DE4029681A1 - Verfahren zum herstellen von oberflaechenmontierbaren keramischen bauelementen in melf-technologie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von ober­ flächenmontierbaren keramischen Bauelementen in Melf-Technologie.

Die herkömmliche Technik der Einsteckmontage von bedrahteten Bauelementen wird zunehmend durch die Oberflächenmontage unbe­ drahteter Bauelemente auf die Leiterplatte abgelöst. Die Vor­ teile der Oberflächenmontage sind dabei um so größer, je bes­ ser SMD (Surface Mounted Devices) -Bauelemente, Leiterplatten- Layout, automatische Bestückung, Löttechnik und Prüfen aufein­ ander abgestimmt sind.

Sehr weit verbreitet sind heute die SMD-Bauformen "Chip" und "Melf" (Metall elektrode face). Keramische Bauelemente im Sinne dieser Erfindung, also beispielsweise NTC- und PTC-Thermistoren, Varistoren und Kondensatoren, die jeweils als monolithischer Block oder in Vielschicht-Technik ausgeführt sein können, werden gegenwärtig in Chip-Bauform hergestellt. Die plattenförmigen Quader aus Keramik, die Innenelektroden aufweisen können, werden an zwei gegenüberliegenden Flächen mit sperrschichtfreien Metall­ elektroden versehen. Es werden im übrigen aber auch noch nicht­ lineare Widerstände in konventioneller, nicht oberflächenmontier­ barer Scheibenform hergestellt. Die zylinderförmige Melf-Bauform andererseits wird bei passiven Bauelementen bisher nur für rohr­ förmige Kondensatoren und für lineare Widerstände verwendet, wo­ bei einfach die seit langem bekannten Bauelemente an ihren Zylinderenden mit Metallkappen versehen werden und auf das An­ löten von Drähten verzichtet wird.

Die an sich erfolgreiche Chip-Bauform bringt bei der Herstellung keramischer Bauelemente mit "aktiven" Oberflächen eine Reihe spezifischer Probleme mit sich. Die empfindliche aktive Ober­ fläche muß im Hinblick auf die Stabilität der elektrischen Eigenschaften des Bauelements, vor seiner Umwelt, z. B. Fluß­ und Reinigungsmittel, Atmosphäre und Leiterbahn, geschützt werden. Die notwendige Passivierung der aktiven Oberfläche ist jedoch bei der Chip-Bauform nur unter hohem Aufwand möglich. Ein Abgleichen der von den Abmessungen des Keramikkörpers abhängigen elektrischen Werte ist bei der Chip-Bauform nur durch umständ­ liches Abtragen eines Teils der keramischen Masse möglich. Die elektrischen Werte sind aber auch maßgeblich durch die Form der Metallisierung beeinflußt, was bei der Chip-Bauform eine nicht zufriedenstellende Ablegierbeständigkeit bzw. Benetzbarkeit bewirkt. Schließlich ist auch noch auf die nicht zu unter­ schätzenden praktischen Probleme bei der von den Kunden gewünsch­ ten Kennzeichnung der Werte der Bauelemente hinzuweisen.

Versuche, die Vorteile der in mancher Hinsicht der Chip-Bauform überlegenen Melf-Technologie dadurch auszunutzen, daß konventio­ nelle scheibenförmige keramische Bauelemente in ein Glasrohr eingebracht und ihre gegenüberliegenden Stirnflächen durch zwei in die gegenüberliegenden offenen Enden des Glasrohrs einge­ steckte Metallstöpsel kontaktiert werden, haben nicht zu befrie­ digenden Ergebnissen geführt.

Aus der US-PS 40 64 475 ist ein Dickschichtvaristor auf ZnO- Basis und ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt geworden, bei dem zunächst jeweils eine leitende Kontaktschicht auf die gegenüberliegenden ringförmigen Stirnflächen eines rohrförmigen elektrisch isolierenden Substrats aufgetragen werden. Anschlie­ ßend wird auf die Mantelfläche des Substrats eine Elektroden­ paste aufgetragen, die an einem Rohrende mit der dortigen Kon­ taktschicht in Verbindung steht. Nach Herstellung der ersten Elektrode durch Erhitzen wird eine die erste Elektrode über­ deckende Varistorpaste aufgetragen und darüber eine zweite Elektrodenpaste, die mit der Kontaktschicht an der anderen, ge­ genüberliegenden Stirnfläche in Verbindung steht. Beide Schich­ ten werden anschließend erhitzt. An die gegenüberliegenden Kon­ taktschichten werden Drähte angebracht, indem an den Drahtenden befestigte Metallstöpsel in die Rohrenden eingelötet werden. Der Stromfluß durch den rohrförmigen Varistorkörper erfolgt radial von innen nach außen durch die rohrförmig aufgetragene Varistor­ schicht.

In der US-PS 40 69 465 ist ein Varistor und ein Verfahren zu seiner Herstellung beschrieben, bei dem zunächst ein rohrförmi­ ger Varistorkörper hergestellt wird. An dessen gegenüberliegen­ den ringförmigen Stirnflächen werden, ähnlich dem zuvor geschil­ derten bekannten Verfahren, Kontaktschichten angebracht. Auf den Varistormantel wird daraufhin eine Metallbelegung aufgetragen, die an den Rohrenden mit beiden Kontaktschichten in Verbindung steht. Anschließend wird die Metallbelegung durch eine elek­ trisch trennende Aussparung in zwei, in Bezug auf die Mittel­ achse des Rohrs nebeneinander angeordnete, Metallbelegungen aufgeteilt. Der Varistor wird abschließend wieder mit Hilfe von Metallstöpseln bedrahtet. Der Varistor kann, ebenso wie der zu­ vor beschriebene bekannte Varistor, danach noch mit einer nur die Drähte freilassenden schützenden Umhüllung versehen werden.

Bei dem aus der US-PS 40 69 465 bekannten Varistor erfolgt der Stromfluß in Rohrlängsrichtung. Über den durch die Breite und Tiefe der Aussparung festlegbaren Stromweg zwischen den beiden nebeneinanderliegenden Metallbelegungen (Elektroden) läßt sich die Varistorspannung unabhängig von der Wandstärke des Rohrs einstellen. Außerdem läßt sich, bei festgelegtem Querschnitt der Aussparung, das aktive Varistorvolumen durch die Länge der Aussparung, die z. B. ring- oder spiralförmig ausgebildet sein kann, einstellen. Um genügend Spielraum bei der Einstellung der Varistoreigenschaften zu haben, wird vorgeschlagen, eine aus­ reichende Tiefe der Aussparung dadurch zu erzielen, daß diese genügend tief in den Varistorkörper hineinreicht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ein­ faches und flexibles Verfahren der eingangs genannten Art anzu­ geben, daß die mit der Chip-Technologie verbundenen Probleme vermindert.

Zur Lösung dieser Aufgebe ist erfindungsgemäß ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgesehen,

• - bei dem auf die Oberfläche eines elektrisch isolierenden zylindrischen Grundkörpers,
• - allseitig eine elektrisch leitende Schicht als erste, innere Elektrode,
• - anschließend mindestens auf einen Teil der Oberfläche eine elektrisch aktive Schicht aus keramischem Material,
• - und daraufhin allseitig eine zweite elektrisch leitende Schicht als äußere Elektrode aufgetragen wird,
• - woraufhin auf die gegenüberliegenden Stirnseiten des beschich­ teten zylindrischen Grundkörpers Metallkappen in an sich be­ kannter Weise aufgebracht werden,
• - und bei dem danach die äußere Elektrode durch eine um den Zylinderumfang des beschichteten Grundkörpers herumreichende streifenförmige Unterbrechung aufgetrennt wird.

Erfindungsgemäß ist ein weiterer Lösungsvorschlag der Aufgabe ein Verfahren der eingangs genannten Art,

• - bei dem auf die Oberfläche eines elektrisch isolierenden zylindrischen Grundkörpers
• - allseitig eine elektrisch leitende Schicht als erste, innere Elektrode,
• - und anschließend mindestens auf einen Teil der Oberfläche eine elektrisch aktive Schicht aus keramischem Material aufgetragen wird,
• - woraufhin auf die gegenüberliegenden Stirnseiten des beschich­ teten zylindrischen Grundkörpers Metallkappen in an sich be­ kannter Weise aufgebracht werden.

Die Erfindung verbindet die herstellungstechnischen Vorteile der Melf-Technologie mit den geometrischen Vorteilen, die die Rohr­ form keramischer Bauelemente dadurch mit sich bringt, daß sie geringe Wandstärken mit großen Elektrodenflächen kombiniert. Vergleichbare scheibenförmige Bauelemente könnten nicht beliebig dünn, sondern müßten mit kleinerem Scheibendurchmesser, also hochohmiger, hergestellt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figuren zeigen jeweils schematisch und im Schnitt ein fertiges, jeweils nach einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestelltes Bauelement.

Fig. 1 erläutert eine erfindungsgemäße Herstellungsmöglichkeit eines Bauelements. Die Herstellung geht von einem beispiels­ weise aus Keramik, Kunststoff oder Glas bestehendem zylindri­ schem Grundkörper 1 aus. Auf diesen wird als innere Elektrode 2 eine elektrisch leitende Schicht beispielsweise auf chemischem Wege oder durch Sputter- oder Dickschichtmetallisierung all­ seitig aufgebracht. Anschließend wird allseitig eine elektrisch aktive Keramikschicht 3 in einer Dicke von bis zu einigen Zehntel mm aufgebracht. Das Keramikmaterial 3 kann vorzugsweise durch Sputtern, Lackieren oder durch Tauchen aufgebracht werden. Daran anschließend wird allseitig eine äußere Elektrode 4 all­ seitig aufgebracht. Danach werden die Zylinderenden mit einer vorzugsweise verzinnten aufsteckbaren Metallkappe 5 und 6 ver­ sehen. Die anschließende Auftrennung und Unterbrechung der äuße­ ren Elektrode 4 kann beispielsweise mechanisch oder durch einen Laser vorgenommen werden.

Durch Wahl der Breite der streifenförmigen Unterbrechung 7 kann auf einfache Weise eine Änderung der aktiven Fläche und damit ein sehr präziser Abgleich des keramischen Bauelementes vorge­ nommen werden. Zur Vermeidung eines Kurzschlusses ist es not­ wendig, daß sich die Unterbrechung 7 als geschlossene Kurve um den beschichteten Zylinder herumzieht.

Fig. 2 erläutert eine andere erfindungsgemäße Herstellungsmog­ lichkeit eines Bauelements. Diese unterscheidet sich von dem anhand von Fig. 1 erläuterten Verfahren dadurch, daß vor dem Aufbringen der Metallkappen 5 und 6 die äußere Elektrode 4 und die darunterliegende keramische Schicht 3 an einer Stirnseite 8 des beschichteten Zylinders entfernt wird. Danach kann die der Stirnseite 8 zugehörige Metallkappe 6 ohne Schwierigkeiten so aufgebracht werden, daß eine direkte elektrische Verbindung der inneren Elektrode 2 mit der Metallkappe 6 hergestellt wird.

Anschließend kann wieder ein Abgleich mittels der Unterbrechung 7 durchgeführt werden. Es ist möglich, auf der gegenüberliegen­ den Stirnseite 9 eine Isolierung 11 zwischen der inneren Elek­ trode 2 und der Metallkappe 5 vorzusehen. Dies hat den Vorteil, daß die aktive keramische Fläche exakt durch die nach Abgleich von innerer 2 und äußerer 4 Elektrode gemeinsam überdeckte Flä­ che gegeben ist.

Das in Fig 1 und 2 erläuterte Verfahren hat den Vorteil, daß es für die ersten vier Herstellungsschritte, also vor dem Aufstec­ ken der Metallkappen 5 und 6, die Möglichkeit der Schüttgutfer­ tigung bietet.

Fig. 3 erläutert eine weitere erfindungsgemäße Herstellungsmög­ lichkeit eines Bauelements. Bei der Herstellung wird, nachdem die ersten drei Herstellungsschritte mit den bisher beschriebenen Verfahren übereinstimmen, vor dem Aufbringen der Metallkappen 5 und 6 keine zweite, äußere Elektrode 4 aufgebracht. Die Möglich­ keit eines Abgleichs ist nicht mehr gegeben, da elektrisch wirk­ sam nur noch die beiden, zwischen der inneren Elektrode 2 und den Metallkappen 5 und 6 befindlichen Teile der Keramikschicht 3 sind, die in Serie hintereinander geschaltet sind.

Alle genannten Herstellungsmöglichkeiten können noch ergänzt werden, indem die zwischen den Metallkappen 5 und 6 freiliegen­ de Oberfläche 10 (siehe Fig 1, 2 und 3) des beschichteten Grund­ körpers 1 anschließend an die beschriebenen Verfahrensschritte durch Aufbringen einer elektrisch isolierenden Schutzschicht passiviert wird. Eine Schutzschicht aus Lack, Kunststoff oder Glas ist durch die zylinderförmige Melf-Bauform auf einfache Weise aufbringbar. Ebenso ist zusätzlich eine einfache Aufbrin­ gung einer Kennzeichnung, beispielsweise durch einen Laser, möglich.

Claims (4)

1. Verfahren zum Herstellen von oberflächenmontierbaren keramischen Bauelementen in Melf-Technologie bei dem auf die Oberfläche eines elektrisch isolierenden zylindrischen Grundkörpers (1),

• - allseitig eine elektrisch leitende Schicht als erste, innere Elektrode (2),
• - anschließend mindestens auf einen Teil der Oberfläche eine elektrisch aktive Schicht (3) aus keramischem Material,
• - und daraufhin allseitig eine zweite elektrisch leitende Schicht als äußere Elektrode (4) aufgetragen wird,
• - woraufhin auf die gegenüberliegenden Stirnseiten (8, 9) des beschichteten zylindrischen Grundkörpers (1) Metallkappen (5, 6) in an sich bekannter Weise aufgebracht werden,
• - und bei dem danach die äußere Elektrode (4) durch eine um den Zylinderumfang des beschichteten Grundkörpers (1) herumrei­ chende streifenförmige Unterbrechung (7) aufgetrennt wird.

2. Verfahren zum Herstellen von oberflächenmontierbaren keramischen Bauelementen in Melf-Technologie nach Anspruch 1, bei dem vor dem Aufbringen der Metallkappen (5, 6) die äußere Elektrode (4) und die darunterliegende keramische Schicht (3) an einer Stirnseite (8) entfernt und eine direkte elektrische Verbindung der inneren Elektrode (2) mit der danach auf die betreffende Stirnseite (8) aufgebrachten Metallkappe (6) herge­ stellt wird.

3. Verfahren zum Herstellen von oberflächenmontierbaren keramischen Bauelementen in Melf-Technologie

• - bei dem auf die Oberfläche eines elektrisch isolierenden zy­ lindrischen Grundkörpers (1),
• - allseitig eine elektrisch leitende Schicht als erste, innere Elektrode (2),
• - und anschließend mindestens auf einen Teil der Oberfläche eine elektrisch aktive Schicht (3) aus keramischem Material aufge­ tragen wird,
• - woraufhin auf die gegenüberliegenden Stirnseiten (8, 9) des beschichteten zylindrischen Grundkörpers (1) Metallkappen (5, 6) in an sich bekannter Weise aufgebracht werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, bei dem die zwischen den Metallkappen (5, 6) freiliegende Ober­ fläche (10) des beschichteten Grundkörpers (1) nach den genann­ ten Verfahrensschritten durch Aufbringen einer elektrisch iso­ lierenden Schutzschicht passiviert wird.