DE19634488A1 - Elektro-keramisches Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektro-keramisches Bauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung nach Patentanspruch 3.

Elektrische funktionskeramische Bauelemente bestehen generell aus einem die Bauelementefunktion definierenden Bauelemente­ körper aus Funktionskeramik sowie an diesem vorgesehenen An­ schlußmetallisierungen. Unter dem Begriff "Funktionskeramik" werden hier aktive Elektrokeramiken, beispielsweise für elek­ trische Leiter, verstanden. Bei für eine SMD-Montage geeigne­ ten Bauelementen der in Rede stehenden Art ist ein generell quaderförmiger Bauelementekörper vorgesehen, bei dem an zwei sich gegenüberliegenden Stirnseiten kappenförmige Anschlußme­ tallisierungen vorgesehen sind.

Hinsichtlich der Anschlußmetallisierungen sind verschiedene Ausführungsformen bekannt geworden. So sind beispielsweise aus dem Datenbuch der Anmelderin "Keramik-Kondensatoren", Ausgabe 1994, Seite 90 für eine SMD-Montage geeignete Chip-Konden­ satoren bekannt geworden, bei denen dreischichtige kap­ penförmige Anschlußmetallisierungen vorgesehen sind. Dabei handelt es sich um eine erste auf dem Bauelementekörper be­ findliche Silber-Schicht, auf der sich eine Nickel-Schicht und auf dieser wiederum eine Zinn-Schicht befindet. Die inne­ re Silber-Schicht, die z. B. durch Tauchen des Bauelemente­ körpers in eine Silber-Paste aufgebracht werden kann, dient zur Realisierung eines guten elektrischen Kontakt es für die Anschlußmetallisierung. Die auf der Silber-Schicht befindli­ che, vorzugsweise galvanisch aufgebrachte Nickel-Schicht bil­ det eine Barriere gegen die Lösung des Silbers in einem Lot beim Einlöten des Bauelementes in eine elektrische Schaltung. Die auf der Nickel-Schicht befindliche, in aller Regel eben­ falls galvanisch aufgebrachte Zinn-Schicht, dient der Gewähr­ leistung einer guten Lötfähigkeit beim Einlöten des Bauele­ mentes in eine elektrische Schaltung. Der vorgenannte Effekt der Lösung der die direkte elektrische Kontaktierung des Bau­ elementekörpers gewährleistenden Silber-Schicht im Lot wird auch als Ablegieren bezeichnet.

Wie weiterhin aus der obengenannten Druckschrift hervorgeht, kann die dritte Schicht der Anschlußmetallisierung, nämlich die Zinn-Schicht, entfallen, wenn das Bauelement mittels Leitklebertechnik in eine elektrische Schaltung eingefügt wird. In einem derartigen Fall reicht eine zweischichtige Silber-Nickel-Kontaktierung aus.

Entsprechende Kontaktierungen für Metalloxid-Varistoren, die sich ebenfalls für eine SMD-Montage eignen, sind aus dem Lie­ ferprogramm 1996 der Anmelderin "SIOV-Metalloxid-Varistoren", Seite 9 bekannt. Die kontaktierenden Anschlußmetallisierungen werden dabei durch eine Silber-Palladium-Schichtfolge gebil­ det. Auch bei einer derartigen Kontaktierung tritt das Pro­ blem einer geringen Ablegierbeständigkeit und zusätzlich ei­ ner schwachen Benetzbarkeit durch Lot beim Einlöten in eine elektrische Schaltung auf.

Für keramische oder quasi-keramische, für eine SMD-Montage geeignete Bauelemente, z. B. Heißleiter, Kaltleiter, Varisto­ ren und ähnliche Bauelemente sind in der Produktübersicht 1995 der Anmelderin "Passive Bauelemente für Oberflächenmontage", Seite 7 generelle Möglichkeiten angegeben. Es kann sich dabei um Ag/Ni/Sn-, Ag/Pd-, Ag/Ni- und Cr/Ni/Ag-Metallisierungs­ schicht folgen handeln.

Bei allen Metallisierungen der vorgenannten Art besteht grundsätzlich das Problem der Ablegierbeständigkeit gegen Lot beim Einlöten der Bauelemente in elektrische Schaltungen. Dieses Problem kann dadurch beherrscht werden, daß eine gegen das Ablegieren schützende Schicht vorgesehen wird, wobei es sich wie oben bereits erwähnt um eine Nickel-Schicht handeln kann. Dabei muß sichergestellt sein, daß die Nickel-Schicht nur im Bereich der Anschlußmetallisierungen, nicht aber in von den Anschlußmetallisierungen freien Bereichen des Bauele­ mentekörpers aufgebracht wird. Wie bereits oben ausgeführt, werden die Nickel-Schichten vorzugsweise galvanisch abge­ schieden. Sind darüber hinaus die Lötfähigkeit verbessernde Zinn-Schichten vorgesehen, die ebenfalls galvanisch aufge­ bracht werden, so muß auch für diese das Gleiche gelten. Die Galvanik ist so lange nicht problematisch, als es sich bei der Keramik der Bauelementekörper um elektrisch nicht leiten­ de Keramiken handelt. Sind die Keramiken jedoch elektrisch leitend, so kann das örtlich auf die Metallisierungen be­ grenzte galvanische Abscheiden der genannten Schichten nicht mehr sichergestellt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, mit der auch bei leitenden Keramiken ein örtlich auf die Bereiche der Anschlußmetallisierungen be­ grenztes galvanisches Abscheiden von ablegierbeständigen End­ metallisierungen bei elektrischen Bauelementen der in Rede stehenden Art möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einem elektro-keramischen Bauelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Bauelementen der in Rede stehenden Art ist durch die Merkmale des Patent­ anspruchs 3 gekennzeichnet.

Weiterbildungen der Erfindung sowohl hinsichtlich des elek­ tro-keramischen Bauelementes als auch des Verfahrens zu sei­ ner Herstellung sind Gegenstand entsprechender Unteransprü­ che.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len gemäß den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines für eine SMD-Montage geeigneten elektro-keramischen Bau­ elementes im Sinne der Erfindung; und

Fig. 2 einen Schnitt des Bauelementes in einer Ebene A-A nach Fig. 1 mit einer auf einem Bauelementekörper vorgesehenen hochohmigen Schicht gemäß der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 wird das für eine SMD-Montage geeignete elek­ tro-keramische Bauelement durch einen elektrisch leitenden funktionskeramischen Bauelementekörper 1 in Quaderform sowie an sich gegenüberliegenden Stirnseiten dieses Bauelementekör­ pers 1 vorgesehene kappenförmige Anschlußmetallisierungen 2, 3 gebildet. Von den kappenförmigen Anschlußmetallisierungen freie - in Fig. 1 sichtbare - Oberflächenbereiche des Bau­ elementekörpers 1 sind mit 4 bezeichnet.

Auf den von den kappenförmigen Anschlußmetallisierungen 2, 3 freien Oberflächenbereichen 4 des Bauelementekörpers 1 ist erfindungsgemäß eine hochohmige Schicht 5 vorgesehen, die aus Übersichtlichkeitsgründen in Fig. 1 nicht dargestellt ist. Bei dieser hochohmigen Schicht 5 handelt es sich um eine sich bei der Sinterung der Keramik des Bauelementekörpers 1 bil­ dende Schicht.

In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist die hochohmige Schicht 5 eine dotierte oberflächennahe Schicht, die durch Dotierung mit Stoffen gebildet ist, welche auch zur Einstel­ lung des Widerstandswertes des Bauelementekörpers 1 Verwen­ dung finden. Die Widerstands- bzw. Leitfähigkeitswerte werden durch die Dotierungskonzentration bestimmt.

Durch eine derartige hochohmige Schicht 5 ist sichergestellt, daß sich bei einer Galvanik, bei der es sich ja um einen elektrischen Prozeß handelt, nur auf bereits vorhandenen elektrisch leitenden metallischen Schichten der Anschlußme­ tallisierungen 2, 3 nicht aber auf den zwischen den Anschluß­ metallisierungen liegenden Oberflächenbereichen 4 Material der auf den Anschlußmetallisierungen 2, 3 abzuscheidenden Schichten abscheidet.

Bei einem Verfahren- zur Herstellung von hochohmigen Schichten der vorgenannten Art wird der Bauelementekörper 1 aus einer elektrisch leitenden Keramik, der mit einem Dotierungsstoff so dotiert ist, daß er die für die Bauelementefunktion not­ wendige elektrische Leitfähigkeit besitzt, zusätzlich mit dem Dotierungsstoff unter solchen Bedingungen dotiert, daß sich eine oberflächennahe hochohmige Schicht 5 ergibt.

In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Dotierung zur Herstellung der oberflächennahen Schicht 5 durch Imprägnieren des Bauelementekörpers 1 mit einem den Do­ tierungsstoff enthaltenden Mittel erfolgen, wobei zunächst ein ungesinterter Grünkeramikkörper auf eine solche Dichte vorgesintert wird, daß das Imprägniermittel bis zu einer für die Dicke der oberflächennahen hochohmigen Schicht 5 vorgege­ benen Eindringtiefe eindringen kann, und der Dotierungsstoff in einer solchen Konzentration im Imprägniermittel enthalten ist, daß sich ein vorgegebener Widerstandswert der hochohmi­ gen oberflächennahen Schicht 5 ergibt.

Das Imprägniermittel kann eine den Dotierungsstoff enthal­ tende Suspension oder eine wäßrige oder organische Lösung sein. Insbesondere ist das Imprägniermittel eine zu 50 bis 100% gesättigte Lösung.

Handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen elektro-keramischen Bauelement um einen Heißleiter, so kann die Suspension oder Lösung einen Dotierungsstoff aus der Elementegruppe Co, Mn, Si, Al, Cr, Ni, Zn, Fe, Ti, Zr enthalten.

Für einen Kaltleiter kann die Suspension oder Lösung einen Dotierungsstoff aus den Elementegruppen Mn, Si, Y, Sb enthal­ ten, während es sich für einen Varistor um einen Dotierungs­ stoff aus der Elementengruppe Bi, Si, Mn, Sb handeln kann.

In praktischer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können monolithische funktionskeramische Bauelemente mit ei­ ner erfindungsgemäßen hochohmigen Schicht beispielsweise fol­ gendermaßen hergestellt werden.

Durch Pressen oder Extrudieren wird zunächst ein in seinen Abmessungen einen Sinterschwund berücksichtigender Grünkera­ mikkörper hergestellt, der nach einem Entkohlen ggf. auf etwa 50 bis 95% der Enddichte vorgesintert wird.

Danach erfolgt zur Herstellung einer erfindungsgemäßen hochohmigen Schicht ein Imprägnieren des Keramikkörpers mit­ tels wäßriger oder organischer Lösungen, die Elemente enthal­ ten, welche beim anschließenden Sintervorgang mit dem Kera­ mikkörper derart reagieren, daß die hochohmige Außenschicht entsteht. Die Dichte des Keramikkörpers muß dabei so einge­ stellt sein, daß das Imprägniermittel nur bis zu einer vorge­ gebenen Tiefe, von beispielsweise einigen Zehntel mm eindrin­ gen kann. Wie bereits ausgeführt, enthält das Imprägniermit­ tel z. B. die oben genannten Elemente in einer zu 50 bis 100% gesättigten Lösung.

Der so mit einer hochohmigen Schicht versehene Keramikkörper wird sodann gesintert und in Bauelementekörper entsprechende Teile getrennt. Nach Scheuern von Kanten erfolgt ein Tauchen der Stirnflächen in eine Metallpaste zur Herstellung einer Sperrschicht abbauenden Grund-Metallisierungsschicht. Diese Schicht kann beispielsweise auch durch Sputtern oder Bedamp­ fen aufgebracht werden. Wie eingangs bereits ausgeführt, ist diese Grund-Metallisierungsschicht vorzugsweise eine einen guten elektrischen Kontakt gewährleistende Silber-Schicht, bei Heißleitern und Varistoren und bei Kaltleitern eine Cr- oder Ti-Schicht. Es sei erwähnt, daß der Keramikkörper vor der Teilung eine allseitige hochohmige Schicht 5 aufweist. Durch das Zerteilen entstehen aber von dieser Schicht freie Stirnflächen, so daß eine elektrische Kontaktgabe gewährlei­ stet ist, selbst wenn kappenförmige Anschlußmetallisierungen sich auch auf Bereichen befinden, die die hochohmige Schicht 5 noch aufweisen.

Schließlich erfolgt eine galvanische Verstärkung der vorge­ nannten Grund-Metallisierungsschicht vorzugsweise mit Nickel und Zinn.

In entsprechender Weise können auch funktionskeramische Viel­ schichtbauelemente hergestellt werden. Dabei erfolgt zunächst die Herstellung eines Grünkörpers nach den an sich bekannten Verfahren der Vielschicht-Technologie mit anschließendem Ent­ kohlen und Vorsintern.

Erfindungsgemäße hochohmige Schichten werden mittels des oben bereits erläuterten Imprägnierens hergestellt. Nach einem Sintern des so imprägnierten Keramikkörpers kann entsprechend ein Scheuern, Herstellen der Grundmetallisierungsschicht so­ wie die galvanische Verstärkung der Grundmetallisierungs­ schicht erfolgen. Es sei hier lediglich erwähnt, daß das Scheuern des Keramikkörpers nicht unbedingt nach dem Sintern sondern auch bereits nach Herstellung des Grünkörpers, nach dem Entkohlen oder nach dem Vorsintern erfolgen kann.

Claims (12)

1. Elektro-keramisches Bauelement mit einem die Bauelemente­ funktion definierenden Bauelementekörper (1) aus einer elek­ trisch leitenden Keramik und mit am Bauelementekörper (1) vorgesehenen Anschlußmetallisierungen (2, 3), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens an von den Anschlußmetallisierungen (2, 3) freien Oberflächenbereichen (4) des Bauelementekörpers (1) eine hochohmige Schicht (5) vorgesehen ist, die bei den für die Sinterung der Keramik des Bauelementekörpers (1) zur An­ wendung kommenden Temperaturen sowie bei der Galvanik zur Herstellung der Anschlußmetallisierungen beständig ist.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hochohmige Schicht (5) eine dotierte oberflächennahe Schicht ist, die durch Dotierung mit Stoffen gebildet ist, welche mindestens teilweise auch zur Einstellung des Wider­ standswertes des Bauelementekörpers (1) Verwendung finden.

3. Verfahren zur Herstellung eines elektro-keramischen Bau­ elementes nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bauelementekörper (1) aus einer elektrisch leitenden Keramik, der mit einem Dotierungsstoff so dotiert ist, daß er die für die Bauelementefunktion notwendige elekrische Leitfä­ higkeit besitzt, zusätzlich mit dem Dotierungsstoff unter solchen Dotierungsbedingungen dotiert wird, daß sich eine oberflächennahe hochohmige Schicht (5) ergibt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung zur Herstellung der oberflächennahen Schicht (5) durch Imprägnieren des Bauelementekörpers (1) mittels eines den Dotierungsstoff enthaltenden Mittel er­ folgt, wobei zunächst ein ungesinterter Grünkeramikkörper auf eine solche Dichte vorgesintert wird, daß das Imprägniermit­ tel bis zu einer für die Dicke der oberflächennahen hochohmi­ gen Schicht (5) vorgesehenen Eindringtiefe eindringen kann, und der Dotierungsstoff in einer solchen Konzentration im Im­ prägniermittel enthalten ist, daß sich ein vorgegebener Wi­ derstandswert der hochohmigen oberflächennahen Schicht er­ gibt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Imprägniermittel eine den Dotierungsstoff enthaltende Suspension ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Imprägniermittel eine den Dotierungsstoff enthaltende Lösung ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Imprägniermittel eine den Dotierungsstoff enthaltende wäßrige Lösung ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Imprägniermittel eine den Dotierungsstoff enthaltende organische Lösung ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Imprägniermittel eine zu 50 bis 100% gesättigte Lö­ sung ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Imprägniermittel für Heißleiter einen Dotierungsstoff aus der Elementegruppe Co, Mn, Si, Al, Cr, Ni, Zn, Fe, Ti, Zr enthält.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Imprägniermittel für Kaltleiter einen Dotierungsstoff aus der Elementegruppe Mn, Si, Y, Sb enthält.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Imprägniermittel für Varistoren einen Dotierungsstoff aus der Elementegruppe Bi, Si, Mn, Sb enthält.