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 counter stood, which at least on parts of its surface at least two electrically conductive metals for each electrode has layers, and in which the first to be metallized Surface at least partially with a first one, using a sieve Printing technology produced layer is provided.

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

Keramische Bauelemente im Sinne der Erfindung verfügen über einen elektrisch aktiven, scheibchen- oder stabförmigen oder rechteckigen Grundkörper aus Keramik. Es kann sich um PTC- bzw. NTC-Widerstände, d.h. um Widerstände mit positivem bzw. nega­ tivem Temperaturkoeffizienten der Widerstandswerte handeln (Kalt- bzw. Heißleiter), aber auch um keramische Kondensatoren oder Varistoren (spannungsabhängige Widerstände).Ceramic components in the sense of the invention have an electrically active, disc-shaped or rod-shaped or rectangular base made of ceramic. It can be PTC or NTC resistors, i.e. to resistors with positive or nega act temperature coefficient of resistance values (PTC thermistor), but also around 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. 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. Zum einen können die elektrische Querleitfähigkeit des Metallbelages und seine Strombelastbarkeit von Bedeutung sein. Zum anderen stellt sich häufig die Frage nach der Langzeitstabilität hinsichtlich der Klimabelastbarkeit (Feuchtigkeit, Temperatur) der Metalli­ sierung von keramischen Bauelementen. In all cases mentioned and with other ceramic electri cal components to which the invention relates must the metal assignments used for power supply determine An demands are sufficient. To the usual demands for simpler Solderability or contactability of the metal layers and after mechanical strength of the solder joints come depending on the construction type and application add further requirements. On the one hand can the electrical transverse conductivity of the metal covering and its current carrying capacity may be important. On the other hand often the question of long-term stability with regard to the climatic resilience (humidity, temperature) of the metals sation 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 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. Gleichzeitig soll aber auch die Korrosion der üblichen Aluminium- oder Silberschichten ver­ mindert und das bekannte Problem der Silberwanderung (Migration) gelöst werden.In the case of a PTC heating element with a honeycomb structure it is known from US-PS 42 32 214, the electrical and chemi properties of metal electrodes through a multi-layer structure using different metallizations methods to improve. It goes in the scripture mentioned all about burning the metal electrode by spark prevention without undue thickness of the metal layer need to increase high values. At the same time, it should ver the corrosion of the usual aluminum or silver layers reduces and the known problem of silver migration (migration) be solved.

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. In der Patentschrift wird vorgeschlagen, gegebenen­ falls zwischen den genannten Schichten noch eine dritte Schicht aus Silber, Gold oder Kupfer ebenfalls elektrolytisch aufzutra­ gen.This is provided in US Pat. No. 4,232,214, initially one first covering, the essential component of which is silver, with to be applied by means of screen printing technology and then electrolytically a second, equally large covering made of nickel, zinc or chrome to apply. In the patent it is proposed to be given if there is a third layer between the layers mentioned also to be electrolytically applied from silver, gold or copper gene.

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. 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. 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. Vor allem aber ist der vorgeschlagene Weg der elektrolytischen Aufbringung der oberen Metallschichten nach aller praktischen Erfahrung immer mit erheblichem Aufwand verbunden und umständlich.Since the two or three metal layers listed above all match extend equally far to the edge of the ceramic body, the bottom layer of silver not completely against contact with moisture and thus against the risk of cor protected from rosion. The patent also shows that the concrete choice of material and material proposed there still relatively high thickness of the metal layers pretty much one-sided under the aspect of avoiding the burning of the Electrode was hit by sparking. How introductory was found, however, you see yourself in practice faced with a whole bunch of requirements that it could It is important to satisfy everyone equally. But especially is the proposed way of electrolytic application of the upper metal layers after all practical experience 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 is therefore based on the object To create methods of the type specified, with its Help it is easily possible to get a well solderable me to produce tallization of ceramic electrical components, which is corrosion-resistant and has a high current carrying capacity possible.

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 a Ver drive of the type mentioned that the second and ge if necessary, further metal layers by means of sputtering or on steam technology can be applied to the component.

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 (z.B. Sputtern oder Bedampfen) erzielen läßt.The invention is based on the knowledge that a special layer structure of the metal electrode surprising combination of the advantages of thick film methods metallization (screen printing) and thin-film metallization (e.g. sputtering or vapor deposition).

Es hatte sich gezeigt, daß die an sich bewährte Sputtermethode bei elektrisch hoch belastbaren Kaltleitern, z.B. Schalt-Kalt­ leitern, zu Problemen führt, da die sehr dünnen gesputterten Schichten der elektrischen Belastung nicht standhielten. Die mit den gesputterten Mehrschichtsystemen erzielbare Langzeitstabi­ lität der Metallisierung ist jedoch angesichts der von den Kun­ den gestellten Anforderungen unverzichtbar.It had been shown that the proven sputtering method with PTC thermistors, e.g. Switch-cold ladder, leads to problems because the very thin sputtered Layers of electrical stress could not withstand. With Long-term stabilization achievable with sputtered multi-layer systems The metallization is, however, in view of that of the art indispensable to the 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 in specifying a layer structure which an optimization of the desired properties of the metallization towards a particularly advantageous universal Applicability of the PTC thermistors produced.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aus­ geführt.Further developments of the invention are set out in the subclaims guided.

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

In der dazugehörenden Zeichnung zeigen:The accompanying drawing shows:

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 shows a side section through a further embodiment 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. Dieser Grundkörper 5 ist etwa 4 cm lang, 3 cm breit und 0,3 cm dick. 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. Im Mittenbereich der Ober­ seite des Grundkörpers 5 ist eine 10 µm dicke Metallschicht 1 auf der Basis von Indium-Gallium-Silber vorhanden. 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. Die Metallschicht 1 zeichnet sich durch hohe Quer­ leitfähigkeit und Strombelastbarkeit aus. Um eine Veränderung insbesondere des Widerstandswertes des kontaktierten Kaltleiters zu verhindern, muß die Silberschicht 1 gegen schädliche Umwelt­ einflüsse, insbesondere Luftfeuchtigkeit, geschützt werden. 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, z.B. Silber.In the embodiment shown in FIG. 1, it is a PTC thermistor whose active electrical base body 5 consists of ceramic on the basis of barium titanate made semiconducting by doping. This base body 5 is about 4 cm long, 3 cm wide and 0.3 cm thick. Although the Kaltlei ter is provided on the top and bottom with power supply documents, only the top is shown in detail to simplify the figure. In the central region of the upper side of the base body 5 there is a 10 μm thick metal layer 1 based on indium gallium silver. Layer 1 is applied to the base body 5 in the form of a baking paste with the aid of a screen printing process and then baked, the organic solvents of the paste evaporating and the conductive metal layer 1 connected to the base body 5 being formed. The metal layer 1 is characterized by high cross conductivity and current carrying capacity. In order to prevent a change in particular the resistance value of the contacted PTC thermistor, the silver layer 1 must be protected against harmful environmental influences, in particular atmospheric humidity. The best results can be achieved if a chrome layer 2 that is only a few tenths of a µm thick is applied over the silver layer 1 using a sputtering technique, an equally thin layer 3 of nickel and finally a cover layer 4 of at least 0.1 µm thick in the same way an easily solderable material, e.g. silver.

Es ist wichtig, bei Schicht 2 in Abstimmung mit Schicht 1 Mate­ rialien zu verwenden, die eine sperrschichtfreie Kontaktierung ermöglichen. Bei einer Schicht 1 deren Hauptbestandteil Alumi­ nium ist, bietet es sich beispielsweie an, dasselbe Material auch für Schicht 2 zu verwenden.It is important to use materials in layer 2 in coordination with layer 1 that enable contact-free contact. In the case of a layer 1 whose main constituent is aluminum, it is advisable, for example, to use the same material for layer 2 .

Die Nickelschicht 3 dient als Diffusionssperre und hat eine Schutzfunktion für die darunter befindlichen Schichten. In der Fig. erkennt man außerdem den auf der Deckschicht 4 haftenden Löt­ tropfen 6 und den durch ihn festgelegten Stromzuführungsdraht 7.The nickel layer 3 serves as a diffusion barrier and has a protective function for the layers underneath. The figure also shows the solder drop 6 adhering to the cover layer 4 and the power supply wire 7 defined by it.

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

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. 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. Dies bringt den Vorteil einer erheblichen Material- und damit Kosteneinsparung mit sich. 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. On the other hand, the first layer 1 was also brought up only selectively (in FIG. 3, for example, in the form of a concentric ring) at those locations which are intended for later external contacting or for bringing solder connections on. This has the advantage of considerable material and thus cost savings.

Fig. 5 und 6 zeigen als Beispiel für die vorteilhafte Freiheit in der Gestaltung der Geometrie der einzelnen Schichten eine weite­ re Ausführungsform. 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. 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. 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. Again, the first layer 1 is limited to the central area of the large surface of the base body 5 , while the second layer 2 and the third layer 3 completely cover the upper surface except for a narrow free edge 9 . The fourth layer 4 , against which a clamping contact 8 is applied, is however only applied over an area which only slightly covers the extent of the first layer 1 .

Claims (7)

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 method for producing a ceramic electrical component, in particular a PTC resistor, which has at least on partial areas of its surface for each electrode de at least two electrically conductive metal layers, and in which initially the surface to be metallized is at least partially with a first, using screen printing technology manufactured layer ( 1 ) is provided, characterized in that the second ( 2 ) and possibly further metal layers are brought onto the component by means of sputtering or vapor deposition technology. 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 a material for the first layer ( 1 ) a baking paste based on a mixture of indium gallium silver, for the second layer ( 2 ) chromium, for a third layer ( 3 ) Nickel and for a fourth layer ( 4 ) silver, copper, lead, tin or a mixture of these elements is used. 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 a material for the first layer ( 1 ) a baking paste based on a mixture of indium-gallium-aluminum, for the second layer ( 2 ) chromium, for a third layer ( 3 ) Nickel and for a fourth layer ( 4 ) silver, copper, lead, tin or a mixture of these elements is used. 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 according to claim 2 or 3, characterized in that the first layer ( 1 ) with a thickness of greater than or equal to 10 microns, the second ( 2 ) and third ( 3 ) layer each with a thickness less than or equal to 2 microns, and the fourth layer ( 4 ) is produced with a thickness greater than or equal to 0.1 µm. 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. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the first layer ( 1 ) in a smaller area Be than the other layers ( 2 , 3 , 4 ) applied and covered by these. 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 ) is brought up selectively only at those points which are provided for a later external contact or the attachment of solder connections. 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. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the fourth layer ( 4 ) is applied selectively only at those points which are provided for a later external contact or the attachment of solder connections.
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