DE4032181A1 - Verfahren zur herstellung keramischer elektronischer bauelemente in mehrschichtbauweise - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements in Form eines monolithischen keramischen Körpers.

Ein mehrschichtiges elektronisches Bauelement, beispielsweise ein Schicht­ kondensator, wird bisher nach dem folgenden Verfahren hergestellt.

Zunächst werden blattförmige keramische Grünschichten im Ausstreichver­ fahren mit Hilfe einer Ausstreichklinge hergestellt. Eine Leitpaste, die ein Metall zur Bildung der inneren Elektroden wie beispielsweise Palladium, Sil­ ber-Palladium oder Nickel enthält, wird in einem vorgegebenen Muster im Siebdruckverfahren auf die obere Oberfläche der keramischen Grünschicht aufgedruckt. Im allgemeinen werden relativ große keramische Gründschichten verwendet, und diese Schichten werden übereinandergestapelt und im wei­ teren Verlauf des Verfahrens zerschnitten, so daß eine Vielzahl von Mehr­ schichtkondensatoren in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt wird. Dem­ gemäß wird die Leitpaste zur Bildung der inneren Elektroden in mehreren Gebieten auf die obere Oberfläche der keramischen Grünschicht aufgedruckt.

Mehrere keramische Grünschichten, die jeweils mit einer aufgedruckten Leitpaste versehen sind, werden übereinandergestapelt und in Richtung ihrer Dicke gepreßt. Anschließend wird der auf diese Weise erhaltene Schichtkör­ per in Richtung seiner Dicke geschnitten, so daß man eine Vielzahl von Schichtkörpern erhält, die jeweils einen Mehrschichtkondensator bilden.

Jeder der Schichtkörper wird gebrannt, so daß ein gesinterter Körper ent­ steht. Anschließend wird Leitpaste für äußere Elektroden in einem vorgege­ benen Gebiet auf die Oberfläche des gesinterten Körpers aufgetragen und aus­ geheizt, wodurch der Mehrschichtkondensator vervollständigt wird.

Um die Abmessungen des Mehrschichtkondensators zu verringern und die Kapazität zu erhöhen, sollte die Dicke der Keramikschichten zwischen den inneren Elektroden möglichst verringert werden.

Wenn das Verhältnis der Dicke der Keramikschichten zur Dicke der inneren Elektroden nach dem Brennen zu klein wird, so wird jedoch der Schwund der Keramikschichten durch den Schwund der Leitpaste beim Brennen be­ einflußt. Hieraus ergibt sich das Problem, daß der gesinterte Körper leicht zerbricht oder daß der sich beim Brennen ergebende Schwundfaktor instabil wird.

Außerdem enthält die Leitpaste ein Lösungsmittel, das ein Quellen oder Schmelzen der keramischen Grünschicht bewirkt. Infolgedessen besteht wei­ terhin das Problem, daß die inneren Elektroden leicht kurzgeschlossen wer­ den und daß die Spannungsfestigkeit des Bauelements verringert wird.

Aus diesem Grund ist vorgeschlagen worden, eine Verdünnung der Keramik­ schichten dadurch zu ermöglichen, daß man als innere Elektrode einen Me­ tallfilm verwendet, der in einem Dünnschichtverfahren wie beispielsweise Bedampfen. Sputtern oder Plattieren hergestellt wird. Bei diesen Verfahren wird die Zuverlässigkeit des Herstellungsprozesses verbessert. In diesem Fall wird die Verdünnung der Keramikschicht dadurch erreicht, daß man anstelle der verhältnismäßig dicken Leitpaste eine dünne innere Elektrode verwen­ det, die in einem Dünnschichtverfahren hergestellt ist.

In diesem Fall hat allerdings auch der im Dünnschichtverfahren hergestellte Metallfilm selbst nur eine geringe Dicke. Hieraus ergibt sich eine Anzahl von Problemen, beispielsweise insofern, als die innere Elektrode beim Brennen leicht beschädigt werden kann.

Die Sintertemperatur der im Dünnschichtverfahren hergestellten inneren Elektrode ist kleiner als die herkömmlicher innerer Elektroden aus Leitpa­ ste. Wenn die Keramikschicht auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der eine nennenswerte Sinterung der Keramik eintritt, kommt es daher zu einer Schrumpfung des Metallfilms, so daß die innere Elektrode leicht zerreißt oder in sonstiger Weise beschädigt wird.

Um eine solche Beschädigung der inneren Elektrode zu vermeiden, könnte man versuchen, durch eine geeignete Legierung die Sintertemperatur des Metalls zu erhöhen oder die Oberflächenhaftung zwischen Metall und Kera­ mik zu verbessern.

Bei den üblichen Dünnschichtverfahren zur Herstellung dünner Metallfilme ist es jedoch schwierig, aus einem Metall mit der gewünschten Legierungszu­ sammensetzung einen dünnen Film herzustellen, ohne daß sich dabei die Zu­ sammensetzung der Legierung ändert. In vielen Fällen weicht deshalb die Le­ gierungszusammensetzung des Dünnfilms wesentlich von der gewünschten Legierungszusammensetzung ab. Es erweist sich als äußerst schwierig, die Legierungszusammensetzung geeignet zu steuern. Infolgedessen stößt die Herstellung innerer Elektroden mit der gewünschten Legierungszusammen­ setzung auf erhebliche Schwierigkeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes und zuverlässiges Verfahren zur Herstellung keramischer elektronischer Bauelemente in Form monolither Blöcke anzugeben, bei dem die inneren Elektroden durch Metall­ filme mit der gewünschten Legierungszusammensetzung gebildet werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den in An­ spruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die Erfinder haben ein Verfahren zur Herstellung innerer Elektroden aus Metallfilmen mit der gewünschten Legierungszusammensetzung sorgfältig untersucht und festgestellt, daß ein aus mehreren Schichten bestehendes Bauelement mit inneren Elektroden mit der gewünschten Legierungszusam­ mensetzung hergestellt werden kann, wenn man die dünnen Metallfilme nicht direkt aus der Legierung herstellt, sondern mehrere dünne Filme aus verschiedenen Metallen oder Metallzusammensetzungen laminiert, so daß sich die letztlich gewünschte Legierung erst beim Brennen der Keramik aus den übereinanderliegenden Metallfilmen bildet. Diese Erkenntnis bildet die Grundlage der erfindungsgemäßen Lösung.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mehrere Metallfilme in Dünnschichttechkik überlagert, so daß sich ein Metallfilm-Laminat ergibt, das als Ausgangsmaterial für die Legierung zur Bildung der inneren Elektrode dient. Die Metallpartikel in dem durch Dünnschichttechnik erhaltenen Me­ tallfilm-Laminat weisen einen Anteil ultrafeiner Partikel in der Größenord­ nung von einem Nanometer auf, so daß ihre Aktivität sehr groß ist. Beim Brennen der Keramik verwandelt sich das Laminat daher problemlos in eine Legierung mit der gewünschten Zusammensetzung. Auf diese Weise ist eine einfache Herstellung eines elektronischen Mehrschicht-Bauelements mit in­ neren Elektroden aus der gewünschten Legierungszusammensetzung mög­ lich.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können somit elektronische Mehr­ schicht-Bauelemente hergestellt werden, die sich durch eine höhere Zuver­ lässigkeit, geringe Abmessungen und eine hohe Kapazität auszeichnen, und die Gefahr einer Beschädigung der Elektroden wird trotz der verringerten Dicke der Elektroden vermieden, so daß eine beträchtliche Verringerung der Dicke der Keramikschichten und der inneren Elektroden möglich ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen keramischen Schichtkör­ per, der gemäß dem erfindungsgemäßen Herstellungs­ verfahren durch eine abwechselnde Folge von kerami­ schen Grünschichten und Metallfilm-Laminaten gebil­ det wird;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung einer Herstellungsstufe, in der ein erster Metallfilm hergestellt ist;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer Herstellungsstufe, in der dem ersten Metallfilm ein weiterer Metallfilm überla­ gert ist;

Fig. 4 den Zustand nach der Herstellung eines Flächenmu­ sters in den übereinander laminierten Metallfilmen;

Fig. 5 eine Schnittdarstellung zur Illustration eines Verfah­ rens zur Übertragung des Metallfilm-Laminats auf eine keramische Grünschicht;

Fig. 6A und 6B Grundrißdarstellungen der keramischen Grünschich­ ten mit den darauf aufgebrachten Metallfilm-Laminaten; und

Fig. 7 einen Schnitt durch einen als Endprodukt des Herstel­ lungsverfahrens erhaltenen Merhschichtkondensator.

Wie im Schnitt in Fig. 2 zu erkennen ist, wird zunächst ein Film 1 aus Poly­ ethylenterephthalat vorbereitet. Der Film 1 kann auch aus einem anderen Kunststoff als Polyethylenterephthalat oder aus einem anderen Material als Kunststoff bestehen, sofern sichergestellt ist, daß er bei einer Temperatur von annähernd 75°C nicht verformt wird.

Auf den ersten Film 1 wird in einem Verfahren zur Dünnfilmherstellung ein erster Metallfilm 2 aufgebracht. Der Metallfilm 2 besteht aus einem geeigne­ ten Material wie beispielsweise Silber, Palladium, Nickel oder Kupfer. Die Materialzusammensetzung des ersten Metallfilms 2 ist so gewählt, daß sich in Verbindung mit der Materialzusammensetzung anderer Metallfilme, die spä­ ter beschrieben werden, eine gewünschte Legierungszusammensetzung für eine innere Elektrode des elektronischen Bauelements ergibt. Zur Herstel­ lung des dünnen Films wird ein bekanntes Verfahren wie beispielsweise Be­ dampfen, Sputtern, Plattieren oder dergleichen eingesetzt.

Gemäß Fig. 3 wird auf die Oberfläche des ersten Metallfilms 2 in Dünn­ schichttechnik ein weiterer Metallfilm 3 aufgebracht, der eine andere Mate­ rialzusammensetzung aufweist, so daß sich insgesamt ein geschichteter Me­ tallfilm 4 oder ein Metallfilm-Laminat ergibt. Die von dem Material des ersten Metallfilms 2 verschiedene Materialzusammensetzung des zweiten Metall­ films 3 ist so gewählt, daß die gewünschte Legierungszusammensetzung der inneren Elektrode erreicht wird, wie später näher erläutert wird.

Das Dickenverhältnis der Metallfilme 2 und 3 wird ebenfalls im Hinblick auf die gewünschte Legierungszusammensetzung eingestellt.

Anschließend wird in dem laminierten Metallfilm 4 ein Flächenmuster er­ zeugt, beispielsweise indem Teile des Metallfilms entfernt werden, wie in Fig. 4 gezeigt ist, so daß einzelne laminierte Metallfilme 4a, 4b, . . . entstehen. Zur Herstellung dieses Flächenmusters wird der laminierte Metallfilm 4 nach Auftragen einer Maske aus einem geeigneten Resistmaterial geätzt.

Die einzelnen laminierten Metallfilme 4a und 4b werden anschließend auf ei­ ne keramische Grünschicht übertragen. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, wird die Grünschicht auf einer unteren Metallform 5 abgelegt, und der in Fig. 4 ge­ zeigte Film 1 wird in umgekehrter Stellung auf die keramische Grünschicht 6 aufgelegt, so daß die laminierten Metallfilme 4a und 4b der Oberfläche der Grünschicht 6 zugewandt sind. Die Schichtstruktur aus der Grünschicht 6, den laminierten Metallfilmen 4a und 4b und dem Film 1 wird mit Hilfe einer oberen Metallform 7 gepreßt.

Die obere Form 7 weist in ihrem Inneren eine Heizeinrichtung 7a auf, mit der der Film 1 auf eine Temperatur von annähernd 75°C erhitzt wird. Durch dieses Heißpressen werden die laminierten Metallfilme 4a und 4b auf die ke­ ramische Grünschicht 6 übertragen. Der Anpreßdruck bei diesem Preßvor­ gang beträgt annähernd 2 bis 50 MPa (20 bis 50° Kg/cm²).

Bei dem oben beschriebenen Verfahren erhält man eine keramische Grün­ schicht 6, auf deren Oberfläche sich die laminierten Metallfilme 4a und 4b befinden. Es wird jeweils eine Vielzahl keramischer Grünschichten mit lami­ nierten Metallfilmen in einem Arbeitsgang hergestellt, wie im einzelnen un­ ter Bezugnahme auf Fig. 6A und 6B beschrieben werden soll.

Fig. 6A und 6B zeigen jeweils in der Draufsicht zwei keramische Grün­ schichten, die jeweils mehrere laminierte Metallfilme tragen, wobei die Me­ tallfilme in mehreren verschiedenen Gebieten auf der Oberfläche der Grün­ schicht angeordnet sind. Die keramische Grünschicht 6, die in Fig. 6A ge­ zeigt ist, trägt laminierte Metallfilme 4a bis 4r, und die in Fig. 6B gezeigte Grünschicht 9 trägt laminierte Metallfilme 8a bis 8l. Mehrere keramische Grünschichten 6 und 9 mit der in Fig. 6A bzw. 6B gezeigten Anordnung von laminierten Metallfilmen werden abwechselnd übereinandergelegt, und der so erhaltene Schichtkörper wird längs Linien geschnitten, die in Fig. 6A und 6B durch strichpunktierte Linien angedeutet sind. Auf diese Weise wird der Schichtkörper in eine Vielzahl kleinerer Schichtkörper zerteilt.

Einer dieser kleineren Schichtkörper ist im Schnitt in Fig. 1 gezeigt und mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Die laminierten Metallfilme 4a und 8a sind abwechselnd zwischen den Lagen der keramischen Grünschichten in dem Schichtkörper 10 angeordnet. Die laminierten Metallfilme 4a liegen an einer Stirnfläche 10a des Schichtkörpers 10 frei, während die Metallfilme 8a an der entgegengesetzten Stirnfläche 10b freiliegen.

Der Schichtkörper 10 wird anschließend in gleicher Weise wie bei dem be­ kannten Verfahren zur Herstellung von Mehrschichtkondensatoren gebrannt. Beim Brennen wird das den Schichtkörper 10 im wesentlichen bildende Ke­ ramikmaterial zu einem gesinterten Körper 12 gesintert, und die Metallfilm- Laminate 4a, 8a werden legiert, so daß hieraus innere Elektroden 11a bis 11d entstehen, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Wie oben beschrieben wurde, bestehen die laminierten Metallfilme jeweils aus ersten und zweiten Metallfilmen, die im Dünnschichtverfahren hergestellt wurden. Die Metallpartikel in jedem der Metallfilme bestehen deshalb zumindest zum Teil aus ultrafeinen Partikeln mit einer Körnung in der Größenordnung von einem Nanometer, so daß sie eine beträchtlich hohe Aktivität aufweisen. Wenn das Material der ersten und zweiten Metallfilme beim Brennen legiert wird, entsteht daher mit hoher Zu­ verlässigkeit eine Legierung, die die gewünschte Zusammensetzung aufweist.

Schließlich werden die beiden Stirnflächen 12a und 12b des gesinterten Körpers 12 mit Leitpaste beschichtet und anschließend gebrannt, so daß äu­ ßere Elektroden 13a und 13b gebildet werden. Für die Herstellung dieser äu­ ßeren Elektroden 13a, 13b kann das bekannte Verfahren zur Herstellung der äußeren Elektroden eines Mehrschichtkondensators eingesetzt werden.

Während bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel mehrere kerami­ sche Grünschichten 6 und 9 gemäß Fig. 6A und 6B übereinanderge­ schichtet werden, läßt sich ein Schichtkörper auch dadurch erhalten, daß man eine unbeschichtete keramische Grünschicht auf eine mit auflaminierten Metallfilmen versehene Grünschicht auflegt und anschließend die laminier­ ten Metallfilme auf die ursprünglich unbeschichtete Grünschicht überträgt und daß man diesen Prozeß mehrfach wiederholt.

In einer weiteren Abwandlung des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels läßt sich der Schichtkörper dadurch erhalten, daß man einen laminierten Metallfilm auf einem Film ausbildet, eine keramische Grünschicht auf dem la­ minierten Metallfilm ausbildet, so daß sie diesen überlagert, und anschlie­ ßend den laminierten Metallfilm auf die aufgelegte keramische Grünschicht zusammen überträgt und daß man diesen Prozeß mehrfach wiederholt.

Während bei dem oben beschriebenen Verfahren relativ große keramische Grünschichten 6 und 9 übereinandergelegt werden und der so erhaltene Schichtkörper längs der strichpunktierten Linien A und B in Fig. 6a und 6B in Teile zerschnitten wird, so daß man eine Vielzahl von Schichtkörpern erhält, ist es auch möglich, die Schichtkörper einzeln aus kleineren kerami­ schen Grünschichten herzustellen.

Der laminierte Metallfilm kann abweichend von dem beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispiel auch aus drei oder mehr übereinanderliegenden Metallfilmen bestehen.

Das oben beschriebene Verfahren ist nicht auf die Herstellung von Mehr­ schichtkondensatoren beschränkt, sondern kann auch zur Herstellung ande­ rer elektronischer Bauelemente in Mehrschichtbauweise eingesetzt werden, beispielsweise zur Herstellung monolithischer Widerstände gemäß dem US- Patent 42 90 041. Bei der Herstellung des in diesem Patent beschriebenen Widerstands werden dann die inneren Elektroden nach dem oben beschrie­ benen Verfahren gebildet.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements in Mehr­ schichtbauweise, bei dem mehrere innere Elektroden (11a, 11b, 11c, 11d) einander überlappend und unter Zwischenfügung von Keramikschichten (6) in einem gesinterten Keramikkörper (12) angeordnet sind, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

• - mehrere Metallfilme (2, 3), die sich in ihrer Metallzusammensetzung unterscheiden, werden der Reihe nach übereinandergeschichtet, so daß sich ein laminierter Metallfilm (4; 4a, 8a) bildet, wobei die Materia­ lien der einzelnen Metallfilme zusammen das Ausgangsmaterial für eine Legierung mit der für die inneren Elektroden gewünschten Metallzu­ sammensetzung bilden,
• - durch abwechselndes Übereinanderlegen mehrerer keramischer Grün­ sichten (6, 9) und der laminierten Metallfilme (4a, 8a) wird ein Schichtkörper (10) gebildet und
• - der Schichtkörper (10) wird gebrannt, wodurch die laminierten Me­ tallfilme zu einem die inneren Elektroden (11a, 11b, 11c, 11d) bilden­ den Material legiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die la­ minierten Metallfilme (4) herstellt, indem man die einzelnen Metallfilme (2, 3) in Dünnschichttechnik nacheinander auf einem Träger-Film (1) ausbil­ det.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schicht­ körper (10) hergestellt wird, indem man die auf dem Träger-Film (1) gebil­ deten laminierten Metallfilme (4) jeweils auf eine keramische Grünschicht (6) überträgt und die mit den laminierten Metallfilmen versehenen kerami­ schen Grünschichten übereinandergelegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Herstellung des Schichtkörpers (10) in der Schichtfolge der keramischen Grünschichten außer den mit laminierten Metallfilmen auf jeweils einer Hauptfläche versehenen Grünschichten (6) wenigstens eine keramische Grünschicht ohne Metallfilm vorsieht.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man eine zweite keramische Grünschicht auf eine mit dem laminierten Metallfilm (4) versehene keramische Grünschicht (6) auflegt und einen laminierten Metall­ film auf die obere Oberfläche der zweiten Grünschicht aufprägt und daß man diese Schritte wiederholt, um den Schichtkörper (10) aufzubauen.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man den Schichtkörper (10) aufbaut, indem man eine keramische Grünschicht auf dem auf dem Träger-Film (1) ausgebildeten laminierten Metallfilm (4) auflegt und anschließend den laminierten Metallfilm zusammen mit der aufliegenden Grünschicht überträgt und indem man diese Schritte wiederholt.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der laminier­ te Metallfilm (4) vor der Übertragung auf die keramische Grünschicht in mehrere Bereiche (4a-4r; 8a-8l) aufgeteilt wird, daß man die mehreren Be­ reiche des laminierten Metallfilms auf die keramische Grünschicht überträgt und den aus mehreren in dieser Weise mit Metallfilm-Bereichen versehenen Grünschichten gebildeten Schichtkörper in Richtung seiner Dicke zerschnei­ det, so daß mehrere kleinere Schichtkörper gebildet werden.