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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung von Festkörper-Bauteilen,
und, bei bevorzugten Ausführungsbeispielen,
von Kondensatoren. Das Verfahren betrifft insbesondere Massenproduktionsverfahren
zum Herstellen von Festkörper-Bauteilen,
wie etwa Kondensatoren.
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Ein
Massenproduktionsverfahren für
Tantal-Festkörperkondensatoren
ist in der U.S.-Patentbeschreibung Nummer
5,357,399 (Erfinder
Ian Salisbury) beschrieben. Dieses Verfahren umfaßt das Verwenden
eines Substratwafers aus massivem Tantal, das Ausbilden einer gesinterten
hochporösen Schicht
aus Tantal auf dem Substrat, das Sägen eines rechtwinkligen Kanalmusters
in die Schicht aus porösem
Tantal, um eine Anordnung hervorstehender poröser geradliniger Tantalkörper zu
erzeugen, das anodische Oxidieren der Würfel, um eine dielektrische
Schicht auf den Körpern
zu erzeugen, das Tauchen der Körper
in eine Mangannitratlösung
und das Erwärmen,
um die aufgetragene Lösung
in Mangandioxid umzuwandeln, um dadurch eine Kathodenschicht auszubilden,
das Auftragen jeweiliger leitender Schichten aus Kohlenstoff und
sodann aus Silber auf oberen Enden jedes Körpers, das Kleben einer Bedeckung,
welche aus einem Wafer aus massivem Metall besteht, auf die Silberschicht;
das Einspritzen eines isolierenden Harzmaterials in die Kanäle zwischen
Körpern,
welche durch das Substrat und die Bedeckung begrenzt werden; und
das Schneiden der Anordnung in einer Richtung, welche lotrecht zu
der Ebene der Wafers und entlang der Mittellinie jedes Kanals verläuft, um
dadurch eine Vielzahl von Kondensatoren zu erzeugen, bei welchen der
Anodenpol aus Substratmate rial besteht, der Kathodenpol aus Bedeckungsmaterial
besteht und der Kondensatorkörper
aus dem beschichteten porösen Tantalkörper besteht.
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Durch
die Miniaturisierung elektronischer Artikel, insbesondere bei Mobiltelefonen,
jedoch auch vieler anderer Artikel, gibt es einen fortgesetzten Druck,
die Raumnutzungseffizienz elektronischer Bauteile, und insbesondere
bei Festkörperkondensatoren,
zu verbessern. Das oben erwähnte
Verfahren nach Salisbury ermöglicht
ein hochwirksames Verfahren zur Herstellung mehrfacher Festkörperkondensatoren.
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PCT/GB99/03566 offenbart
ein Verfahren zum Steigern der Raumnutzungseffizienz bei Festkörperkondensatoren,
welche generell gemäß dem Verfahren
nach Salisbury hergestellt werden. Die Verfahrensverbesserung umfaßt das Weglassen
einer Bedeckungsschicht und das Ausbilden eines Kathodenpols direkt
auf einer freiliegenden Oberfläche des
Anodenkörpers
jedes Kondensators.
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PCT/GB00/01263 offenbart
ein Verfahren zum Ausbilden mehrfacher Kondensatoren, wobei jeder
davon Polkontakte an einer gemeinsamen Stirnfläche aufweist, wodurch es ermöglicht wird,
daß der Kondensator
in Überlagerung
jeweiliger Leiterplattenkontakte (PCB-Kontakte; für engl.:
PCB = printed circuit board) angeordnet wird, wodurch der Raumbedarf
des Bauteils auf einer PCB vermindert wird.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren
zum Herstellen von Festkörper-Bauteilen
zu schaffen, insbesondere ein Verfahren, welches die Herstellung
von Bauteilen mit vermindertem Raumbedarf ermöglicht. Das bevorzugte Verfahren
betrifft die Herstellung von Kondensatoren mit verminderem Raumbedarf.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen
mehrfacher festkörperelektronischer
Bauteile geschaffen, umfassend:
- (i) Vorbereiten
eines ersten Substrats, welches mit einer Vielzahl von ersten festkörperelektronischen
Bauteilen versehen ist, welche an einer Oberfläche davon ausgebildet sind,
- (ii) Vorbereiten eines zweiten Substrats, welches mit einer
Vielzahl von zweiten festkörperelektronischen
Bauteilen versehen ist, welche an einer Oberfläche davon ausgebildet sind,
- (iii) Ausrichten des ersten und des zweiten Substrats, so daß jeweilige
erste und zweite Bauteilelemente jeweils wechselseitig ausgerichtet
werden,
- (iv) Befestigen des ersten und des zweiten Substrats aneinander,
so daß die
ersten und zweiten Elemente jeweils geeignet miteinander verbunden
werden, um dadurch eine sandwichartige Substratverbindung auszubilden,
- (v) Teilen der sandwichartigen Substratverbindung, um eine Vielzahl
einzelner Bauteile auszubilden, welche jeweils ein erstes Bauteilelement, welches
geeignet mit einem zweiten Bauteilelement verbunden ist, umfassen.
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Geeignete
Bauteiltypen sind Kondensatoren, Dioden und Widerstände, obgleich
diese Aufzählung nicht
vollständig
ist und es andere geeignete Bauteile gibt, welche unter Verwendung
dieses Verfahrens herzustellen sind.
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Die
ersten Bauteilelemente und die zweiten Bauteilelemente können die
gleiche elektronische Funktion erfüllen. Beispielsweise können die
Bauteilelemente jeweils Kondensatoren oder jeweils Widerstände sein.
Bei be stimmten Ausführungsbeispielen können die
jeweiligen Elemente verschiedene Betriebseigenschaften der ersten
Elemente auf der einen Seite gegenüber den zweiten auf der anderen aufweisen.
Somit können
beispielsweise Kondensatoren mit verschiedenen Kapazitäten in dem
fertigen Bauteil aufgenommen werden.
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Alternativ
und gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung erfüllen die ersten und die zweiten Bauteilelemente
jeweils verschiedene elektronische Funktionen. In dieser Weise kann
beispielsweise ein Bauelement ausgebildet werden, welches einen
Kondensator, welcher mit einem Widerstand verbunden ist, umfaßt.
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Dieses
vorangehende generelle Verfahren ermöglicht die Herstellung zweielementiger
Bauteile, beispielsweise von Kondensatorpaaren, in Form eines einzigen
Bauteils. Das Verbinden eines Paars elektronischer Elemente zu einem
einzigen Bauteil vermindert den Raumbedarf, verglichen mit zwei
einzelnen Bauteilen, und vermindert die Anzahl der Lötschritte,
welche erforderlich sind, um die Kondensatoren in eine elektrische
Schaltung einzufügen,
typischerweise auf einer PCB. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist,
daß aufgrund
der Tatsache, daß ein
Bauelement die Stelle von zweien einnimmt, die Montagezeit und die
Anzahl der Montageschritte für
eine PCB vermindert werden.
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Gemäß einem
bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zum Herstellen mehrfacher Festkörper-Kondensatorbauteile
geschaffen, umfassend:
a) Vorbereiten einer ersten Substratschicht;
b)
Ausbilden einer Vielzahl von ersten hervorstehenden Körpern, welche
aus einem porösen
gesinterten regelungswirksamen Material bestehen, auf einer Oberfläche der
ersten Substratschicht;
c) Vorbereiten einer zweiten Substratschicht;
d)
Ausbilden einer Vielzahl von zweiten hervorstehenden Körpern, welche
aus einem porösen
gesinterten regelungswirksamen Material bestehen, auf einer Oberfläche der
zweiten Substratschicht;
e) Ausbilden einer isolierenden Schicht
auf den ersten und zweiten Körpern,
welche ferner durch deren Porositätshohlräume verläuft;
f) Ausbilden einer
leitenden Kathodenschicht auf der isolierenden Schicht;
g)
Ausrichten des ersten und des zweiten Substrats, so daß die Körper wechselseitig
ausgerichtet werden;
h) Befestigen des ersten und des zweiten
Substrats aneinander, um eine sandwichartige Substratverbindung
auszubilden, in welcher die ersten und zweiten Körper geeignet verbunden werden;
i)
Versiegeln der porösen
Körper
in elektrisch isolierendem Material und
j) Teilen der sandwichartigen
Substratverbindung in eine Vielzahl einzelner Kondensatorbauteile,
wobei jedes davon zwei Kondensatoren umfaßt, wobei der erste dem ersten
porösen
Körper
entspricht und der zweite dem zweiten porösen Körper entspricht.
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Gemäß einem
speziellen Ausführungsbeispiel
der Erfindung können
bei Schritt g) die Substrate mit zugewandten Stirnseiten ausgerichtet
werden, so daß deren
jeweilige erste und zweite hervorstehende Körper einander zugewandt sind,
und Schritt h) umfaßt
das elektrische Verbinden ausgerich teter freier Enden der hervorstehenden
Körper,
um eine sandwichartige Anordnung auszubilden, wobei die erste und
die zweite Substratschicht äußere Schichten
sind, wobei bei Teilung der sandwichartigen Substratverbindung eine
Vielzahl von Bauteilpaaren, welche jeweils einen ersten und einen
zweiten Anodenpol aufweisen, welche dem äußeren ersten bzw. zweiten Substrat
entsprechen, sowie ein Kathodenbereich, welcher der elektrischen
Verbindung zwischen den freien Enden der Körper entspricht, ausgebildet
werden.
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Bei
Schritt g) kann eine Platte aus leitendem Material zwischen den
jeweiligen freien Enden der ersten und zweiten Körper eingefügt werden, so daß die elektrische
Verbindung durch das Plattenmaterial erfolgt. Somit teilt das Teilen
bei Schritt h) auch das Plattenmaterial, und ein freiliegender Oberflächenabschnitt
des Plattenmaterials, welcher durch das Teilen an jedem Bauteil
ausgebildet wird, bildet einen Kathodenpol für jedes Bauteil. Durch Vorsehen
einer Plattenmaterial-Polstelle ist es möglich, die Vorrichtungen als
paralleles Paar anzuordnen, wobei der Kathodenpol einen negativen
elektrischen Kontakt bildet und die zwei Anodenpole elektrisch verbunden sind,
um eine positive elektrische Kontaktstelle zu bilden. Die Verbindung
beider Anodenpole erfolgt typischerweise durch gedruckte Leitungen
an einem Leiterplattenanschluß.
Ferner ist es möglich,
ein Schaltungsanordnungspaar vorzusehen, wobei die Anodenpole zwei
getrennte positive Kontaktstellen bilden und der Kathodenpol eine
negative Kontaktstelle bildet. Ferner ist es möglich, ein Reihenschaltungspaar durch
Verbindung der jeweiligen Anodenpole in einer Schaltung ohne Anschließen des
Kathodenpols vorzusehen.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung erfolgt Schritt g) mittels getrennter leitender Klebmittelflecke,
welche zwischen den freien Enden der ersten und der zweiten hervorstehenden Körper aufgetragen
werden. Somit kann durch den Versiegelungsvorgang bei Schritt h)
auch der elektrische Verbindungsbereich versiegelt werden, wodurch
der Katho denbereich an jedem Bauteil bedeckt wird und die Ausbildung
eines Bauteils ohne Kathodenpol ermöglicht wird. Das obige Ausführungsbeispiel
ist zum Herstellen von Reihenschaltungspaar-Kondensatorbauteilen
geeignet. Bei diesen Bauteilen ist kein negativer Pol erforderlich.
Daher kann die Platte, welche bei dem oben erwähnten ersten Ausführungsbeispiel
verwendet wird, um einen Kathodenpol auszubilden, weggelassen werden. Praktischerweise
wird eine leitende Klebpaste oder ähnliches verwendet, um hervorstehende
freie Körperenden
elektrisch zu verbinden. Der Verbindungsbereich wird versiegelt,
um einen unbeabsichtigten Kontakt mit dem Kathodenpol zu verhindern.
Dieses Ausführungsbeispiel
ist einfacher herzustellen, doch fehlt dabei deutlich die Vielseitigkeit
der Bauteile, welche gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
hergestellt werden.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung können
bei Schritt g) die Substrate mit zugewandten Rückseiten ausgerichtet werden,
so daß deren
jeweilige erste und zweite hervorstehende Körper voneinander abgewandt
sind, und Schritt h) umfaßt
das elektrische Verbinden der Rückseiten
der Substrate miteinander, um eine sandwichartige Anordnung auszubilden,
wobei die erste und die zweite Substratschicht innere Schichten
sind und die porösen
Körper äußere Schichten
sind, wobei bei Teilung der sandwichartigen Substratverbindung eine
Vielzahl von Bauteilpaaren ausgebildet wird, welche jeweils einen
Anodenpolbereich, welcher dem inneren ersten und zweiten angeschlossenen
Substrat entspricht, und einen ersten und einen zweiten Kathodenpolbereich,
welche jeweiligen ersten und zweiten Endbereichen des Bauteils entsprechen,
aufweisen.
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Bei
bevorzugten Ausführungsbeispielen
ist das regelungswirksame Material zur Verwendung beim Ausbilden
eines Kondensators ein Metall, und insbesondere Tantal. Es können jedoch
andere regelungswirksame Materialien und Metalle beim Verfahren
der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Beispiele sind Niob,
Molybdän,
Silizium, Aluminium, Titan, Wolfram, Zirkon und Legierungen davon.
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Wenn
das regelungswirksame Metall Tantal ist, ist das Substrat vorzugsweise
ein massiver Tantalwafer, wodurch die physikalische und chemische Verträglichkeit
mit dem porösen
Metall gewährleistet wird.
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Die
porösen
Körper
können
durch ein pulvermetallurgisches Verfahren ausgebildet werden. Typischerweise
muß möglicherweise
eine Verankerungsschicht aus grobkörnigem Pulver auf dem Substrat aufgetragen
und daran gesintert werden, bevor eine feinkörnigere Rohpulver-Bindemittel-Mischung auf das
Substrat gepreßt
wird. Das grobkörnige
Pulver ermöglicht
eine mechanische Verzahnung, welche gewährleistet, daß eine feste
Verbindung zwischen den gesinterten porösen Körpern und dem Substrat hergestellt
wird. Die feste Verbindung ist notwendig, um zu gewährleisten,
daß während nachfolgender Schritte
in dem Herstellungsverfahren keine Trennung der porösen Körper von
dem Substrat erfolgt. Eine gleichmäßige Schicht aus Rohpulver-Bindemittel-Mischung
kann auf dem Substrat aufgetragen werden, durch Sintern befestigt
werden und sodann maschinell bearbeitet werden, um die erwünschte Anordnung
von Körpern
auf dem Substrat auszubilden. Ein alternatives Verfahren zum Ausbilden
der Körper
ist in der PCT-Patentanmeldung
GB 00/03058 beschrieben,
wobei ein Stanz/Preßverfahren
verwendet wird, um eine Rohanordnung von Körpern auf dem Substrat herzustellen,
wobei diese Anordnung gesintert wird, um die fertigen porösen Körper herzustellen.
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Die
dielektrische Schicht kann durch ein elektrolytisches anodisches
Oxidationsverfahren ausgebildet werden, wobei ein Oxidfilm sorgfältig auf der
Oberfläche
des porösen
gesinterten Anodenkörpers
aufgebaut wird. Geeignete Verfahren sind dem Fachkundigen bekannt.
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Die
Kathodenschicht kann durch Tauchen der hervorstehenden Körper in
eine Kathodenschicht-Vorstufenlösung,
wie etwa Mangannitrat, und nachfolgendes Erwärmen zum Herstellen einer Kathodenschicht
aus Man gandioxid ausgebildet werden. Es können wiederholte Tauch- und
Erwärmungsschritte
ausgeführt
werden, um schrittweise die erforderliche Tiefe und Einheitlichkeit
der Kathodenschicht aufzubauen.
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Typischerweise
wird während
des Tauchvorgangs die Kathodenschicht nicht nur auf den Anodenkörpern aufgebaut,
sondern auch auf der freiliegenden Tantalsubstrat-Oberfläche zwischen
den Körpern.
Um zu erreichen, daßjeder
Kathodenpol gegen dessen jeweiligen Anodenpol isoliert wird, kann ein
weiterer Verfahrensschritt ausgeführt werden, um jegliche Kathodenschicht
(und dielektrische Schicht) von dem Substrat um den Anodenkörper zu
entfernen. Dieses Verfahren kann einen weiteren maschinellen Bearbeitungsvorgang
umfassen, wobei isolierende Kanäle
zwischen jedem Anodenkörper
durch Entfernung einer Substrat-Oberflächenschicht ausgebildet werden.
Beispielsweise können,
wenn rechtwinklige Reihen maschinell ausgebildet wurden, um geradlinige
Anodenkörper
auszubilden, isolierende Kanäle
entlang der Mittellinien der waagrechten und senkrechten Reihen
zwischen den Anodenkörpern maschinell
ausgebildet werden. In dieser Weise wird eine Stufe am Umfang jedes
Kondensatoranodenkörpers
ausgebildet, wobei diese Stufe eine unbeschichtete Oberfläche aufweist,
wodurch die Kathodenschicht gegen den freiliegenden Anodenpol isoliert
wird. Sodann kann ein Umgestaltungsvorgang ausgeführt werden,
wobei die frisch freigelegte Oberfläche mit einer isolierenden
Oxidschicht ausgebildet wird. Ein alternatives Isolierverfahren
ist in der PCT-Patentanmeldung
GB00/03558 offenbart,
wobei eine maschinelle Bearbeitung durch die Verwendung von Resistschichten
zum Verhindern unerwünschter Verunreinigungen
ersetzt wird.
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Der
Versiegelungsvorgang kann durch Füllen des Raums zwischen den
hervorstehenden Körpern
mit einem flüssigen
Harz erfolgen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Raum
mit einem isolierenden Kunstharzmaterial, wie etwa einem Epoxidharz,
gefüllt.
In dieser Weise kann, wenn das Substrat geteilt wird, an jedem Kondensatorkörper eine
Harz schutzhülle
um die porösen
Körperabschnitte
davon verbleiben. Das Versiegelungsharz kann unter Druck oder durch
einfaches Eintauchen aufgetragen werden, abhängig von der Eignung und dem
Fließvermögen des
jeweiligen Harzes. Wenn das Harz gehärtet ist, können das Harz und das Substrat
maschinell bearbeitet oder in anderer Weise in getrennte benachbarte
Kondensatorkörper
geschnitten werden. Das Versiegelungsmaterial kann ein Kunstharz
sein, wie etwa ein Epoxidharz.
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Wenn
es erwünscht
ist, einen Kathodenpol zu erhalten, kann der Pol durch Auftragen
einer oder mehrerer leitender Schichten auf den freiliegenden Plattenstreifen,
welcher an jedem Bauteil durch den Teilungsvorgang erzeugt wird,
ausgebildet werden. Geeignete lötungsgeeignete
Metallbeschichtungen können
aufgetragen werden, wie dies erforderlich ist, um ein Löten an dem
Pol zu ermöglichen.
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Das
Teilen der sandwichartigen Substratverbindung erfolgt typischerweise
durch eine maschinelle Bearbeitung, welche lotrecht zu der Ebene
der Substrate entlang der "Bahnen" zwischen benachbarten
Körperabschnitten
und somit durch das Versiegelungsmaterial erfolgt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kondensator geschaffen, welcher durch
ein Verfahren hergestellt wird, welches in der vorliegenden Schrift
zuvor beschrieben wurde.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird eine elektronische bzw. elektrische
Vorrichtung geschaffen, welche einen Kondensator umfaßt, welcher
durch ein Verfahren hergestellt wird, welches in der vorliegenden
Schrift zuvor beschrieben wurde.
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Das
Folgende ist eine lediglich beispielhafte Beschreibung eines Verfahrens
zur wirksamen Umsetzung der vorliegenden Erfindung unter Verweis auf
die Zeichnungen.
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Erläuterung der Zeichnungen
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1, 3 und 4 sind
Querschnittsansichten eines Substrats beim Bearbeiten gemäß einem
Verfahren der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine Ansicht von oben
des Substrats nach einem maschinellen Bearbeitungsschritt in dem
Verfahren.
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5 ist eine Schnittansicht
in Verlauf durch zwei Substrate, welche gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung bearbeitet werden.
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6 ist eine Schnittansicht
durch Substrate, welche gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel bearbeitet
werden.
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7 ist eine Schnittansicht
in Verlauf durch eine sandwichartige Substratverbindung, welche
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
bearbeitet wird.
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8 ist eine Schnittansicht
in Verlauf durch ein einzelnes Kondensatorpaar-Bauteil, welches
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
hergestellt wird.
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9 ist eine Schnittansicht
in Verlauf durch zwei Substrate, welche gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung bearbeitet werden.
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10 ist eine Schnittansicht
in Verlauf durch eine sandwichartige Substratverbindung, welche
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung hergestellt wird.
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11 ist eine Schnittansicht
in Verlauf durch ein Kondensatorpaar-Bauteil, welches gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung hergestellt wird.
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12 ist eine Draufsicht von
Bauteilen gemäß dem ersten
und dem zweiten Ausführungsbeispiel,
welche als Reihenschaltungspaar in einer Schaltung aufgenommen sind.
Zusätzlich
ist ein schematisches Schaltdiagramm des Reihenschaltungspaars gezeigt.
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13 ist eine Draufsicht eines
Bauteils gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, welches als Parallelschaltungspaar in einer Schaltung
aufgenommen ist. Zusätzlich
ist ein schematisches Schaltdiagramm des Parallelschaltungspaars
gezeigt.
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14 ist eine Draufsicht eines
Bauteils gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, welches als Schaltungsanordnungspaar in einer Schaltung
aufgenommen ist. Zusätzlich
ist ein schematisches Schaltdiagramm des Schaltungsanordnungspaars
gezeigt.
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Ein
querverlaufender Schnitt durch einen massiven kreisförmigen Tantalwafer
ist als 10 in 1 dargestellt
(andere Formen sind möglich,
wie etwa quadratisch, rechteckig etc.). Auf einer oberen Oberfläche des
Wafers ist eine Dispersion aus grobkörnigem Kondensator-Tantalpulver 12 gesintert. Eine
Rohmischung (das bedeutet, eine ungesinterte Mischung) aus feinkörnigem Kondensator-Tantalpulver/Bindemittel
wird sodann auf die obere Oberfläche des
Substrats gepreßt,
um eine Rohschicht 13 auszubilden.
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Die
Rohschicht wird gesintert, um das feinkörnige Pulver zu einem zusammenhängenden
porösen
Netzwerk zu verschmelzen. Das Sintern erfolgt bei etwa 1600 Grad
Celsius (die optimale Temperatur hängt von der Korngröße und der
Dauer des Sinterungsvorgangs ab). Ferner wird durch den Sinterungsvorgang
die poröse
Schicht mit der grobkörnigen
Verankerungsschicht 12 verschmolzen.
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Die
Substratanordnung wird sodann maschinell bearbeitet, um ein rechtwinkliges
Gitter querverlaufender Kanäle 14 und
längsverlaufender
Kanäle 15 zu
erzeugen, wie in 2 dargestellt.
Die Kanäle werden
unter Verwendung eines bewegten Drehfräsrads gefräst. Die Kanäle werden bis zu einer Tiefe
unmittelbar hinter dem Niveau der porösen Tantalschicht geschnitten,
so daß die
Schnitte das Substrat erreichen, wie in 3 dargestellt.
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Der
maschinelle Bearbeitungsvorgang erzeugt eine Anordnung von Körpern 16 in
Form rechtwinkliger Abschnitte auf dem Substrat. Die porösen Körper bilden
die Anodenabschnitte der Kondensatoren. Eine isolierende dielektrische
Schicht (nicht dargestellt) wird auf die Anodenkörper durch anodisches Oxidieren
in einem Elektrolytenbad (beispielsweise aus einer Phosphorsäurelösung von
0,1%) aufgetragen, wobei der positive Pol einer Gleichstrom-Energieversorgung
mit dem Substrat verbunden wird. Dies führt zu der Ausbildung einer
dünnen
Tantalpentoxidschicht auf der porösen Metalloberfläche der Körper und
dem freiliegenden Substrat.
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Sodann
wird eine Kathodenschicht (nicht dargestellt) auf den Anodenkörpern durch
das gut bekannte Manganisierungsverfahren ausgebildet. Bei diesem
Verfahren werden die anodisch oxidierten Anodenkörper 16 in eine Mangannitratlösung getaucht,
um auf jedem Körper
eine Beschichtung aus nasser Lösung
zu hinterlassen und dessen innere Porositätshohlräume zu bedecken. Das Substrat
wird in feuchter Luft erwärmt,
um die Beschichtung aus Nitrat in das Dioxid umzuwandeln. Die Eintauch-
und Erwärmungszyklen können beispielsweise
zwanzigmal oder öfter
wiederholt werden, um die erforderliche kohärente Kathodenschicht aufzubauen.
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Als
nächstes
werden die manganisierten Körper
durch Tauchen in ein Bad aus flüssiger
Kohlenstoffpaste mit einer Zwischenschicht (nicht dargestellt) aus
leitendem Kohlenstoff beschichtet. Es wird ermöglicht, daß die Kohlenstoffpaste härtet. Nachdem
die Kohlenstoffschicht gehärtet
ist, wird durch Tauchen der mit Kohlenstoff beschichteten Körper in eine
flüssige
Silberpaste eine weitere Zwischenschicht 27 (3) aus Silber auf der Kohlenstoffschicht
aufgetragen. Die Silberschicht darf nicht über die Kohlenstoffschicht
darunter hinaus dringen, um zu gewährleisten, daß kein Silber
in direkten Kontakt mit der unverträglichen Oxid-Unterschicht gelangt.
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Bei
dem obigen Verfahren können
verstreute Stücke
aus Manganisierungsschicht, Kohlenstoffpaste oder Silberpaste Oberflächenabschnitte
der Substratkanäle 15, 14 verunreinigen.
Diese leitenden Stücke
können
einen Kurzschluß zwischen
der Anode und der Kathode in den fertigen Kondensatoren verursachen,
daher müssen
diese entfernt werden. Um dies zu erreichen, erfolgt ein weiterer
maschineller Bearbeitungsschritt, wobei ein rechtwinkliges Muster aus
Kanälen 32 entlang
der Mittellinien, welche die Anodenkörper jeweils trennen, in die
Substratoberfläche
gesägt
wird (wie in 4 dargestellt).
Das Sägen erfolgt
bis zu einer Tiefe, bei welcher sowohl verstreute Manganisierungsschicht
(etc.) und gemeinsam damit dielektrische Oxid-Unterschicht entfernt werden.
Daher wird blankes Tantal des Substratwafers freigelegt. Diese frische
Oberfläche
wird mit einer dielektrischen Schicht "umgestaltet", um eine isolierende Schutzschicht
darauf herzustellen. Der Umgestaltungsvorgang erfolgt, wie oben
für die
ursprüngliche
dielektrische Schicht beschrieben.
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Parallel
zu dem vorangehenden Verfahren wird ein zweites, identisches Substrat 110 wie
oben aufgebaut. Dieses Substrat ist in 5 dargestellt, mit der gleichen Nummerierung
wie für
den Wafer 10, außer
der Addition von 100 (das bedeutet, daß die Nummerierung für den zweiten
Wafer = n + 100 ist).
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Zu
dieser Stufe vorgedrungen, werden nun im folgenden zwei alternative
Ausführungsbeispiele von
Verfahren der Erfindung beschrieben, durch welche Kondensatorbauteile
hergestellt werden können.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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Das
zweite Substrat 110 wird sodann über dem ersten Substrat spiegelbildlich
ausgerichtet, wobei die Körper 16, 116 einander
zugewandt sind. Eine Klebschicht 40 aus Silberpaste wird
auf die Oberseiten jedes Körpers
auf dem ersten Substrat 10 aufgetragen. Die zwei einander
zugewandten Oberseiten jedes jeweiligen Körpers 16, 116 werden
aneinander gefügt
(wie durch den Pfeil A in 5 angezeigt). 6 stellt die zwei Substrate
in Kontakt dar. Die Klebschicht 40 bildet eine Zwischenschicht,
welche einen elektrischen Kontakt zwischen den jeweiligen Paaren
des ersten und zweiten Körpers 16, 116 herstellt.
Es wird ermöglicht,
daß der
Klebstoff unter einem Kompressionsdruck und bei geeigneter Temperatur
härtet,
um eine gute Verbindung zu gewährleisten
und das Härten
des Klebstoffs zu vollenden.
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Sodann
erfolgt ein Versiegelungsvorgang. Eine Epoxidharzlösung 41 (in 7) wird in die Kanäle 15, 115, 14 gefüllt, welche
zwischen den Körperpaaren
ausgebildet sind. Das Harz wird unter Druck hineingedrängt, um
sämtlichen
verfügbaren
Raum einzunehmen. Sodann wird ermöglicht, daß das Harz härtet, um
eine zähe,
elektrisch isolierende Versiegelung der Körperpaare 16, 116 auszubilden.
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Sodann
erfolgt ein maschineller Bearbeitungsvorgang, um die sandwichartige
Substratverbindung 10, 110 in einzelne Bauteile
zu trennen. Die maschinelle Bearbeitung umfaßt die Verwendung einer feinen
Säge, um
eine maschinelle Bearbeitung in einem rechtwinkligen Muster in Verlauf
durch die Mittellinie von Kanälen 14, 15, 115 vorzunehmen,
wie durch die Strichlinien in 7 angezeigt.
Dadurch wird das Substrat in einzelne geradlinige Bauteile geteilt,
welche jeweils ein Kondensatorpaar 60 umfassen, wie in 8 dargestellt.
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Jedes
Kondensatorpaar besteht aus zwei Kathodenpolabschnitten 23, 123,
welche aus dem Substratmaterial 10, 110 bestehen.
An jedem der Substrate ist ein jeweiliger Kondensatorkörper 16, 116 gesintert.
Die Körper
sind in Epoxidharz-Seitenwänden 24, 25 gefaßt. Die
Stufe 30, 31 in dem Substrat entspricht den maschinell
ausgebildeten Isolierkanälen 32, 132,
welche in dem ursprünglichen
Substratwafer ausgebildet wurden. Diese Stufe ist frei von Manganisierungsbeschichtung
und anderen Verunreinigungen und gewährleistet daher, daß der freiliegende
Anodenpol gegen den Kathodenpol isoliert ist. Der obere Endbereich
jedes Kondensatorkörpers ist
mit einer Schicht aus Kohlenstoffpaste (nicht dargestellt), einer
Schicht 21, 121 aus Silberpaste und einer weiteren
Schicht 40 aus Silberpaste, welche einen Kathodenabschnitt
des Bauteils bildet, beschichtet. Da der Kathodenabschnitt in Versiegelungs-Harzmaterial
gefaßt
ist, gibt es keinen Kathodenpol, wobei das Bauteil ein Kondensator-Reihenschaltungspaar
mit zwei Anodenpolen darstellt.
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Eine
letzte Bearbeitungsstufe ist ein fünfseitiges Abschlußverfahren.
Dies ist in der Elektronikindustrie ein gut bekanntes Verfahren,
welches die Ausbildung von Abschlußkappen 28, 29 umfaßt, welche
die äußeren Pole
des Kondensators bilden. Das Abschlußschichtmetall kann aus getrennten
Schichten aus Silber, Nickel und Zinn bestehen (vorzugsweise in
dieser Reihenfolge). Diese sind geeignete Metalle zum Ausbilden
elektrischer Verbindungen durch Löten der Kondensatorpole an
Kontakte oder andere Bauteile einer elektrischen bzw. elektronischen
Schaltung.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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Ein
zweites erfindungsgemäßes Verfahren verfährt, wie
im vorangehenden im Hinblick auf die 1 bis 4 beschrieben. Es wird eine
Tantalplatte 50 vorbereitet, welche auf jeder Seite davon
mit einer Silberklebpaste 52 beschichtet ist (siehe 9). Die bearbeiteten Substrate 10, 110 (wie
zuvor beschrieben) werden auf beiden Seiten der Platte 40 aneinander
gefügt,
wie durch die Pfeile B und B' angezeigt. Bei
Berühren
(siehe 10) der mit Kohlenstoff
beschichteten Endflächen 27, 127 der
Körper 16, 116 mit
der Klebpaste 52 wird ein elektrischer Kontakt ausgebildet.
Der Silberklebstoff wird unter Druck und Temperatur gesetzt, um
eine gute elektrisch leitende Verbindung auszubilden. Dadurch wird
die Platte 50 sandwichartig zwischen den zwei bearbeiteten
Substraten 10, 110 eingefügt.
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Es
erfolgt ein Versiegelungsvorgang, wie für Ausführungsbeispiel 1, außer, daß zwei getrennte Füllvorgänge mit
einem Harz 41 erforderlich sind, welche dem Gebiet zwischen
den Körpern 16 auf
der einen Seite und den Körpern 116 auf
der anderen entsprechen.
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Nach
dem Härten
des Versiegelungsharzes wird die sandwichartige Substratverbindung
sodann durch maschinelle Bearbeitung wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel
entlang den Kanälen 14, 15, 115 etc.
in einzelne Kondensatorpaar-Bauteile getrennt, angezeigt durch die
Strichlinien in 10.
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Das
ausgebildete Bauteil 70 ist in 11 dargestellt. Jedes Kondensatorbauteil
besteht aus zwei Anodenpolabschnitten 23, 123,
welche aus dem Substratmaterial 10, 110 bestehen.
An jedem der Substrate ist ein jeweiliger Kondensatorkörper 16, 116 gesintert.
Die Körper
sind in Epoxidharz-Seitenwänden 24, 25 gefaßt. Die
Stufe 30, 31 in dem Substrat entspricht den maschinell
ausgebildeten Kanälen 32, 132,
welche in dem ursprünglichen
Substratwafer ausgebildet werden. Diese Stufe ist frei von Manganisierungsbeschichtung
und jeglichen anderen Verunreinigungen und gewährleistet daher, daß der freiliegende
Anodenpol gegen den Kathodenpol isoliert ist.
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Der
Endflächenbereich
jedes Kondensatorkörpers
ist mit einer Schicht aus Kohlenstoffpaste (nicht dargestellt) und
einer Schicht 27, 127 aus Silberpaste beschichtet.
Eine weitere Schicht 52 aus. Silberpaste grenzt an einen
Metallplattenabschnitt 50 an, welcher einen Kathodenabschnitt
des Bauteils bildet. Die Platte kann ein beliebiges leitendes Material
sein, welches geeignet ist, geklebt und galvanisiert zu werden,
beispielsweise Stahl oder Kupfer.
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Als
nächstes
werden die Anodenpolabschnitte durch ein fünfseitiges Abschlußverfahren
behandelt. Dies ist ein in der Elektronikindustrie gut bekanntes
Verfahren, welches die Ausbildung von Endkappen 28, 29 (das
Beschichten von fünf
freiliegenden Seiten der Anodenpolabschnitte) umfaßt, welche die äußeren Pole
des Kondensators bilden. Ähnlich wird
ein vierseitiges Abschlußverfahren
um den Kathodenbereich durchgeführt,
um einen Kathodenpolstreifen 55 auszubilden, welcher die
vier Seitenwände
des Bauteils bedeckt und sich in elektrischem Kontakt mit der Platte 50 und
dem Klebstoff 52 befindet.
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Das
Abschlußschichtmetall
besteht vorzugsweise aus getrennten Schichten aus Silber, Nickel und
Zinn (vorzugsweise in dieser Reihenfolge). Dies sind geeignete Metalle
zum Ausbilden elektrischer Verbindungen durch Löten der Kondensatorpole an Kontakte
oder andere Bauteile einer elektrischen bzw. elektronischen Schaltung.
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Das
hergestellte Bauteil weist daher zwei Anodenendpole und einen mittleren
Kathodenpol auf. Dies kann in vielfältiger Weise mit einer elektrischen Schaltung
verbunden werden, wie in den 12, 13 und 14 dargestellt. Spezielle Beispiele sind:
das Reihenschaltungspaar von 12,
wobei der Kathodenpol nicht angeschlossen ist; das Parallelschaltungspaar
von 13, wobei beide
Anoden mit einer einzigen Schaltungsleitung verbunden sind und der
Kathodenpol mit einer anderen verbunden ist; und das Schaltungsanordnungspaar
von 14, wobei die zwei
Anodenpole jeweils mit jeweiligen Schaltungsleitungen verbunden
sind und der Kathodenpol mit einer dritten Schaltungsleitung verbunden
ist.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen mehrfacher
Kondensatorpaar-Bauteile, welche jeweils eine hohe Raumnutzungseffizienz
aufweisen, verglichen mit zwei einzelnen Kondensatoren, und weniger
Raumbedarf auf einer PCB erfordern als zwei einzelne Bauteile. Durch das
Verfahren werden Kondensatoren hergestellt, welche "unpolar" in dem Sinn sind,
daß diese
nicht falsch ausgerichtet werden können; die Endpole weisen stets
einen Polaritätswert
auf (bei dem obigen Beispiel positiv) und der mittlere Pol einen
anderen Polaritätswert
(negativ). Daher sind die Kondensatoren einfacher zu montieren,
da es nicht notwendig ist, eine bestimmte Ausrichtung festzulegen,
bevor das Bauteil mit einer PCB verbunden wird.
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Zusammenfassung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung von Festkörper-Bauteilen und, bei bevorzugten
Ausführungsbeispielen,
von Kondensatoren. Das Verfahren betrifft insbesondere Massenproduktionsverfahren
zum Herstellen von Festkörper-Bauteilen,
wie etwa Kondensatoren. Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen
mehrfacher festkörperelektronischer
Bauteile geschaffen, umfassend: (i) Vorbereiten eines ersten Substrats,
welches mit einer Vielzahl von ersten festkörperelektronischen Bauteilelementen
versehen ist, welche an einer Oberfläche davon ausgebildet sind,
(ii) Vorbereiten eines zweiten Substrats, welches mit einer Vielzahl
von zweiten festkörperelektronischen
Bauteilelementen versehen ist, welche an einer Oberfläche davon
ausgebildet sind, (iii) Ausrichten des ersten und des zweiten Substrats, so
daß jeweilige
erste und zweite Bauteilelemente jeweils wechselseitig ausgerichtet
werden, (iv) Befestigen des ersten und des zweiten Substrats aneinander,
so daß die
ersten und zweiten Elemente jeweils geeignet miteinander verbunden
werden, um dadurch eine sandwichartige Substratverbindung auszubilden,
(v) Teilen der sandwichartigen Substratverbindung, um eine Vielzahl
einzelner Bauteile auszubilden, welche jeweils ein erstes Bauteilelement,
welches geeignet mit einem zweiten Bauteilelement verbunden ist,
umfassen. Geeignete Bauteiltypen sind Kondensatoren, Dioden und
Widerstände,
obgleich diese Aufzählung
nicht vollständig
ist und es andere geeignete Bauteile gibt, welche unter Verwendung dieses
Verfahrens herzustellen sind.
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