EP3403267A1 - Bauelementtraeger mit esd schutzfunktion und verfahren zur herstellung - Google Patents

Bauelementtraeger mit esd schutzfunktion und verfahren zur herstellung

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Publication number
EP3403267A1
EP3403267A1 EP17700228.4A EP17700228A EP3403267A1 EP 3403267 A1 EP3403267 A1 EP 3403267A1 EP 17700228 A EP17700228 A EP 17700228A EP 3403267 A1 EP3403267 A1 EP 3403267A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pair
electrodes
electrode
varistor
layer
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.)
Withdrawn
Application number
EP17700228.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sebastian Brunner
Christian Faistauer
Günter PUDMICH
Edmund Payr
Kurt Wiesbauer
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
TDK Electronics 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 TDK Electronics AG filed Critical TDK Electronics AG
Publication of EP3403267A1 publication Critical patent/EP3403267A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • H01C7/10—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 voltage responsive, i.e. varistors
    • H01C7/1006—Thick film varistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C1/00—Details
    • H01C1/14—Terminals or tapping points specially adapted for resistors; Arrangements of terminals or tapping points on resistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C1/00—Details
    • H01C1/14—Terminals or tapping points specially adapted for resistors; Arrangements of terminals or tapping points on resistors
    • H01C1/144—Terminals or tapping points specially adapted for resistors; Arrangements of terminals or tapping points on resistors the terminals or tapping points being welded or soldered
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C17/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors
    • H01C17/06—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors adapted for coating resistive material on a base
    • H01C17/065—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors adapted for coating resistive material on a base by thick film techniques, e.g. serigraphy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C17/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors
    • H01C17/28—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors adapted for applying terminals
    • H01C17/281—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors adapted for applying terminals by thick film techniques
    • 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
    • H01C7/10—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 voltage responsive, i.e. varistors
    • H01C7/102—Varistor boundary, e.g. surface layers

Definitions

  • the application relates to a component carrier with built-in ESD protection function, with electrical components
  • Varistors can be used to protect sensitive equipment, components and networks against ESD (Electro Static Discharge). These are non-linear components whose resistance exceeds one
  • Varistors are therefore suitable for safely dissipating overvoltage pulses.
  • Varistors made of a zinc oxide ceramic with grain structure are produced.
  • Discrete devices with varistor function or generally with ESD protection function are soldered directly onto a ceramic substrate, a leadframe, a circuit board or a circuit board and electrically connected to the device to be protected. It is also possible to integrate such protective elements in a laminate during its production. Further, it is possible to place the protective element in a recess of the substrate, the carrier plate or the laminate so that it is adjacent to other electrically conductive structures which are provided for connection to further components. Although this leads to a low
  • Object of the present invention is the integration of a protective function or a protective element in one
  • Another sub-task is to specify a basic body with protective function and improved thermal conductivity. This object is achieved by a component carrier with the
  • the component carrier has a ceramic base body which has electrical connection surfaces on a first surface and a first electrode pair on a second surface. Electrical connection surfaces and first
  • Electrode pair are electrically connected via vias.
  • a varistor layer is applied over the first pair of electrodes.
  • a second electrode pair is applied over the varistor layer and electrically connected in parallel with the first electrode pair.
  • First and second electrode pair together with the varistor layer arranged therebetween form a varistor and can thus, in the case of one at the connection surfaces
  • Electrode pair electrically connected component is not damaged.
  • the varistor layer lies flat on the base body, can use its first electrode pair as a varistor electrode and therefore requires only little additional volume.
  • Component carrier therefore has a relatively small volume.
  • the varistor layer is laterally dimensioned so that it is circumferentially spaced from the edges of the component carrier. This has the advantage that no side edge of
  • Varistor layer terminates on a side surface of the component carrier. As a result, the varistor layer is protected against mechanical and other influences after assembly of the component.
  • Such a lateral structuring of the varistor layer has in particular in the structuring of the base body, or in the singling of individual component carriers along
  • Dividing lines have the advantage that the dividing lines come to rest outside the varistor layer, so that the latter does not have to be severed during separation and therefore can not be damaged.
  • the second electrode pair preferably comprises a solderable material or is provided with a solderable surface layer Mistake. Then, an electrical component can be soldered directly onto the varistor layer or its second "upper" electrode pair
  • the varistor between the component and body is mechanically protected.
  • a protective layer or a passivation is therefore either not necessary for the varistor or can be produced in a simple and cost-effective design.
  • the component carrier is suitable for components that generate waste heat during operation. This can be removed from the component via the component carrier.
  • the base body comprises aluminum nitride. This is characterized by a particularly good thermal conductivity. This advantage can compensate for the disadvantage of higher material price in heat-generating components.
  • other ceramic materials are also suitable for the basic body, for example aluminum oxide, silicon carbide, boron nitride or others.
  • the component carrier may be provided with thermal vias, which improve the heat transfer through the body through.
  • the thermal vias are preferably connected to a heat sink, which may for example be provided on a circuit board, to which the component carrier is bonded.
  • At least the second comprises
  • Electrode pair copper-containing and silver-containing electrode pastes can be printed with additional finish to give a solderable surface. But there are also other electrode pastes known, can be soldered on directly without additional finish.
  • At least one inner electrode is arranged, which is embedded in the varistor layer in an electrically floating manner or is electrically connected to one electrode of the first pair of electrodes. This has in the production of the
  • a passivation layer is above the varistor layer and the second electrode pair arranged that the varistor layer is enclosed on all sides and completely between the base body, second electrode pair and passivation layer and from the second
  • connection contacts remain free and uncovered.
  • the passivation layer can be applied and patterned after the application of the varistor layer.
  • the second pair of electrodes can then be produced in surface regions which are free of the passivation layer. It is also possible, the passivation layer after the
  • connection contacts for the assembly of the device can be generated.
  • Component carrier comprises the steps:
  • Pair of electrodes of a green sheet which can be converted into a varistor layer by sintering
  • varistor h imprinting a second pair of electrodes on the
  • Varistor layer and the exposed portion of the first pair of electrodes such that first and second
  • Electrode pair are electrically connected and an overlap of an electrode of the first pair of electrodes with the opposite electrode of the second
  • Electrode pair defined with an intermediate active varistor region The method steps a) to d) can be substantially similar to corresponding known methods without modification.
  • step e) the varistor layer is then used as a green sheet. This can be done before or after the baking of the printed first pair of electrodes.
  • Electrode paste can comprise glass components for better adhesion and at the same time serve as adhesion promoter for the varistor layer.
  • the green sheet for the varistor layer can be laminated over the entire surface of the base body. It can the
  • the body may be a ceramic wafer on which a large number of individual carriers can be generated in parallel and processed before the wafer is then separated into the individual carriers.
  • the varistor is designed with an inner electrode, it can be applied to the green sheet before it is laminated. However, it is then necessary a mutual alignment between the varistor layer with the inner electrode and the base body with the first electrode pair. This eliminates the subsequent generation of the inner electrode after the lamination. It is possible but not necessary to apply single or more layers after lamination or
  • the laminated green sheet is so
  • the struc ⁇ turing can be quickly and structure accurately performed with a laser.
  • the metallizations of the component carrier as ⁇ connection surfaces, first and second pair of electrodes may be prepared by
  • Metal-containing paste can be provided with a refining coating, a so-called finish and thus with a solderable surface.
  • a finish may include Ni, Au, Pt, Pd or Sn.
  • the inner electrode can be printed as well as the other Metalli ⁇ stechniken. This can be done on an already laminated green foil with varistor material or on the separate not yet laminated green sheet done. A green foil provided with an inner electrode can also be printed over the whole area on a large-area base body and patterned later.
  • the inner electrode is aligned at the first pair of electrodes. Alignment is less critical if the inner electrode is electrically floating. If the at least one inner electrode with a
  • the alignment of the inner electrode on the first electrode pair must be done with a lower tolerance.
  • the structuring of the green sheet is to be carried out in such a way that the inner electrodes to be interconnected with the same polarity are cut on one structural edge of the green sheet or green sheet stack and can later be connected to the second pair of electrodes.
  • a passivation layer can be applied and patterned so that in the first case only the surface region provided for the second electrode pair remains free of the passivation layer.
  • the printed second electrode pair remains free of the passivation layer only in such an area, in which subsequently solderable connection contacts are produced by amplifying the second electrode pair.
  • the passivation layer may be a glass, ceramics, other dielectric oxides, nitrides, carbides, or a polymer, e.g. Polyimide include.
  • a polymer may be selected to require further processing steps such as e.g. Electroplating, the burning of printed metallizations or
  • the passivation layer is usually to remain on the component carrier
  • solderable contacts are galvanic
  • the singulation can be done in a simple manner e.g. done by sawing.
  • FIG. 1 shows a simple embodiment of a
  • FIGS. 2A to 2H show various embodiments
  • FIGS. 3A to 3F show a second cross-section through different process stages
  • FIGS. 4A to 4G show various process steps on the basis of schematic cross sections during the production of a component carrier with a multilayer varistor.
  • Figures 5A and 5B show the manufacture of a film stack as may be used in the manufacture of a multilayer varistor.
  • FIGS. 6A to 6E show various embodiments of a component carrier according to the invention after being fitted with a component.
  • FIG. 1 shows, in a schematic cross section, a simple embodiment of a component carrier BT according to FIG.
  • a ceramic base GK is provided on a first surface Ol with pads AF.
  • a first electrode pair EP1 is applied on the opposite second surface 02.
  • Each pad AF is associated with an electrode of the first pair of electrodes EP1 and with this through a via DK through the
  • a varistor layer VS is applied over both electrodes of the first pair of electrodes EP1. Above the varistor layer VS, a second electrode pair EP2 is attached, and so on
  • Electrode pair is in contact. Accordingly, the second is Electrode of the second pair of electrodes EP2 with the second electrode of the first pair of electrodes EP1 in contact.
  • An electrode of the first electrode pair overlaps with an electrode of the second pair of electrodes EP2 so that with the intervening varistor VS in
  • Zinc oxide grains ZK are arranged in dense packing in the varistor layer VS.
  • Electrode pair EP1, EP2 applied voltage exceeds the breakdown voltage, forms between individual
  • the varistor voltage is the voltage drop across the varistor at impressed current of 1 mA. she has no
  • the main body GK is preferably formed of aluminum oxide or for better heat conduction of aluminum nitride. Other ceramic materials are theoretically suitable, but expensive. Connection surfaces and first
  • Electrode pairs comprise a baked conductive paste, for example based on silver.
  • the second electrode pair EP2 is preferably made of a conductive baked Paste formed and either already for themselves already solderable or provided with a solderable surface.
  • a copper-containing paste can be used, which is already a solubilizing by itself additives
  • FIGS. 2A to 2H show a simple production method for a component carrier according to FIG. 1.
  • FIG. 2A shows a main body GK, which is used for
  • FIG. 2B shows the main body after the manufacture of
  • Pads AF on the first surface and of a first pair of electrodes EP1 on the second surface may be in the form of a conductive paste, but may also be baked already.
  • a green film of a varistor layer VS is laminated onto the second surface above the first electrode pair EP1. This takes place over the entire surface over the entire surface of the main body GK.
  • the whole-area varistor layer VS is patterned with the aid of a structuring tool ST.
  • the varistor layer VS is in a circumferential
  • the varistor foil VS is in the edge region of the first
  • the electrodes of the first pair of electrodes are each strip-shaped, as is the exposed area.
  • FIG. 2E shows the arrangement after the structuring of the varistor layer VS.
  • a second pair of electrodes EP2 is then applied to the laminated green sheet of the varistor layer VS such that one electrode thereof in each case contacts an electrode of the first pair of electrodes EP1 in the exposed area.
  • the second electrode pair EP2 is preferably printed, wherein a conductive paste based on silver or copper can be used. After printing, the second pair of electrodes EP2 can be baked, wherein
  • Figure 2F shows the arrangement after the completion of the second pair of electrodes.
  • solderable terminals AK is now over the entire surface of a passivation layer PS up ⁇ placed and structured to a mask for
  • connection contacts AK forms.
  • a passivation layer PS a glass-containing layer or another resist mask, for example a polymer, can be used.
  • a glassy passivation layer can be used as a passivation layer PS.
  • a polymer layer like a photoresist, can be laminated on as a film or spin-coated in liquid form and patterned photolithographically.
  • Figure 2G shows the arrangement on this
  • Electrode pair EP2 where it is exempt from the passivation layer PS and uncovered, with a good conductive
  • Metal reinforced for example with copper.
  • solderable surface can then be a
  • connection surfaces AF on the first surface Ol can also be provided with a solderable coating.
  • FIG. 2H shows the
  • FIGS 3A to 3F show with reference to schematic
  • the procedure starts with a
  • Electrode provided basic body GK, for example, as shown in Figure 2B. On this body is now a
  • Green film for the varistor layer VS laminated In principle, two variants are possible.
  • a first partial layer of the varistor layer can be laminated on and then the inner electrode IE can be printed. Subsequently, over the entire surface, a second green sheet of the varistor layer VS is laminated so that the inner electrode is completely embedded between the two varistor layers.
  • the inner electrode IE is printed on a first partial foil of the varistor layer VS and then a second partial foil of the varistor Layer laminated. The whole is done separately from the base ⁇ body GK, so that a prelaminate is formed, which is then laminated to the ceramic body GK.
  • FIG. 3A shows the arrangement with the varistor layer, in which the inner electrode IE is embedded in such a way that they are both connected to the electrodes of the first and second electrode pair
  • this varistor layer VS is also structured, and the edge region as well as that for connections
  • the inner electrode remains
  • a laser can be used for structuring.
  • the varistor layer VS is sintered, wherein, as during firing, each ceramic begins to shrink in volume. Since the varistor layer is stretched by the base body, but this leads at most to a small, usually no lateral fading, but it leads to a reduction in the
  • FIG. 3C shows the
  • a passivation layer is then deposited and patterned, or structured or already vorstruk ⁇ tured applied, for example by printing.
  • the connection areas provided for connecting the first pair of electrodes remain uncovered by the passivation layer PS and parts of the varistor layer VS, on which later the second electrode pair is generated in a structured manner.
  • FIG. 3D shows the arrangement with the structured passivation layer PS.
  • the second electrode pair EP2 is now applied, for example by printing. Subsequently, the second electrode pair is baked.
  • Figure 3E shows the arrangement on this
  • a solderable surface of a finishing layer may be applied to the second electrode pair EP2, for example, by electroplating a surface layer of OS, such as a gold, palladium or platinum ⁇ layer, or one of the above-mentioned other coatings.
  • a surface layer of OS such as a gold, palladium or platinum ⁇ layer, or one of the above-mentioned other coatings.
  • Figure 3F shows the arrangement on this
  • the finished component carrier BT can now be equipped with an electrical component, which can be soldered onto the first electrode pair or on the surface layer OS. Alternatively, the component can also be mounted on the connection surfaces AF on the opposite first upper side Ol.
  • FIGS. 4A to 4G show, with reference to schematic cross sections during various process stages, the production of a component carrier with a multilayer varistor structure.
  • FIG. 4A shows a main body GK, which is coated on both sides with electrodes, namely with connection surfaces AF on the underside or first surface and a first electrode pair EP1 on the second surface 02nd On the second surface via the first electrode pair EP1 now a film stack FS is laminated.
  • the method can be carried out as already described in the previous embodiment according to the figure 3.
  • the film stack FS can be removed from the main body by
  • Overlaminating green sheets printed with electrode material may be produced so that the inner electrodes IE overlap one another and differently polarized electrodes can be contacted at opposite edge regions. There, too, the individual layers of the inner electrodes do not overlap with another inner electrode of opposite polarity.
  • the laminated film stack FS is then as a whole on the surface of the
  • Figure 4B shows the arrangement on this
  • FIG. 2D shows how, with the aid of a structuring tool ST, the film stack FS is structured such that a
  • connection areas of the first pair of electrodes are exposed. At the same time, in each case a corresponding one in the two opposite edge regions
  • FIG. 4D shows the arrangement after structuring and baking of the film stack, wherein a varistor layer VS having here two internal electrodes IE is obtained.
  • the left edge of the lower inner electrode IE1 is for connection exposed with the left electrode of the first pair of electrodes.
  • the upper inner electrode IE2 for connection to the right electrode of the first pair of electrodes is exposed.
  • the second pair of electrodes EP2 is printed, each of the two electrodes contacting the ent ⁇ speaking lying beneath electrode of the first electrode ⁇ pair 1 and one or more associated internal electrodes IE.
  • the preferred printing are
  • Electrode pair EP1 shows the arrangement on this process stage.
  • Figure 4F shows the arrangement after the application of a
  • Passivation layer PS which serves to mask the varistor ⁇ layer before the production of the connection contacts.
  • the passivation layer can be printed or through
  • the passivation layer may comprise any desired dielectric material, in particular a glass-containing layer or a polymer. Uncovered remain the areas of the second pair of electrodes, which are provided for the production of the external contacts. The second electrode pair EP can now be reinforced into these exposed regions by means of electrodeposition
  • FIGS. 5A and 5B show the production of a film stack FS, which can serve as a prelaminate for a subsequent varistor layer.
  • the film stack FS can still handle as a green sheet and can be laminated in this form on a green body.
  • FIGS. 6A to 6E show various embodiments of component carriers according to the invention after the mounting of a component component on the connection contacts AK of the second electrode pair EP2, or in the variant according to FIG. 6E, on the connection surfaces AF.
  • Figure 6A shows the
  • a single-layer varistor layer VS is likewise used, but uncovered regions of the varistor layer and large parts of the second electrode pair EP2 are covered with a passivation layer PS. Only the locations remain in which the connection contacts are generated, to which the component BE is subsequently mounted with the aid of connection means VM.
  • connection means VM a bump or a conventional soldering point can be used.
  • the varistor layer VS has a floating inner electrode which is not in electrical contact with the first or second electrode pair. Again, a passivation layer PS is provided, which leaves only the connection contacts. in the
  • a surface layer OS is additionally applied via the connection contacts or the second electrode pair EP in the region of the connection contacts.
  • FIG. 6D shows a multilayer varistor layer in which at least two internal electrodes are provided
  • Electrode pairs EP are electrically connected.
  • a passivation layer PS over the second electrode pair and the exposed region of the varistor layer leaves only the area for the connection contacts AK, which can be generated galvanically.
  • On the connection contacts is a
  • FIG. 6E shows the already explained embodiment of a
  • Component carrier in which the component is applied to the connection surfaces ⁇ on the opposite surface of the body GK by means of connecting means VM.
  • the varistor layer is preferably covered with a passivation layer except for the external contacts AK in order to facilitate the handling of the component carrier with the mounted component BE or to protect the varistor layer VS during the handling of the arrangement.
  • the component BE can be any electrical component which is sensitive to overvoltages, such as may be caused by an ESD pulse, and is protected by the varistor function within the varistor layer against these current or voltage surges.
  • a game at ⁇ exemplary application is a LED which can be applied as a component BE on the component carrier.
  • the manufacturing ⁇ procedures were only for an isolated body, which is intended for equipping with a device represented.
  • a large-area main body GK or a corresponding wafer which can be separated into a plurality of individual component carriers in the last method step.
  • a component carrier is not limited to those with two electrodes or with two connection contacts per electrode.
  • a plurality of terminal ⁇ surfaces or electrode pairs may be provided, but which may be connected in parallel with each other again.
  • the varistor layer may be provided without an internal electrode, with a floating internal electrode or with electrically connected overlapping internal electrodes.
  • the number of internal electrodes increases the overlap area of
  • Electrodes of opposite polarity determines the capacitance of the varistor. More overlapping area of the electrodes leads to more
  • Double ceramic height with inner electrode in between results in twice the protection level, since then twice the number of microvaristors is in series.
  • Double the volume of the varistor gives approximately twice the energy absorption capacity, since then twice the number of energy absorbers in the form of zinc oxide grains is available.
  • the embodiment according to FIG. 6E has the further advantage that the first surface which can be equipped with the component BE consists to a large extent of the main body GK, which has a good reflectivity. If an LED is applied as the component BE, then its light emission is largely due to the higher reflection at the top

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Abstract

Auf einem beidseitig mit Metallisierungen (EP1, AF) versehenen keramischen Grundkörper (GK) wird eine Grünfolie aus Varistormaterial auflaminiert und zu einer Varistorschicht (VS) gesintert. Ein abschließendes Elektrodenpaar (EP1, EP2) vervollständigt die Anordnung und erlaubt einen Betrieb der Varistorschicht als Varistor. Das obere zweite Elektrodenpaar (EP2) kann direkt als Anschlusskontakt zur Montage eines elektrischen Bauelements dienen.

Description

Beschreibung
Bauelementträger mit ESD Schutzfunktion und Verfahren zur Herstellung
Die Anmeldung betrifft einen Bauelementträger mit eingebauter ESD Schutzfunktion, der mit elektrischen Bauelementen
bestückt werden kann und dabei einen ESD Schutz für diese Bauelemente bereitstellt, sowie ein Verfahren zur
Herstellung.
Zum Schutz von empfindlichen Anlagen, Bauelementen und Netzen gegen ESD (Electro Static Discharge) können Varistoren eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um nicht-lineare Bauelemente, deren Widerstand bei Überschreiten einer
bestimmten angelegten Spannung stark absinkt. Varistoren sind daher geeignet, Überspannungspulse unschädlich abzuleiten. Hergestellt werden Varistoren aus einer Zinkoxidkeramik mit Kornstruktur .
Varistoren lassen sich schlecht in Mehrlagenkeramiken
integrieren und werden daher üblicherweise als diskrete
Bauelemente eingesetzt. Diskrete Bauelemente mit Varistorfunktion oder allgemein mit ESD Schutzfunktion werden direkt auf ein Keramiksubstrat, ein Leadframe, eine Platine oder eine Leiterplatte aufgelötet und elektrisch mit dem zu schützenden Bauelement verbunden. Möglich ist es auch, solche Schutzelemente in ein Laminat während dessen Herstellung zu integrieren. Weiter ist es möglich, das Schutzelement in einer Ausnehmung des Substrats, der Trägerplatte oder des Laminats so zu platzieren, dass anderen elektrisch leitenden Strukturen benachbart ist, die zur Verbindung mit weiteren Bauelementen vorgesehen sind. Dies führt zwar zu einer geringen
Bauelementhöhe, erfordert aber ausreichend Bestückungsfläche.
Möglich ist es auch, eine Varistorkeramik als Bauelementsubstrat zu verwenden und die Schutzfunktion in das Substrat zu integrieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Integration einer Schutzfunktion oder eines Schutzelements in einen
Bauelementträger weiter zu verbessern und insbesondere einen Bauelementträger mit kleinerer Bauform zu schaffen. Eine weitere Teilaufgabe besteht darin, einen Grundkörper mit Schutzfunktion und verbesserter thermische Leitfähigkeit anzugeben . Diese Aufgabe wird durch einen Bauelementträger mit den
Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines
Bauelementträgers sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen. Der Bauelementträger weist einen keramischen Grundkörper auf, der auf einer ersten Oberfläche elektrische Anschlussflächen und auf einer zweiten Oberfläche ein erstes Elektrodenpaar aufweist. Elektrische Anschlussflächen und erstes
Elektrodenpaar sind über Durchkontaktierungen elektrisch miteinander verbunden. Über dem ersten Elektrodenpaar ist eine Varistorschicht aufgebracht. Weiterhin ist über der Varistorschicht ein zweites Elektrodenpaar aufgebracht und elektrisch parallel mit dem ersten Elektrodenpaar verbunden. Erstes und zweites Elektrodenpaar bilden zusammen mit der dazwischen angeordneten Varistorschicht einen Varistor aus und können so im Fall einer an den Anschlussflächen
anliegenden Überspannung oder allgemein im Fall eines ESD Pulses diesen unschädlich über einen Kurzschluss durch die
Varistorschicht hindurch ableiten, so dass ein auf das zweite Elektrodenpaar aufmontiertes oder mit dem zweiten
Elektrodenpaar elektrisch verbundenes Bauelement nicht beschädigt wird.
Die Varistorschicht liegt flach auf dem Grundkörper auf, kann dessen erstes Elektrodenpaar als Varistorelektrode nutzen und beansprucht daher nur wenig zusätzliches Volumen. Der
Bauelementträger weist daher ein relativ geringes Volumen auf.
Die Varistorschicht ist dabei lateral so bemessen, dass sie umlaufend von den Kanten des Bauelementträgers beabstandet ist. Dies hat den Vorteil, dass keine Seitenkante der
Varistorschicht an einer Seitenfläche des Bauelementträgers abschließt. Dadurch ist die Varistorschicht nach Montage des Bauelements gegen mechanische und andere Einflüsse geschützt.
Eine solche laterale Strukturierung der Varistorschicht hat insbesondere bei der Strukturierung des Grundkörper, bzw. bei der Vereinzelung einzelner Bauelementträger entlang von
Trennlinien den Vorteil, dass die Trennlinien außerhalb der Varistorschicht zu liegen kommen, so dass letztere bei der Vereinzelung nicht durchtrennt werden muss und daher dabei auch nicht beschädigt werden kann.
Das zweite Elektrodenpaar umfasst vorzugsweise ein lötbares Material oder ist mit einer lötbaren Oberflächenschicht versehen. Dann kann direkt auf die Varistorschicht bzw. deren zweites „oberes" Elektrodenpaar ein elektrisches Bauelement aufgelötet werden. Eine Bereitstellung zusätzlicher
Anschlussflächen für ein solches Bauelement ist nicht
erforderlich. Außerdem ist der Varistor zwischen Bauelement und Grundkörper mechanisch geschützt. Eine Schutzschicht oder eine Passivierung ist daher für den Varistor entweder gar nicht erforderlich oder kann in einfacher und kostengünstiger Ausführung erzeugt werden.
Der Bauelementträger ist für Bauelemente geeignet, die beim Betrieb Verlustwärme erzeugen. Diese kann aus dem Bauelement über den Bauelementträger abgeführt werden. Von Vorteil umfasst der Grundkörper dabei Alumniumnitrid . Dieses zeichnet sich durch eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit aus. Dieser Vorteil kann bei wärmeerzeugenden Bauelementen den Nachteil des höheren Materialpreises kompensieren. Es sind aber auch andere keramische Materialien für den Grundkörper geeignet, beispielsweise Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Bornitrid oder andere .
Die Wärmeableitung kann auch über andere Maßnahmen verbessert sein. So kann der Bauelementträger mit thermischen Vias versehen sein, die den Wärmetransport durch den Grundkörper hindurch verbessern. Die thermischen Vias sind vorzugsweise mit einer Wärmesenke verbunden, die beispielsweise auf einer Platine vorgesehen werden kann, auf die den Bauelementträger aufgebondet wird.
In einer Ausführung umfasst zumindest das zweite
Elektrodenpaar ein Kupfer enthaltendes Material. Zur
Herstellung des Elektrodenpaars können kupferhaltige und silberhaltige Elektrodenpasten aufgedruckt werden, die mit zusätzlichem Finish eine lötfähige Oberfläche ergeben. Es sind aber auch andere Elektrodenpasten bekannt, auf die bereits direkt ohne zusätzliches Finish aufgelötet werden kann .
In einer Ausführungsform ist zwischen erstem und zweiten Elektrodenpaar zumindest eine Innenelektrode angeordnet, die elektrisch floatend in die Varistorschicht eingebettet ist oder mit jeweils einer Elektrode des ersten Elektrodenpaars elektrisch verbunden ist. Dies hat bei der Herstellung den
Vorteil, dass eine größere Toleranz akzeptierbar ist, da auch bei schlechterer gegenseitiger geometrischer Ausrichtung sich lediglich das Volumen des aktiven Varistorbereichs und damit dessen Kapazität ändert. Für die Höhe der Varistorspannung zählt der geringste Abstand zwischen den Elektroden und damit der die geringste Anzahl an Übergängen, durch die schädliche Überspannungen als Kurzschluss innerhalb des Varistors unschädlich abgeleitet werden. Ein höheres Volumen führt zu einer höheren Strombeständigkeit, so dass damit höhere Ströme abgeleitet werden können.
Eine floatende Innenelektrode hat den Vorteil einer
Spannungsteilung, so dass dadurch die Spannung, die zwischen einem Elektrodenpaar und der Innenelektrode anliegt halbiert ist. Die Varistorspannung, bei der die Stromableitung über den Varistor einsetzt, ist dann entsprechend niedriger und kann mit entsprechend dünneren Varistorschichten erhalten werden. Eine elektrisch verbundene Innenelektrode vergrößert die Varistorfläche und verbessert so die Stromableitung im Fall einer Überspannung oder eines ESD Pulses.
In einer weiteren Ausführung ist über der Varistorschicht und dem zweiten Elektrodenpaar eine Passivierungsschicht so angeordnet, dass die Varistorschicht allseitig und vollständig zwischen Grundkörper, zweitem Elektrodenpaar und Passivierungsschicht eingeschlossen ist und vom zweiten
Elektrodenpaar nur Anschlusskontakte frei und unbedeckt bleiben. Die Passivierungsschicht kann nach dem Aufbringen der Varistorschicht aufgebracht und strukturiert werden. Das zweite Elektrodenpaar kann dann in von der Passivierungsschicht freien Oberflächenbereichen erzeugt werden. Möglich ist auch, die Passivierungsschicht nach der
Herstellung des zweiten Elektrodenpaars herzustellen. In von der Passivierungsschicht freien Oberflächenbereichen können dann Anschlusskontakte für die Montage des Bauelements erzeugt werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines
Bauelementträgers umfasst die Schritte:
a) Bereitstellen eines monolithischen keramischen
Grundkörpers ,
b) Vorsehen von Durchkontaktierungen durch den Grundkörper, c) Aufdrucken elektrischer Anschlussflächen auf einer
ersten Oberfläche des Grundkörpers
d) Aufdrucken eines ersten Elektrodenpaars auf der zweiten Oberfläche
e) ganzflächiges Auflaminieren über dem ersten
Elektrodenpaar einer Grünfolie, die durch Sintern in eine Varistorschicht überführbar ist,
f) Strukturieren der Grünfolie so, dass neben einem Zugang zum ersten Elektrodenpaar auch ein umlaufender
Randbereich der zweiten Oberfläche des Grundkörpers freigelegt wird
g) Sintern der Grünfolie und Überführung in die
Varistorschicht h) Aufdrucken eines zweiten Elektrodenpaars auf die
Varistorschicht und den freigelegten Bereich des ersten Elektrodenpaars so, dass erstes und zweites
Elektrodenpaar elektrisch verschaltet sind und eine Überlappung einer Elektrode des ersten Elektrodenpaars mit der entgegengesetzten Elektrode des zweiten
Elektrodenpaars samt einem dazwischen liegenden aktiven Varistorbereich definiert. Die Verfahrensschritte a) bis d) können ohne Abänderung im Wesentlichen an entsprechende bekannte Verfahren angelehnt sein .
Im Schritt e) wird dann die Varistorschicht als Grünfolie eingesetzt. Dies kann vor oder nach dem Einbrennen des aufgedruckten ersten Elektrodenpaars erfolgen. Dessen
Elektrodenpaste kann Glaskomponenten zur besseren Haftung umfassen und so gleichzeitig auch als Haftvermittler für die Varistorschicht dienen.
Die Grünfolie für die Varistorschicht kann ganzflächig auf den Grundkörper auflaminiert werden. Dabei kann der
Grundkörper ein keramischer Wafer sein, auf dem sich eine Vielzahl einzelner Träger parallel erzeugen und fertig prozessieren lässt, bevor der Wafer dann in die einzelnen Träger vereinzelt wird.
Wird der Varistor mit Innenelektrode ausgeführt, so kann diese vor dem Auflaminieren auf der Grünfolie aufgebracht werden. Es ist dann allerdings ein gegenseitiges Ausrichten zwischen der Varistorschicht mit der Innenelektrode und dem Grundkörper mit dem ersten Elektrodenpaar erforderlich. Dies entfällt beim nachträglichen Erzeugen der Innenelektrode nach dem Auflaminieren . Möglich aber nicht erforderlich ist es, einzelne oder mehr Schichten nach dem Laminieren oder
Aufdrucken vor dem Aufbringen der nächsten Schicht
einzubrennen oder zu sintern.
Möglich ist es jedoch auch, aus zumindest zwei oder mehr Varistorschichten/Grünfolien und der zumindest einen darin eingebetteten Innenelektrode ein separates Vorlaminat zu fertigen, das zwar bereits den erforderlichen Zusammenhalt der Schichten/Folien aufweist, aber selbst auch noch
laminierbar ist bzw. auf den Grundkörper auflaminiert werden kann .
In allen Fällen wird die auflaminierte Grünfolie so
strukturiert, dass neben einem Zugang zum ersten
Elektrodenpaar auch ein umlaufender Randbereich der zweiten Oberfläche des Grundkörpers freigelegt wird. Die Struktu¬ rierung kann schnell und strukturgenau mit einem Laser durchgeführt werden.
Die Metallisierungen des Bauelementträgers wie Anschluss¬ flächen, erstes und zweites Elektrodenpaar können durch
Aufdrucken einer Cu und Glasanteile enthaltenden Paste erzeugt werden, die nach dem Einbrennen eine lötbare
Oberfläche aufweist. Eine neben Glaskomponenten nur Cu als
Metall enthaltende Paste kann mit einem veredelnden Überzug, einem sogenannten Finish und so mit einer lötbaren Oberfläche versehen werden. Ein solches Finish kann Ni, Au, Pt, Pd oder Sn enthalten.
Die Innenelektrode kann ebenso wie die übrigen Metalli¬ sierungen aufgedruckt werden. Dies kann auf einer bereits auflaminierten Grünfolie mit Varistormaterial oder auf der separaten noch nicht auflaminierten Grünfolie erfolgen. Auch eine mit Innenelektrode versehene Grünfolie kann ganzflächig auf einem großflächigen Grundkörper aufgedruckt und erst später strukturiert werden. Dabei wird die Innenelektrode am ersten Elektrodenpaar ausgerichtet. Die Ausrichtung ist unkritischer, wenn die Innenelektrode elektrisch floatend ist. Wird die zumindest eine Innenelektrode mit einer
Elektrode verbunden, so muss die Ausrichtung der Innenelektrode am ersten Elektrodenpaar mit geringerer Toleranz erfolgen. In dem Fall ist auch die Strukturierung der Grünfolie so durchzuführen, dass an jeweils einer Strukturkante der Grünfolie bzw. des Grünfolienstapels die mit gleicher Polarität zu verschaltenden Innenelektroden angeschnitten werden und später mit dem zweiten Elektrodenpaar verbunden werden können.
Nach dem Auflaminieren der Grünfolie und vor oder nach dem Aufdrucken des zweiten Elektrodenpaars kann eine Passi- vierungsschicht aufgebracht und so strukturiert werden, dass im ersten Falls nur der für das zweite Elektrodenpaar vorgesehene Oberflächenbereich von der Passivierungsschicht frei bleibt. Im zweiten Fall bleibt das aufgedruckte zweite Elektrodenpaar nur in einem solchen Bereich frei von der Passivierungsschicht, in dem anschließend lötbare Anschluss- kontakte durch Verstärkung des zweiten Elektrodenpaars erzeugt werden.
Die Passivierungsschicht kann ein Glas, Keramik der sonstige dielektrische Oxide, Nitride, Carbide oder ein Polymer wie z.B. Polyimid umfassen. Ein Polymer kann so ausgewählt sein, dass es weitere Verfahrensschritte wie z.B. Galvanik, das Einbrennen von Aufgedruckten Metallisierungen oder
Lötprozesse übersteht. Die Passivierungsschicht ist üblicherweise zum Verbleib auf dem Bauelementträger
vorgesehen, auch wenn dieser mit einem Bauelement bestückt und seinerseits in eine Schaltungsumgebung wie z.B. eine Schaltungsplatine eingebaut ist.
Die lötbaren Anschlusskontakte werden durch galvanische
Abscheidung des zweiten Elektrodenpaars auf dessen
freigelegtem Bereich erzeugt. Diese Verstärkung kann
gleichzeitig eine lötbare Metallschicht darstellen.
Es kann wie gesagt ein großflächiger Grundkörper vorgesehen und später in eine Vielzahl von Bauelementträgern vereinzelt werden. Die Auftrennung des Grundkörpers erfolgt
ausschließlich im Randbereich und damit beabstandet zur jeweiligen Kante der Varistorschicht. Die Vereinzelung kann in einfacher Weise z.B. durch Sägen erfolgen.
Im Folgenden werden der erfindungsgemäße Bauelementträger und verschiedene Verfahrensvarianten zu seiner Herstellung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen schematische Querschnitte und sind nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Zur besseren Verständ¬ lichkeit können einzelne Teile vergrößert dargestellt sein. Figur 1 zeigt eine einfache Ausführungsform eines
Bauelementträgers .
Figuren 2A bis 2H zeigen anhand verschiedener
Verfahrensstufen ein einfaches Verfahren zur Herstellung eines Bauelementträgers. Figuren 3A bis 3F zeigen anhand schematischer Querschnitte während verschiedener Verfahrensstufen ein zweites
Herstellungsverfahren für eine flache Variante. Figuren 4A bis 4G zeigen verschiedene Verfahrensstufen anhand von schematischen Querschnitten während der Herstellung eines Bauelementträgers mit mehrschichtigem Varistor.
Figuren 5A und 5B zeigen die Herstellung eines Folienstapels, wie er bei der Herstellung eines mehrschichtigen Varistors verwendet werden kann.
Figuren 6A bis 6E zeigen verschiedene Ausführungen eines erfindungsgemäßen Bauelementträgers nach der Bestückung mit einem Bauelement.
Figur 1 zeigt im schematischen Querschnitt eine einfache Ausführungsform eines Bauelementträgers BT nach der
Erfindung. Ein keramischer Grundkörper GK ist auf einer ersten Oberfläche Ol mit Anschlussflächen AF versehen. Auf der gegenüber liegenden zweiten Oberfläche 02 ist ein erstes Elektrodenpaar EP1 aufgebracht. Jede Anschlussfläche AF ist einer Elektrode des ersten Elektrodenpaars EP1 zugeordnet und mit dieser über eine Durchkontaktierung DK durch den
Grundkörper GK hindurch verbunden.
Eine Varistorschicht VS liegt über beiden Elektroden des ersten Elektrodenpaars EP1 auf. Über der Varistorschicht VS ist ein zweites Elektrodenpaar EP2 angebracht und so
strukturiert, dass eine erste Elektrode des zweiten
Elektrodenpaars mit einer ersten Elektrode des ersten
Elektrodenpaars in Kontakt ist. Entsprechend ist die zweite Elektrode des zweiten Elektrodenpaars EP2 mit der zweiten Elektrode des ersten Elektrodenpaars EP1 in Kontakt.
Eine Elektrode des ersten Elektrodenpaars überlappt dabei mit einer Elektrode des zweiten Elektrodenpaars EP2 so, dass sich mit der dazwischen liegenden Varistorschicht VS im
Überlappungsbereich ein Varistor ergibt.
Ein Teil des aktiven Varistors ist ausschnittsweise
vergrößert oberhalb des Bauelementträgers BT dargestellt. In der Varistorschicht VS sind Zinkoxidkörner ZK in dichter Packung angeordnet. Sobald die an erstem und zweitem
Elektrodenpaar EP1, EP2 anliegende Spannung die Durchbruch- spannung überschreitet, bildet sich zwischen einzelnen
Zinkoxidkörnern ZK ein leitfähiger Pfad aus, so dass die Varistorschicht VS leitend wird und der Strom über einen Kurzschluss durch die Varistorschicht hindurch über beide Elektroden unschädlich abgeleitet wird. Als Varistorspannung wird der Spannungsabfall am Varistor bei eingeprägtem Strom von 1 mA bezeichnet. Sie hat keine
besondere elektro-physikalische Bedeutung, wird aber als praxisorientierter, genormter Referenzpunkt zur
Spezifizierung von Varistoren verwendet.
Der Grundkörper GK ist vorzugsweise aus Aluminiumoxid oder zur besseren Wärmeleitung aus Aluminiumnitrid ausgebildet. Auch andere keramische Materialien sind theoretisch geeignet, jedoch kostenaufwändig . Anschlussflächen und erstes
Elektrodenpaar umfassen eine eingebrannte leitfähige Paste, beispielsweise auf der Basis von Silber. Entsprechendes gilt für die Durchkontaktierung DK. Auch das zweite Elektrodenpaar EP2 ist vorzugsweise aus einer leitfähigen eingebrannten Paste ausgebildet und entweder für sich bereits lötbar oder mit einer lötbaren Oberfläche versehen. In kostengünstiger Weise kann eine kupferhaltige Paste verwendet werden, die entweder für sich bereits durch Zusätze eine lötfähige
Oberfläche aufweist oder die eine lötfähige
Oberflächenveredelung aufweist.
Figuren 2A bis 2H zeigen ein einfaches Herstellungsverfahren für einen Bauelementträger nach Figur 1. Figur 2A zeigt in der ersten Stufe einen Grundkörper GK, welcher zur
Herstellung von Durchkontaktierungen DK zumindest zwei
Bohrungen aufweist, die mit einer leitfähigen Masse,
insbesondere einer einbrennbaren Paste befüllt sind. Figur 2B zeigt den Grundkörper nach dem Herstellen von
Anschlussflächen AF auf der ersten Oberfläche und von einem ersten Elektrodenpaar EP1 auf der zweiten Oberfläche. Die Metallisierungen auf den beiden Oberflächen können in Form einer leitfähigen Paste vorliegen, können jedoch auch bereits eingebrannt werden.
Im nächsten Schritt wird auf die zweite Oberfläche über dem ersten Elektrodenpaar EP1 eine Grünfolie einer Varistorschicht VS auflaminiert . Dies erfolgt ganzflächig über die gesamte Oberfläche des Grundkörpers GK.
Im nächsten Schritt wird die ganzflächige Varistorschicht VS mit Hilfe eines Strukturierungswerkzeugs ST strukturiert. Dabei wird die Varistorschicht VS in einem umlaufenden
Randbereich entlang der Kanten des Grundkörpers entfernt und dort die Oberfläche des Grundkörpers freigelegt. Außerdem wird die Varistorfolie VS im Randbereich des ersten
Elektrodenpaars EP1 entfernt, um das Elektrodenpaar später dort zu kontaktieren. Vorzugsweise sind die Elektroden des ersten Elektrodenpaars jeweils streifenförmig ausgebildet, ebenso der freigelegte Bereich. Figur 2E zeigt die Anordnung nach der Strukturierung der Varistorschicht VS .
Auf die auflaminierte Grünfolie der Varistorschicht VS wird nun ein zweites Elektrodenpaar EP2 so aufgebracht, dass jeweils eine Elektrode davon im freigelegten Bereich eine Elektrode des ersten Elektrodenpaars EP1 kontaktiert. Das zweite Elektrodenpaar EP2 wird vorzugsweise aufgedruckt, wobei eine leitfähige Paste auf der Basis von Silber oder von Kupfer verwendet werden kann. Nach dem Aufdrucken kann das zweite Elektrodenpaar EP2 eingebrannt werden, wobei
gleichzeitig auch das erste Elektrodenpaar, sofern es nicht vorher gesintert wird, ebenso wie die Anschlussflächen AF mit eingebrannt werden. Figur 2F zeigt die Anordnung nach der Fertigstellung des zweiten Elektrodenpaars.
Zum Herstellen lötfähiger Anschlusskontakte AK wird nun über die gesamte Oberfläche eine Passivierungsschicht PS aufge¬ bracht und so strukturiert, dass sie eine Maske für die
Erzeugung der Anschlusskontakte AK ausbildet. Als Passi- vierungsschicht PS kann eine glashaltige Schicht oder eine andere Resistmaske, beispielsweise ein Polymer eingesetzt werden. Eine glashaltige Passivierungsschicht kann
beispielsweise aufgedruckt werden. Eine Polymerschicht kann wie ein Photoresist als Folie auflaminiert oder in flüssiger Form aufgeschleudert und photolithographisch strukturiert werden. Figur 2G zeigt die Anordnung auf dieser
Verfahrensstufe . Die Außenkontakte AK können nun in einem galvanischen
Verfahren aufgebracht werden. Dazu wird das zweite
Elektrodenpaar EP2 dort, wo es von der Passivierungsschicht PS befreit und unbedeckt ist, mit einem gut leitfähigen
Metall verstärkt, beispielsweise mit Kupfer. Zum Herstellen einer lötbaren Oberfläche kann anschließend eine
Veredelungsschicht aus Gold, Palladium oder Nickel und/oder NiPdAu, NiAu oder auch CuNiSn aufgebracht werden. Zusammen mit diesem Veredelungsschritt können gegebenenfalls auch die Anschlussflächen AF auf der ersten Oberfläche Ol mit einem lötbaren Überzug versehen werden. Figur 2H zeigt die
Anordnung auf dieser Verfahrensstufe.
Die Figuren 3A bis 3F zeigen anhand von schematischen
Querschnitten während verschiedener Verfahrensstufen die
Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauelementträgers, bei dem in der Varistorschicht VS eine Innenelektrode IE
vorgesehen wird. Das Verfahren startet bei einem mit
Elektroden versehenen Grundkörper GK, beispielsweise wie in Figur 2B dargestellt. Auf diesen Grundkörper wird nun eine
Grünfolie für die Varistorschicht VS auflaminiert . Dabei sind prinzipiell zwei Varianten möglich. Bei der ersten Variante kann eine erste Teilschicht der Varistorschicht auflaminiert werden und anschließend die Innenelektrode IE aufgedruckt werden. Anschließend wird darüber ganzflächig eine zweite Grünfolie der Varistorschicht VS so auflaminiert , dass die Innenelektrode vollständig zwischen den beiden Varistorschichten eingebettet ist. Gemäß einer zweiten Variante wird auf eine erste Teilfolie der Varistorschicht VS die Innenelektrode IE aufgedruckt und anschließend darüber eine zweite Teilfolie der Varistor- Schicht auflaminiert . Das Ganze erfolgt separat vom Grund¬ körper GK, so dass ein Vorlaminat entsteht, welches erst dann auf den keramischen Grundkörper GK auflaminiert wird. Figur 3A zeigt die Anordnung mit der Varistorschicht, in der die Innenelektrode IE so eingebettet ist, dass sie beide mit den Elektroden von erstem und zweitem Elektrodenpaar
überlappt . Mit Hilfe eines Strukturierungswerkzeugs ST wird wie in Figur 3B dargestellt auch diese Varistorschicht VS strukturiert und dabei der Randbereich ebenso wie die für Anschlüsse
vorgesehenen Bereiche des ersten Elektrodenpaars von der Varistorschicht VS befreit. Die Innenelektrode bleibt
floatend und wird bei der Strukturierung nicht freigelegt oder angeschnitten. Zur Strukturierung kann beispielsweise ein Laser eingesetzt werden.
Anschließend wird die Varistorschicht VS gesintert, wobei wie beim Einbrennen jeder Keramik ein Volumenschwund einsetzt. Da die Varistorschicht vom Grundkörper aufgespannt wird, führt dies aber höchstens zu einem geringen, meist gar keinem lateralen Schwund, dafür aber zu einer Verringerung der
Schichtdicke der Varistorschicht. Figur 3C zeigt die
Anordnung nach dem Sintern der Varistorschicht VS, wobei die reduzierte Schichtdicke im Vergleich mit Figur 3B klar zu erkennen ist.
Ganzflächig wird nun eine Passivierungsschicht PS aufgebracht und strukturiert, oder bereits strukturiert oder vorstruk¬ turiert aufgebracht, beispielsweise durch Aufdrucken. Von der Passivierungsschicht PS unbedeckt bleiben die zum Anschließen des ersten Elektrodenpaars vorgesehenen Anschlussbereiche sowie Teile der Varistorschicht VS, auf denen später das zweite Elektrodenpaar strukturiert erzeugt wird. Figur 3D zeigt die Anordnung mit der strukturierten Passivierungs- schicht PS.
In den von der Passivierungsschicht PS freien Bereichen wird nun das zweite Elektrodenpaar EP2 aufgebracht, beispielsweise durch Aufdrucken. Anschließend wird das zweite Elektrodenpaar eingebrannt. Figur 3E zeigt die Anordnung auf dieser
Verfahrensstufe.
Zum Herstellen einer lötbaren Oberfläche kann auf das zweite Elektrodenpaar EP2 eine Veredelungsschicht aufgebracht werden, beispielsweise durch galvanische Abscheidung einer Oberflächenschicht OS, beispielsweise einer Gold-, Palladium¬ oder Platinschicht, oder eines der oben angeführten weiteren Überzüge. Figur 3F zeigt die Anordnung auf dieser
Verfahrensstufe . Der fertige Bauelementträger BT kann nun mit einem elektrischen Bauelement bestückt werden, welches auf das erste Elektrodenpaar beziehungsweise auf dessen Oberflächenschicht OS aufgelötet werden kann. Alternativ kann das Bauelement auch auf die Anschlussflächen AF auf der gegenüber liegenden ersten Oberseite Ol montiert werden.
Figuren 4A bis 4G zeigen anhand schematischer Querschnitte während verschiedener Verfahrensstufen die Herstellung eines Bauelementträgers mit mehrschichtigem Varistoraufbau.
Figur 4A zeigt dazu einen Grundkörper GK, der beidseitig mit Elektroden beschichtet ist, nämlich mit Anschlussflächen AF auf der Unterseite oder ersten Oberfläche und einem ersten Elektrodenpaar EP1 auf der zweiten Oberfläche 02. Auf die zweite Oberfläche über das erste Elektrodenpaar EP1 wird nun ein Folienstapel FS auflaminiert . Das Verfahren dazu kann wie bereits im vorigen Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 3 beschrieben durchgeführt werden.
Der Folienstapel FS kann entfernt vom Grundkörper durch
Übereinanderlaminieren von mit Elektrodenmaterial bedruckten Grünfolien so erzeugt werden, dass die Innenelektroden IE gegenseitig überlappen und unterschiedlich gepolte Elektroden an einander gegenüberliegenden Randbereichen kontaktiert werden können. Dort überlappen die einzelnen Schichten der Innenelektroden auch nicht mit einer anderen Innenelektrode entgegengesetzter Polarität. Der laminierte Folienstapel FS wird anschließend als Ganzes auf die Oberfläche des
Grundkörpers oberhalb des ersten Elektrodenpaars EP1
auflaminiert . Figur 4B zeigt die Anordnung auf dieser
Verfahrensstufe .
Figur 2D zeigt, wie mit Hilfe eines Strukturierungswerkzeugs ST der Folienstapel FS so strukturiert wird, dass ein
umlaufender Randbereich des Grünkörpers sowie die zum
Anschließen des zweiten Elektrodenpaars vorgesehenen
Anschlussbereiche des ersten Elektrodenpaars freigelegt werden. Gleichzeitig wird dabei in den beiden gegenüber- liegenden Randbereichen jeweils eine entsprechende
Seitenkante einer Innenelektrode freigelegt, um sie so mit einer später aufzubringenden Elektrode des zweiten
Elektrodenpaars zu kontaktieren. Figur 4D zeigt die Anordnung nach Strukturierung und Einbrennen des Folienstapels, wobei eine Varistorschicht VS mit hier zwei Innenelektroden IE erhalten wird. In der Figur ist die linke Kante der unteren Innenelektrode IE1 zur Verbindung mit der linken Elektrode des ersten Elektrodenpaars freigelegt. An der rechten Kante der Varistorschicht VS ist die obere Innenelektrode IE2 zur Verbindung mit der rechten Elektrode des ersten Elektrodenpaars freigelegt.
Im nächsten Schritt wird das zweite Elektrodenpaar EP2 aufgedruckt, wobei jede der beiden Elektroden die ent¬ sprechende darunter liegende Elektrode des ersten Elektroden¬ paars 1 sowie eine oder mehrere zugeordnete Innenelektroden IE kontaktiert. Neben dem bevorzugten Aufdrucken sind
prinzipiell auch andere Metallisierungsverfahren denkbar z.B. Inkjetverfahren, Bedampfen, Aufsputtern. Im aktiven
Varistorbereich überlappen Elektroden unterschiedlicher
Polarität, ausgewählt aus Elektrodenschichten aus zweitem Elektrodenpaar EP2, Innenelektroden IE und erstem
Elektrodenpaar EP1. Figur 4E zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe .
Figur 4F zeigt die Anordnung nach dem Aufbringen einer
Passivierungsschicht PS, die zur Maskierung der Varistor¬ schicht vor der Herstellung der Anschlusskontakte dient. Die Passivierungsschicht kann aufgedruckt oder auch durch
Sprühbelacken aufgebracht werden. Wie anhand der vorigen Ausführungsbeispiele erwähnt, kann die Passivierungsschicht ein beliebiges dielektrisches Material, insbesondere eine glashaltige Schicht oder ein Polymer umfassen. Unbedeckt bleiben die Bereiche des zweiten Elektrodenpaars, die für die Herstellung der Außenkontakte vorgesehen sind. In diese freiliegenden Bereiche kann nun mittels galvanischer Abscheidung das zweite Elektrodenpaar EP verstärkt
beziehungsweise mit einer lötbaren Oberflächenschicht OS versehen werden. Figuren 5A und 5B zeigen die Herstellung eines Folienstapels FS, wie er als Vorlaminat für eine spätere Varistorschicht dienen kann. Dazu wird eine entsprechende Anzahl von Grün¬ folien mit einer Innenelektrode bedruckt und so übereinander gestapelt, dass Innenelektroden IE unterschiedlicher
Polarität gegeneinander versetzt sind, in der Mitte jedoch überlappen. Über der obersten Innenelektrode wird noch eine unbedruckte Grünfolie angeordnet und mit den anderen
bedruckten Grünfolien zu einem Folienstapel FS laminiert, wie er in Figur 5B dargestellt ist. Auch der Folienstapel FS lässt sich noch wie eine Grünfolie handhaben und kann in dieser Form auf einen Grünkörper auflaminiert werden.
Die Figuren 6A bis 6E zeigen verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Bauelementträger nach der Montage eines Bauelements Bauelement auf die Anschlusskontakte AK des zweiten Elektrodenpaars EP2, oder in der Variante gemäß Figur 6E, auf die Anschlussflächen AF. Figur 6A zeigt die
einfachste Ausführungsform des Bauelementträgers mit
einschichtiger Varistorschicht und nicht passiviertem zweiten Elektrodenpaar .
In der Ausführungsform nach Figur 6B ist ebenfalls eine einschichtige Varistorschicht VS verwendet, jedoch sind freiliegende Bereiche der Varistorschicht sowie große Teile des zweiten Elektrodenpaars EP2 mit einer Passivierungs- schicht PS abgedeckt. Es bleiben nur die Stellen frei, in denen die Anschlusskontakte erzeugt werden, auf die mit Hilfe von Verbindungsmitteln VM anschließend das Bauelement BE aufmontiert wird. Als Verbindungsmittel VM kann ein Bump oder eine herkömmliche Lotstelle eingesetzt werden. In der Ausführungsform nach Figur 6C weist die Varistorschicht VS eine floatende Innenelektrode auf, die nicht im elektrischen Kontakt mit erstem oder zweitem Elektrodenpaar steht. Auch hier ist wieder eine Passivierungsschicht PS vorgesehen, die nur die Anschlusskontakte freilässt. Im
Unterschied zu Figur 6B ist außerdem noch eine Oberflächenschicht OS über den Anschlusskontakten beziehungsweise dem zweiten Elektrodenpaar EP im Bereich der Anschlusskontakte aufgebracht .
Figur 6D zeigt eine mehrschichtige Varistorschicht, bei der zumindest zwei Innenelektroden vorgesehen sind, die
alternierend mit je einer Elektrode des zweiten
Elektrodenpaars EP elektrisch leitend verbunden sind. Eine Passivierungsschicht PS über dem zweitem Elektrodenpaar und dem freiliegenden Bereich der Varistorschicht lässt nur den Bereich für die Anschlusskontakte AK frei, die galvanisch erzeugt sein können. Auf die Anschlusskontakte ist ein
Bauelement BE mit Hilfe von Verbindungsmitteln VM aufgebracht und elektrisch leitend verbunden.
Figur 6E zeigt die bereits erläuterte Ausführung eines
Bauelementträgers, bei der das Bauelement auf die Anschluss¬ flächen auf der entgegengesetzten Oberfläche des Grundkörpers GK mittels Verbindungsmitteln VM aufgebracht ist. Bei dieser Verfahrensvariante ist die Varistorschicht vorzugsweise bis auf die Außenkontakte AK mit einer Passivierungsschicht abgedeckt, um die Handhabung des Bauelementträgers mit dem aufmontierten Bauelement BE zu erleichtern, beziehungsweise um die Varistorschicht VS bei der Handhabung der Anordnung zu schützen . Das Bauelement BE kann ein beliebiges elektrisches Bauelement sein, welches gegen Überspannungen, wie sie z.B. durch einen ESD-Impuls ausgelöst sein kann, empfindlich ist und mit Hilfe der Varistorfunktion innerhalb der Varistorschicht gegen diese Strom- oder Spannungsstöße geschützt wird. Eine bei¬ spielhafte Anwendung stellt eine LED dar, die als Bauelement BE auf den Bauelementträger aufgebracht werden kann.
Die Erfindung konnte nur anhand weniger Ausführungsbeispiele erläutert werden und ist daher nicht auf die dargestellten Ausführungen beschränkt. Insbesondere die Herstellungs¬ verfahren wurden nur für einen isolierten Grundkörper, der zur Bestückung mit einem Bauelement gedacht ist, dargestellt. Möglich ist es jedoch auch, einen großflächigen Grundkörper GK beziehungsweise einen entsprechenden Wafer einzusetzen, der im letzten Verfahrensschritt in eine Vielzahl einzelner Bauelementträger vereinzelt werden kann.
Obwohl die Elektroden nur paarweise dargestellt wurden, beschränkt sich ein Bauelementträger nicht auf solche mit zwei Elektroden beziehungsweise mit zwei Anschlusskontakten je Elektrode. Für jede Elektrode können mehrere Anschluss¬ flächen beziehungsweise Elektrodenpaare vorgesehen sein, die jedoch untereinander wieder parallel verschaltet sein können.
Die Varistorschicht kann ohne Innenelektrode, mit einer floatenden Innenelektrode oder mit elektrisch angeschlossenen überlappenden Innenelektroden versehen sein. Die Anzahl der Innenelektroden vergrößert die Überlappungsfläche von
Elektroden gegensätzlicher Polarität und bestimmt so die Kapazität des Varistors. Mehr Überlappungsfläche der Elektroden führt zu mehr
Stromtragfähigkeit. Doppelte Keramikhöhe mit dazwischen liegender Innenelektrode ergibt verdoppelten Schutzpegel, da dann die doppelte Anzahl Mikrovaristoren in Reihe liegt.
Doppelte Fläche ergibt verdoppeltes Abieitvermögen, da dann die doppelte Anzahl von Strombahnen parallel liegt.
Doppeltes Volumen des Varistors ergibt annähernd verdoppeltes Energieabsorptionsvermögen, da dann die doppelte Anzahl von Energieabsorbern in Form von Zinkoxid-Körnern zur Verfügung steht .
Die Ausführung nach Figur 6E hat den weiteren Vorteil, dass die mit dem Bauelement BE bestückbare erste Oberfläche zu einem großen Teil aus dem Grundkörper GK besteht, der ein gutes Reflexionsvermögen aufweist. Wird als Bauelement BE eine LED aufgebracht, so ist dessen Lichtabstrahlung durch die höhere Reflexion des an der Oberseite weitgehend
freiliegenden Grundkörpers verbessert. Man erhält dadurch auch einen ebenen Einbauplatz für das BE, z.B. für eine LED. Auch wird so ein guter thermischer Kontakt von Bauelement zu Grundkörper gewährleistet.
Bezugs zeichenliste
BT Bauelementträger
GK keramischer Grundkörper
Ol, 02 erste und zweite Oberfläche
AF elektrische Anschlussflächen
EP1 erstes Elektrodenpaar
EP2 zweites Elektrodenpaar
VS Varistorschicht
DK Durchkontaktierung
OS lötbare Oberflächenschicht (lötbare
Metallschicht)
IE Innenelektrode
PS Passivierungsschicht
GF Grünfolie
AK Anschlusskontakte
FS vorlaminierter Stapel mehrerer Grünfolien
VM Verbindungsmittel
ZK Zinkoxidkörner
ST Strukturierungswerkzeug

Claims

Patentansprüche
1. Bauelementträger
- mit einem keramischen Grundkörper, der auf einer ersten Oberfläche elektrische Anschlussflächen und auf einer zweiten Oberfläche ein erstes Elektrodenpaar aufweist, wobei elektrische Anschlussflächen und erstes Elektrodenpaar über Durchkontaktierungen miteinander verbunden sind,
- mit einer Varistorschicht, die über dem ersten
Elektrodenpaar aufgebracht ist
- mit einem zweiten Elektrodenpaar, welches über der Varistorschicht aufgebracht ist und elektrisch parallel mit ersten Elektrodenpaar verbunden ist
- wobei die Varistorschicht lateral so bemessen ist, dass sie umlaufend von den Kanten des
Bauelementträgers beabstandet ist.
2. Bauelementträger nach Anspruch 1,
bei dem das zweite Elektrodenpaar ein lötbares Material umfasst oder mit einer lötbaren
Oberflächenschicht versehen ist.
3. Bauelementträger nach einem der vorangehenden
Ansprüche,
bei dem der Grundkörper Aluminiumnitrid umfasst.
4. Bauelementträger nach einem der vorangehenden
Ansprüche,
bei dem zumindest das zweite Elektrodenpaar ein Kupfer enthaltendes Material umfasst. Bauelementträger nach einem der vorangehenden
Ansprüche,
bei dem zwischen erstem und zweiten Elektrodenpaar zumindest eine Innenelektrode angeordnet ist, die in die Varistorschicht eingebettet und elektrisch floatend oder mit jeweils einer Elektrode des ersten Elektrodenpaars elektrisch verbunden ist.
Bauelementträger nach einem der vorangehenden
Ansprüche,
bei dem über der Varistorschicht und dem zweiten Elektrodenpaar eine Passivierungsschicht so
angeordnet ist, dass die Varistorschicht allseitig und vollständig zwischen Grundkörper, zweitem
Elektrodenpaar und Passivierungsschicht
eingeschlossen ist und vom zweiten Elektrodenpaar nur Anschlusskontakte frei und unbedeckt bleiben.
Verfahren zur Herstellung eines Bauelementträgers mit den Schritten:
- Bereitstellen eines monolithischen keramischen
Grundkörpers ,
- Vorsehen von Durchkontaktierungen durch den
Grundkörper,
- Aufdrucken elektrischer Anschlussflächen auf einer ersten Oberfläche des Grundkörpers
- Aufdrucken eines ersten Elektrodenpaars auf der zweiten Oberfläche
- ganzflächiges Auflaminieren über dem ersten
Elektrodenpaar einer Grünfolie, die durch Sintern in eine Varistorschicht überführbar ist,
- Strukturieren der Grünfolie so, dass neben einem Zugang zum ersten Elektrodenpaar auch ein umlaufender Randbereich der zweiten Oberfläche des Grundkörpers freigelegt wird
- Sintern der Grünfolie und Überführung in die
Varistorschicht
- Aufdrucken eines zweiten Elektrodenpaars auf die Varistorschicht und den freigelegten Bereich des ersten Elektrodenpaars so, dass erstes und zweites Elektrodenpaar elektrisch verschaltet sind und eine Überlappung einer Elektrode des ersten Elektrodenpaars mit der entgegengesetzten Elektrode des zweiten Elektrodenpaars samt einem dazwischen liegenden aktiven Varistorbereich definiert.
8. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch,
bei dem eine oder mehrere Metallisierungen,
ausgewählt aus Anschlussflächen, erstem
Elektrodenpaar und zweitem Elektrodenpaar durch
Aufdrucken einer Cu und Glasanteile enthaltenden Paste erzeugt wird, die nach den Einbrennen eine lötbare Oberfläche aufweist.
9. Verfahren nach einem der beiden vorangehenden
Ansprüche,
bei dem die auflaminierte Grünfolie mit Hilfe eines Lasers strukturiert wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei dem das Auflaminieren der Grünfolie das
Auflaminieren eines vorlaminierten Stapels mehrerer Grünfolien umfasst, wobei zumindest eine auf eine Grünfolie aufgedruckte Innenelektrode in dem Stapel integriert ist.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Innenelektrode strukturiert aufgedruckt ist und sich nicht über die gesamte Varistorschicht erstreckt,
bei dem die Grünfolie nach dem Auflaminieren durch
Materialabtrag so strukturiert wird, dass zumindest eine Innenelektrode eine der freigelegten Kante der Grünfolie schneidet
bei dem nach dem Aufdrucken des zweiten
Elektrodenpaars eine von dessen Elektroden die
Innenelektrode elektrisch kontaktiert.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem nach dem Auflaminieren der Grünfolie vor oder nach dem Aufdrucken des zweiten Elektrodenpaars eine
Passivierungsschicht aufgebracht und so strukturiert wird, dass im ersten Falls nur der für das zweite Elektrodenpaar vorgesehene Oberflächenbereich von der Passivierungsschicht frei bleibt,
oder bei dem im zweiten Fall das aufgedruckte zweite
Elektrodenpaar nur in einem Bereich frei bleibt, in dem anschließend lötbare Anschlusskontakte durch Verstärkung des zweiten Elektrodenpaars erzeugt werden .
13. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch,
bei dem im zweiten Fall die Verstärkung durch
galvanische Abscheidung einer lötbaren Metallschicht auf den freigelegten Bereich des zweiten
Elektrodenpaars erfolgt. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein großflächiger Grundkörper vorgesehen wird, der in eine Vielzahl von Bauelementträgern vereinzelbar ist,
bei dem der großflächige Grundkörper nach dem
Fertigstellen des zweiten Elektrodenpaars bzw. der lötbaren Anschlusskontakte durch Auftrennen des Grundkörpers in die Vielzahl von Bauelementträgern vereinzelt wird, wobei die Auftrennung des
Grundkörpers ausschließlich im Randbereich und beabstandet zur jeweiligen Kante der Varistorschicht erfolgt .
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