Varistorschicht auf einer zweiten Hauptoberfläche elektrische Anschlussflächen auf, die zum Anschließen eines elektrischen Bauelements geeignet sind. Die Anschlussflächen sind insbesondere zur Oberflächenmontage eines elektrischen Bauelements auf der zweiten Hauptoberfläche ausgebildet.
Die elektrischen Anschlussflächen sind mit der Elektrodenstruktur in der Varistorschicht und damit mit dem Varistor elektrisch verbunden. Zumindest eine weitere Anschlussfläche ist über entsprechende Verbindungsleitungen mit den Außenkontakten auf der ersten Hauptoberfläche der Varistorschicht verbunden. Auf diese Weise gelingt es, über die Außenkontakte sowohl den Varistor als auch das darauf montierte Bauelement zu kontaktieren. Der Chip dient als Träger für das elektrische Bauelement. Die Varistorschicht des Chips ist aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit von λ > 30 W/mK besonders geeignet, vom Bauelement gegebenenfalls erzeugte Verlustwärme durch die Varistorschicht hindurch abzutransportieren. Ist der Chip und damit das auf dem Chip montierte Bauelement in einer Schaltungsumgebung und insbesondere auf einer gedruckten Schaltung beziehungsweise einer Leiterplatte montiert, so kann der Verlustwärme des Bauelements durch den Chip hindurch gut abgeführt werden, ohne dass es zu einer unzulässigen Aufheizung des Bauelements kommt. Da die absolute Wärmeableitung indirekt proportional zur Schichtdicke des Substrats beziehungsweise hier des Chips ist, zeigt ein ausreichend dünner Chip den weiteren Vorteil einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit. Der Chip beziehungsweise die Varistorschicht kann eine Schichtdicke von maximal 1.000 µm, maximal 500 µm und insbesondere von ca. 250 µm aufweisen, ohne dass durch eine geringer werdende Schichtdicke die Varistorfunktion oder die mechanische Stabilität in unzulässiger Weise beeinträchtigt werden.
Die Schutzfunktion, die ein Varistor wie der in dem erfindungsgemäßen Chip realisierte aufweisen kann, steigt mit der Elektrodenfläche im Varistor. Je größer die Elektrodenfläche ist, desto größer ist die Stromableitfähigkeit bei Überspannung. Bei gegebener Chipgröße kann die Elektrodenfläche dadurch erhöht werden, dass die Anzahl der Elektrodenschichten erhöht wird. Ein erfindungsgemäßer Chip weist daher zumindest vier übereinander angeordnete und alternierend mit den beiden Außenkontakten verbundene Elektrodenschichten auf. Es wird jedoch allgemein eine möglichst hohe Anzahl von Elektrodenschichten angestrebt, um bei gegebener Schichtdicke eine maximale Stromableitfähigkeit zu gewährleisten. Ein bei gegebener Schichtdicke dadurch verringerter Abstand zwischen unterschiedlichen Elektrodenschichten kann durch geeignete Dotierung und Körnung des Zinkoxidmaterials kompensiert werden, so dass auch bei Erhöhung der Anzahl der Elektrodenschichten eine gewünschte Varistorspannung in gewünschter Höhe eingestellt werden kann.
Weiterhin wurde festgestellt, dass auch bestimmte andere, im Glas verwendbare Zusätze in einer erfindungsgemäßen Glasschicht zu Nachteilen oder unerwünschter Degradation der Varistorfunktion führen und daher in der erfindungsgemäßen Glasschicht auf der Varistorschicht zu vermeiden sind. Vorteilhaft ist es zum Beispiel, wenn die Glasschicht frei von Zinkoxid und von Wismutoxid ist. Zinkoxid und Wismutoxid beeinträchtigen u.a. die Glasstabilität in basischen oder sauren Galvanikbädern.
Die Dicke der Glasschicht wird in der Regel deutlich dünner gewählt als die Dicke der Varistorschicht, da die Wärmeleitfähigkeit der Glasschicht deutlich schlechter ist als die der Varistorschicht. In einer Ausführungsform werden der Glasschicht Füllstoffe zusetzt, die eine bessere Wärmeleitfähigkeit als SiO₂ aufweisen.
Füllstoffpartikel aus Zirkonoxid ZrO₂ verbessern die Wärmeleitfähigkeit der Glasschicht und sind als Füllstoff in einer erfindungsgemäßen Glasschicht geeignet. Weiterhin wird durch die Füllstoffpartikel weder die Schutzfunktion der Glasschicht noch deren Haftung auf der Zinkoxidschicht beeinträchtigt.
Neben den Hauptbestandteilen Si und oder Ge, B und K kann die Glasschicht weitere Bestandteile aufweisen, die weder die Schutzfunktion der Glasschicht beeinträchtigen noch die Varistorfunktion nachteilig beeinflussen. Weitere erlaubte Bestandteile sind die Oxide von Metallen, die ausgewählt sind aus Lithium, Natrium, Magnesium, Kalzium, Strontium und Barium. Metalloxide von Lithium und Natrium können in Anteilen bis jeweils maximal 5 Gew.-% in der Glasschicht enthalten sein, ohne dadurch die gewünschten Eigenschaften negativ zu beeinflussen. Metalloxide von Magnesium, Kalzium, Strontium und Barium können ohne Nachteile in einer Menge zugesetzt werden, bis eine gewünschte Glasübergangstemperatur der Glasschicht eingestellt ist.
Weiter kann die Glasschicht noch geringe Mengen an Yttrium und andere Lanthaniden enthalten. Yttriumoxid kann bis circa 7,5 Gew.-% enthalten sein und ist zugleich wegen seiner geringen Diffusion in der Varistorschicht und seiner guten Wärmeleitfähigkeit ein bevorzugter Füllstoff für die Glasschicht.
Für die Außenkontakte und, soweit vorhanden, die Anschlussflächen auf der Varistorschicht wird eine vorhandene Grundmetallisierung vorzugsweise durch galvanische Abscheidung verstärkt. Bevorzugte Metalle zur Herstellung beziehungsweise Aufdickung der Außenkontakte und Anschlussflächen umfassen zumindest eines aus Nickel, Silber und Gold. Diese Materialien werden bevorzugt in sauren oder basischen Galvanikbädern eingesetzt, gegen die die Varistorschicht mit Hilfe der erfindungsgemäßen Glasschicht sicher geschützt wird.
Die Grundmetallisierung kann wie bei anderen Keramiken bekannt durch Aufdrucken und Einbrennen einer leitfähigen Paste erzeugt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das auf dem Chip montierte Bauelement eine Leuchtdiode (LED). LEDs erzeugen eine relativ hohe Abwärme und sind gleichzeitig empfindlich gegen zu hohe Temperaturen, so dass hier in besonderer Weise eine gute Wärmeableitung über das Substrat gefordert wird. Ein erfindungsgemäß als Substrat eingesetzter Chip mit einer Varistorschicht erfüllt diese Aufgabe in vorteilhafter Weise. Zusätzlich kann der Chip in einer geeigneten geringen Schichtdicke hergestellt werden, stellt gleichzeitig ein Schutzbauelement gegen Überspannungen dar, die das Bauelement insbesondere während seiner Montage schädigen könnten und erlaubt insgesamt eine niedrige Bauhöhe der Anordnung aus Chip und LED.
Zur Herstellung eines Chips mit Varistorfunktion wird zunächst die Varistorschicht erzeugt. Dazu wird zunächst durch Übereinanderstapeln von mit Elektrodenmaterial bedruckten Grünfolien ein Stapel erzeugt. Die Grünfolien werden aus Zinkoxidpartikeln hergestellt, die fein gemahlen, dotiert, homogenisiert und mit einem Lösungsmittel wie zum Beispiel Wasser und einem Binder zu einem Schlicker für die Folienherstellung verarbeitet werden. Durchkontaktierungen durch einzelne Zinkoxidgrünfolien können durch Ausstanzen von Löchern, den sogenannten Vias erzeugt werden, die dann mit Elektrodenmaterial befüllt werden. Auch das Elektrodenmaterial wird in Form einer druckbaren Paste eingesetzt, die ebenfalls feinteilige Bestandteile (Metallpartikel) Binder und Lösungsmittel aufweist.
Durch entsprechende Strukturierung der einzelnen Grünfolien und entsprechende Anordnung der Grünfolien übereinander wird bereits im Stapel die gewünschte Verschaltung über die Vias und die Elektrodenschichten erzeugt. Anschließend wird der Stapel aus Grünfolien zu einer monolithischen Varistorschicht mit mehrschichtiger Elektrodenstruktur gesintert.
Auf die fertige Varistorschicht werden nun Metallisierungen für die Außenkontakte und die Anschlussflächen z.B. durch Aufdrucken einer Metallisierungspaste auf die erste und/oder zweite Hauptoberfläche der Varistorschicht aufgebracht. Als Druckverfahren eignet sich zum Beispiel Siebdruck. Mit der aufgedruckten Metallisierungspaste auf den Hauptoberflächen der Varistorschicht werden Außenkontakte und/oder Anschlussflächen definiert und dabei eine Grundmetallisierung in den gewünschten Bereichen hergestellt.
Zur Strukturierung der gewünschten Außenkontakte und/oder Anschlussflächen wird nun eine erfindungsgemäße Glaspaste auf den Hauptoberflächen über der Grundmetallisierung so aufgebracht, dass die für die Außenkontakte und/oder Anschlussflächen vorgesehenen Flächen unbedeckt bleiben.
Zum Erzeugen der Glasschicht werden die für die Glasschicht vorgesehenen Bestandteile insbesondere die Oxide und/oder Carbonate von Silizium und/oder Germanium oder andere geeignete Ausgangsstoffe, sowie Bor und Kalium vorzugsweise zu einem Glas geschmolzen und frittiert. Im Anschluss daran wird das Glas gemahlen und homogen vermischt. Aus dem Pulver wird anschließend die druckfähige Paste in beschriebener Weise hergestellt und anschließend aufgedruckt.
Anschließend wird die Glaspaste zur Herstellung einer Glasschicht eingebrannt beziehungsweise gesintert. Dabei ist es möglich, die Metallisierungsschicht unterhalb der Glasschicht zusammen mit der aufgedruckten Glaspaste zu sintern. Möglich ist es jedoch auch, zunächst die Grundmetallisierung zu sintern und anschließend die Glaspaste aufzudrucken und die Anordnung anschließend ein weiteres Mal zu sintern.
In einem galvanischen oder stromlosen Metallisierungsbad kann die Grundmetallisierung nun in den von der Glasschicht unbedeckten Bereichen auf eine gewünschte Schichtdicke beziehungsweise eine gewünschte Stromtragfähigkeit verstärkt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen nur der Veranschaulichung der Erfindung und sind daher nicht maßstabsgetreu dargestellt. Den Figuren können daher weder absolute noch relative Maßangaben entnommen werden.
Es zeigen:
1 eine einfache Ausführung eines erfindungsgemäßen Chips im schematischen Querschnitt,
2 zeigt einen Chip mit Außenkontakten und Anschlussflächen,
3 zeigt einen Chip mit Durchkontaktierungen,
4a zeigt eine weitere Ausführung eines Chips,
4b zeigt eine Variante von 4a,
5 zeigt einen Chip mit einem auf der zweiten Hauptoberfläche montierten elektrischen Bauelement,
6 zeigt verschiedene teils mit Elektrodenmaterial bedruckte Grünfolien, aus denen eine Varistorschicht hergestellt werden kann,
7 zeigt eine Varistorschicht nach Übereinanderstapeln der Grünfolien und Sintern des Stapels,
8 zeigt die Anordnung nach der Aufbringung von Außenkontakten,
9 zeigt die Anordnung nach dem Aufbringen einer Glasschicht,
10 zeigt den fertigen Chip nach dem Aufdicken der Metallisierung für die Außenkontakte und
11a und 11b zeigen zwei mögliche Verschaltungen eines Chips mit Varistorfunktion mit einem zu schützenden elektrischen Bauelement.
1 zeigt eine einfache Ausführung eines Chips CH. Dieser weist integriert eine mehrschichtige Elektrodenstruktur auf, bei der mehrere Elektrodenschichten ES überlappend so übereinander innerhalb der Varistorschicht VS angeordnet sind, dass sie mit unterschiedlichen Elektroden beziehungsweise unterschiedlichen Kontakten verbunden werden können. In der dargestellten Ausführung sind die Elektrodenschichten ES alternierend einem ersten und zweiten Außenkontakt AK zugeordnet und über jeweils eine Durchkontaktierung DK1, DK2 mit dem entsprechenden Außenkontakt AK verbunden. Die nicht von dem Außenkontakt AK bedeckten Bereiche der ersten Hauptoberfläche der Varistorschicht VS sind mit einer Glasschicht GS bedeckt. Entsprechend weist die erste Hauptoberfläche entweder eine Glasschichtbedeckung oder eine zu einem Außenkontakt AK strukturierte Metallisierung auf. Die Zinkoxid umfassende Varistorschicht selbst tritt an der ersten Hauptoberfläche nicht zutage. Auch die der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche der Varistorschicht VS kann mit einer Glasschicht GS‘ bedeckt sein, um diese gegenüber aggressiven Bädern, wie sie beispielsweise zur Galvanik benutzt werden zu schützen.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Chips, bei dem im Unterschied zur 1 neben einem Außenkontakt AK auf der ersten Hauptoberfläche noch eine Anschlussfläche AF auf der zweiten Hauptoberfläche vorhanden ist, die mit zumindest einem Teil der Elektrodenstruktur im Inneren der Varistorschicht verbunden ist. In der dargestellten Ausführung ist der Varistor somit über eine Anschlussfläche AF und einen Außenkontakt AK, die hier auf unterschiedlichen Hauptoberflächen angeordnet sind, kontaktierbar. Auch auf der zweiten Hauptoberfläche ist hier nun eine Glasschicht GS‘ angeordnet, die nur die Anschlussfläche AF ausspart und so die Varistorschicht gegen aggressive Medien schützt.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Chips, bei dem ähnlich wie in 2 sowohl Außenkontakte AK als auch Anschlussflächen AF vorgesehen sind, die die Elektrodenstruktur des Varistors über Durchkontaktierungen DK1 und DK2 einmal von der ersten du einmal von der zweiten Hauptoberfläche kontaktieren. Zwei weitere Durchkontaktierungen DK‘ und DK‘‘ verbinden je einen Außenkontakt AK‘, AK‘‘ auf der ersten Hauptoberfläche mit je einer Anschlussfläche AF‘, AF‘‘ auf der zweiten Hauptoberfläche. Die Anschlussfläche AF‘ ist nicht direkt mit der Elektrodenstruktur des Varistors verbunden, so dass über den Außenkontakt AK‘ eine elektrische Verbindung von der ersten zur zweiten Hauptoberfläche geführt ist, die den Anschluss eines weiteren Bauelements ermöglicht. Die Anschlussfläche AF‘‘ ist über die Durchkontaktierung mit der Elektrodenstruktur des Varistors verbunden. Sämtliche Anschlüsse von Varistor und damit verbundenem Bauelement sind auf diese Weise über die Außenkontakte auf der ersten Hauptoberfläche möglich. Nicht von Außenkontakten AK und Anschlussflächen AF belegte Bereiche der beiden Hauptoberflächen sind von einer Glasschicht GS bedeckt und so die Varistorschicht geschützt.
4a zeigt einen Chip ähnlich 1, bei dem die Durchkontaktierungen DK1 und DK2 Außenkontakte AK sowohl mit der Elektrodenstruktur des Varistors als auch hier zusätzlich mit Anschlussflächen AF auf der zweiten Hauptoberfläche verbunden sind. Die Anschlussflächen AF und die Außenkontakte AK sind hier mit größerer Schichtdicke als die Glasschicht GS dargestellt. Es sind also zwei zum Anschluss eines Bauelements geeignete Anschlussflächen AF auf der zweiten Hauptoberfläche vorhanden, über die sich ein elektrisches Bauelement parallel zum Chip mit Varistorfunktion schalten lässt und dieses dann gegen Überspannungen schützt. Weitere Anschlussflächen AF und die Außenkontakte AK sind möglich aber für einfache Bauelemente nicht erforderlich. Ein am Bauelement bzw. an den Anschlussflächen AF wirkender Spannungsimpuls, der die Varistorspannung übersteigt, kann dann unschädlich über die Elektrodenstruktur hin zum Außenkontakt AK abgeleitet werden.
4b zeigt einen Chip ähnlich 4a, bei dem die Anschlussflächen AF und die Außenkontakte AK als zwei- oder mehrschichtige Metallisierung ausgeführt sind. Dabei ist es möglich, dass die jeweils obere, vom Chip weg weisende Teilschicht der zwei- oder mehrschichtigen Metallisierung eine größere Fläche aufweist als die unterste Teilschicht und teilweise auch die Glasschicht überlappt. Dies hat den Vorteil, dass eine größere Fläche zum Anlöten oder Bonden mit dem Bauelement oder mit einer Schaltungsumgebung zur Verfügung steht und dass diese größere Fläche eine höhere Stromtragfähigkeit aufweist. Auch die Festigkeit einer Löt- oder anderen Bondverbindung ist dadurch erhöht.
5 zeigt den Chip von 3, bei dem nun auf den Anschlussflächen AF mit Hilfe eines Verbindungsmittels auf der zweiten Hauptoberfläche ein elektrisches Bauelement BE montiert ist. Die Montage kann beispielsweise wie in der Figur dargestellt über Lötkontakte LK erfolgen. Auf diese Weise ist gleichzeitig ein elektrischer und mechanischer Kontakt zwischen Chip und Bauelement BE hergestellt. Der Chip CH kann somit als Träger für das Bauelement BE dienen und das Bauelement kann über die Außenkontakte AK des Chips CH mit einer Schaltungsumgebung verbunden werden. Die im Chip integrierte Varistorfunktion dient als Schutz für das Bauelement BE.
6 zeigt drei verschiedene Grünfolien GF1, GF2 und GF3 auf der Basis eines Zinkoxidmaterials, aus denen sich bereits ein erfindungsgemäßer Chip zusammensetzen lässt. Die oberste dargestellte Grünfolie GF1 weist keine Strukturierung oder Metallisierung auf. Die beiden unteren Grünfolien verhalten sich beispielsweise wie Bild und Spiegelbild und dienen dazu, die Metallisierung, die ja jeweils eine Elektrodenschicht umfasst, mit einer von zwei unterschiedlichen Durchkontaktierungen zu verbinden. Die Durchkontaktierungen werden in den Grünfolien GF z. B. ausgestanzt und die Löcher dann mit leitfähiger Paste gefüllt.
Zur Herstellung dieser Grünfolie wird ein Zinkoxidpulver fein vermahlen, mit einem Dotierstoff versehen und nochmals homogen gemischt und vermahlen. Gegebenenfalls wird ein Glasbildner zugesetzt, um die Sintertemperatur auf einen gewünschten Wert einzustellen. Mit Hilfe eines organischen Binders wird eine gewisse Formbarkeit und Zusammenhalt der Grünfolie gewährleistet. Die Grünfolie kann durch Folienziehen, Gießen oder eine beliebige andere herkömmliche Technik geformt werden.
Die zweite Grünfolie GF2 ist mit einem Elektrodenmaterial bedruckt ist, welche sich zu einer Elektrodenschicht ES2 sintern lässt. Weiterhin sind in dieser Grünfolie zumindest zwei Durchkontaktierungen DK vorgesehen, die beispielsweise durch Stanzen von Löchern in die Grünfolie erzeugt werden. Anschließend werden die Durchkontaktierungen mit einer leitfähigen Masse, üblicherweise mit dem Elektrodenmaterial befüllt.
Die dritte dargestellte Grünfolie GF3 ist der zweiten Grünfolie ähnlich, jedoch sind die Durchkontaktierungen und die Struktur des aufgedruckten Elektrodenmaterials in beiden Grünfolien GF2, GF3 horizontal gespiegelt aufgebracht, um die jeweilige Elektrodenschicht ES im Varistor mit unterschiedlichen Durchkontaktierungen und damit mit unterschiedlichen Kontakten zu verbinden.
7 zeigt die in 6 dargestellten Grünfolien zu einer Varistorschicht VS übereinander gestapelt. In der Figur sind nur zwei innere Elektrodenschichten ES dargestellt, um die alternierende Anordnung der Elektrodenschicht zu verdeutlichen.
Um die nötige Stromtragfähigkeit zu erreichen, umfasst ein sinnvoller Varistor, also ein Chip mit Varistorfunktion in der Regel eine Mehrzahl von alternierend mit unterschiedlichen Kontakten verbundenen Elektrodenschichten. Im dargestellten Stapel sind die Elektrodenschichten alternierend zwei Durchkontaktierungen zugeordnet, die im Stapel deckungsgleich beziehungsweise überlappend angeordnet sind, um eine durchgehende Leitung hin zu einer Hauptoberfläche, hier der ersten Hauptoberfläche zu gewährleisten. Als oberste Schicht ist hier eine Grünfolie ohne jegliche Durchkontaktierung und ohne Elektrodenschicht aufgebracht, die zur Abdeckung der innen liegenden Elektrodenschichten ES dient.
Selbstverständlich können auch Grünfolien mit Durchkontaktierungen eingesetzt werden, die auch von der zweiten Hauptoberfläche her einen Zugang zu innen liegenden Elektrodenschichten oder den späteren Außenkontakten auf der ersten Hauptoberfläche ermöglichen.
Im nächsten Schritt wird der Stapel übereinander gelegter und gegebenenfalls verpresster Grünfolien gesintert, wobei der Chip als ein fester monolithischer Verbund aus den ursprünglich separaten Grünfolien entsteht. Der Binder brennt vollständig aus und es verbleiben im Chip metallische Elektrodenschichten, die keramische Varistorschicht und rein metallische Durchkontaktierungen.
Die nach dem Sintern erhaltene Varistorschicht VS wird nun mit einer Metallisierung M für die Außenkontakte AK versehen. Dazu wird eine Metallisierungspaste auf die entsprechende Hauptoberfläche so aufgedruckt, dass die Metallisierung im Kontakt mit jeweils einer Durchkontaktierung DK steht. 8 zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe.
Anschließend wird eine Schicht einer glashaltigen Paste mit den bereits erwähnten Spezifikationen so auf die erste Hauptoberfläche aufgedruckt, dass nur die für die Außenkontakte vorgesehenen Metallisierungen M von der Glaspastenschicht unbedeckt bleiben. Dies kann durch Siebdruck oder ein anderes ortsauflösendes Verfahren erfolgen. Anschließend wird die gesamte Anordnung einem weiteren Sinterprozess unterzogen, wobei eine fest haftende Metallisierung und die nun dichte und ebenfalls fest haftende Glasschicht GS erhalten werden.
Alternativ kann die Metallisierungspaste vor dem Aufbringen der Glaspaste eingebrannt werden und die Glasschicht GS in einem weiteren Sinterprozess separat eingebrannt werden.
9 zeigt die Anordnung mit eingebrannten Metallisierungen M für Außenkontakte und eingebrannter Glasschicht GS.
Im nächsten Schritt werden die bislang nur aufgedruckten und eingebrannten Metallisierungen M galvanisch oder stromlos verstärkt, um lötfähige Oberflächen zu erhalten. Dazu werden herkömmliche standardisierte Galvanikbäder verwendet, die üblicherweise basisch oder sauer eingestellt sind.
Geeignete abscheidbare Metalle für die Außenkontakte AK, die auch für die Anschlussflächen AF eingesetzt werden können, umfassen Nickel- und Gold- beziehungsweise Nickel- und Silberschichten. Es können jedoch auch andere Metallisierungen mit anderen Metallen und gegebenenfalls weiteren Schichten galvanisch oder stromlos aufgebracht werden, ohne dass darunter die Eigenschaften der Chips CH, insbesondere die Varistorfunktion leiden.
10 zeigt die Anordnung nach der Aufdickung beziehungsweise Fertigstellung der Außenkontakte AK. Je nach gewünschter Verwendung kann die Dicke der Außenkontakte AK die Dicke der Glasschicht GS übersteigen. Glasschicht und Metallisierung bzw. Außenkontakte und Glasschicht können auch bündig miteinander abschließen. Möglich ist es auch, die Außenkontakte AK und Anschlussflächen AF (in den 6–10 nicht dargestellt) in der Glasschicht GS zu versenken, so dass sie tiefer liegen als die Oberfläche der Glasschicht.
Obwohl in den Figuren nur die Herstellung von Außenkontakten AK, also von lotfähigen Metallisierungen auf einer ersten Hauptoberfläche des Chips beschrieben wurde, so können in gleicher Weise und parallel zu den Außenkontakten AK auch Anschlussflächen AF auf der zweiten Hauptoberfläche des Chips erzeugt werden.
In einem Ausführungsbeispiel wird zur Herstellung der Glasschicht GS eine Glaspaste mit folgender Zusammensetzung gewählt: 78 Gew.-% SiO₂, 19 Gew.-% B₂O₃ und 3 Gew.-% K₂O. Ein solches Glas weist einen Erweichungspunkt von 775 °C auf und hat nach dem Sintern einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von circa 2,8 ppm/K. Doch zunächst wird von dem Glaspulver beziehungsweise dem fein verteilten und homogen gemischten Oxiden eine Glaspaste hergestellt. Parallel dazu wird eine Varistorschicht VS bis zu der in 8 dargestellten Verfahrensstufe prozessiert, also bis zur Herstellung der ersten Metallisierung M vor der Aufbringung der Glasschicht GS. Auf dieser Stufe werden die Varistoreigenschaften für Vergleichszwecke bestimmt. Anschließend wird die Glaspaste aufgedruckt und eingebrannt und der Varistor erneut vermessen.
Es zeigt sich, dass die Varistorspannung unverändert bleibt und dass der Leckstrom die zulässigen Stromstärken nicht übersteigt und im Ausführungsbeispiel weniger als 0,1 µA beträgt.
An den Testbauelementen wird anschließend eine Galvanik durchgeführt, um die Metallisierungen M auf die gewünschte Schichtdicke der Außenkontakte AK beziehungsweise Anschlussflächen AF aufzudicken. Eine weitere Bestimmung der Varistorwerte auf dieser Verfahrensstufe zeigt, dass die Galvanik keinerlei negative Auswirkungen auf die Varistoreigenschaften ergeben hat.
Damit ist nachgewiesen, dass die Varistorfunktion weder durch die aufgedruckte und eingebrannte Glasschicht negativ beeinflusst wird, noch dass die Varistorschicht durch das anschließende Galvanikbad beschädigt wird.
In einem Parallelversuch wird eine Glaspaste verwendet, bei der der Glaszusammensetzung 15 Vol.-% Zirkonoxidpulver als Füllstoff zugesetzt wird. Auch diese Glasschicht wird bei circa 850 °C eingebrannt. Eine elektrische Vermessung des Chips ergibt, dass auch hier die Varistorfunktion beziehungsweise die elektrischen Varistoreigenschaften nicht negativ verändert werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Chip kann ein Varistor realisiert werden, der bei einer Baugröße von beispielsweise 1,2 × 1,2 mm² und einer Schichtdicke von 250 µm eine Varistorspannung im Bereich von circa 10 V aufweist. Die Clamping Voltage U_c (Restspannung) beträgt typischerweise maximal 100 V bei einem genormten 8 kV Puls. Dies zeigt, dass der Chip mit der Varistorfunktion eine ausgezeichnete Schutzwirkung auch bei dieser kleinen Baugröße entfalten kann. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit, die kleine Baugröße und die problemlos strukturierbaren Kontakte kann der Chip als Substrat für elektrische Bauelemente wie beispielsweise für LEDs verwendet werden.
11a und 11b zeigen verschiedene Möglichkeiten, wie der Chip mit Varistorfunktion mit einem elektrischen Bauelement und hier insbesondere mit einer Leuchtdiode verschaltet werden kann.
In 11a ist der Varistor V parallel zum Bauelement BE geschaltet. Bei Überschreiten der Varistorspannung kann so der Strom durch den Varistor V abfließen und dabei das Bauelement gewissermaßen kurzschließen, bis die schädliche Spannung abgebaut ist.
In 11b ist der Varistor V parallel zum Bauelement BE gegen Masse geschaltet. Bei Überschreiten der Varistorspannung kann so die schädliche Überspannung bzw. der Strom durch den Varistor V gegen Masse abgeleitet werden. In beiden Fällen bleibt das Bauelement vor schädlichen Überspannungen über der Varistorspannung geschützt.
In dieser Verschaltung, die vorzugsweise in einer Anordnung gemäß 5 realisiert ist, ist der erfindungsgemäße Chip dazu ausgebildet, überschüssige Abwärme beziehungsweise Verlustwärme wie die des LED-Bauelements sicher durch die Varistorschicht hin zu den Außenkontakten abzuleiten, wo sie an einer Wärmesenke innerhalb eines PCB (gedruckte Leiterplatte) unschädlich abgeleitet werden kann.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Ausführungsbeispielen dargestellten Strukturen und Verfahren beschränkt. Insbesondere kann die Elektrodenstruktur der Varistorschicht eine beliebige Anzahl Elektrodenschichten und eine beliebige Strukturierung aufweisen. Auch die Anzahl der Grünfolien, der Durchkontaktierungen, der Außenkontakte und der Anschlussflächen kann beliebig gewählt und den Erfordernissen für eine gewünschte Verwendung angepasst werden. Es können nur Außenkontakte oder sowohl Außenkontakte als auch Anschlussflächen vorgesehen sein, die im Einzelnen und unabhängig voneinander mit der Elektrodenstruktur verbunden sein können oder nicht.
Bezugszeichenliste

AF

Anschlussfläche

AK

Außenkontakt

BE

Elektrisches Bauelement

CH

Chip

DK

Durchkontaktierung

ES

Elektrodenschicht

GF

Grünfolie

GS

Glasschicht

LK

Lötkontakt

M

Metallisierung

VS

Varistorschicht

V

Varistor

Claims

Chip mit Varistorfunktion, – umfassend einen Varistorschicht (VS) aus Zinkoxid – mit einer mehrschichtigen Elektrodenstruktur die in der Varistorschicht eine Varistorfunktion realisieren – mit zumindest zwei löt- oder bondbaren Außenkontakten (AK) auf einer ersten Hauptoberfläche der Varistorschicht (VS) – mit einer Glasschicht (GS), die auf der ersten Hauptoberfläche aufgebracht ist und nur die Außenkontakte unbedeckt lässt – bei dem die Glasschicht als Hauptbestandteil Oxide von Si und/oder Ge, B und K umfasst, die in Summe zumindest 70 Gew.% der Bestandteile der Glasschicht umfassen und im Wesentlichen frei von Al, Ga, Cr und Ti ist.
Chip nach Anspruch 1, mit elektrischen Anschlussflächen (AF) auf einer zweiten Hauptoberfläche der Varistorschicht (VS) zum Anschließen eines elektrischen Bauelements (BE).
Chip nach Anspruch 1 oder 2 bei dem die Elektrodenstruktur zumindest 4 übereinander angeordnete und alternierend mit den beiden Außenkontakten (AK) verbundene Elektrodenschichten (ES) umfasst.
Chip nach einem der Ansprüche 1–3, bei dem die Glasschicht (GS) frei von ZnO und Bi₂O₃ ist.
Chip nach einem der Ansprüche 1–4, bei dem die Glasschicht (GS) einen Füllstoff enthält, der besser wärmeleitend als Quarz ist.
Chip nach Anspruch 5, bei dem die Glasschicht (GS) feste Füllstoffpartikel aus ZrO2 umfasst.
Chip nach einem der Ansprüche 1–6, bei dem die Glasschicht (GS) als weitere Bestandteile Oxide von Metallen enthalten, die ausgewählt sind aus Li, Na, Mg, Ca, Sr und Ba bei dem diese Bestandteile Li und Na in Anteilen bis jeweils maximal 5 Gew.%, die übrigen bis jeweils maximal 15 Gew.%enthalten sind.
Chip nach einem der Ansprüche 1–7, bei dem Außenkontakte (AK) und gegebenenfalls die Anschlussflächen (AF) galvanisch abgeschieden sind und zumindest eines aus Ni, Ag und Au umfassen.
Chip nach einem der Ansprüche 2–8, bei dem ein elektrisches Bauelement (BE) auf der zweiten Hauptoberfläche der Varistorschicht (VS) montiert und elektrisch mit den Anschlussflächen (AF) verbunden ist, bei dem das elektrische Bauelement (BE) mit der Elektrodenstruktur und mit den Außenkontakten (AK) verschaltet ist.
Chip nach einem der Ansprüche 1–9, dessen Dicke maximal 1000µm, 500µm oder insbesondere 250µm beträgt.
Chip nach Anspruch 9, bei dem das Bauelement (BE) eine LED ist.
Verfahren zur Herstellung eines Chips (CH) mit Varistorfunktion, – Erzeugen eines Stapels durch Übereinanderstapeln von mit Elektrodenmaterial bedruckten Grünfolien (GF) aus einer ZnO Zusammensetzung – Sintern des Stapels mit Grünfolien (GF) zu einer Varistorschicht (VS) mit mehrschichtiger Elektrodenstruktur – Aufdrucken einer Metallisierungspaste auf eine erste und/oder zweite Hauptoberfläche der Varistorschicht (VS) zur Definition von Außenkontakten (AK) und/oder Anschlussflächen (AF) – strukturiertes Aufdrucken einer Glaspaste (GP) darauf so, dass Flächen unbedeckt bleiben, die für die späteren Außenkontakte und/oder Anschlussflächen vorgesehen sind – Einbrennen und Sintern der Metallisierungspaste und der Glaspaste zur Herstellung einer Metallisierung (M) und einer strukturierten Glasschicht (GS) – Galvanische oder stromlose Verstärkung der für die Außenkontakte (AK) und/oder Anschlussflächen (AF) vorgesehen und von der Glasschicht (GS) unbedeckten Bereiche der Metallisierung (M).
Verfahren nach Anspruch 12, – bei dem eine Glasschicht (GS) aufgedruckt und eingebrannt wird, die als Hauptbestandteil Oxide von Si und/oder Ge, B und K umfasst, die in Summe zumindest 70 Gew.% der Bestandteile der Glasschicht umfassen, und bei dem die Glasschicht im Wesentlichen frei von Al, Ga, Cr und Ti ist.