EP1386334A1 - Keramisches vielschichtbauelement und verfahren zur herstellung - Google Patents

Keramisches vielschichtbauelement und verfahren zur herstellung

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Publication number
EP1386334A1
EP1386334A1 EP01940212A EP01940212A EP1386334A1 EP 1386334 A1 EP1386334 A1 EP 1386334A1 EP 01940212 A EP01940212 A EP 01940212A EP 01940212 A EP01940212 A EP 01940212A EP 1386334 A1 EP1386334 A1 EP 1386334A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ceramic
component
electrodes
electrode
sintering
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01940212A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lutz Kirsten
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
Epcos AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Epcos AG filed Critical Epcos AG
Publication of EP1386334A1 publication Critical patent/EP1386334A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/02—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having positive temperature coefficient
    • H01C7/022—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having positive temperature coefficient mainly consisting of non-metallic substances
    • H01C7/023—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having positive temperature coefficient mainly consisting of non-metallic substances containing oxides or oxidic compounds, e.g. ferrites
    • H01C7/025—Perovskites, e.g. titanates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G4/00—Fixed capacitors; Processes of their manufacture
    • H01G4/002—Details
    • H01G4/005—Electrodes
    • H01G4/008—Selection of materials
    • H01G4/0085—Fried electrodes

Definitions

  • the invention relates to a ceramic multilayer component according to the preamble of claim 1 and a method for producing the component.
  • Such a component is for example from the
  • EP 0734031A2 known. It comprises a monolithic ceramic component body made of a perovskite ceramic, which has a multilayer structure made of alternating ceramic and electrode layers. The internal electrodes based on nickel or nickel alloys are alternately connected to collecting electrodes attached to the outside of the component body. The component is designed as a varistor. +
  • a ceramic multilayer component which can be used as a capacitor is known from US-3679950.
  • This component also has alternating ceramic and electrode layers, the electrode layers being alternately contacted with two collecting electrodes attached to the side of the component body.
  • the electrode layers are first prefabricated as porous ceramic intermediate layers and only subsequently impregnated with conductive material, for example with silver in a silver nitrate melt or in a melt of a BiPbSnCd alloy.
  • a ceramic PTC thermistor in multi-layer construction which has electrode layers comprising aluminum. These form an ohmic contact with the ceramic and can be sintered at temperatures up to 1200 ° without damage.
  • a disadvantage of this multilayer thermistor component is that the aluminum partially diffuses out of the electrode layers into the ceramic, thereby impairing the component properties in the medium or long term or even rendering the component unusable.
  • a ceramic multilayer component comprising a stack connected to form a monolithic component body from a plurality of ceramic layers provided on both sides with electrodes, in which the electrode layers are alternately contacted with collecting electrodes attached to the side of the component, and wherein Material of the internal electrodes comprises tungsten.
  • the object of the present invention is to provide a ceramic multilayer component with ceramic layers comprising PTC ceramic, which has internal electrodes which are stable with respect to sintering and which has long-term stable component properties.
  • This object is achieved according to the invention by a ceramic multilayer component of the type mentioned at the beginning, in which the material comprises at least the internal electrodes tungsten and in which the ceramic layers comprise a PTC ceramic.
  • tungsten is an inexpensive electrode material which, for example, is considerably less expensive than noble metals such as palladium or platinum, so that ceramic multilayer components according to the invention are less expensive to manufacture than those with electrodes containing noble metals.
  • Essential to the invention is not the electrical conductivity of tungsten, but the degradation of the barrier layer to the thermistor material, which alone is achieved by the presence of a suitable amount of tungsten that makes good ohmic contact.
  • the thickness of the individual ceramic layer also reduces its electrical resistance perpendicular to the main surface, that is, in the direction of the layer thickness, without the specific resistance of the ceramic having to be reduced.
  • a further reduction in the resistance of the entire multilayer component results from the parallel connection of the individual PTC elements which, when stacked one above the other, result in the multilayer component. This also ensures a high current carrying capacity of the component.
  • the properties of the overall component can be specifically influenced or varied by varying the parameters of the layer thickness and base area of the individual element and the number of individual layers stacked one on top of the other in the multilayer component.
  • a given multilayer component can therefore be varied within wide limits in its properties, without the ceramic composition having to be changed.
  • the component properties can often only be set by varying the component dimension or by varying the materials used for the component.
  • a ceramic multilayer component according to the invention is therefore particularly suitable for use in SMD assembly technology, which requires a compact machine-processable or machine-compatible design. This can be varied as desired for the multilayer component, since the component properties can be set independently of this.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a ceramic green sheet printed with an electrode layer
  • FIG. 2 shows a multilayer component according to the invention in a schematic cross section
  • FIG. 3 shows a top view of a ceramic green sheet that can be divided into several components with active and passive areas
  • Figure 4 shows a layer stack of ceramic green sheet in cross section.
  • the ceramic starting material is finely ground and mixed homogeneously with a binder material.
  • the film is then produced in a desired thickness by film drawing or film casting.
  • Figure 1 shows such a green sheet 1 in perspective
  • An electrode pair is now placed on a surface of the green sheet 1 in the area provided for the electrode. ste 2 applied.
  • a number of in particular sealing layer processes are suitable for this, preferably printing, for example by means of screen printing.
  • the electrode paste 2 consists of metallic, metallic tungsten or a tungsten compound comprising particles for producing the desired conductivity, optionally sinterable ceramic particles for adapting the shrinking properties of the electrode paste to that of the ceramic and a burnable organic binder in order to make the ceramic mass or one more malleable To ensure cohesion of the green bodies.
  • Particles of pure tungsten, particles of tungsten alloy, tungsten compound or mixed particles of tungsten and other metals can be used.
  • the proportion of tungsten can vary within wide ranges, with the sintering conditions possibly having to be adapted to the composition of the electrode paste.
  • the barrier layer in PTC thermistor material is broken down regularly with tungsten contents of 3 or more percent by weight (based on the metallic particles).
  • the printed green foils 9 are then stacked in a desired number in a stack of foils such that (green) ceramic layers 1 and electrode layers 2 are arranged alternately one above the other.
  • the electrode layers are also connected alternately on different sides of the component to collecting electrodes in order to connect the egg electrodes in parallel.
  • a uniform electrode geometry is preferably selected for this purpose, the first and second green film 9 differing in that they are rotated in the film stack against one another by 180 °.
  • the film stack which is still elastic due to the binder, is brought into the desired external shape by pressing and, if necessary, cutting.
  • the ceramic is then sintered, which can comprise a multistage process in an atmosphere which at least initially contains little oxygen.
  • the final sintering in which the ceramic sinters together to complete or to the desired density, is usually between 1100 and 1500 ° C. If an oxygen-containing atmosphere is selected for this high-temperature sintering step (for example with an oxygen partial pressure of at least 1 hectopasqual), a maximum sintering temperature of 1200 ° C. is maintained. Above this temperature there is a risk that the tungsten contained in the electrodes will oxidize and thus the electrical conductivity will be reduced.
  • FIG. 2 shows a finished multilayer component 8 according to the invention in a schematic cross section. Ceramic layers 4 and electrode layers 5 are alternately arranged one above the other in the component body. Collective electrodes 6, 6 ′ are now produced on two opposite sides of the component body, each of which is in electrical contact with every second electrode layer 5.
  • a metallization usually made of silver, can first be produced on the ceramic, for example by electroless deposition. This can then be galvanically reinforced, e.g. by applying a layer sequence Ag / Ni / Sn. This improves the solderability on circuit boards.
  • the component 8 shown in FIG. 2 has ceramic layers as closing layers on both main surfaces.
  • an unprinted green film 1 can be installed in the film stack as the top layer before sintering, so that the stack does not end with an electrode layer 2.
  • the top and bottom ceramic layers in the stack thicker than the other ceramic layers 4 in the stack.
  • the bottom and top layers can have a plurality of unprinted green films 1 without an electrode layer. built and pressed and sintered together with the rest of the green film stack.
  • FIG. 3 shows a green film printed with an electrode pattern 2, which enables division into several components, each with a smaller base area.
  • the passive areas 3 not printed with electrode paste are arranged in such a way that the alternating offset of the electrodes in the stack, which is suitable for contacting, can be set by alternately stacking first and second green foils. This can be achieved if the first and second green foils are mutually opposed by e.g. Are rotated 180 °, or if generally first and second green foils have an electrode pattern offset from one another.
  • the intersection lines 7, along which the green sheet or the layer stack produced therefrom can be separated into individual components, are identified by dashed lines.
  • electrode patterns are also possible in which the cut guides can be laid out so that no electrode layer has to be cut through. However, every second electrode layer can then be contacted from the edge of the stack. If necessary, the stacks are separated after the separation and sintering before the application of the collecting electrodes 6, 6 'in order to expose the electrode layers to be contacted.
  • FIG. 4 shows a layer stack produced in this way in a schematic cross section. It can be seen that when the layer stack is separated along the cutting lines 7 components are created, each of which has the desired offset of the
  • Such a stack of films comprising a number of component floor plans is divided into individual film stacks of the desired component base area preferably after the film stack has been pressed, for example by cutting or punching.
  • the film stacks are then sintered.
  • a multilayer component according to the invention which can be used as a PTC element, consists of a barium titanate ceramic of the general composition (Ba, Ca, Sr, Pb) Ti0 3 , which is doped with donors and / or acceptors, for example with manganese and yttrium ,
  • the component can comprise, for example, 5 to 20 ceramic layers together with the associated electrode layers, but at least two internal electrode layers.
  • the ceramic layers usually each have a thickness of 30 to 200 ⁇ m. However, they can also have larger or smaller layer thicknesses.
  • the outer dimension of a PTC thermistor component in the inventive multilayer construction can vary, but is usually in the range of a few millimeters for components that can be processed with SMD.
  • a suitable size is, for example, the design 2220 known from capacitors.
  • the PTC thermistor component can also be smaller.
  • the manufacturing process for ceramic multi-layer components known apart from the choice of the electrode material could only be illustrated by way of example using the exemplary embodiment.
  • the invention is therefore not limited to the exemplary embodiments and can still be modified as desired by varying most of the parameters.
  • the invention has particular advantages for the thermistor components mentioned, which can be obtained with the invention for the first time as stable multilayer components with a small design and low resistance.

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Abstract

Es wird ein keramisches Vielschichtbauelement mit einem monolithischen Bauelementkörper vorgeschlagen, welches im Bauelementkörper alternierend Keramik- und Elektrodenschichten aufweist. Die Elektrodenschichten sind alternierend mit zwei seitlich am Bauelement angebrachten Sammelelektroden verbunden, wobei das Material der innenliegenden Elektroden Wolfram umfaßt und daher zumindest Wolfram oder eine Wolframverbindung enthält.

Description

Beschreibung
Keramisches Vielschichtbauelement und Verfahren zur Herstellung
Die Erfindung betrifft ein keramisches Vielschichtbauelement nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements.
Ein solches Bauelement ist beispielsweise aus der
EP 0734031A2 bekannt. Es umfaßt einen monolithischen keramischen Bauelementkörper aus einer perovskitischen Keramik, die einen Mehrschichtaufbau aus alternierenden Keramik- und Elektrodenschichten aufweist. Die innenliegenden Elektroden auf der Basis von Nickel oder Nickellegierungen sind alternierend mit außen am Bauelementkörper angebrachten Sammelelektroden verbunden. Das Bauelement ist als Varistor ausgebildet . +
Ein keramisches Vielschichtbauelement, welches als Kondensa- tor einsetzbar ist, ist aus der US-3679950 bekannt. Auch dieses Bauelement weist alternierende Keramik- und Elektrodenschichten auf, wobei die Elektrodenschichten alternierend mit zwei seitlich am Bauelementkörper angebrachten Sammelelektroden kontaktiert sind. Die Elektrodenschichten werden bei der Herstellung des keramischen Bauelements zunächst als poröse keramische Zwischenschichten vorgefertigt und erst nachträglich mit leitfähigem Material imprägniert, beispielsweise mit Silber in einer Silbernitratschmelze oder in einer Schmelze einer BiPbSnCd-Legierung.
Mit Ausnahme des eben genannten aufwendigen Verfahrens sind bei der Herstellung keramischer Vielschichtbauelemente nur Keramik/Elektroden-Kombinationen geeignet, die die Sinterung zum dichten keramischen Bauelementkörper bei Temperaturen von üblicherweise 1200 - 1500°C überstehen. Für keramische Kaltleiter, d.h. Bauelemente mit positivem Temperaturkoeffizient des Widerstands, sogenannte PTC- Elemente, sind keine üblicherweise verwendete temperaturstabile Elektroden aus Edelmetall geeignet. Diese können keinen ohmschen Kontakt zwischen der Keramik und den metallischen Elektroden aufbauen. Daher weisen PTC-Elemente mit (Innen-) Elektroden aus Edelmetall einen unzulässig hohen Widerstand auf. Die als Elektrodenmaterial geeigneten unedlen Metalle überstehen jedoch in der Regel nicht den Sinterprozeß, der für den Aufbau von Vielschichtbauelementen erforderlich ist.
Aus der DE 19719174 AI ist ein keramischer Kaltleiter in Vielschichtbauweise bekannt, der Aluminium umfassende Elektrodenschichten aufweist. Diese bilden zur Keramik einen ohm- sehen Kontakt auf und lassen sich bei Temperaturen bis 1200° ohne Beschädigung sintern. Nachteilig an diesem Vielschich- kaltleiterbauelement ist jedoch, daß das Aluminium aus den Elektrodenschichten teilweise in die Keramik eindiffundiert und dabei die Bauelementeigenschaften mittel- oder langfri- stig beeinträchtigt oder das Bauelement gar unbrauchbar macht .
Aus der DE 196 22 690 AI ist ein keramisches Vielschicht- Bauelement bekannt, umfassend einen zu einem monolithischen Bauelement-Körper verbundenen Stapel aus mehreren beidseitig mit Elektroden versehenen Keramikschichten, bei dem die Elektrodenschichten alternierend mit seitlich am Bauelement angebrachten Sammelelektroden kontaktiert sind, und wobei das Material der innenliegenden Elektroden Wolfram umfaßt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein keramisches Vielschichtbauelement mit PTC Keramik umfassenden keramischen Schichten anzugeben, welches gegenüber der Sinterung stabile Innenelektroden aufweist und welches langzeitstabile Bauele- menteigenschaften besitzt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein keramische Vielschicht-Bauelement der eingangs genannten Art gelöst, bei dem das Material zumindest der innenliegenden Elektroden Wolfram umfaßt und bei dem die keramischen Schichten eine PTC Keramik umfassen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements gehen aus weiteren Ansprüchen hervor.
Es hat sich gezeigt, daß aus Wolfram bestehende oder wolfram- haltige Elektroden den für das keramische Bauelement erforderlichen Sinterprozeß unbeschadet überstehen und dabei einen guten ohmschen Kontakt zur PTC Keramik ausbilden. Daher kön- nen mit der Erfindung Bauelemente mit niedrigen Widerstand erhalten werden. Beim Sintern werden keine Diffusionsprozesse des Wolframs in die Keramik beobachtet, die die keramischen Bauelementeigenschaften beeinträchtigen könnten. Dies gilt auch bei keramischen Kaltleitern, die ebenfalls einen guten ohmschen Kontakt zu den Wolfram umfassenden Elektroden ausbilden, ohne daß dabei die kaltleitenden Eigenschaften verloren gehen. Gleichzeitig weist Wolfram eine mit Edelmetallen vergleichbare gute elektrische Leitfähigkeit auf, die für reines Wolfram atwa drei mal so hoch ist wie die von Silber, so daß Elektrodenschichten mit ausreichender elektrischer
Tragfähigkeit bereits mit dünneren Wolframschichten erzielt werden können, als dies bislang mit den bekannten unedlen Elektrodenschichten möglich war. Außerdem stellt Wolfram ein kostengünstiges Elektrodenmaterial dar, das z.B. wesentlich kostengünstiger ist als Edelmetalle wie Palladium oder Platin, so daß erfindungsgemäße keramische Vielschichtbauelemen- te kostengünstiger herzustellen sind als solche mit edelmetallhaltigen Elektroden. Erfindungswesentlich ist aber nicht die elektrische Leitfähigkeit von Wolfram, sondern der Abbau der Sperrschicht zum Kaltleitermaterial, der allein durch die Anwesenheit einer geeigneten Menge Wolfram erreicht wird, die den guten Ohmschen Kontakt herstellt.
Bei einem erfindungsgemäßen als PTC Element ausgebildeten und daher aus kaltleitender Keramik gefertigten Bauelement ergeben sich weitere bislang nicht zu verwirklichende Vorteile. Nachdem bislang keine stabilen keramischen Vielschicht- Kaltleiter bekannt waren, wird es nun möglich, Kaltleiter mit höheren Nennströmen und kleineren Bauelementwiderständen bei kleinerer Bauform herzustellen, als dies bei bekannten (einschichtigen) Kaltleiterbauelementen möglich war. Dies ist möglich, weil bei Vielschichtbauelementen die Elektrodenabstände beziehungsweise die Schichtdicken der Keramikschichten deutlich geringer sein können, als bei herkömmlichen Kaltlei- terbauelementen ohne Innenelektroden. Mit der reduzierten
Dicke der einzelnen Keramikschicht reduziert sich auch deren elektrischer Widerstand senkrecht zur Hauptfläche, also in Richtung der Schichtdicke, ohne daß dazu der spezifische Widerstand der Keramik herabgesetzt werden muß. Eine weitere Reduktion des Widerstands des gesamten Vielschichtbauelements ergibt sich durch die Parallelverschaltung der einzelnen PTC- Elemente, die im erfindungsgemäßen Bauelement übereinanderge- stapelt das Vielschichtbauelement ergeben. Damit wird auch eine hohe Stromtragfähigkeit des Bauelements gewährleistet.
Allgemein kann bei einem keramischen Vielschichtbauelement über die Variation der Parameter Schichtdicke und Grundfläche des Einzelelements und Anzahl der übereinandergestapelten Einzelschichten im Vielschichtbauelement die Eigenschaften des Gesamtbauelements gezielt beeinflußt oder variiert werden. Ein Vielschichtbauelement kann daher bei gegebenen äußeren Abmessungen dennoch innerhalb weiter Grenzen in seinen Eigenschaften variiert werden, ohne daß dafür die Keramikzusammensetzung geändert werden muß. Bei einschichtigen kerami- sehen Bauelementen lassen sich die Bauelementeigenschaften oft nur über Variation der Bauelementdimension oder Variation der für das Bauelement verwendeten Materialien einstellen. Damit ist ein erfindungsgemäßes keramisches Vielschichtbauelement insbesondere zur Verwendung in der SMD-Montagetechnik geeignet, die eine kompakte maschinenverarbeitbare beziehungsweise maschinentaugliche Bauform voraussetzt. Diese läßt sich beim Vielschichtbauelement beliebig variieren, da die Bauelementeigenschaften unabhängig davon eingestellt werden können .
Im folgenden wird die Erfindung insbesondere das Verfahren zur Herstellung des Bauelements anhand von Ausführungsbei- spielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert . Die Figuren dienen nur der Veranschaulichung der Erfindung und sind nur schematisch und nicht maßstabsgetreu.
Figur 1 zeigt eine mit einer Elektrodenschicht bedruckte keramische Grünfolie in perspektivischer Darstellung
Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Vielschichtbauelement im schematischen Querschnitt
Figur 3 zeigt eine in mehrere Bauelemente aufteilbare keramische Grünfolie mit aktiven und passiven Bereichen in der Draufsicht
Figur 4 zeigt einen Schichtenstapel keramischer Grünfolie im Querschnitt.
Zur Herstellung keramischer Grünfolien wird das keramische Ausgangsmaterial fein vermählen und homogen mit einem Bindermaterial vermischt. Die Folie wird anschließend durch Folienziehen oder Foliengießen in einer gewünschten Dicke hergestellt.
Figur 1 zeigt eine solche Grünfolie 1 in perspektivischer
Darstellung. Auf eine Oberfläche der Grünfolie 1 wird nun in dem für die Elektrode vorgesehenem Bereich eine Elektrodenpa- ste 2 aufgebracht . Dazu eignen sich eine Reihe von insbesondere Dichschichtverfahren, vorzugsweise Aufdrucken, beispielsweise mittels Siebdruck. Zumindest im Bereich einer Kante der Grünfolie 1, wie beispielsweise in Figur 1 darge- stellt, oder nur im Bereich einer Ecke der Grünfolie verbleibt ein nicht von Elektrodenpaste bedeckter und hier als passiver Bereich 3 bezeichneter Oberflächenbereich. Möglich ist es auch, die Elektrode nicht als flächige Schicht aufzubringen, sondern strukturiert, gegegebenenfalls als durchbro- chenes Muster.
Die Elektrodenpaste 2 besteht aus metallischen, metallisches Wolfram oder eine Wolframverbindung umfassenden Partikeln zur Herstellung der gewünschten Leitfähigkeit, ggf. sinterfähigen keramischen Partikeln zur Anpassung der Schwundeigenschaften der Elektrodenpaste an die der Keramik und einem ausbrennbaren organischen Binder, um eine Formbarkeit der keramischen Masse bzw. einen Zusammenhalt der Grünkörper zu gewährleisten. Dabei können Partikel aus reinem Wolfram, Partikel aus Wolframlegierung, Wolframverbindung oder gemischte Partikel aus Wolfram und anderen Metallen verwendet werden. Bei keramischen Vielschichtbauelementen, die einer nur geringen mechanischen Belastung ausgesetzt sind, ist es auch möglich, in der Elektrodenpaste auf die keramischen Anteile ganz zu ver- ziehten. Der Wolframanteil kann in weiten Bereichen variieren, wobei ggf. die Sinterbedingungen auf die Elektrodenpa- stenzusammensetzung anzupassen sind. Der Abbau der Sperrschicht bei Kaltleitermaterial wird regelmäßig mit Wolframanteilen von 3 und mehr Gewichtsprozent (bezogen auf die metal- lischen Partikel) erreicht.
Anschließend werden die bedruckten Grünfolien 9 in einer gewünschten Anzahl so zu einem Folienstapel übereinanderge- schichtet, daß (grüne) Keramikschichten 1 und Elektroden- schichten 2 alternierend übereinander angeordnet sind. Bei der späteren Kontaktierung werden die Elektrodenschichten außerdem alternierend auf unterschiedlichen Seiten des Bauelements mit Sammelelektroden verbunden, um die Eizelelktro- den parallel zu verschalten. Dazu ist es vorteilhaft, erste und zweite Grünfolien 9 mit unterschiedlicher Orientierung der aufgedruckten Elektrodenschichten 2 so zu stapeln, daß deren passive Bereiche 3 alternierend nach unterschiedlichen Seiten weisen. Vorzugsweise wird dazu eine einheitliche Elektrodengeometrie gewählt, wobei erste und zweite Grünfolie 9 sich dadurch unterscheiden, daß sie im Folienstapel gegeneinander um 180° gedreht sind. Möglich ist es jedoch auch, für das Bauelement einen Grundriß mit höherer Symmetrie auszuwählen, so daß zur Herstellung einer alternierenden Kontaktierung ein Verdrehen um andere Winkel als 180° möglich ist, beispielsweise um 90° bei Vorsehen eines quadratischen Grundrisses. Möglich ist es jedoch auch, bei jeder zweiten Grünfolie 9 das Elektrodenmuster um einen bestimmten Betrag gegen das der ersten Grünfolien so zu versetzen, daß jeder passive Bereich 3 in der jeweils benachbarten Grünfolie über einem mit Elektrodenpaste bedruckten Bereich angeordnet ist.
Anschließend wird der auf Grund des Binders noch formelastische Folienstapel durch Pressen und gegebenenfalls Zuschneiden in die gewünschte äußere Form gebracht. Dann wird die Ke- ramik gesintert, was einen mehrstufigen Prozeß in zumindest anfänglich wenig Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre umfassen kann. Die endgültige Sinterung, bei der die Keramik bis zu vollständigen bzw. bis zur gewünschten Verdichtung zusammensintert, liegt in der Regel zwischen 1100 und 1500°C. Wird für diesen Hochtemperatursinterschritt eine sauerstoffhaltige Atmosphäre (z.B. mit einem Sauerstoffpartialdruck von zumindest 1 Hektopasqual) gewählt, so wird eine maximale Sintertemperatur von 1200°C eingehalten. Oberhalb dieser Temperatur besteht die Gefahr, daß das in den Elektroden enthaltene Wolfram oxidiert und somit die elektrische Leitfähigkeit reduziert wird. Bei einer ebenfalls möglichen Sinterung unter Inertgas (z.B. mit einem Sauerstoffpartialdruck von höchstens 1 Pasqual) muß diese obere Temperaturgrenze nicht eingehalten werden, so daß die Sinterung bei den z.B. für Bariumtitanat üblichen 1300°C durchgeführt werden kann. Eine Reduzierung der erforderlichen Sintertemperatur kann aber auch durch Aus- wähl geeigneter Zuschläge zur Keramik erzielt werden.
Nach der Sinterung entsteht aus den einzelnen Grünfolienschichten ein monolithischer keramischer Bauelementkörper 8, der einen festen Verbund der einzelnen Keramikschichten 4 aufweist. Dieser feste Verbund ist auch an den Verbindungsstellen Keramik/Elektrode/Keramik gegeben. Figur 2 zeigt ein fertiges erfindungsgemäßes Vielschichtbauelement 8 im schematischen Querschnitt. Im Bauelementkörper sind alternierend Keramikschichten 4 und Elektrodenschichten 5 übereinander an- geordnet. An zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Bauelementkörpers werden nun Sammelelektroden 6, 6' erzeugt, die jeweils mit jeder zweiten Elektrodenschicht 5 in elektrischem Kontakt stehen. Dazu kann beispielsweise zunächst eine Metallisierung, üblicherweise aus Silber auf der Keramik erzeugt werden, beispielsweise durch stromlose Abscheidung. Diese kann anschließend galvanisch verstärkt werden, z.B. durch Aufbringen einer Schichtfolge Ag/Ni/Sn. Dadurch wird die Löt- fähigkeit auf Platinen verbessert. Es sind jedoch auch andere Möglichkeiten der Metallisierung beziehungsweise der Erzeu- gung der Sammelelektroden 6, 6' geeignet.
Das in der Figur 2 dargestellte Bauelement 8 weist auf beiden Hauptoberflächen Keramikschichten als Abschlußschichten auf. Dazu kann zum Beispiel als oberste Schicht eine unbedruckte Grünfolie 1 vor dem Sintern in den Folienstapel eingebaut werden, so daß der Stapel nicht mit einer Elektrodenschicht 2 abschließt. Für mechanisch besonders beanspruchte keramische Bauelemente ist es auch möglich, die oberste und die unterste keramische Schicht im Stapel dicker zu gestalten als die üb- rigen Keramikschichten 4 im Stapel. Dazu können beim Aufstapeln des Folienstapels als unterste und oberste Schichten mehrere unbedruckte Grünfolien 1 ohne Elektrodenschicht ein- gebaut und zusammen mit dem restlichen Grünfolienstapel verpreßt und gesintert werden.
Figur 3 zeigt eine mit einem Elektrodenmuster 2 bedruckte Grünfolie, die ein Aufteilen in mehrere Bauelemente mit jeweils kleinerer Grundfläche ermöglicht. Die nicht mit Elektrodenpaste bedruckten passiven Bereiche 3 werden so angeordnet, daß sich durch abwechselndes Stapeln von ersten und zweiten Grünfolien der zur Kontaktierung geeignete alternie- rende Versatz der Elektroden im Stapel einstellen läßt. Dies kann erreicht werden, wenn die ersten und zweiten Grünfolien jeweils gegeneinander um z.B. 180° verdreht sind, oder wenn allgemein erste und zweite Grünfolien ein gegeneinander versetzt Elektrodenmuster aufweisen. Die Schnittlinien 7, ent- lang der sich die Grünfolie beziehungsweise der daraus hergestellte Schichtenstapel in einzelne Bauelemente vereinzeln läßt, sind mit gestrichelten Linien gekennzeichnet. Möglich sind jedoch auch Elektrodenmuster, bei denen die Schnittfüh- rungen zum Vereinzeln so gelegt werden können, daß keine Elektrodenschicht durchtrennt werden muß. Jede zweite Elektrodenschicht ist dann aber vom Stapelrand her kontaktierbar . Gegebenenfalls werden dazu die Stapel nach dem Vereinzeln und Sintern vor dem Aufbringen der Sammelelektroden 6, 6' noch abgeschliffen, um die zu kotaktierenden Elektrodenschichten freizulegen.
Figur 4 zeigt einen so hergestellten Schichtenstapel im schematischen Querschnitt. Man erkennt, daß bei der Vereinzelung des Schichtenstapels entlang der Schnittlinien 7 Bauelemente entstehen, die jeder für sich den gewünschten Versatz der
Elektroden 4 aufweisen. Die Zerteilung eines solchen mehrere Bauelementgrundrisse umfassenden Folienstapels in einzelne Folienstapel der gewünschten Bauelementgrundfläche erfolgt vorzugsweise nach dem Verpressen der Folienstapel, beispiels- weise durch Schneiden oder Stanzen. Anschließend werden die Folienstapel gesintert. Möglich ist es jedoch auch, den mehrere Grundrisse von Bauelementen umfassenden Folienstapel zu- nächst zu sintern und die Einzelbauelemente erst anschließend durch Sägen der fertig gesinterten Keramik zu vereinzeln. Abschließend werden wiederum Sammelelektroden 6 aufgebracht.
Ein erfindungsgemäßes Vielschichtbauelement, welches als Kaltleiter (PTC-Element) eingesetzt werden kann, besteht aus einer Bariumtitanatkeramik der allgemeinen Zusammensetzung (Ba, Ca, Sr, Pb) Ti03 , die mit Donatoren und/oder Akzeptoren, beispielsweise mit Mangan und Yttrium dotiert ist .
Das Bauelement kann beispielsweise 5 bis 20 Keramikschichten samt der dazugehörigen Elektrodenschichten, zumindest aber zwei innenliegende Elektrodenschichten umfassen. Die Keramikschichten weisen üblicherweise jeweils eine Dicke von 30 bis 200 μm auf. Sie können jedoch auch größere oder kleinere Schichtdicken besitzen.
Die äußere Dimension eines Kaltleiterbauelements in erfinderischer Vielschichtbauweise kann variieren, liegt jedoch für mit SMD verarbeitbare Bauelemente üblicherweise im Bereich weniger Millimeter. Eine geeignete Größe ist beispielsweise die von Kondensatoren bekannte Bauform 2220. Das Kaltleiterbauelement kann jedoch auch noch kleiner sein.
Das bis auf die Wahl des Elektrodenmaterials bekannte Herstellverfahren von keramischen Vielsehichtbauelementen konnte anhand des Ausführungsbeispiels nur exemplarisch dargestellt werden. Die Erfindung ist daher nicht auf die Ausführungsbei- spiele beschränkt und läßt sich noch durch Variation der mei- sten Parameter in gewünschter Weise abwandeln.
Besondere Vorteile hat die Erfindung für die genannten Kalt- leiter-Bauelemente, die mit der Erfindung erstmals als stabile Vielschichtbauelemente mit kleiner Bauform und niedrigem Widerstand erhalten werden können. Möglich ist es jedoch auch, mit der Erfindung andere keramische Vielschichtbauele- mente herzustellen, beispielsweise Kondensatoren, Heißleiter oder Varistoren.

Claims

Patentansprüche
1. Keramisches Vielschicht-Bauelement umfassend einen zu einem monolithischen Bauelement-Körper (8) verbundenen Stapel aus mehreren beidseitig mit Elektroden (5) versehenen Keramikschichten (4) , bei dem die Elektrodenschichten alternierend mit seitlich am Bauelement angebrachten Sammelelektroden (6,6') kontaktiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschichten PTC Keramik umfassen, und daß das Material zumindest der innenliegenden Elektroden
(5) Wolfram umfasst .
2. Bauelement nach einem der Ansprüche 1, umfassend mindestens zwei innenliegende Elektrodenschichten (5) .
3. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Vielschicht- Bauelements (8) nach Anspruch 1 mit den Schritten:
Herstellen keramischer Grünfolien (9) aus PTC Keramik, Aufbringen einer sinterfähigen Wolfram haltigen Elektroden-Paste auf für Elektroden vorgesehene Bereiche (2) der Grünfolien (9) alternierendes Stapeln von mit Elektroden-Paste (2) versehenen ersten und zweiten Grünfolien in gewünschter Anzahl zu einem Folienstapel Zusammenpressen der Folienstapel Sintern der Folienstapel zu einem monolithischen Bau- element-Körper (8) .
4. Verfahren nach Anspruch 3 , bei dem das Sintern in Sauerstoff haltiger Atmosphäre bei Temperaturen kleiner 1200°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 , bei dem das Sintern unter Inertgas-Atmosphäre bei Tempe- raturen größer 1200°C durchgeführt wird und bei dem anschließend in Sauerstoff haltiger Atmosphäre aber niedrigerer Temperatur nachgetempert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3-5, bei dem der Folienstapel vor dem Sintern in kleinere Stapel der gewünschten Größe und Form zerteilt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3-6, bei dem die Elektroden-Paste (2) durch Aufdrucken in aktiven Bereichen aufgebracht wird, wobei zumindest ein passiver unbedruckter Bereich (3) ausgespart wird, und bei dem beim Stapeln der bedruckten Grünfolien (9) der passive Bereich jeder zweiten Grünfolien über einem be- druckten Bereich der ersten Grünfolien angeordnet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3-7, bei dem die passiven unbedruckten Bereiche (3) an einer Ecke oder Kante der Grünfolien (9) angeordnet sind und bei dem nach dem Sintern zwei Sammelelektroden (6) seitlich am Bauelement Körper (8) im Bereich dieser passiven Bereiche (3) aufgebracht werden, so daß jeweils die Elektroden (5) aller ersten oder aller zweiten Keramikschichten von einer Sammelelektrode (6) kontaktiert werden.
Verwendung eines keramischen Bauelements nach einem der vorangehenden Ansprüche als SMD fähiges PTC Widerstandselement .
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