EP1425762B1 - Elektrisches vielschichtbauelement - Google Patents

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Publication number
EP1425762B1
EP1425762B1 EP02754524A EP02754524A EP1425762B1 EP 1425762 B1 EP1425762 B1 EP 1425762B1 EP 02754524 A EP02754524 A EP 02754524A EP 02754524 A EP02754524 A EP 02754524A EP 1425762 B1 EP1425762 B1 EP 1425762B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
resistor
component according
dielectric layers
electrode layers
base body
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP02754524A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1425762A2 (de
Inventor
Robert Krumphals
Axel Pecina
Günther GREIER
Harald KÖPPEL
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 EP1425762A2 publication Critical patent/EP1425762A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1425762B1 publication Critical patent/EP1425762B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime 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
    • H01C7/18—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 comprising a plurality of layers stacked between terminals

Definitions

  • the invention relates to an electrical multilayer component, which contains a base body with a stack of superimposed ceramic dielectric layers.
  • external contacts are arranged on the outside of the main body.
  • a resistor is arranged, which is connected to the external contacts.
  • Multi-layer devices of the type mentioned are usually produced in the so-called multilayer technology.
  • multilayer varistors or even ceramic capacitors can be produced with the aid of this technology.
  • the integration of a resistor is often necessary.
  • properties such as the frequency response, the insertion loss or the course of the terminal voltage can be changed in a positive manner in an electrical pulse coupled into a varistor.
  • the known ceramic components additionally contain electrically conductive electrode layers in addition to the dielectric layers and thus form a stack of superimposed electrode layers separated from one another by dielectric layers. Such stacks can form, for example, capacitors or even varistors.
  • the known resistor has the disadvantage that the material forming the resistor is printed along a wide path on a dielectric layer. This makes it difficult to realize high resistance values as they are normally desired.
  • the realization of high resistance values is made possible according to the prior art by using special resistor pastes.
  • these special resistor pastes have the disadvantage that they can not withstand the high sintering temperatures usually occurring in the production of ceramic components> 1000 ° C.
  • the multilayer component is limited to ceramic materials which can be sintered by means of the so-called "LTCC sintering process". These are ceramic materials that can be sintered at low temperatures ⁇ 800 ° C. Naturally, according to this requirement, the choice of ceramic materials is severely limited, which means a further disadvantage of the known multilayer component.
  • the aim of the present invention is therefore to provide a multilayer component which allows a high degree of flexibility in the integration of resistors in multilayer components.
  • the invention is defined by the features of claim 1 and provides a multilayer electrical component comprising a base body containing a stack of superimposed ceramic dielectric layers. Outside of the main body at least two external contacts are arranged. In the interior of the main body, a resistor is arranged between two dielectric layers, which is contacted with two of the external contacts.
  • the resistor has the form of a structured layer, which forms at least one multiply curved path as a current path between the external contacts.
  • the multilayer component according to the invention has the advantage that, owing to the structuring of the layer forming the resistance, there is a greater choice in the resistance values to be realized, and in particular relatively large resistance values can be achieved.
  • the ratio of the length of the web to the width of the web is particularly important. The longer the train is, the greater its resistance. Conversely, with decreasing width of the track, the resistance increases. A large ratio length / width is therefore favorable for the realization of a large resistance.
  • the resistor is arranged in a plane of the multilayer component which is free of electrically conductive electrode layers. This means that the entire area of one plane of the multilayer component is available for the formation of the resistor. Together with the multi-curved path can thus be provided an optimally large area for the realization of a particularly high resistance.
  • the multilayer device of the invention because of the patterned layer for the resistor, allows the internal sintering of the dielectric layers with the resistor in a single step. Thereby, a monolithic body can be formed, as it is common for use in multilayer technology and which has the usual advantages.
  • the resistance between the external contacts runs in the form of a web whose length is at least ten times greater than its width.
  • the resistor may be formed in one embodiment of the invention of a closed resistance layer, which is subsequently provided with recesses.
  • the resistor can also be designed as a meandering path.
  • a meandering path with a plurality of turns allows the realization of a very long current path along the longitudinal direction of the meander.
  • a large amount of resistance can be realized by a plurality of successive bends made in opposite directions.
  • the resistive material may include, for example, an alloy of silver and palladium, wherein palladium has a weight fraction of 15 to ⁇ 100% of the alloy. Pure palladium can also be used.
  • Such materials are known in multilayer technology in the manufacture of multilayer devices. So far, however, only electrode layers were made from these materials, where it depends on a good conductivity. These materials have the advantage that they are sintered together with a variety of ceramic materials. Although they do not have a very high resistance, but the structuring according to the invention, the resistance can be sufficiently increased.
  • the resistance material contains an alloy of silver and palladium, wherein palladium has a weight fraction of between 50 and 70% of the alloy. Due to the high palladium content, the resistance can be increased approximately by a factor of three because of the poorer conductivity of palladium compared to silver.
  • the resistance can be increased by forming the resistor from a resistive material having a sheet resistance of at least 0.1 ohms in the patterned layer.
  • the resistance of the resistance material can be increased, for example, by adding the resistance material in addition to an electrically conductive component nor additives in an amount of up to 70 vol .-%.
  • Such additives may have a resistivity at least ten times greater than the resistivity of the conductive component. It is important to ensure that the conductive components are not isolated in a matrix of insulating additives, because then no conductivity at all would be available.
  • aluminum oxide Al 2 O 3
  • the sheet resistance is the specific resistance of the material divided by the thickness of a layer to be considered in the form of a rectangle.
  • the resistance of the layer is then obtained by multiplying the sheet resistance with the layer length and then dividing by the layer width.
  • the ceramic material of the dielectric layers materials whose sintering temperature is between 950 and 1200 ° C. This has the advantage that a multiplicity of ceramic materials are available for the multilayer component according to the invention, which makes it possible to produce components with optimum ceramic properties.
  • ceramic materials based on barium titanate are suitable for the dielectric layers.
  • capacitors can be realized.
  • COG so-called "COG” ceramic
  • a so-called "COG” ceramic for the dielectric layers.
  • Such a material would be, for example, a (Sm, Ba) NdTiO 3 ceramic.
  • class 1 dielectrics so-called class 2 dielectrics such as X7R ceramics are also suitable.
  • zinc oxide is suitable for the production of a varistor, optionally with doping of praseodymium or bismuth oxide.
  • the multilayer component may be designed such that two juxtaposed multilayer varistors are contained therein.
  • a ⁇ filter can be realized by such a device.
  • Such ⁇ filters are based on the fact that multilayer varistors naturally also have not inconsiderable capacitance in addition to their varistor characteristic which is responsible for the attenuation behavior of such a filter.
  • Such a ⁇ filter can be formed in the form of a component in which two stacks of superimposed electrode layers separated from one another by dielectric layers are arranged in the main body next to each other.
  • the electrode layers of the first stack are alternately contacted with the first and second external contacts of a first pair of external contacts.
  • the electrode layers of the second stack are also contacted alternately with the first and the second external contact of a second pair of external contacts.
  • the ⁇ filter corresponding connection of the two multilayer components thus formed by a resistor is realized in that belonging to different pairs and lying on opposite side surfaces of the body external contacts are connected by a resistor.
  • the external contacts of each pair lie on opposite side surfaces of the body.
  • two external contacts are arranged on two opposite side surfaces of the base body. This corresponds to the so-called "feedthrough" embodiment of components.
  • each of the stacks of electrode layers is part of a multilayer varistor.
  • the two external contacts connecting resistor can be formed from the two varistors a ⁇ -filter.
  • such a ⁇ filter Due to the increased coupling resistance, such a ⁇ filter has an improved damping behavior, whereby an entire frequency band extending between the two damping frequencies defined by the capacitances of the varistors can be attenuated.
  • the component is formed symmetrically to a plane which runs parallel to a dielectric layer.
  • a resistor is arranged above and below the stack. These resistors would then be connected in parallel.
  • a symmetrical embodiment of the device has the advantage that it is in the assembly of the device On a printed circuit board, in particular in the case of high-frequency applications, it no longer matters whether the layer stack of the component with the lower side or with the upper side rests on the circuit board.
  • the component according to the invention can be produced particularly advantageously by sintering a stack of superposed ceramic green sheets. This creates a monolithic, compact component that can be produced very quickly and easily in large quantities.
  • the component according to the invention can be embodied in particular in a miniaturized form, the base area of the main body being less than 2.5 mm 2 .
  • a base could be realized for example by a design of the body, in which the length is 1.25 mm and the width is 1.0 mm. This design is also known under the name "0405".
  • FIG. 2 shows a multilayer component according to the invention in a schematic longitudinal section. It comprises a main body 1, which contains superimposed dielectric layers 2 in the form of a stack.
  • the dielectric layers 2 contain a ceramic material. They are indicated in Figure 2 by the dotted lines.
  • stacks 7, 8 of superimposed electrode layers 9 are contained in the main body 1. These stacks 7, 8 each form a varistor VDR1, VDR2.
  • a resistor 41, 42 is arranged in each case.
  • the resistors 41, 42 are formed from a structured layer 5 whose shape is apparent in particular from FIG. In FIG. 2, only individual sections of a meander can be seen in cross section.
  • the symmetry of the device has particular advantages for applications in the high-frequency range, where it depends on the orientation of the components on the circuit board.
  • a symmetrical design of the component means that it is not necessary to pay attention to the position of the component with respect to the plane of symmetry.
  • FIG. 1 shows the section DD of the component in FIG. 2.
  • FIG. 1 shows the shape of the resistor 41. It has the shape of a meander.
  • the meander is formed by a web having the width b. In the example shown in FIG. 1, the width b is 50 ⁇ m .
  • the length of the meander shown in FIG. 1 is approximately 4000 .mu.m . The length is determined by adding the lengths of the individual rectangles from which the meander can be composed. Accordingly, the embodiment of the invention according to Figure 1 with respect to the resistance of a ratio L / B of 80. This makes it possible to produce large resistances.
  • the resistance shown in Figure 1 is about 3 ohms.
  • the web shown in FIG. 1 is applied in the form of a structured layer 5, the layer thickness being approximately 2 ⁇ m .
  • the resistor shown in Figure 1 is formed of a material containing a silver-palladium alloy, wherein palladium has a weight fraction of 30% of the alloy.
  • the starting material of the resistor contains an organic substance and a solvent. These latter additives are contained only in the resistance material in order to apply the resistance in the form of a screen printing paste by means of a screen printing process on a ceramic layer can. These ingredients are removed by burnout during sintering. These are organic components.
  • FIG. 1 also shows that the resistor 41 connects two external contacts 3 of the component to one another.
  • FIG. 1 also shows that, in the plane shown in FIG. 1, apart from the resistor 41, there are no electrode layers belonging to a capacitor or to a varistor. Accordingly, the entire surface shown in FIG. 1 is available for filling with the meander forming a resistance.
  • FIG. 3 shows the section EE of the component from FIG. 2.
  • Several similar such electrode layers 9 are stacked in the device. Due to the varistor material arranged between the electrode layers 9, they each form a varistor VDR1, VDR2, which, however, also has a high capacitive component due to the large-area electrode layers 9 facing one another. From a combination of Figure 1 and Figure 3 it can be seen that the device according to the invention according to the specific embodiment is designed as a feed-through device.
  • Each stack 7, 8 of electrode layers 9 is associated with a pair of external contacts 10, 11 and 12, 13, respectively.
  • FIGS. 4 and 5 show the position of the external contacts 3. They are arranged on two opposite side surfaces of the main body 1.
  • the plan view of Figure 4 shows that the external contacts 3 engage around on the top or corresponding to the underside of the base body 1.
  • the component can be electrically conductively connected to a printed circuit board on the upper side or on the lower side by a surface mounting technique.
  • FIG. 6 shows an equivalent circuit diagram of the component according to the invention shown in FIGS. 1 to 3. It can be seen that the two varistors VDR1, VDR2 are coupled together by a circuit resistor R to form a ⁇ -filter.
  • the circuit resistance R results from a parallel connection of the two resistors 41, 42 of Figure 2. This results from the fact that the resistance 42 in Figure 2 looks exactly the same as the resistor 41 in Figure 1.
  • Figure 6 are still the external contacts 3 of the device in detail denoted by reference numerals, so that the circuitry assignment of the physical external contacts of the device can take place.
  • Figures 7 and 8 show further embodiments of a resistor 4, as it could be used in place of the resistor 41 shown in Figure 1. Accordingly, Figure 7 shows a further meandering structure for the resistor 4.
  • the layer 4 forming the resistor 4 is structured in the form of a meander.
  • the meander is formed by a web with the width b, which may correspond to the width b of FIG.
  • the meander in FIG. 7 does not run in the longitudinal direction of the main body 1, but in the transverse direction.
  • a resistor 4 is shown, which is formed of a rectangular closed layer 5 by arranging recesses 6 in the layer 5. These recesses 6 may be circular, but they may also have other shapes, such as rectangles. By a uniform distribution of a plurality of recesses 6, the resistance of the originally rectangular layer 5 can be significantly increased. As an effect of the recesses 6 results in a plurality of multiply curved current paths between the external contacts 3, which have a high resistance.
  • FIG. 9 shows the insertion loss of the component shown in FIG. 2 or in FIG. 6.
  • the insertion loss S is plotted in the unit dB over the frequency f [MHz].
  • Resonance frequencies f 1 , f 2 are formed by the two capacitors C1, C2 contained in the varistors VDR1, VDR2. At the locations of the resonant frequencies f 1, f 2 the device exhibits an increased attenuation. Also between the resonant frequencies f 1 , f 2 , the device due to the ⁇ circuit realizing resistor R a very good attenuation, which is better than -20 dB in the frequency interval between 740 MHz and 2.7 GHz.
  • the component is suitable for suppressing a frequency band which lies between the resonance frequencies f 1 (part of C1) and the resonance frequency f 2 (part of C2).
  • the resistance R is 1.8 ⁇ in the embodiment shown in the figures.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Vielschichtbauelement, was einen Grundkörper mit einem Stapel von übereinanderliegenden keramischen Dielektrikumschichten enthält. Darüber hinaus sind außen am Grundkörper Außenkontakte angeordnet. Im Innern des Grundkörpers ist ein Widerstand angeordnet, der mit den Außenkontakten verbunden ist.
  • Vielschichtbauelemente der eingangs genannten Art werden üblicherweise in der sogenannten Multilayer-Technologie hergestellt. Mit Hilfe dieser Technologie lassen sich beispielsweise Vielschichtvaristoren oder auch keramische Kondensatoren herstellen. Um diesen Bauelementen hinsichtlich ihrer Anwendung spezifische Eigenschaften zu verleihen, ist oftmals die Integration eines Widerstandes notwendig. Mittels eines solchen Widerstandes können beispielsweise Eigenschaften, wie das Frequenzverhalten, die Einfügedämpfung oder auch der Verlauf der Klemmenspannung bei einem in einen Varistor eingekoppelten elektrischen Puls in positiver Weise verändert werden. Die bekannten keramischen Bauelemente enthalten zusätzlich zu den Dielektrikumschichten noch elektrisch leitende Elektrodenschichten und bilden so einen Stapel von durch Dielektrikumschichten voneinander getrennten übereinanderliegenden Elektrodenschichten. Solche Stapel können beispielsweise Kondensatoren oder auch Varistoren bilden.
  • Aus der Druckschrift US 5,889,445 sind Vielschichtbauelemente der eingangs genannten Art bekannt, bei denen an den beiden Stirnseiten und an zwei Längsseiten des Grundkörpers jeweils ein Außenkontakt angeordnet ist. Diese Bauelemente sind dem Fachmann auch bekannt unter dem Namen "Feedthrough-Bauelemente". Bei dem bekannten Bauelement sind Widerstände integriert, die in Form einer entlang einer rechteckförmigen Bahn aufgedruckten Widerstandspaste zwischen zwei Keramikschichten integriert sind. Sie verbinden einen Außenkontakt des Bauelements mit einer Elektrodenschicht, die zu einem im Bauelement ebenfalls integrierten Kondensator gehört. Die Widerstandsstruktur befindet sich in derselben Ebene wie die zum Aufbau einer Kapazität benötigten Innenelektroden. Dadurch werden gemäß dem Stand der Technik Reihenschaltungen von Kondensatoren und Widerständen in ein Vielschichtbauelement integriert.
  • Der bekannte Widerstand hat den Nachteil, daß das den Widerstand bildende Material entlang einer breiten Bahn auf eine Dielektrikumschicht aufgedruckt ist. Dadurch ist es schwierig, große Widerstandswerte, wie sie normalerweise gewünscht werden, zu realisieren. Die Realisierung großer Widerstandswerte wird gemäß dem Stand der Technik dadurch ermöglicht, daß spezielle Widerstandspasten zur Anwendung gelangen. Diese speziellen Widerstandspasten haben jedoch den Nachteil, daß sie die üblicherweise bei der Herstellung von keramischen Bauelementen auftretenden hohen Sintertemperaturen > 1000°C nicht aushalten. Demnach ist gemäß dem Stand der Technik das Vielschichtbauelement eingeschränkt auf Keramikmaterialien, die mittels des sogenannten "LTCC-Sinterprozesses" gesintert werden können. Dabei handelt es sich um Keramikmaterialien, die bei niedrigen Temperaturen < 800°C gesintert werden können. Naturgemäß ist entsprechend dieser Anforderung die Auswahl an Keramikmaterialien stark eingeschränkt, was einen weiteren Nachteil des bekannten Vielschichtbauelements bedeutet.
  • Aus DE 3125281 A1 ist eine elektrische Bauelementenkombination bekannt, bei die Deckfläche eines Vielschichtkondensators mit einer Widerstandsbahn versehen ist, die durch Materialabgleich auf den gewünschten Widerstandswert abgleichbar ist und aus einem Material besteht, dessen Temperaturkoeffizient im Hinblick zum Temperaturkoeffizient des Kondensators gegenläufig ist.
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Vielschichtbauelement anzugeben, das eine hohe Flexibilität bei der Integration von Widerständen in Vielschichtbauelemente ermöglicht.
  • Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch ein elektrisches Vielschichtbauelement nach Patentanspruch 1 erreicht. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung ist mit den merkmale des Anspruchs 1 definiert und gibt ein elektrisches Vielschichtbauelement an, das einen Grundkörper umfaßt, welcher einen Stapel von übereinanderliegenden keramischen Dielektrikumschichten enthält. Außen am Grundkörper sind wenigstens zwei Außenkontakte angeordnet. Im Innern des Grundkörpers ist zwischen zwei Dielektrikumschichten ein Widerstand angeordnet, der mit zwei der Außenkontakte Kontaktiert ist. Der Widerstand hat die Form einer strukturierten Schicht, welche wenigstens eine mehrfach gekrümmte Bahn als Strompfad zwischen den Außenkontakten bildet.
  • Das erfindungsgemäße Vielschichtbauelement hat den Vorteil, daß aufgrund der Strukturierung der den Widerstand bildenden Schicht eine größere Auswahl bei den zu realisierenden Widerstandswerten besteht und daß insbesondere relativ große Widerstandswerte erzielt werden können.
  • Bei in Form von gedruckten Bahnen entsprechend der Leiterbahnen-Technologie hergestellten Widerständen kommt es insbesondere auf das Verhältnis von Länge der Bahn zu Breite der Bahn an. Je länger die Bahn ist, desto größer ist auch ihr Widerstand. Umgekehrt gilt, daß mit sinkender Breite der Bahn der Widerstand ansteigt. Ein großes Verhältnis Länge/Breite ist also günstig für die Realisierung eines großen Widerstands. Durch die Ausführung des Widerstands in Form einer strukturierten Schicht kann nun der - insbesondere bei kleinen Bauelement-Größen - zwischen den beiden Außenkontakten nur begrenzt zur Verfügung stehende Platz optimal zur Bildung eines großen Widerstands benutzt werden. Demgegenüber würde eine nicht gekrümmte, lediglich geradlinig zwischen den beiden Außenkontakten verlaufende Widerstandsbahn nur einen sehr kleinen Widerstand erlauben. Zwar wäre es möglich, durch Verändern der Bahnbreite, insbesondere durch Verringerung der Bahnbreite, den Widerstand abzusenken. Jedoch würde eine zu geringe Bahnbreite bedeuten, daß auch die Stromtragfähigkeit des Widerstands gering ist, so daß der Widerstand bei einer entsprechend der Anwendung des Vielschichtbauelements auftretenden pulsartigen Hochstrombelastung oder auch bei dauerhafter Gleichstrombelastung durchschmelzen würde.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Widerstand in einer Ebene des Vielschichtbauelements angeordnet, die frei von elektrisch leitenden Elektrodenschichten ist. Dies bedeutet, daß die gesamte Fläche einer Ebene des Vielschichtbauelements für die Ausbildung des Widerstands zur Verfügung steht. Zusammen mit der mehrfach gekrümmten Bahn kann somit eine optimal große Fläche für die Realisierung eines besonders hohen Widerstands zur Verfügung gestellt werden.
  • Das erfindungsgemäße Vielschichtbauelement erlaubt aufgrund der strukturierten Schicht für den Widerstand das Gemeinsamsintern der Dielektrikumschichten mit dem Widerstand in einem einzigen Schritt. Dadurch kann ein monolithischer Körper gebildet werden, wie er für die Verwendung in der Multilayer-Technologie üblich ist und welcher die üblichen Vorteile aufweist.
  • In Bezug auf die Erzielung besonders großer Widerstände ist es desweiteren vorteilhaft, wenn der Widerstand zwischen den Außenkontakten in Form einer Bahn verläuft, deren Länge mindestens zehnmal größer ist als deren Breite.
  • Der Widerstand kann in einer Ausführungsform der Erfindung aus einer geschlossenen Widerstandsschicht gebildet sein, die nachträglich mit Aussparungen versehen ist. Dadurch kann der geradlinige Strompfad zwischen den Außenkontakten unterbrochen werden und der Strom auf mehrmals gekrümmte Bahnen gezwungen werden. Dadurch läßt sich ein hoher Widerstand erzielen.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Widerstand auch als mäanderförmige Bahn ausgeführt sein. Eine mäanderförmige Bahn mit einer Vielzahl von Windungen erlaubt die Realisierung eines sehr langen Strompfads entlang der Längsrichtung des Mäanders. Insbesondere kann durch eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden, in entgegengesetzte Richtungen ausgeführte Krümmungen ein großer Widerstand realisiert werden.
  • Das Widerstandsmaterial kann beispielsweise eine Legierung aus Silber und Palladium enthalten, wobei Palladium einen Gewichtsanteil von 15 bis zu < 100 % an der Legierung aufweist. Es kann auch reines Palladium verwendet werden. Solche Materialien sind in der Multilayer-Technologie bei der Herstellung von Vielschichtbauelementen bekannt. Bislang wurden aus diesen Materialien jedoch lediglich Elektrodenschichten hergestellt, bei denen es auf eine gute Leitfähigkeit ankommt. Diese Materialien haben den Vorteil, daß sie mit einer Vielzahl von Keramikmaterialien gemeinsam sinterbar sind. Sie weisen zwar keinen ausgesprochen hohen Widerstand auf, durch die erfindungsgemäße Strukturierung kann jedoch der Widerstand hinreichend erhöht werden.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Widerstandsmaterial eine Legierung aus Silber und Palladium enthält, wobei Palladium einen Gewichtsanteil zwischen 50 und 70 % an der Legierung aufweist. Durch den hohen Palladiumanteil kann aufgrund der gegenüber Silber schlechteren Leitfähigkeit von Palladium der Widerstand etwa um den Faktor drei erhöht werden.
  • Desweiteren kann der Widerstand dadurch erhöht werden, daß der Widerstand aus einem Widerstandsmaterial gebildet ist, das in der strukturierten Schicht einen Flächenwiderstand von mindestens 0,1 Ohm aufweist.
  • Der Widerstand des Widerstandsmaterials kann zum Beispiel erhöht werden, indem das Widerstandsmaterial neben einer elektrisch leitenden Komponente noch Zusatzstoffe in einem Anteil von bis zu 70 Vol.-% beigefügt werden. Solche Zusatzstoffe können einen spezifischen Widerstand haben, der wenigstens zehnmal größer ist als der spezifische Widerstand der leitenden Komponente. Dabei ist darauf zu achten, daß die leitenden Bestandteile nicht isoliert in einer Matrix von isolierenden Zusatzstoffen liegen, da dann überhaupt keine Leitfähigkeit mehr vorhanden wäre.
  • Als Zusatzstoff kommt beispielsweise Aluminiumoxid (Al2O3) in Betracht.
  • Eine Legierung von Silber und Palladium mit einem Gewichtsverhältnis Ag/Pd = 70/30 weist für eine Schicht der Dicke 2 µm einen Flächenwiderstand von 0,04 Ω auf. Der Flächenwiderstand ist dabei der spezifische Widerstand des Material dividiert durch die Dicke einer zu betrachtenden Schicht in Form eines Rechtecks. Der Widerstand der Schicht ergibt sich dann durch Multiplikation des Flächenwiderstands mit der Schichtlänge und anschließende Division durch die Schichtbreite. Durch das Herstellen eines Widerstandsmaterials, das 70 Vol.% Al2O3 und 30 Vol.-% der genannten Legierung enthält, kann der Flächenwiderstand von 0,04 auf 0,12 Ω erhöht werden.
  • Bei der Verwendung eines geeigneten Widerstandsmaterials, ist es möglich, für das Keramikmaterial der Dielektrikumschichten Materialien zu verwenden, deren Sintertemperatur zwischen 950 und 1200°C liegt. Dies hat den Vorteil, daß für das erfindungsgemäße Vielschichtbauelement eine Vielzahl von Keramikmaterialien zur Verfügung steht, wodurch es ermöglicht wird, Bauelemente mit optimalen keramischen Eigenschaften herzustellen.
  • Beispielsweise kommen für die Dielektrikumschichten Keramikmaterialien auf der Basis von Bariumtitanat in Betracht. Mit Hilfe solcher Keramikmaterialien können beispielsweise Kondensatoren realisiert werden.
  • Desweiteren kommt es in Betracht, für die Dielektrikumschichten eine sogenannte "COG"-Keramik zu verwenden. Ein solches Material wäre beispielsweise eine (Sm, Ba) NdTiO3-Keramik. Neben diesen Klasse 1 Dielektrika kommen auch sog. Klasse 2 Dielektrika, wie z.B. X7R-Keramiken in Betracht.
  • Für die Herstellung eines Varistors ist insbesondere Zinkoxid geeignet, gegebenenfalls mit Dotierungen von Praseodym oder Wismutoxid.
  • Es besteht desweiteren der Bedarf, die genannten keramischen Bauelemente mit sehr kleinen äußeren Abmessungen herzustellen. Dies erschwert die Realisierung großer Widerstände zusätzlich, da nur sehr kurze geradlinige Widerstandsbahnen dadurch ermöglicht werden. Durch die erfindungsgemäßen Struktur des Widerstands können jedoch hinreichend hohe Werte erzielt werden.
  • In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung kann das Vielschichtbauelement so gestaltet sein, daß zwei nebeneinanderliegende Vielschichtvaristoren darin enthalten sind. Durch geeignete Anordnung eines oder mehrerer Widerstände kann durch ein solches Bauelement ein π-Filter realisiert werden. Solche π-Filter beruhen darauf, daß Vielschichtvaristoren naturgemäß neben ihrer Varistoreigenschaft auch noch eine nicht unerhebliche Kapazität aufweisen, die für das Dämpfungsverhalten eines solchen Filters verantwortlich ist.
  • Eines solches π-Filter kann gebildet sein in Form eines Bauelements, bei dem im Grundkörper nebeneinander zwei Stapel von jeweils übereinanderliegenden durch Dielektrikumschichten voneinander getrennten Elektrodenschichten angeordnet sind. Die Elektrodenschichten des ersten Stapels sind abwechselnd mit dem ersten und dem zweiten Außenkontakt eines ersten Paares von Außenkontakten kontaktiert. Durch diese abwechselnde Kontaktierung können kammartig ineinandergreifende Elektrodenstrukturen realisiert werden, die beispielsweise zur Erzielung von hohen Kapazitäten erforderlich sind. Entsprechend dem ersten Stapel sind auch die Elektrodenschichten des zweiten Stapels abwechselnd mit dem ersten und dem zweiten Außenkontakt eines zweiten Paares von Außenkontakten kontaktiert.
  • Die einem π-Filter entsprechende Verbindung der beiden so gebildeten Vielschichtbauelemente durch einen Widerstand wird dadurch realisiert, daß zu verschiedenen Paaren gehörende und auf einander gegenüberliegenden Seitenflächen des Grundkörpers liegende Außenkontakte durch einen Widerstand verbunden sind. Die Außenkontakte eines jeden Paares liegen dabei aufeinander gegenüberliegenden Seitenflächen des Grundkörpers. Insgesamt sind also auf zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des Grundkörpers jeweils zwei Außenkontakte angeordnet. Dies entspricht der sogenannten "Feedthrough"-Ausführungsform von Bauelementen.
  • Indem die Dielektrikumschichten wenigstens teilweise eine Varistorkeramik enthalten, kann dafür gesorgt werden, daß jeder der Stapel von Elektrodenschichten Teil eines Vielschichtvaristors ist. Durch den zwei Außenkontakte verbindenden Widerstand kann aus den beiden Varistoren ein π-Filter gebildet werden.
  • Ein solches π-Filter weist aufgrund des erhöhten Kopplungswiderstands ein verbessertes Dämpfungsverhalten auf, wobei ein ganzes Frequenzband, das zwischen den beiden durch die Kapazitäten der Varistoren definierten Dämpfungsfrequenzen verläuft, bedämpft werden kann.
  • Desweiteren ist es vorteilhaft, wenn das Bauelement symmetrisch zu einer Ebene ausgebildet ist, die parallel zu einer Dielektrikumschicht verläuft. Dafür ist es erforderlich, daß beispielsweise oberhalb und unterhalb der Stapel jeweils ein Widerstand angeordnet ist. Diese Widerstände wären dann parallel zu schalten. Eine symmetrische Ausführungsform des Bauelements hat den Vorteil, daß es bei der Montage des Bauelements auf einer Leiterplatte insbesondere im Fall von Hochfrequenzanwendungen nicht mehr darauf ankommt, ob der Schichtstapel des Bauelements mit der- Unterseite oder mit der Oberseite auf der Leiterplatte aufliegt.
  • Das erfindungsgemäße Bauelement kann besonders vorteilhaft durch Sintern eines Stapels von übereinanderliegenden keramischen Grünfolien hergestellt sein. Dadurch entsteht ein monolithisches, kompaktes Bauelement, das sehr schnell und einfach in großen Stückzahlen hergestellt werden kann.
  • Das erfindungsgemäße Bauelement kann insbesondere in einer miniaturisierten Form ausgeführt sein, wobei die Grundfläche des Grundkörpers weniger als 2,5 mm2 beträgt. Eine solche Grundfläche ließe sich beispielsweise durch eine Bauform des Grundkörpers realisieren, bei der die Länge 1,25 mm und die Breite 1,0 mm beträgt. Diese Bauform ist auch unter dem Namen "0405" bekannt.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert:
    • Figur 1
    zeigt den Schnitt D-D aus Figur 2.
    Figur 2
    zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Bauelement.
    Figur 3
    zeigt den Schnitt E-E aus Figur 2.
    Figur 4
    zeigt eine Draufsicht des Bauelements aus Figur 2.
    Figur 5
    zeigt eine Seitenansicht des Bauelements aus Figur 2.
    Figur 6
    zeigt ein Ersatzschaltbild für das Bauelement aus Figur 2.
    Figur 7
    10 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform für den in Figur 1 dargestellten Widerstand.
    Figur 8
    zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform für den in den Figuren 1 und 7 dargestellten Widerstand.
    Figur 9
    zeigt schematisch das Dämpfungsverhalten eines Bau-elements gemäß Figur 2.
  • Für alle Figuren gilt, daß gleiche Bezugszeichen auch gleiche Elemente bezeichnen.
  • Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Vielschichtbauelement im schematischen Längsschnitt. Es umfaßt einen Grundkörper 1, der übereinanderliegende Dielektrikumschichten 2 in Form eines Stapels enthält. Die Dielektrikumschichten 2 enthalten ein Keramikmaterial. Sie sind in Figur 2 durch die gepunkteten Linien angedeutet. In dem Grundkörper 1 sind darüber hinaus Stapel 7, 8 von übereinanderliegenden Elektrodenschichten 9 enthalten. Diese Stapel 7, 8 bilden jeweils einen Varistor VDR1, VDR2. Oberhalb und unterhalb der Varistoren VDR1, VDR2 ist jeweils ein Widerstand 41, 42 angeordnet. Die Widerstände 41, 42 sind aus einer strukturierten Schicht 5 gebildet, deren Form insbesondere aus Figur 1 hervorgeht. In Figur 2 sind lediglich einzelne Streckenabschnitte eines Mäanders im Querschnitt erkennbar. Das in Figur 2 gezeigte Bauelement ist symmetrisch zu einer Ebene 14 ausgebildet, die parallel zu den Dielektrikumschichten 2 verläuft. Durch die Symmetrie hat das Bauelement insbesondere Vorteile für Anwendungen im Hochfrequenz-Bereich, wo es auf die Orientierung der Bauelemente auf der Leiterplatte ankommt. Eine symmetrische Ausführung des Bauelements bedeutet, daß auf die Lage des Bauelements bezüglich der Symmetrieebene nicht geachtet werden muß.
  • Figur 1 zeigt den Schnitt D-D des Bauelements in Figur 2.
  • In Figur 1 ist gezeigt, welche Form der Widerstand 41 aufweist. Er weist die Form eines Mäanders auf. Der Mäander wird geformt durch eine Bahn, die die Breite b aufweist. In dem in Figur 1 gezeigten Beispiel beträgt die Breite b 50 µm. Die Länge des in Figur 1 gezeigten Mäanders beträgt zirka 4000 µm. Die Länge wird dabei bestimmt durch Addition der Längen der einzelnen Rechtecke, aus denen der Mäander zusammengesetzt gedacht sein kann. Demnach weist die Ausführungsform der Erfindung gemäß Figur 1 bezüglich des Widerstands ein Verhältnis L/B von 80 auf. Dadurch lassen sich große Widerstände herstellen. Der in Figur 1 gezeigte Widerstand beträgt ca. 3 Ohm. Die in Figur 1 gezeigte Bahn ist in Form einer strukturierten Schicht 5 aufgetragen, wobei die Schichtdicke ca. 2 µm beträgt. Der in Figur 1 gezeigte Widerstand ist gebildet aus einem Material, das eine Silber-Palladium-Legierung enthält, wobei Palladium einen Gewichtsanteil von 30 % an der Legierung hat. Zudem enthält das Ausgangsmaterial des Widerstands noch eine organische Substanz und ein Lösungsmittel. Diese letztgenannten Zusätze sind lediglich in dem Widerstandsmaterial enthalten, um den Widerstand in Form einer Siebdruckpaste mit Hilfe eines Siebdruckverfahrens auf eine Keramikschicht aufbringen zu können. Diese Bestandteile werden während des Sinterns durch Ausbrennen entfernt. Es handelt sich dabei um organische Bestandteile.
  • Figur 1 ist noch zu entnehmen, daß der Widerstand 41 zwei Außenkontakte 3 des Bauelements miteinander verbindet.
  • Figur 1 ist weiterhin zu entnehmen, daß in der in Figur 1 gezeigten Ebene neben dem Widerstand 41 keine Elektrodenschichten, die zu einem Kondensator oder zu einem Varistor gehören, enthalten sind. Demnach steht die gesamte in Figur 1 gezeigte Fläche zur Ausfüllung mit dem einen Widerstand bildenden Mäander zur Verfügung.
  • Figur 3 zeigt den Schnitt E-E des Bauelements aus Figur 2. In Figur 3 ist auf der linken Seite eine Elektrodenschicht 9 eines Stapels 7 von Elektrodenschichten 9 und auf der rechten Seite eine Elektrodenschicht 9 eines Stapels 8 von Elektrodenschichten 9 zu sehen. Mehrere gleichartige solche Elektrodenschichten 9 sind in dem Bauelement übereinandergestapelt. Sie bilden aufgrund des zwischen den Elektrodenschichten 9 angeordneten Varistormaterials jeweils einen Varistor VDR1, VDR2, der jedoch aufgrund der großflächigen einander gegenüberstehenden Elektrodenschichten 9 auch einen hohen kapazitiven Anteil aufweist. Aus einer Zusammenschau von Figur 1 und Figur 3 ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Bauelement gemäß dem speziellen Ausführungsbeispiel als Feedthrough-Bauelement ausgeführt ist. Jedem Stapel 7, 8 von Elektrodenschichten 9 ist ein Paar von Außenkontakten 10, 11 beziehungsweise 12, 13 zugeordnet. Innerhalb eines Stapels 7, 8 von Elektrodenschichten 9 erfolgt die Kontaktierung der Elektrodenschichten 9 mit den Außenkontakten 10, 11 beziehungsweise 12, 13 abwechselnd. Eine schaltungstechnische Kopplung der durch die Stapel 7, 8 gebildeten Varistoren erfolgt durch den Widerstand 41 beziehungsweise 42, wie aus Figur 1 beziehungsweise Figur 2 ersichtlich.
  • Den Figuren 4 und 5 ist die Lage der Außenkontakte 3 zu entnehmen. Sie sind an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des Grundkörpers 1 angeordnet. Die Draufsicht von Figur 4 zeigt, daß die Außenkontakte 3 auch auf die Oberseite beziehungsweise entsprechend auf die Unterseite des Grundkörpers 1 umgreifen. Dadurch kann das Bauelement auf der Oberseite oder auf der Unterseite durch eine Oberflächenmontagetechnik mit einer Leiterplatte elektrisch leitend verbunden werden.
  • Figur 6 zeigt ein Ersatzschaltbild des in den Figuren 1 bis 3 gezeigten erfindungsgemäßen Bauelements. Dabei ist ersichtlich, daß die beiden Varistoren VDR1, VDR2 durch einen schaltungstechnischen Widerstand R miteinander zu einem π-Filter verkoppelt sind. Der schaltungstechnische Widerstand R ergibt sich dabei durch eine Parallelschaltung der beiden Widerstände 41, 42 aus Figur 2. Dies ergibt sich daraus, daß der Widerstand 42 in Figur 2 genauso aussieht, wie der Widerstand 41 entsprechend Figur 1. In Figur 6 sind noch die Außenkontakte 3 des Bauelements im einzelnen mit Bezugszeichen bezeichnet, so daß die schaltungstechnische Zuordnung der physikalischen Außenkontakte des Bauelements erfolgen kann.
  • Die Figuren 7 und 8 zeigen weitere Ausführungsformen für einen Widerstand 4, wie er anstelle des in Figur 1 gezeigten Widerstandes 41 zum Einsatz kommen könnte. Demnach zeigt Figur 7 eine weitere Mäanderstruktur für den Widerstand 4. Dabei ist die den Widerstand 4 bildende Schicht 5 in der Form eines Mäanders strukturiert. Der Mäander wird gebildet durch eine Bahn mit der Breite b, die der Breite b aus Figur 1 entsprechen kann. Im Unterschied zu Figur 1 verläuft der Mäander in Figur 7 nicht in Längsrichtung des Grundkörpers 1, sondern in Querrichtung.
  • In Figur 8 ist ein Widerstand 4 gezeigt, der aus einer rechteckförmigen geschlossenen Schicht 5 gebildet ist durch Anordnen von Ausnehmungen 6 in der Schicht 5. Diese Ausnehmungen 6 können kreisförmig sein, sie können jedoch auch andere Formen, wie beispielsweise Rechtecke aufweisen. Durch eine gleichmäßige Verteilung einer Vielzahl von Aussparungen 6 kann der Widerstand der ursprünglich rechteckförmigen Schicht 5 deutlich erhöht werden. Als Effekt der Aussparungen 6 ergibt sich eine Vielzahl von mehrfach gekrümmten Strompfaden zwischen den Außenkontakten 3, die einen hohen Widerstand aufweisen.
  • Figur 9 zeigt die Einfügedämpfung des in Figur 2 beziehungsweise in Figur 6 dargestellten Bauelements. Die Einfügedämpfung S ist in der Einheit dB über der Frequenz f[MHz] aufgetragen. Durch die beiden in den Varistoren VDR1, VDR2 enthaltenen Kapazitäten C1, C2 werden Resonanzfrequenzen f1, f2 gebildet. An den Stellen der Resonanzfrequenzen f1, f2 zeigt das Bauelement eine erhöhte Dämpfung. Auch zwischen den Resonanzfrequenzen f1, f2 weist das Bauelement aufgrund des die π-Schaltung realisierenden Widerstands R eine sehr gute Dämpfung auf, die im Frequenzintervall zwischen 740 MHz und 2,7 GHz besser als -20 dB ist. Dadurch ist das Bauelement zum Entstören eines Frequenzbandes geeignet, welches zwischen den Resonanzfrequenzen f1 (gehört zu C1) und der Resonanzfrequenz f2 (gehört zu C2) liegt. Die Resonanzfrequenzen f1 und f2 werden definiert durch die Kapazitäten C1 und C2 der Varistoren VDR1 und VDR2, welche durch Umrechnung der Frequenzen zu C1 = 40 pF und C2 = 20 pF bestimmt werden können. Der Widerstand R beträgt bei dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel 1,8 Ω.

Claims (18)

  1. Elektrisches Vielschichtbauelement mit
    - einem Grundkörper (1), der einen Stapel von übereinanderliegenden keramischen Dielektrikumsschichten (2) enthält,
    - zwei außen am Grundkörper (1) angeordneten Außenkontakten (3),
    - Elektrodenschichten (9), welche zusammen mit den Dielektrikumsschichten wenigstens eine Kapazität bilden,
    - einem im Innern des Grundkörpers (1) zwischen zwei Dielektrikumschichten (3), angeordneten Widerstand (4, 41, 42), dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand mit den Außenkontakten (3) kontaktiert ist, und die Form einer strukturierten Schicht (5) aufweist, welche wenigstens eine mehrfach gekrümmte Bahn als Strompfad zwischen den Außenkontakten bildet.
  2. Bauelement nach Anspruch 1,
    bei dem die Dielektrikumschichten (2) und der Widerstand (4, 41, 42) in einem einzigen Sinterschritt gemeinsam gesintert sind und einen monolithischen Körper bilden.
  3. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    bei dem im Grundkörper (1) Elektrodenschichten (9) angeordnet sind und bei dem die Ebene des Widerstands (4, 41, 42) frei von Elektrodenschichten (9) ist.
  4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    bei dem der Widerstand (4) zwischen den Außenkontakten (3) in Form einer Bahn verläuft, deren Länge wenigstens zehnmal größer ist als deren Breite (b).
  5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    bei dem der Widerstand (4, 41, 42) aus einer geschlossenen Schicht (5) gebildet ist, die mit Aussparungen (6) versehen ist.
  6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    bei dem der Widerstand (4, 41, 42) die Form eines Mäanders aufweist.
  7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    bei dem der Widerstand (4, 41, 42) aus einem Widerstandsmaterial gebildet ist, das in der strukturierten Schicht (5) einen Flächenwiderstand von wenigstens 0,1 Ohm aufweist.
  8. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    bei dem der Widerstand (4, 41, 42) aus einem Widerstandsmaterial gebildet ist, welches eine Legierung aus Silber und Palladium enthält, wobei das Palladium einen Anteil von 15 bis 100 Gew.-% an der Legierung aufweist.
  9. Bauelement nach Anspruch 8,
    bei dem der Anteil von Palladium zwischen 50 und 70 Gew.-% beträgt.
  10. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    bei dem das Widerstandsmaterial zudem bis zu 70 Vol.-% eines Zusatzstoffes enthält, der einen spezifischen Widerstand aufweist, welcher wenigstens zehnmal größer ist als der spezifische Widerstand der übrigen Bestandteile des Widerstandsmaterials.
  11. Bauelement nach Anspruch 10,
    bei dem der Zusatzstoff Al2O3 enthält.
  12. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    bei dem die Dielektrikumschichten (2) ein Keramikmaterial enthalten, dessen Sintertemperatur zwischen 950 und 1200°C beträgt.
  13. Bauelement nach Anspruch 12,
    bei dem die Dielektrikumschichten (2) eine Keramik auf der Basis von BaTiO3 enthalten.
  14. Bauelement nach Anspruch 12,
    bei dem die Dielektrikumschichten (2) eine Varistorkeramik enthalten.
  15. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
    - bei dem im Grundkörper (1) nebeneinander zwei Stapel (7, 8) von jeweils übereinanderliegenden durch Dielektrikumschichten (2) voneinander getrennten Elektrodenschichten (9) angeordnet sind,
    - bei dem die Elektrodenschichten (9) des ersten Stapels (7) abwechselnd mit einem ersten (10) und einem zweiten (11) Außenkontakt eines ersten Paares von Außenkontakten kontaktiert sind,
    - bei dem die Elektrodenschichten (9) des zweiten Stapels (8) abwechselnd mit einem ersten (12) und einem zweiten (13) Außenkontakt eines zweiten Paares von Außenkontakten kontaktiert sind,
    - und bei dem zu verschiedenen Paaren gehörende, auf einander gegenüberliegenden Seitenflächen des Grundkörpers (1) liegende Außenkontakte (10, 13; 11, 12) durch einen im Innern des Grundkörpers angeordneten Widerstand (4) verbunden sind.
  16. Bauelement nach Anspruch 15,
    bei dem die Stapel (7, 8) von Elektrodenschichten (9) jeweils Teil eines Vielschichtvaristors (VDR1, VDR2) sind.
  17. Bauelement nach Anspruch 16,
    bei dem die beiden Varistoren (VDR1, VDR2) und der Widerstand (4) ein π-Filter bilden.
  18. Bauelement nach Anspruch 17,
    bei dem das Bauelement symmetrisch zu einer Ebene (14) gebildet ist, die parallel zu einer Dielektrikumschicht (2) verläuft und bei dem oberhalb und unterhalb des Stapels (7, 8) von Elektrodenschichten (9) je ein Widerstand (41, 42) angeordnet ist.
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