DE3900787A1 - Method for producing a ceramic electrical component - Google Patents

Method for producing a ceramic electrical component

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Abstract

A ceramic electrical component has at least two metal layers for each electrode, the first layer (1) being produced by means of screen-printing technology. The second (2) and possibly further metal layers are deposited on the component by means of sputtering technology or vapour deposition. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines kera mischen elektrischen Bauelementes, insbesondere eines PTC-Wider standes, welches zumindest auf Teilbereichen seiner Oberfläche für jede Elektrode mindestens zwei elektrisch leitende Metall schichten aufweist, und bei dem zunächst die zu metallisierende Oberfläche zumindest teilweise mit einer ersten, mittels Sieb drucktechnik hergestellten Schicht versehen wird. The invention relates to a method for producing a Kera mix electrical component, in particular a PTC-resisting article comprising layers of at least two electrically conductive metal on at least partial areas of its surface for each electrode, and in which firstly the surface to be metallized at least partially the first with a , is provided by means of printing technology produced layer sieve.

Ein derartiges Bauelement ist aus der US 42 32 214 bekannt. Such a device is known from US 42 32 214th

Keramische Bauelemente im Sinne der Erfindung verfügen über einen elektrisch aktiven, scheibchen- oder stabförmigen oder rechteckigen Grundkörper aus Keramik. Ceramic components according to the invention have an electrically active scheibchen- or rod-shaped or rectangular base body made of ceramic. Es kann sich um PTC- bzw. NTC-Widerstände, dh um Widerstände mit positivem bzw. nega tivem Temperaturkoeffizienten der Widerstandswerte handeln (Kalt- bzw. Heißleiter), aber auch um keramische Kondensatoren oder Varistoren (spannungsabhängige Widerstände). It may be PTC or NTC resistors, ie resistors with positive or nega tivem temperature coefficient of resistance values ​​act (cold or hot wire), but also ceramic capacitors or varistors (voltage-dependent resistors).

In allen genannten Fällen und bei anderen keramischen elektri schen Bauelementen, auf die sich die Erfindung bezieht, müssen die der Stromzuführung dienenden Metallbelegungen bestimmten An forderungen genügen. In all the cases mentioned and other ceramic electrical rule components, to which the invention relates that the power supply must meet serving metal coatings to certain requirements. Zu den üblichen Forderungen nach einfacher Lötbarkeit bzw. Kontaktierbarkeit der Metallschichten und nach mechanischer Festigkeit der Lötverbindungen kommen je nach Bau art und Anwendung noch weitere Forderungen hinzu. To the usual demands for easier solderability or contactability of the metal layers and on the mechanical strength of the solder joints are art, depending on the construction and application, additional requirements added. Zum einen können die elektrische Querleitfähigkeit des Metallbelages und seine Strombelastbarkeit von Bedeutung sein. First, the electrical transverse conductivity of the metal coating and its current capacity can be significant. Zum anderen stellt sich häufig die Frage nach der Langzeitstabilität hinsichtlich der Klimabelastbarkeit (Feuchtigkeit, Temperatur) der Metalli sierung von keramischen Bauelementen. On the other often arises the question of long-term stability in terms of load capacity air (humidity, temperature) of the Metalli tion of ceramic components.

Im Falle eines PTC-Heizelementes mit wabenartiger Struktur ist es aus der US-PS 42 32 214 bekannt, die elektrischen und chemi schen Eigenschaften von Metallelektroden durch einen mehrschich tigen Aufbau unter Verwendung unterschiedlicher Metallisierungs methoden zu verbessern. In case of a PTC heating element with honeycomb structure, it is known from US-PS 42 32 214, to improve the electrical and chemical properties rule of metal electrodes by a mehrschich term structure using various metallization methods. In der genannten Schrift geht es vor allem darum, ein Abbrennen der Metallelektrode durch Funkenbil dung zu verhindern, ohne die Dicke der Metallschicht auf unbe quem hohe Werte erhöhen zu müssen. In the cited document it is all about, to prevent burning of the metal electrode by a spark hazard, without having to increase the thickness of the metal layer for an quem high values. Gleichzeitig soll aber auch die Korrosion der üblichen Aluminium- oder Silberschichten ver mindert und das bekannte Problem der Silberwanderung (Migration) gelöst werden. At the same time, the corrosion of the usual aluminum or silver layers to reduce ver and the known problem of silver migration (migration) are dissolved.

Hierzu ist in der US-PS 42 32 214 vorgesehen, zunächst einen ersten Belag, dessen wesentlicher Bestandteil Silber ist, mit tels Siebdrucktechnik aufzutragen und darüber elektrolytisch einen zweiten, gleichgroßen Belag aus Nickel, Zink oder Chrom aufzutragen. For this purpose is provided in the US-PS 42 32 214, initially a first plate, whose essential component is silver, applied with means of screen printing technique and above electrolytically apply a second, equally large covering of nickel, zinc or chromium. In der Patentschrift wird vorgeschlagen, gegebenen falls zwischen den genannten Schichten noch eine dritte Schicht aus Silber, Gold oder Kupfer ebenfalls elektrolytisch aufzutra gen. In the patent specification it is proposed where appropriate gene also aufzutra electrolytically between said layers, a third layer of silver, gold or copper.

Da die oben angeführten zwei bzw. drei Metallschichten sich alle gleichweit bis zum Rand des Keramikkörpers erstrecken, ist die unterste Schicht aus Silber jedenfalls nicht vollständig gegen den Kontakt mit Feuchtigkeit und damit gegen die Gefahr der Kor rosion geschützt. Since the above-mentioned two or three metal layers are all the same distance to the edge of the ceramic body extend, the lowermost layer of silver is at least not completely protected against contact with moisture and thus against the risk of Cor rosion protected. Aus der Patentschrift ergibt sich außerdem, daß die dort vorgeschlagene konkrete Wahl des Materials und der immer noch relativ hohen Dicke der Metallschichten ziemlich einseitig unter dem Aspekt der Vermeidung des Abbrennens der Elektrode durch Funkenbildung getroffen wurde. From the patent specification is also apparent that the proposed therein specific choice of the material and the still relatively high thickness of the metal layers was made rather one-sided in the aspect of avoiding the burning of the electrode by sparks. Wie einleitend festgestellt wurde, sieht man sich jedoch in der Praxis mit einem ganzen Bündel von Anforderungen konfrontiert, die es mög lichst alle gleichermaßen zu befriedigen gilt. As stated in the introduction, is, however, is confronted in practice with a whole bunch of requirements that it AS POSSIBLE all applies to satisfy. Vor allem aber ist der vorgeschlagene Weg der elektrolytischen Aufbringung der oberen Metallschichten nach aller praktischen Erfahrung immer mit erheblichem Aufwand verbunden und umständlich. Above all, the proposed route of electrolytic deposition of the top metal layers for all practical experience is always connected with considerable effort and cumbersome.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art zu schaffen, mit dessen Hilfe es auf einfache Weise möglich ist, eine gut lötbare Me tallisierung keramischer elektrischer Bauelemente zu erzeugen, die korrosionsfest ist und eine hohe Strombelastbarkeit er möglicht. The present invention therefore has for its object to provide a method of the type indicated at the outset, by means of which it is possible in a simple manner, to produce a well-solderable Me metallization ceramic electric components, which is corrosion resistant and high current carrying capacity it enables.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Ver fahren der eingangs genannten Art vor, daß die zweite und ge gebenenfalls weitere Metallschichten mittels Sputter- oder Auf dampftechnik auf das Bauelement aufgebracht werden. To achieve this object, the invention provides for a drive Ver before the above-mentioned type, that the second and ge optionally further metal layers are applied by sputtering or vapor-on technique on the device.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich durch einen speziellen Schichtaufbau der Metallelektrode eine über raschende Kombination der Vorteile der Methoden der Dickschicht metallisierung (Siebdruck) und der Dünnschichtmetallisierung (zB Sputtern oder Bedampfen) erzielen läßt. The invention is based on the finding that a metallization surprising combination of the advantages of the methods of the thick layer (screen printing) and the Dünnschichtmetallisierung is possible to achieve (sputtering or vapor deposition, for example) by a special layer structure of the metal electrode.

Es hatte sich gezeigt, daß die an sich bewährte Sputtermethode bei elektrisch hoch belastbaren Kaltleitern, zB Schalt-Kalt leitern, zu Problemen führt, da die sehr dünnen gesputterten Schichten der elektrischen Belastung nicht standhielten. It had been shown that the proven itself sputtering, leads electrically heavy-duty cold ladders, ladders eg switch-cold problems since the very thin sputtered layers of electrical stress did not stand up. Die mit den gesputterten Mehrschichtsystemen erzielbare Langzeitstabi lität der Metallisierung ist jedoch angesichts der von den Kun den gestellten Anforderungen unverzichtbar. The achievable with the sputtered multilayer systems long-term stability of the metallization formality but is essential in view of the request made by the Kun requirements.

Der Erfindung gelingt es, einen Schichtaufbau anzugeben, der eine Optimierung der gewünschten Eigenschaften der Metallisie rung in Richtung auf eine besonders vorteilhafte universelle Anwendbarkeit der hergestellten Kaltleiter leistet. The invention succeeds to provide a layer structure, which provides an optimization of the desired properties of the metallization tion towards a particularly advantageous universal applicability of PTC produced.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aus geführt. Further developments of the invention are performed in the sub-claims from.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung erge ben sich aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen, die nach dem Gegenstand der Erfindung hergestellte Metallisierungen be schreiben. erge Further details, features and advantages of the invention ben from the following exemplary embodiments, the write metallization be produced by the subject matter of the invention.

In der dazugehörenden Zeichnung zeigen: In the associated drawing:

Fig. 1 einen seitlichen Schnitt einer Ausführungsform, Fig. 1 is a side section of an embodiment

Fig. 2 eine Draufsicht auf die gleiche Ausführungsform, Fig. 2 is a plan view of the same embodiment,

Fig. 3 die Draufsicht auf eine andere Ausführungsform, Fig. 3 is a plan view of another embodiment,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform, Fig. 4 shows a further embodiment,

Fig. 5 einen seitlichen Schnitt durch eine weitere Ausführungs form und Fig. 5 is a side sectional shape of a further execution, and

Fig. 6 eine Draufsicht auf die Ausführungsform nach Fig. 5. Fig. 6 is a plan view of the embodiment according to Fig. 5.

Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Kaltleiter, dessen aktiver elektrischer Grund körper 5 aus Keramik auf der Basis von durch Dotierung halblei tend gemachtem Bariumtitanat besteht. In the example shown in the Fig. 1 embodiment is a cold conductor whose active electric base body 5 is made of ceramics on the basis of semiconducting by doping tend homemade barium titanate. Dieser Grundkörper 5 ist etwa 4 cm lang, 3 cm breit und 0,3 cm dick. This base body 5 is about 4 cm long, 3 cm wide and 0.3 cm thick. Obwohl der Kaltlei ter auf Ober- und Unterseite mit zur Stromzuführung dienenden Belegen versehen wird, ist zur Vereinfachung der Figur nur die Oberseite detailliert dargestellt. Although the Kaltlei ter is provided on upper and lower surfaces serving for the current supply documents, is shown to simplify the figure, only the top surface in detail. Im Mittenbereich der Ober seite des Grundkörpers 5 ist eine 10 µm dicke Metallschicht 1 auf der Basis von Indium-Gallium-Silber vorhanden. In the central region of the upper surface of the base body 5, a 10 .mu.m thick metal layer 1 on the basis of indium-gallium-silver is present. Die Schicht 1 wird mit Hilfe eines Siebdruckverfahrens auf den Grundkörper 5 in Form einer Einbrennpaste aufgebracht und anschließend einge brannt, wobei die organischen Lösungsmittel der Paste verdampfen und die mit dem Grundkörper 5 verbundene leitende Metallschicht 1 entsteht. The layer 1 is applied by a screen printing method onto the base body 5 in the form of a stoving paste and subsequently burned, wherein the organic solvent of the paste to evaporate and the connected to the base body 5 conductive metal layer 1 is formed. Die Metallschicht 1 zeichnet sich durch hohe Quer leitfähigkeit und Strombelastbarkeit aus. The metal layer 1 is characterized by high transverse conductivity and current carrying capacity. Um eine Veränderung insbesondere des Widerstandswertes des kontaktierten Kaltleiters zu verhindern, muß die Silberschicht 1 gegen schädliche Umwelt einflüsse, insbesondere Luftfeuchtigkeit, geschützt werden. In order to prevent a change in particular the resistance of the PTC thermistor contacted, the silver layer 1 against environmental influences must, in particular humidity, are protected. Die besten Erfolge erzielt man, wenn über die Silberschicht 1 mit tels Sputtertechnik eine nur wenige Zehntel µm dicke Chrom schicht 2 aufgetragen wird, darüber auf dieselbe Weise eine ebenso dünne Schicht 3 aus Nickel und schließlich eine minde stens 0,1 µm dicke Deckschicht 4 aus einem einfach lötbares Ma terial, zB Silber. The best results are achieved if the silver layer 1 with means of sputtering layer is a few tenths of a micron thick chromium 2 is applied about in the same way an equally thin layer 3 of nickel and finally a minde least 0.1 micron thick top layer 4 of an easy solderable Ma TERIAL, as silver.

Es ist wichtig, bei Schicht 2 in Abstimmung mit Schicht 1 Mate rialien zu verwenden, die eine sperrschichtfreie Kontaktierung ermöglichen. It is important to use rials in coordination with layer 1 Mate at layer 2 that enable barrier-layer-free contacting. Bei einer Schicht 1 deren Hauptbestandteil Alumi nium ist, bietet es sich beispielsweie an, dasselbe Material auch für Schicht 2 zu verwenden. At a layer 1 whose main component Alumi nium, it lends itself to beispielsweie to use the same material for layer second

Die Nickelschicht 3 dient als Diffusionssperre und hat eine Schutzfunktion für die darunter befindlichen Schichten. The nickel layer 3 serves as a diffusion barrier and has a protective function for the layers below. In der Fig. erkennt man außerdem den auf der Deckschicht 4 haftenden Löt tropfen 6 und den durch ihn festgelegten Stromzuführungsdraht 7 . In FIG. Also to recognize the adhesive on the cover layer 4 Solder drop 6 and the set by him power supply wire 7.

In der Fig. 2 ist die gesamte große Oberfläche eines keramischen elektrischen Bauelementes mit den oberen Schichten 2 , 3 und 4 belegt. In FIG. 2, the entire large surface of a ceramic electrical component is covered with the upper layers 2, 3 and 4. Der mittig liegende, flächenmäßig kleinere Bereich, in dem die Grundschicht 1 aufgebracht wurde, wird von den oberen Schichten 2 , 3 und 4 vollständig überdeckt. The area centrally located, smaller area, in which the base layer 1 has been applied is covered completely by the upper layers 2, 3 and 4. FIG. Die vollständige Überdeckung hat den Vorteil, den Schutz der Grundschicht gegen klimatische Einflüsse durch die oberen Schichten noch zu er höhen. The complete coverage has the advantage of protecting the base layer to climatic effects through the upper layers of heights yet he.

Die Fig. 3 und 4 stellen Ausführungsformen dar, in denen zum einen neben der schon erwähnten Überdeckung ein Freirand 9 zwi schen dem äußeren Rand der obersten Schicht 4 und dem äußeren Rand des Bauelementes vorgesehen wurde. FIGS. 3 and 4 illustrate embodiments in which the one next to the already mentioned overlapping a free edge 9 Zvi rule the outer edge of the top layer 4 and the outer edge of the component has been provided. Zum anderen wurde die erste Schicht 1 aber auch nur selektiv (in Fig. 3 beispielsweise in Form eines konzentrischen Ringes) an solchen Stellen aufge bracht, die für eine spätere Außenkontaktierung oder das An bringen von Lötanschlüssen vorgesehen sind. Secondly, the first layer 1 but only selectively applied was placed at such points (3, for example in the form of a concentric ring in Fig.), The later for external contact or to bring are provided by soldered connections. Dies bringt den Vorteil einer erheblichen Material- und damit Kosteneinsparung mit sich. This has the advantage of considerable material and thus cost saving.

Fig. 5 und 6 zeigen als Beispiel für die vorteilhafte Freiheit in der Gestaltung der Geometrie der einzelnen Schichten eine weite re Ausführungsform. Fig. 5 and 6 show as an example of the advantageous freedom in the design of the geometry of the individual layers of a wide re embodiment. Wieder ist die erste Schicht 1 auf den Zen tralbereich der großen Oberfläche des Grundkörpers 5 begrenzt, während die zweite Schicht 2 und die dritte Schicht 3 die Ober fläche bis auf einen schmalen Freirand 9 vollständig bedecken. Again, the first layer 1 is on the Zen tralbereich the large surface of the base body 5 is limited, while the second layer 2 and third layer 3, the upper surface except for a narrow free edge 9 completely cover. Die vierte Schicht 4 , an der ein Klemmkontakt 8 anliegt, ist jedoch nur über einen Bereich aufgetragen, der den der Ausdeh nung der ersten Schicht 1 nur wenig überdeckt. The fourth layer 4, on which a terminal contact is applied is 8, but plotted only over a range of voltage to the Ausdeh the first layer 1 only slightly covered.

Claims (7)

  1. 1. Verfahren zur Herstellung eines keramischen elektrischen Bauelementes, insbesondere eines PTC-Widerstandes, welches zu mindest auf Teilbereichen seiner Oberfläche für jede Elektro de mindestens zwei elektrisch leitende Metallschichten aufweist, und bei dem zunächst die zu metallisierende Oberfläche zumindest teilweise mit einer ersten, mittels Siebdrucktechnik hergestell ten Schicht ( 1 ) versehen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite ( 2 ) und gegebenenfalls weitere Metallschichten mittels Sputter- oder Aufdampftechnik auf das Bauelement auf gebracht werden. 1. A process for producing a ceramic electrical component, which at least in partial areas of its surface for each electric de least two electrically conductive metal layers, in particular a PTC resistance, and wherein the first, the surface to be metallized at least partially with a first, by means of screen printing technique is provided hergestell th layer (1), characterized in that the second (2) and optionally further metal layers by sputtering or vapor deposition are brought to the device on.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die erste Schicht ( 1 ) eine Einbrennpaste auf der Basis einer Mischung von Indium-Gallium-Silber, für die zweite Schicht ( 2 ) Chrom, für eine dritte Schicht ( 3 ) Nickel und für eine vierte Schicht ( 4 ) Silber, Kupfer, Blei, Zinn oder eine Mischung dieser Elemente verwendet wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that as material for the first layer (1) is a stoving paste based on a mixture of indium-gallium-silver, for the second layer (2) of chromium, for a third layer (3) nickel and a fourth layer (4) of silver, copper, lead, tin or a mixture of these elements is used.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die erste Schicht ( 1 ) eine Einbrennpaste auf der Basis einer Mischung von Indium-Gallium-Aluminium, für die zweite Schicht ( 2 ) Chrom, für eine dritte Schicht ( 3 ) Nickel und für eine vierte Schicht ( 4 ) Silber, Kupfer, Blei, Zinn oder eine Mischung dieser Elemente verwendet wird. 3. The method according to claim 1, characterized in that as material for the first layer (1) is a stoving paste based on a mixture of indium-gallium-aluminum, for the second layer (2) of chromium, for a third layer (3) nickel and a fourth layer (4) of silver, copper, lead, tin or a mixture of these elements is used.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht ( 1 ) mit einer Dicke von größer oder gleich 10 µm , die zweite ( 2 ) und dritte ( 3 ) Schicht jeweils mit einer Dicke kleiner oder gleich 2 µm, und die vierte Schicht ( 4 ) mit einer Dicke größer oder gleich 0,1 µm hergestellt wird. 4. The method of claim 2 or 3, characterized in that the first layer (1) having a thickness greater than or equal to 10 microns, the second (2) and third (3) layer, each having a thickness less than or equal to 2 .mu.m and the fourth layer (4) having a thickness is made greater than or equal to 0.1 microns.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht ( 1 ) in einem flächenmäßig kleineren Be reich als die weiteren Schichten ( 2 , 3 , 4 ) aufgebracht und von diesen abgedeckt wird. 5. A method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the first layer (1) is applied rich than the other layers (2, 3, 4) in a smaller area Be and covered by these.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht ( 1 ) selektiv nur an solchen Stellen aufge bracht wird, die für eine spätere Außenkontaktierung oder das Anbringen von Lötanschlüssen vorgesehen sind. 6. The method according to claim 5, characterized in that the first layer (1) selectively placed only at such sites is introduced, which are provided for future external contact, or the implantation of solder bumps.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Schicht ( 4 ) selektiv nur an solchen Stellen aufgebracht wird, die für eine spätere Außenkontaktierung oder das Anbringen von Lötanschlüssen vorgesehen sind. 7. A method according to any one of claims 1 to 4 characterized in that the fourth layer (4) is selectively applied only at those points, which are provided for future external contact, or the implantation of solder bumps.
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