EP3455861A2 - Keramische vielschichtbauelement und verfahren zur seines herstellung - Google Patents

Keramische vielschichtbauelement und verfahren zur seines herstellung

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EP3455861A2
EP3455861A2 EP17725880.3A EP17725880A EP3455861A2 EP 3455861 A2 EP3455861 A2 EP 3455861A2 EP 17725880 A EP17725880 A EP 17725880A EP 3455861 A2 EP3455861 A2 EP 3455861A2
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EP
European Patent Office
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ceramic
functional
substrate
multilayer component
green
Prior art date
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Application number
EP17725880.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Feichtinger
Bernhard Döllgast
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TDK Electronics AG
Original Assignee
TDK Electronics AG
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • 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 present invention relates to a ceramic multilayer coating component.
  • the invention further relates to a procedural ⁇ ren for producing a ceramic multilayer component.
  • a procedural ⁇ ren for producing a ceramic multilayer component for the integration of functionalities in multilayer components, for example, the integration of a completely closed electronic ceramics or functional ceramics into an inert organic material is known.
  • the structure of a support of a functional ceramic itself, such as a varistor ceramic known.
  • additional surface layers for example of glass or polymer, required to protect the functional ceramic from external influences.
  • a multilayer component has an inert ceramic Sub ⁇ strate.
  • inert is in this context understood to that one surface of the ceramic substrate has a ho ⁇ hen insulation resistance.
  • the high insulation resistance ⁇ stand protects the surface of the substrate against external ⁇ A flows of high insulation resistance makes the surface. for example, insensitive to electrochemical processes, such as the deposition of metallic layers on the surface.
  • the high insulation resistance makes the Oberflä ⁇ surface of the substrate further resistant to aggressive medi- s, eg aggressive fluxing agents which are used for example in soldering ⁇ processes.
  • the multilayer element has at least onegnacske ⁇ Ramik.
  • the multilayer component can also have more than one functional ceramic.
  • the on Much ⁇ layer component-two, three, five, ten or more functional ⁇ ceramics The functional ceramic serves to provide specific functionalities of the multilayer component.
  • the functional ceramic serves to integrate the specific functions into the substrate. Various functional ceramics can thereby Different or identical functionali ⁇ activities provide.
  • the ceramic substrate serves as a carrier for the functional ceramics.
  • the functional ceramic is completely enclosed by the ceramic substrate.
  • the functional ceramic is surrounded on all sides by the inert, dielectric ceramic material of the substrate.
  • the functional ceramic has specific properties, beispiels-, to a defined shape and size, to integrate thejanske ⁇ Ramik in the ceramic substrate.
  • the functional ceramic is granular, spherical, disc-shaped, elliptical or cubical.
  • the functional ceramic has a diameter of less than or equal to 100 ym, for example 50 ym.
  • the ceramic substrate has specific properties to integrate the functional ceramic into the substrate. So a recess is provided in an inner region of the substrate, into which the functional ceramic is introduced during the production of the multilayer component. Thejanske ⁇ ramik is completely arranged in the interior of the substrate.
  • the ceramic substrate comprises a LTCC (low temperature cofired ceramics) ceramic.
  • LTCC low temperature cofired ceramics
  • the LTCC technology makes it possible to realize ceramic Mehr Anlagenbauelemen ⁇ te with multiple metallization layers in which a plurality of passive components such as printed conductors, resistors, capacitors and inductors can be integrated.
  • the LTCC ceramic preferably has a low dielectric constant. Thus, undesirable Parasi ⁇ mentary electrical effects such as parasitic capacitances of the sub ⁇ strats are suppressed.
  • the multilayer component has a multiplicity of functional ceramics.
  • the functional ceramics have different properties.
  • the functional ceramics for example, have different Ausdeh ⁇ expansion coefficient and / or different sintering tempera ⁇ tures.
  • the at least one functional ceramic on a HTCC ceramic is well above 1000 ° C, for example at 1500 ° C.
  • the grain structure of the HTCC ceramic is not affected by the processing (baking) of the LTCC ceramic of the substrate at temperatures well below 1000 ° C. The functionality of the functional ceramic in the substrate thus remains even after baking the LTCC ceramic.
  • the functional ceramic comprises a varistor, a negative temperature coefficient (NTC) ceramic, a PTC (positive temperature coefficient) ceramic or a ferrite.
  • NTC negative temperature coefficient
  • PTC positive temperature coefficient
  • the functional ceramic is designed as an ESD protection element.
  • various functionalities of the multilayer component can be provided by the functional ceramic.
  • a method for producing a multilayer component is described. ⁇ go through the Ver described above multilayer ⁇ component-is preferably produced. All of the features described in co ⁇ hang with the multilayer component, and look for the method application and vice versa.
  • a first step preferably at least onegnacskera ⁇ mik, several functional ceramics prepared.
  • functional ceramics can be produced with different functionalities.
  • the respective functional ceramic is a ceramic spray granules, a ceramic powder and / or ceramic greensheets.
  • the Sprühgra ⁇ granulate, ceramic powder and / or the green sheets are screened, pressed and sintered.
  • the functional ceramic is in this manufacturing process at temperatures greater than or equal to 1000 ° C, for example 1300 ° C or 1500 ° C, gesin ⁇ tert.
  • the functional ceramic can be given a wide variety of geometric shapes.
  • the functional ceramic may comprise a sintered grain, a sintered ball, a sintered chip or a sintered cube.
  • LTCC green films are provided, which have at least one recess.
  • the green ⁇ layers are stacked on top of each other.
  • the recess is provided by stamping or lasering the green sheets and completely penetrates the green sheets provided.
  • electrode structures are provided on at least part of the green sheets, for example printed.
  • the electrode structures have ⁇ example, silver and / or palladium.
  • the application of the electrode structures is preferably carried out before the provided green sheets are stacked.
  • the recess is equipped with the functional ceramic and the functional ceramic is accurately shaken into the recess.
  • ceramic cover foils are in
  • Green state provided. These are placed on the top and bottom of the stack of green sheets.
  • the cover sheets are free of the recess, so that the func- Onskeramik surrounded on all sides by ceramic material.
  • the green sheets and the cover sheets are laminated to a green pile and pressed.
  • the recesses completely penetrate the green pile.
  • the recesses are arranged in ⁇ a region of the green stack which is spatially separated from the region in which the functional ceramic is disposed.
  • the green stack is sintered.
  • the green stack is sintered at a temperature which is at ⁇ play, 150 ° C below the sintering temperature of the function ⁇ onskeramik.
  • Green pile influenced.
  • the LTCC Kera ⁇ mik with defined sintering shrinkage in the z direction and low shrinkage in the x and y-direction, there is a crack-free ⁇ em enclosing the functional ceramic by the ceramic substrate.
  • the ceramic material of the substrate can fit precisely on the functional ceramic.
  • a gap may also remain between the functional ceramic and the material of the ceramic substrate.
  • external contacts are provided on outer surfaces of the sintered green stack. For example, a silver paste is applied to the front side of the sintered green sheet and then baked.
  • the thus created multilayer element comprises Wenig ⁇ least one fully in the ceramic substrate, inte ⁇ te functional ceramics.
  • the multilayer component can be exposed to harsh ambient conditions ( high temperatures, aggressive media) without the functional ceramic being damaged.
  • the multilayer device may further used in applications ⁇ the in which the reduction of unwanted parasitic electrical effects (for example, the parasitic capacitance) of the substrate plays a role.
  • a langle ⁇ biges and adaptive multilayer component is provided.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a multilayer component
  • FIG. 2 shows a sectional view of a multilayer component according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 3 is a sectional view of a multilayer component according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows a horizontal sectional view of the multilayer component according to FIG. 3,
  • FIG. 5 shows a horizontal sectional view of the multilayer component according to FIG. 3 according to a further exemplary embodiment
  • FIG. 6 is a sectional view of a multilayer component according to a third exemplary embodiment
  • FIG. 7 is a sectional view of a multilayer component according to a fourth exemplary embodiment, FIG.
  • FIG. 8a shows a step in the manufacture of a multilayer component, according to the invention
  • Figure 8b a further process step in the development of a herstel ⁇ Learnbauele- ments according to the invention
  • FIG. 8c shows a further method step in the production of a multilayer component according to the invention
  • Figure 8d a further process step in the development of a herstel ⁇ Dahlbauele- ments according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a multilayer component 100.
  • the multilayer component 100 has a substrate 1.
  • the substrate 1 preferably comprises an inert dielectric ceramic carrier.
  • inert is meant in this context that a surface of the substrate 1 has a high insulation resistance.
  • the high insulation resistance makes the surface of the sub ⁇ strats 1 insensitive to electrochemical processes such as the deposition of metallic layers, such as layers comprising Ni, Z, Ag or Ad, on the surface of the substrate 1.
  • the high insulation resistance makes the surface of the substrate 1 also insensitive aggres ⁇ sive media, such as aggressive fluxing agents which are used for example for soldering processes. This ag ⁇ sive media, the surface attack and lead to unwanted side effects, such as short circuits and leakage currents.
  • the substrate 1 is preferably a multilayer ceramic.
  • the substrate 1 preferably comprises an LTCC ceramic.
  • ⁇ DERS particular preferable for the substrate 1 to a glass-ceramic.
  • the multilayer component 100 furthermore has a multiplicity of functional ceramics 2, for example two, three, five or 10 functional ceramics 2.
  • the functional ceramics 2 are arranged within the substrate 1.
  • the functional ceramics 2 are completely enclosed by the substrate 1.
  • the Funkti ⁇ onskeramiken 2 are spatially separated from each other and electrically isolated.
  • the respective functional ceramic 2 preferably has a HTCC ceramic.
  • the respective functional ceramic 2 may comprise ZnO-Pr (varistor), MnNiX (NTC ceramic), BaTi0 3 (PTC ceramic) or a ferrite, depending on the desired function and mode of action of the respective functional ceramic 2
  • a plurality of functional ceramics 2 may also have the same composition.
  • each functional ceramic 2 may also be designed differently for realizing various desired functions within the substrate 1.
  • the func ⁇ onskeramiken 2 are protected from external influences. Additional surface protective layers for the functional ceramics, such as, for example, glass or polymer layers, are therefore superfluous.
  • FIG. 2 shows a sectional illustration of a multilayer component 100 according to a first exemplary embodiment.
  • FIG. 2 shows a multilayer component 100 with ceramic substrate 1 and an integrated wafer varistor as functional ceramic 2.
  • the functional ceramic 2 preferably has a plastic-molded varistor such as, for example, an SMD CU varistor or a ThermoFuse varistor.
  • the functional ceramic 2 is disc-shaped.
  • the functional ceramic 2 preferably has a metal disc.
  • the functional ceramic is a disc varistor.
  • the substrate 1 has internal electrodes 4.
  • the inner electric ⁇ 4 are arranged between (not explicitly shown) ceramic layers of the substrate. 1
  • the mecanicelektro- to 4 are used for electrically contacting the functional ceramics 2.
  • the functional ceramics 2 is arranged in a (not explicitly shown) recess 6 in the interior of the sub ⁇ strats. 1
  • the inner electrodes 4 extend to the Edge of this recess 6 to the functional ceramic 2
  • the functional ceramic 2 has external contacts 3.
  • the outer contacts 3 are formed on outer surfaces, here the upper and lower side of the functional ceramic 2. For example, it han ⁇ punched at the outer contacts 3 to metal layers at the top and bottom of the functional ceramic 2.
  • the internal electrodes 4 are connected electrically conducting tend to the external contacts. 3
  • outer electrodes 5 are further arranged for electrical contacting of the multilayer component 100.
  • the outer electrodes 5 are electrically connected in alternation with internal electrodes 4 of different polarity.
  • the multilayer component 100 shown in FIG. 2 is designed for high-temperature applications at 150 ° C.
  • the inert surface of the substrate 1 serves to protect the integrated disc varistor, which is specified for maximum operating temperatures up to 85 ° C., from the high temperatures.
  • FIG. 3 shows a sectional view of a multilayer ⁇ device 100 according to a second embodiment.
  • the clamping voltage occurs in an ESD event along with a certain surge current to the device. ever higher than the clamping voltage occurring at the varistor with the same current, the greater the electrical power and thus ultimately the energy that the varistor must absorb. For smaller clamping voltages thus a higher current carrying capacity is achieved in order to achieve the same energy consumption.
  • the multilayer component 100 has the substrate 1 described above.
  • the functional ceramic 2 is arranged or embedded in a recess 6 within the substrate 1.
  • the recess 6 allows the introduction of the functional ceramic 2 in the substrate 1 during the manufacturing process. In ⁇ play, the recess 6 to a sintered Via or a sintered via individual layers of the substrate. 1
  • the recess 6 is characterized in particular by the fact that it does not completely penetrate the substrate 1.
  • the embedded in the recess 6 functional ceramic 2 from all sides, that is completely, surrounded by the material of the substrate 1.
  • the recess 6 and / or the functional ceramic 2 may be formed so that the functional ceramic 2 is so enclosed by the substrate 1 that no gap between the material of the substrate 1 and the functional ceramic 2 remains (see Figure 2).
  • the recess 6 but may also be formed so that a gap between the radio ⁇ tion ceramics 2 and the material of the substrate 1 remains (see Figure 3), the recess 6 thus even after completion development of the multilayer component 100 is discernible. This may particularly be required if the material of functional ceramics 2 and the substrate 1 has different Ausdeh ⁇ expansion coefficient to cracks or damage to the Multilayer component 100 in the further processing, in ⁇ example, when soldering to avoid.
  • the functional ceramic 2 is formed in the form of a ball in this embodiment.
  • the functional ceramics have preferably 2 ⁇ as a Varistorkugel.
  • the functional ceramic 2 has, for example, ZnO-PrCo.
  • the functional ceramic ⁇ 2 is a sintered ZnO PrCo grain.
  • the functional ceramic 2 has a low capacity.
  • the capacity of the functional ceramic is 0.5 pF or less, for example, 0.47 pF.
  • the functional ceramic 2 has a
  • the substrate 1 has a very low Dielektrizi ⁇ tuschskonstante epsilon.
  • the dielectric constant of the substrate is less than 50, preferably less than 10.
  • the low the ⁇ lektrizticianskonstante the surrounding substrate 1 serves the parasitic capacitance of the substrate 1 to suppress.
  • the substrate 1 also has the internal electrodes 4 already mentioned in connection with FIG.
  • the outer electrodes 5 are finally arranged for electrical contacting of the multilayer component 100.
  • the inner electrodes 4 are used for electrical contacting of the functional ceramic 2 and extend to the edge of the recess 6, to contact the functional ceramic 2 electrically.
  • the respective inner electrode 4 can be shaped differently (see FIGS. 4 and 5).
  • the jeweili ⁇ ge internal electrode 4 may be in the region of the feed to the function ⁇ onskeramik have a constriction 4b ( Figure 5). This is particularly advantageous when the functional ceramic 2 is spherical.
  • the respective inner electrode 4 can be targeted through the constriction 4b and ge ⁇ precisely be electrically connected with the functional ceramic. 2
  • the respective inner electrode 4 may have a web 4a or web-shaped connection region for electrically contacting the functional ceramic 2 (FIG. 4).
  • the functional ceramic ⁇ 2 has a larger horizontal extent, so formed as elliptical game at ⁇ .
  • the internal electrode 4 for connecting the functional ceramics 2 are also conceivable in ⁇ particular embodiments.
  • FIG. 6 shows a sectional view of a multilayer component 100 according to a third exemplary embodiment.
  • a multi-layer device 100 in an overall LED Stalt carrier with integrated ESD protection Darge ⁇ represents.
  • the multilayer component 100 has a heat source 10, in ⁇ example, an LED on.
  • the heat source 10 is about Kon ⁇ clock surfaces 9 on the underside of the heat source 10, wherein ⁇ play an electrically conducting metallic layer, electrically connected to the outer contacts 5 of the substrate 1.
  • the per ⁇ stays awhile external contact 5 is arranged at the top of the substrate 1 and connected via a soldered connection 8 with the respective contact surface.
  • the substrate 1 has vias or plated-through holes 7.
  • the respective through-hole 7 completely penetrates the substrate 1 in the vertical direction.
  • the respective through-connection 7 is electrically conductively connected to one outer contact 5 in each case.
  • On the underside of the substrate 1 further outer electrodes 5 are arranged, which are electrically connected to the respective through-connection 7.
  • the internal electrodes 4 in this exemplary embodiment do not extend as far as the side surfaces of the substrate 1, but are connected in an electrically conductive manner to the plated-through holes 7.
  • the substrate 1 can also have a thermal contact 11, for example for a temperature sensor.
  • the heat contact 11 can, for example, a metal filled Via aufwei ⁇ sen.
  • the functional ceramics 2 is for example spherical excluded forms, sintered, and introduced into the recess 6 within the sub ⁇ strats 1, so that the functional ceramic 2 of al ⁇ len pages provide completely around ⁇ through the material of the substrate. 1
  • the functional ceramic 2 serves in this embodiment as an ESD protection structure.
  • the functional ceramic 2 is a varistor chip.
  • the heat source 10, which is very sensitive to ⁇ voltages as they can for example be triggered by an ESD pulse, is using the functional Onskeramik 2 effectively protected against these surges or surges.
  • FIG. 7 shows a sectional view of a multilayer component 100 according to a fourth exemplary embodiment.
  • ⁇ into special 100 is shown in Ge ⁇ Stalt a LED support with integrated ESD protection and temperature sensor in Figure 7, a multi-layer component.
  • multilayer component 100 ⁇ be enrolled.
  • a second functional ceramic 2 is embedded in the substrate 1. The two functional ceramics 2 are spatially separated from each other and each completely surrounded by the Materi ⁇ al of the substrate 1.
  • a first functional ceramic 2 which is shown in FIG. 7 in the lower region of the substrate 1, serves as an ESD structure and protects the heat source 10, for example an LED, against overvoltages.
  • the first functional ceramic 2 is designed as a varistor chip.
  • a second functional ceramic 2 which is shown in FIG. 7 in the upper region of the substrate 1, is designed as a thermistor (NTC thermistor).
  • the second functional ceramic 2 is an NTC temperature sensor.
  • the substrate 1 has a thermal contact 11.
  • the thermal contact 11 is lei ⁇ tend connected to the second functional ceramic 2.
  • the heat contact 11 is in the form of a via, for example
  • the via extends from the top of the substrate 1 to the second function ⁇ ceramic. 2
  • the functional ceramics 2 in the inert dielectric ceramic base may function ceramics 2 properties with completely different egg, such as sintering temperature, and expansion coefficient, together integrated into the substrate 1 ⁇ the. This makes it possible to realize extremely adaptive and flexible multilayer components 100.
  • a method for producing a multilayer component 100 will be described in connection with FIGS. 8a to 8d. All features which have been explained for the multilayer components 100 in connection with FIGS. 1 to 7 are also applicable to the method and vice versa.
  • At least one functional ceramic 2 is produced.
  • a plurality of different functional ceramics 2 are produced, depending on the specific requirements for the multilayer component 100.
  • their production can be very different. All functional ceramics 2 have in common that they are sintered prior to introduction into the substrate 1.
  • 2 ceramic powder is provided for the production of functional ceramics and doped with dopants, such as ZnO. Subsequently, the powder is sintered ge ⁇ . This takes place at temperatures of greater than or equal to 1000 ° C and less than or equal to 1300 ° C, for example at
  • aontskera ⁇ mik 2 results in the form of a sintered grain, which is for example as SMD varistor application.
  • a varistor chip is to be formed as a functional ceramic 2
  • granules of sintered grains are provided, screened and pressed, as described above.
  • the pressed pellets are then sintered (1000 ° CT ⁇ 1300 ° C) and processed into a junnförmi ⁇ gen Varistorchip.
  • the Varis ⁇ torchip is metallized by sputtering or screen printing.
  • LTCC green sheets are provided to form the substrate 1.
  • the green sheets contain, for example, a ceramic powder, a binder and a glass component.
  • the green sheets 15 are stacked on top of each other to form a stack.
  • By laser ablation, or punching is Wenig ⁇ least introduced into the green sheets 15 a recess. 6
  • the recess serves to introduce the functional ceramic 2 into the green stack 16 in a later method step.
  • the number of recesses 6 which are incorporated into the green sheets 15, thereby corresponding to the number of function ⁇ onskeramiken 2 in the finished multilayer component 100th
  • metal structures for forming the internal electrodes 4 are provided, for example, printed on at least a portion of the green sheets.
  • the application of the metal structures is preferably carried out before the provided green sheets 15 are stacked together.
  • the metal structures include, for example, Ag, Cu, Pd, or a combination thereof.
  • the metal structures can be shaped specifically in particular in a connection region for connecting the functional ceramic 2, as has been described in connection with FIGS. 4 and 5.
  • the at least one functional ceramic 2 is introduced into the recess 6 (FIG. 8 a).
  • the off ⁇ savings 6 is equipped with the functional ceramic 2 and this is then shaken.
  • ceramic cover films 13 are provided in the green state (FIG. 8 a). These are arranged on the top and the bottom of the stack of green sheets 15. The cover films 13 are free of the recess 6, so that the functional ceramic 2 is now surrounded on all sides by ceramic material. This is followed by lamination and pressing of the green sheets 13, 15 into a green stack 16 (FIG. 8b). By punching or laser processes further recesses for producing the vias 7 in the green sheets 13, 15 are introduced. These recesses completely penetrate the green stack 16 from the green sheets 15 and the cover sheets 13. To produce the respective plated-through hole 7, the recess is filled after a sintering step with a bonding material, for example by depositing egg ⁇ nes metal from a solution. Preferably, the Ausspa ⁇ tion is filled completely.
  • the metal contains or is, for example, copper, silver and / or palladium.
  • the green stack 16 is sintered (FIG. 8c).
  • the green stack 16 is ge ⁇ sintered at a temperature which is below the sintering temperature of the ceramic functional ⁇ . 2
  • the sintering temperature of the green stack is 150 ° C below the sintering temperature for the
  • the sintering temperature is between 750 ° C and 900 ° C, with the limits included.
  • the sintering of the green stack 16 occurs at 800 ° C or 850 ° C.
  • the sintering causes the green films 13, 15 to fade.
  • the suitable selection of the LTCC ceramic with defined shrinkage in the z-direction and low shrinkage in the x and y directions enables crack-free enclosing of the functional ceramic 2.
  • the external contacts 5 are provided on outer surfaces of the sintered green stack 16.
  • a silver paste 14 is disposed on at least a portion of the outer surfaces ( Figure 8d) and then baked.
  • Figure 8d The description of the objects given here is not limited to the individual specific embodiments. Rather, the features of the individual embodiments - as far as technically reasonable - can be combined with each other.

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Abstract

Es wirdein Vielschichtbauelement (100) beschrieben, aufweisend ein inertes keramisches Substrat (1) und wenigstens eine Funktionskeramik (2), wobei die Funktionskeramik (2) vollständig von dem keramischen Substrat (1) umschlossen ist. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines Vielschichtbauelements (100) beschrieben.

Description

Beschreibung
Vielschichtbauelement und Verfahren zur Herstellung eines Vielschichtbauelements
Die vorliegende Erfindung betrifft ein keramisches Viel¬ schichtbauelement. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfah¬ ren zur Herstellung eines keramischen Vielschichtbauelements. Zur Integration von Funktionalitäten in Vielschichtbauelemen- te ist beispielsweise die Integration einer vollständig um¬ schlossenen Elektrokeramik bzw. Funktionskeramik in ein inertes organisches Material bekannt. Auch ist der Aufbau eines Trägers aus einer Funktionskeramik selbst, wie beispielsweise einer Varistorkeramik, bekannt. Jedoch sind hierbei Zusatzoberflächenschichten, beispielsweise aus Glas oder Polymer, erforderlich, um die Funktionskeramik vor äußeren Einflüssen zu schützen. Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine verbessertes
Vielschichtbauelement sowie ein Verfahren zur Herstellung ei¬ nes verbesserten Vielschichtbauelements anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand und das Verfahren ge- mäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Gemäß einem Aspekt wird ein Vielschichtbauelement angegeben. Das Vielschichtbauelement weist ein inertes keramisches Sub¬ strat auf. Unter „inert" wird in diesem Zusammenhang verstan- den, dass eine Oberfläche des keramischen Substrats einen ho¬ hen Isolationswiderstand aufweist. Der hohe Isolationswider¬ stand schützt die Oberfläche des Substrats gegen äußere Ein¬ flüsse. Der hohe Isolationswiderstand macht die Oberfläche beispielsweise unempfindlich gegenüber elektrochemischen Prozessen, wie dem Abscheiden von metallischen Schichten auf der Oberfläche. Der hohe Isolationswiderstand macht die Oberflä¬ che des Substrats ferner unempfindlich gegen aggressive Medi- en, z.B. aggressive Flussmittel, die beispielsweise bei Löt¬ prozessen eingesetzt werden.
Das Vielschichtbauelement weist wenigstens eine Funktionske¬ ramik auf. Das Vielschichtbauelement kann auch mehr als eine Funktionskeramik aufweisen. Beispielsweise weist das Viel¬ schichtbauelement zwei, drei, fünf, zehn oder mehr Funktions¬ keramiken auf. Die Funktionskeramik dient dazu spezifische Funktionalitäten des Vielschichtbauelements bereitzustellen. Die Funktionskeramik dient dazu die spezifischen Funktionen in das Substrat zu integrieren. Verschiedene Funktionskeramiken können dabei verschiedene aber auch gleiche Funktionali¬ täten zur Verfügung stellen.
Das keramische Substrat dient als Träger für die Funktionske- ramik. Die Funktionskeramik ist vollständig von dem keramischen Substrat umschlossen. Mit anderen Worten, die Funktionskeramik ist zu allen Seiten hin von dem inerten, dielektrischen keramischen Material des Substrats umgeben. Die Funktionskeramik weist spezifische Eigenschaften, beispiels- weise eine definierte Form und Größe auf, um die Funktionske¬ ramik in das keramische Substrat zu integrieren. Beispiels¬ weise ist die Funktionskeramik kornförmig, kugelförmig, scheibenförmig, ellipsenförmig oder würfelförmig ausgebildet. Beispielsweise weist die Funktionskeramik einen Durchmesser von kleiner oder gleich 100 ym, beispielsweise 50 ym, auf.
Das keramische Substrat weist spezifische Eigenschaften auf, um die Funktionskeramik in das Substrat zu integrieren. So ist in einem Innenbereich des Substrats eine Aussparung vorgesehen, in die die Funktionskeramik während der Herstellung des Vielschichtbauelements eingebracht wird. Die Funktionske¬ ramik ist vollständig im Innenbereich des Substrats angeord- net .
Durch das inerte, dielektrische, keramische Substrat ist die Funktionskeramik vor schädlichen äußeren Einflüssen geschützt. Auf diese Weise kann ein kompaktes, stabiles, lang- lebiges und adaptives Vielschichtbauelement bereitgestellt werden .
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das keramische Substrat eine LTCC (low temperature cofired ceramics) Keramik auf. Die LTCC-Technologie erlaubt es, keramische Mehrschichtbauelemen¬ te mit mehreren Metallisierungsebenen zu realisieren, in die sich eine Vielzahl passiver Komponenten wie Leiterbahnen, Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten integrierten lassen. Die LTCC Keramik weist vorzugsweise eine niedrige Die- lektrizitätskonstante auf. Damit können unerwünschte parasi¬ täre elektrische Effekte, wie parasitäre Kapazitäten des Sub¬ strats, unterdrückt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Vielschichtbauele- ment eine Vielzahl von Funktionskeramiken auf. Die Funktionskeramiken haben unterschiedliche Eigenschaften. Die Funktionskeramiken weisen beispielsweise unterschiedliche Ausdeh¬ nungskoeffizienten und / oder unterschiedliche Sintertempera¬ turen auf. Durch die vollständige Einbettung der Funktionske- ramiken in das inerte dielektrische keramische Material des Substrats können die unterschiedlichen Eigenschaften der Funktionskeramiken kompensiert werden. Verschiedenste Funkti¬ onalitäten können somit integriert werden. Damit können äu- ßert adaptive und flexibel einsetzbare Vielschichtbauelemente realisiert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die wenigstens eine Funktionskeramik eine HTCC Keramik auf. Bei HTCC Keramiken liegen die Sintertemperaturen deutlich über 1000° C, beispielsweise bei 1500 °C. Das Korngefüge der HTCC Keramik wird durch die Prozessierung (das Einbrennen) der LTCC Keramik des Substrats bei Temperaturen deutlich unter 1000° C nicht be- einflusst. Die Funktionalität der Funktionskeramik in dem Substrat bleibt also auch nach Einbrennen der LTCC Keramik erhalten .
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Funktionskeramik einen Varistor, eine NTC (negative temperature coefficient) Keramik, eine PTC (positive temperature coefficient) Keramik oder ein Ferrit auf. Beispielsweise ist die Funktionskeramik als ESD-Schutzelement ausgebildet. Durch die Funktionskeramik können somit verschiedene Funktionalitäten des Vielschicht- bauelements bereitgestellt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Vielschichtbauelements beschrieben. Durch das Ver¬ fahren wird vorzugsweise das oben beschriebene Vielschicht¬ bauelement hergestellt. Sämtliche Merkmale, die in Zusammen¬ hang mit dem Vielschichtbauelement beschrieben wurden, finden auch für das Verfahren Anwendung und umgekehrt.
In einem ersten Schritt wird wenigstens eine Funktionskera¬ mik, vorzugsweise mehrere Funktionskeramiken, hergestellt. Dabei können Funktionskeramiken mit unterschiedlichen Funktionalitäten hergestellt werden. Der jeweiligen Funktionskeramik liegt ein keramisches Sprühgranulat, ein Keramikpulver und / oder keramische Grünschichten zu Grunde. Das Sprühgra¬ nulat, das Keramikpulver und / oder die Grünschichten werden gesiebt, gepresst und gesintert. Die Funktionskeramik wird bei diesem Herstellungsprozess bei Temperaturen größer oder gleich 1000 °C, beispielsweise 1300 °C oder 1500° C, gesin¬ tert. Bei der Herstellung kann die Funktionskeramik verschiedenste geometrische Formen erhalten. Beispielsweise kann die Funktionskeramik ein gesintertes Korn, eine gesinterte Kugel, einen gesinterten Chip oder einen gesinterten Würfel aufweisen.
In einem weiteren Schritt werden LTCC Grünfolien bereitgestellt, die wenigstens eine Aussparung aufweisen. Die Grün¬ schichten werden übereinander gestapelt. Die Aussparung wird durch Stanzen oder Lasern der Grünfolien bereitgestellt und durchdringt die bereitgestellten Grünfolien vollständig.
In einem weiteren Schritt werden Elektrodenstrukturen auf wenigstens einem Teil der Grünfolien bereitgestellt, zum Bei- spiel aufgedruckt. Die Elektrodenstrukturen weisen beispiels¬ weise Silber und / oder Palladium auf. Das Aufbringen der Elektrodenstrukturen erfolgt vorzugsweise bevor die bereit gestellten Grünfolien gestapelt werden. In einem weiteren Schritt wird die Funktionskeramik in die
Aussparung eingebracht. Insbesondere wird die Aussparung mit der Funktionskeramik bestückt und die Funktionskeramik wird passgenau in die Aussparung eingerüttelt. In einem weiteren Schritt werden keramische Deckfolien im
Grünzustand bereitgestellt. Diese werden an der Oberseite und der Unterseite des Stapels aus Grünfolien angeordnet. Die Deckfolien sind frei von der Aussparung, so dass die Funkti- onskeramik von allen Seiten von keramischen Material umgeben ist .
In einem weiteren Schritt werden die Grünfolien und die Deck- folien zu einem Grünstapel laminiert und verpresst.
In einem weiteren Schritt können optional durch Stanz- oder Laserprozesse weitere Aussparungen zur Erzeugung von Durch- kontaktierungen in den Grünstapel eingebracht werden.
Diese Aussparungen durchdringen den Grünstapel vollständig. Die Aussparungen sind in einem Bereich des Grünstapels ange¬ ordnet, der räumlich von demjenigen Bereich separiert ist, in welchem die Funktionskeramik angeordnet ist. In einem weiteren Schritt wird der Grünstapel gesintert. Der Grünstapel wird bei einer Temperatur gesintert, welcher bei¬ spielsweise 150 °C unterhalb der Sintertemperatur der Funkti¬ onskeramik liegt. Dadurch wird die Funktionalität der inte¬ grierten Funktionskeramik nicht durch das Sintern des
Grünstapels beeinflusst. Durch geeignete Wahl der LTCC Kera¬ mik mit definiertem Sinterschwund in z-Richtung und geringem Schwund in die x- und y-Richtung, kommt es zu einem rissfrei¬ em Umschließen der Funktionskeramik durch das keramische Substrat. Dabei kann das keramische Material des Substrats pass- genau an der Funktionskeramik anliegen. Alternativ dazu kann nach dem Sintern des Grünstapels auch ein Spalt zwischen der Funktionskeramik und dem Material des keramischen Substrats verbleiben . In einem letzten Schritt werden Außenkontakte an Außenflächen des gesinterten Grünstapels bereitgestellt. Beispielsweise wird eine Silberpaste auf die Stirnseite des gesinterten Grünstapels aufgebracht und anschließend eingebrannt. Das dadurch entstandene Vielschichtbauelement weist wenigs¬ tens eine, vollständig in das keramische Substrat, integrier¬ te Funktionskeramik auf. Durch die Einbettung der Funktions- keramik in das inerte, dielektrische keramische Material kann das Vielschichtbauelement harschen Umgebungsbedingungen (ho¬ hen Temperaturen, aggressive Medien) ausgesetzt werden, ohne dass die Funktionskeramik Schaden nimmt. Durch die geringe Dielektrizitätskonstante des keramischen Substrats kann das Vielschichtbauelement ferner bei Anwendungen eingesetzt wer¬ den, bei denen die Reduktion von unerwünschten parasitären elektrischen Effekten (beispielsweise der parasitären Kapazität) des Substrats eine Rolle spielt. Somit wird ein langle¬ biges und adaptives Vielschichtbauelement zur Verfügung ge- stellt.
Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als ma߬ stabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.
Elemente, die einander gleichen oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Vielschichtbau- elements , Figur 2 eine Schnittdarstellung eines Vielschichtbauele- ments gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, Figur 3 eine Schnittdarstellung eines Vielschichtbauele- ments gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Figur 4 eine horizontale Schnittansicht auf das Viel- Schichtbauelement gemäß Figur 3,
Figur 5 eine horizontale Schnittansicht auf das Viel- schichtbauelement gemäß Figur 3 gemäß einem weite¬ ren Ausführungsbeispiel,
Figur 6 eine Schnittdarstellung eines Vielschichtbauele- ments gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
Figur 7 eine Schnittdarstellung eines Vielschichtbauele- ments gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
Figur 8a einen Verfahrensschritt bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen VielSchichtbauelements , Figur 8b einen weiteren Verfahrensschritt bei der Herstel¬ lung eines erfindungsgemäßen Vielschichtbauele- ments ,
Figur 8c einen weiteren Verfahrensschritt bei der Herstel- lung eines erfindungsgemäßen Vielschichtbauele- ments ,
Figur 8d einen weiteren Verfahrensschritt bei der Herstel¬ lung eines erfindungsgemäßen Vielschichtbauele- ments.
Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Viel- schichtbauelements 100. Das Vielschichtbauelement 100 weist ein Substrat 1 auf. Das Substrat 1 weist vorzugsweise einen inerten dielektrischen keramischen Träger auf. Unter „inert" wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass eine Oberfläche des Substrats 1 einen hohen Isolationswiderstand aufweist. Der hohe Isolationswiderstand macht die Oberfläche des Sub¬ strats 1 unempfindlich gegenüber elektrochemischen Prozessen, wie beispielsweise dem Abscheiden von metallischen Schichten, z.B. Schichten aufweisend Ni, Z, Ag oder Ad, auf der Oberfläche des Substrats 1. Der hohe Isolationswiderstand macht die Oberfläche des Substrats 1 ferner unempfindlich gegen aggres¬ sive Medien, wie beispielsweise aggressive Flussmittel, die beispielsweise bei Lötprozessen eingesetzt werden. Diese ag¬ gressiven Medien können die Oberfläche angreifen und zu unerwünschten Nebeneffekten, wie Kurzschlüssen und Kriechströmen führen.
Das Substrat 1 ist vorzugsweise eine Vielschichtkeramik . Das Substrat 1 weist vorzugsweise eine LTCC Keramik auf. Beson¬ ders bevorzugt weist das Substrat 1 eine Glaskeramik auf.
Das Vielschichtbauelement 100 weist ferner eine Vielzahl von Funktionskeramiken 2, beispielsweise zwei, drei, fünf oder 10 Funktionskeramiken 2, auf. Die Funktionskeramiken 2 sind innerhalb des Substrats 1 angeordnet. Die Funktionskeramiken 2 sind vollständig von dem Substrat 1 umschlossen. Die Funkti¬ onskeramiken 2 sind räumlich voneinander separiert und elektrisch isoliert.
Vorzugsweise weist die jeweilige Funktionskeramik 2 eine HTCC Keramik auf. Die jeweilige Funktionskeramik 2 kann ZnO-Pr (Varistor), MnNiX (NTC Keramik), BaTi03 (PTC Keramik) oder ein Ferrit aufweisen, abhängig von der gewünschten Funktion und Wirkungsweise der jeweiligen Funktionskeramik 2. Dabei können mehrere Funktionskeramiken 2 auch die gleiche Zusammensetzung aufweisen. Alternativ dazu kann jede Funktionskeramik 2 auch unterschiedlich ausgebildet sein zur Realisierung verschiedener gewünschter Funktionen innerhalb des Sub- strats 1.
Durch die inerte Oberfläche des Substrats 1 sind die Funkti¬ onskeramiken 2 vor äußeren Einflüssen geschützt. Zusatzoberflächenschutzschichten für die Funktionskeramiken, wie bei- spielsweise Glas- oder Polymerschichten, sind folglich überflüssig .
Die Figur 2 zeigt eine Schnittdarstellung eines Vielschicht- bauelements 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Ins- besondere ist in Figur 2 ein Vielschichtbauelement 100 mit keramischen Substrat 1 und einem integrierten Scheibenvaristor als Funktionskeramik 2 dargestellt. Vorzugsweise weist die Funktionskeramik 2 einen Kunststoff gemoldeten Varistor wie zum Beispiel einen SMD CU Varistor oder einen ThermoFuse Varistor auf.
Die Funktionskeramik 2 ist scheibenförmig ausgebildet. Die Funktionskeramik 2 weist vorzugsweise eine Metallscheibe auf. Die Funktionskeramik ist ein Scheibenvaristor. Beispielsweise weist die Funktionskeramik ZnO-Pr auf.
Das Substrat 1 weist Innenelektroden 4 auf. Die Innenelektro¬ den 4 sind zwischen (nicht explizit dargestellten) keramischen Schichten des Substrats 1 angeordnet. Die Innenelektro- den 4 dienen der elektrischen Kontaktierung der Funktionskeramik 2. Die Funktionskeramik 2 ist in eine (hier nicht explizit dargestellte) Aussparung 6 im Innenbereich des Sub¬ strats 1 angeordnet. Die Innenelektroden 4 reichen bis an den Rand dieser Aussparung 6, um die Funktionskeramik 2
elektrisch zu kontaktieren.
Die Funktionskeramik 2 weist Außenkontakte 3 auf. Die Außen- kontakte 3 sind an Außenflächen, hier der Ober- und Unterseite, der Funktionskeramik 2 ausgebildet. Beispielsweise han¬ delt es sich bei den Außenkontakten 3 um Metallschichten an der Oberseite und Unterseite der Funktionskeramik 2. Die Innenelektroden 4 sind mit den Außenkontakten 3 elektrisch lei- tend verbunden.
An den gegenüberliegenden Seitenflächen des Substrats 1 sind ferner Außenelektroden 5 angeordnet zur elektrischen Kontak- tierung des Vielschichtbauelements 100. Die Außenelektroden 5 sind alternierend mit Innenelektroden 4 unterschiedlicher Polarität elektrisch verbunden.
Das in Figur 2 dargestellte Vielschichtbauelement 100 ist für Hochtemperaturanwendungen bei ^ 150 °C ausgebildet. Das Sub- strat 1, welches die Funktionskeramik 2 vollständig umgibt, schützt die Funktionskeramik 2 dabei vor den auftretenden hohen Temperaturen. Insbesondere dient die inerte Oberfläche des Substrats 1 dazu den integrierten Scheibenvaristor, welcher für maximale Einsatztemperaturen bis 85° C spezifiziert ist, vor den hohen Temperaturen zu schützen.
Die Figur 3 zeigt eine Schnittdarstellung eines Vielschicht¬ bauelements 100 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Ins¬ besondere ist in Figur 3 ein Vielschichtbauelement 100 mit einem integrierten SMD (surface mounted device) Varistor mit niedriger Klemmspannung und Kapazität als Funktionskeramik 2 dargestellt. Die Klemmspannung tritt bei einem ESD-Ereignis zusammen mit einem bestimmten Stoßstrom am Bauelement auf. Je höher die am Varistor auftretende Klemmspannung bei gleichem Strom ist, umso größer ist auch die elektrische Leistung und damit letztendlich die Energie, die der Varistor aufnehmen muss. Bei kleineren Klemmspannungen wird somit eine höhere Strombelastbarkeit erreicht, um dieselbe Energieaufnahme zu erzielen .
Das Vielschichtbauelement 100 weist das oben beschriebene Substrat 1 auf. Die Funktionskeramik 2 ist in eine Aussparung 6 innerhalb des Substrats 1 angeordnet bzw. eingebettet. Die Aussparung 6 ermöglicht das Einbringen der Funktionskeramik 2 in das Substrat 1 während des Herstellungsprozesses. Bei¬ spielsweise weist die Aussparung 6 ein gesintertes Via bzw. eine gesinterte Durchkontaktierung einzelner Schichten des Substrats 1 auf. Die Aussparung 6 zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass diese das Substrat 1 nicht vollständig durchdringt. Damit ist die in der Aussparung 6 eingebettete Funktionskeramik 2 von allen Seiten, d.h. vollständig, von dem Material des Substrats 1 umgeben.
Je nach den Anforderungen an das Vielschichtbauelement 100 kann die Aussparung 6 und/oder die Funktionskeramik 2 so ausgebildet sein, dass die Funktionskeramik 2 derart von dem Substrat 1 umschlossen wird, dass keine Lücke zwischen dem Material des Substrats 1 und der Funktionskeramik 2 verbleibt (siehe Figur 2) . Alternativ dazu kann die Aussparung 6 aber auch so ausgebildet sein, dass eine Lücke zwischen der Funk¬ tionskeramik 2 und dem Material des Substrats 1 verbleibt (siehe Figur 3) , die Aussparung 6 also auch nach Fertigstel- lung des Vielschichtbauelements 100 erkennbar ist. Dies kann insbesondere dann erforderlich sein, wenn das Material von Funktionskeramik 2 und Substrat 1 unterschiedliche Ausdeh¬ nungskoeffizienten aufweist, um Risse oder Beschädigungen des Vielschichtbauelements 100 bei der Weiterprozessierung, bei¬ spielsweise beim Löten, zu vermeiden.
Die Funktionskeramik 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel ku- gelförmig ausgebildet. Die Funktionskeramik 2 weist vorzugs¬ weise eine Varistorkugel auf. Die Funktionskeramik 2 weist beispielsweise ZnO-PrCo auf. Vorzugsweise ist die Funktions¬ keramik 2 ein gesintertes ZnO-PrCo Korn. Die Funktionskeramik 2 weist eine geringe Kapazität auf. Beispielsweise beträgt die Kapazität der Funktionskeramik 0,5 pF oder weniger beispielsweise 0,47 pF. Die Funktionskeramik 2 weist einen
Durchmesser von kleiner 100 ym, bevorzugt kleiner oder gleich 50 ym auf. Vorzugsweise weist die Funktionskeramik eine spe¬ zifische elektrische Feldstärke Ev = 500 V / mm auf. Die Die- lektrizitätkonstante epsilon der Funktionskeramik 2 ist hoch. Beispielsweise beträgt eps = 400.
Hingegen weist das Substrat 1 eine sehr niedrige Dielektrizi¬ tätskonstante epsilon auf. Beispielsweise ist die Dielektri- zitätskonstante des Substrats kleiner 50, bevorzugt kleiner 10. Bevorzugt gilt eps = 7 oder eps = 7,5. Die niedrige Die¬ lektrizitätskonstante des umgebenden Substrats 1 dient dazu die parasitäre Kapazität des Substrats 1 zu unterdrücken. Beispielsweise liegt die parasitäre Kapazität des Substrats 1 um 0,47 pF unter der parasitären Kapazität eines Standardträ¬ gersubstrats mit eps = 400 gemäß dem Stand der Technik.
Das Substrat 1 weist ferner die bereits in Zusammenhang mit Figur 2 erwähnten Innenelektroden 4 auf. An den gegenüberlie- genden Seitenflächen des Substrats 1 sind letztlich die Außenelektroden 5 angeordnet zur elektrischen Kontaktierung des Vielschichtbauelements 100. Die Innenelektroden 4 dienen der elektrischen Kontaktierung der Funktionskeramik 2 und reichen bis an den Rand der Aussparung 6, um die Funktionskeramik 2 elektrisch zu kontaktieren. Je nach Ausgestaltung der Funktionskeramik kann die je- weilige Innenelektrode 4 unterschiedlich geformt sein (siehe hierzu die Figuren 4 und 5) . Beispielsweise kann die jeweili¬ ge Innenelektrode 4 im Bereich der Zuführung an die Funkti¬ onskeramik eine Verengung 4b aufweisen (Figur 5) . Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Funktionskeramik 2 kugelförmig ausgebildet ist. Insbesondere kann die jeweilige Innenelektrode 4 durch die Verengung 4b zielgerichtet und ge¬ nau mit der Funktionskeramik 2 elektrisch verbunden werden. Alternativ dazu kann die jeweilige Innenelektrode 4 einen Steg 4a oder stegförmigen Anschlussbereich zur elektrischen Kontaktierung der Funktionskeramik 2 aufweisen (Figur 4) .
Dies ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn die Funktions¬ keramik 2 eine größere horizontale Ausdehnung hat, also bei¬ spielsweise ellipsenförmig ausgebildet. Jedoch sind auch an¬ dere Ausgestaltungen der Innenelektrode 4 zum Anschließen der Funktionskeramik 2 vorstellbar.
Die Figur 6 zeigt eine Schnittdarstellung eines Vielschicht- bauelements 100 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Ins¬ besondere ist in Figur 6 ein Vielschichtbauelement 100 in Ge- stalt eines LED Trägers mit integriertem ESD Schutz darge¬ stellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu den in Zusammenhang mit den Figuren 2 bis 5 beschriebenen Viel- schichtbauelementen 100 beschrieben. Das Vielschichtbauelement 100 weist eine Wärmequelle 10, bei¬ spielsweise eine LED, auf. Die Wärmequelle 10 ist über Kon¬ taktflächen 9 an der Unterseite der Wärmequelle 10, bei¬ spielsweise einer elektrisch leitenden metallischen Schicht, elektrisch leitend mit den Außenkontaktierungen 5 des Substrats 1 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel ist die je¬ weilige Außenkontaktierung 5 an der Oberseite des Substrats 1 angeordnet und über eine Lotverbindung 8 mit der jeweiligen Kontaktfläche 9 verbunden.
Das Substrat 1 weist Vias oder Durchkontaktierungen 7 auf. Die jeweilige Durchkontaktierung 7 durchdringt das Substrat 1 in vertikaler Richtung vollständig. An der Oberseite des Sub- strats 1 ist die jeweilige Durchkontaktierung 7 mit jeweils einer Außenkontaktierung 5 elektrisch leitend verbunden. An der Unterseite des Substrats 1 sind weitere Außenelektroden 5 angeordnet, die elektrisch leitend mit der jeweiligen Durchkontaktierung 7 verbunden sind. Die Innenelektroden 4 reichen in diesem Ausführungsbeispiel nicht bis an die Seitenflächen des Substrats 1, sondern sind elektrisch leitend mit den Durchkontaktierungen 7 verbunden.
Das Substrat 1 kann ferner einen Wärmekontakt 11, beispiels- weise für einen Temperatursensor, aufweisen. Der Wärmekontakt 11 kann beispielsweise ein mit Metall gefülltes Via aufwei¬ sen .
Die Funktionskeramik 2 ist beispielsweise kugelförmig ausge- bildet, gesintert, und in die Aussparung 6 innerhalb des Sub¬ strats 1 eingebracht, so dass die Funktionskeramik 2 von al¬ len Seiten vollständig durch das Material des Substrats 1 um¬ geben ist. Die Funktionskeramik 2 dient in diesem Ausführungsbeispiel als ESD-Schutzstruktur . Die Funktionskeramik 2 ist ein Varistor-Chip. Die Wärmequelle 10, welche gegen Über¬ spannungen, wie sie z.B. durch einen ESD-Impuls ausgelöst sein kann, sehr empfindlich ist, wird mit Hilfe der Funkti- onskeramik 2 gegen diese Strom- oder Spannungsstöße wirksam geschützt .
Die Figur 7 zeigt eine Schnittdarstellung eines Vielschicht- bauelements 100 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Ins¬ besondere ist in Figur 7 ein Vielschichtbauelement 100 in Ge¬ stalt eines LED Trägers mit integriertem ESD Schutz und Temperatursensor dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu dem in Zusammenhang mit Figur 6 beschriebenen Vielschichtbauelement 100 be¬ schrieben. Zusätzlich zu dem Vielschichtbauelement 100 aus Figur 6 ist in dem Substrat 1 eine zweite Funktionskeramik 2 eingebettet. Die beiden Funktionskeramiken 2 sind räumlich voneinander separiert und jeweils vollständig von dem Materi¬ al des Substrats 1 umgeben.
Eine erste Funktionskeramik 2, welche in Figur 7 im unteren Bereich des Substrats 1 dargestellt ist, dient dabei als ESD- Struktur und schützt die Wärmequelle 10, beispielsweise eine LED, vor Überspannungen. Die erste Funktionskeramik 2 ist als Varistor-Chip ausgebildet.
Eine zweite Funktionskeramik 2, welche in Figur 7 im oberen Bereich des Substrats 1 dargestellt ist, ist als Heißleiter (NTC-Thermistor) ausgebildet. Insbesondere ist die zweite Funktionskeramik 2 ein NTC Temperatursensor. Das Substrat 1 weist einen Wärmekontakt 11 auf. Der Wärmekontakt 11 ist lei¬ tend mit der zweiten Funktionskeramik 2 verbunden. Der Wärme- kontakt 11 ist beispielsweise in Form eines Via / einer
Durchkontaktierung ausgebildet. Die Durchkontaktierung reicht von der Oberseite des Substrats 1 bis zur zweiten Funktions¬ keramik 2. Durch die vollständige Einbettung der Funktionskeramiken 2 in den inerten dielektrischen keramischen Träger (Substrat 1) können Funktionskeramiken 2 mit völlig unterschiedlichen Ei- genschaften, wie beispielsweise Sintertemperatur und Ausdehnungskoeffizient, gemeinsam in das Substrat 1 integriert wer¬ den. Damit können äußert adaptive und flexibel einsetzbare Vielschichtbauelemente 100 realisiert werden. Im Folgenden wird in Zusammenhang mit den Figuren 8a bis 8d ein Verfahren zur Herstellung eines Vielschichtbauelements 100 beschrieben. Alle Merkmale, die für die Vielschichtbau¬ elemente 100 in Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 7 erläutert wurden, finden auch für das Verfahren Anwendung und um- gekehrt.
In einem ersten Schritt wird wenigstens eine Funktionskeramik 2 hergestellt. Vorzugsweise werden mehrere, verschiedene, Funktionskeramiken 2 hergestellt, abhängig von den spezifi- sehen Anforderungen für das Vielschichtbauelement 100. Je nach Einsatzzweck der jeweiligen Funktionskeramik 2 kann deren Herstellung sehr verschieden sein. Allen Funktionskeramiken 2 ist gemeinsam, dass diese vor dem Einbringen in das Substrat 1 gesintert werden.
Beispielsweise wird für die Herstellung der Funktionskeramik 2 Keramikpulver zur Verfügung gestellt und mit Dotierstoffen, beispielsweise ZnO, dotiert. Anschließend wird das Pulver ge¬ sintert. Dies erfolgt bei Temperaturen von größer oder gleich 1000° C und kleiner oder gleich 1300° C, beispielsweise bei
1100° C. Durch diesen Prozess ergibt sich eine Funktionskera¬ mik 2 in Form eines gesinterten Korns, welches beispielsweise als SMD Varistor Anwendung findet. Soll als Funktionskeramik 2 ein Varistorchip ausgebildet werden, so wird für dessen Herstellung ein Granulat aus - wie oben beschrieben - gesinterten Körnern bereitgestellt, ge- siebt und gepresst. Das gepresste Granulat wird anschließend gesintert (1000°C T < 1300° C) und zu einem scheibenförmi¬ gen Varistorchip verarbeitet. Anschließend wird der Varis¬ torchip mittels Sputtern oder Siebdruck metallisiert.
In einem nächsten Schritt werden LTCC Grünfolien zur Ausbildung des Substrats 1 bereitgestellt. Die Grünfolien enthalten beispielsweise ein Keramikpulver, ein Bindemittel und einen Glasanteil. Die Grünfolien 15 werden übereinander zu einem Stapel gestapelt. Durch Laserabtrag oder Stanzen wird wenigs¬ tens eine Aussparung 6 in die Grünschichten 15 eingebracht. Die Aussparung dient dazu die Funktionskeramik 2 in einem späteren Verfahrensschritt in den Grünstapel 16 einzubringen. Die Anzahl der Aussparungen 6, die in die Grünschichten 15 eingebracht werden, entspricht dabei der Anzahl der Funkti¬ onskeramiken 2 in dem fertigen Vielschichtbauelement 100.
In einem weiteren Schritt werden auf wenigstens einem Teil der Grünfolien 15 Metallstrukturen zur Ausbildung der Innenelektroden 4 bereitgestellt, beispielsweise aufgedruckt. Das Aufbringen der Metallstrukturen erfolgt dabei vorzugsweise bevor die bereit gestellten Grünfolien 15 zusammen gestapelt werden. Die Metallstrukturen weisen beispielsweise Ag, Cu, Pd oder eine Kombination davon auf. Die Metallstrukturen können insbesondere in einem Anschlussbereich zum Anschließen der Funktionskeramik 2 spezifisch ausgeformt sein, wie in Zusammenhang mit den Figuren 4 und 5 beschrieben wurde. Anschließend wird die wenigstens einen Funktionskeramik 2 in die Aussparung 6 eingebracht (Figur 8a) . Dabei wird die Aus¬ sparung 6 mit der Funktionskeramik 2 bestückt und diese wird anschließend eingerüttelt.
In einem weiteren Schritt werden keramische Deckfolien 13 im Grünzustand bereitgestellt (Figur 8a) . Diese werden an der Oberseite und der Unterseite des Stapels aus Grünfolien 15 angeordnet. Die Deckfolien 13 sind frei von der Aussparung 6, so dass die Funktionskeramik 2 nun von allen Seiten von keramischen Material umgeben ist. Es folgt ein Laminieren und Verpressen der Grünfolien 13, 15 zu einem Grünstapel 16 (Figur 8b) . Durch Stanz- oder Laserprozesse werden weitere Aussparungen zur Erzeugung der Durchkontaktierungen 7 in die Grünfolien 13, 15 eingebracht. Diese Aussparungen durchdringen den Grünstapel 16 aus den Grünfolien 15 und den Deckfolien 13 vollständig. Zur Erzeugung der jeweiligen Durchkontaktierung 7 wird die Aussparung nach einem Sinterschritt mit einem Verbindungsmaterial gefüllt, beispielsweise durch Abscheiden ei¬ nes Metalls aus einer Lösung. Vorzugsweise wird die Ausspa¬ rung dabei vollständig befüllt. Das Metall enthält oder ist beispielsweise Kupfer, Silber und / oder Palladium.
In einem weiteren Schritt wird der Grünstapel 16 gesintert (Figur 8c) . Der Grünstapel 16 wird bei einer Temperatur ge¬ sintert, welche unterhalb der Sintertemperatur der Funktions¬ keramik 2 liegt. Beispielsweise liegt die Sintertemperatur des Grünstapels 150° C unter der Sintertemperatur für die
Funktionskeramik 2. Beispielsweise liegt die Sintertemperatur zwischen 750 °C und 900° C, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Vorzugsweise erfolgt das Sintern des Grünstapels 16 bei 800° C oder 850° C. Durch das Einbrennen der LTCC Keramik bei Temperaturen deutlich unter 1000° C wird das Korngefüge der Funktionskeramik 2 nicht mehr beeinflusst. Die Funktionalität der Funktionskeramik 2 kann durch geeignete Wahl der LTCC Ke- ramik und der Sinterführung (Atmosphäre) damit weitgehend er¬ halten bleiben.
Durch das Sintern kommt es zu einem Schwund der Grünfolien 13, 15. Die geeignete Auswahl der LTCC Keramik mit definier- ten Schwund in z-Richtung und geringem Schwund in die x- und y-Richtung ermöglicht dabei das rissfreie Umschließen der Funktionskeramik 2.
In einem letzten Schritt werden die Außenkontakten 5 an Au- ßenflächen des gesinterten Grünstapels 16 bereitgestellt.
Beispielsweise wird dabei eine Silberpaste 14 auf zumindest einem Teilbereich der Außenflächen angeordnet (Figur 8d) und anschließend eingebrannt. Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen - soweit technisch sinnvoll - beliebig miteinander kombiniert werden .
Bezugs zeichenliste
1 LTTC Keramik / Substrat
2 Funktionskeramik
3 Außenkontakt
4 Innenelektrode
4a Steg
4b Verengung
5 Außenelektrode
6 Aussparung
7 Via / Durchkontaktierung
8 Lotverbindung
9 Kontaktfläche
10 Wärmequelle
11 Wärmekontakt
13 Deckfolie
14 Silberpaste
15 Grünfolie
16 Grünstapel
100 Vielschichtbauelement

Claims

Patentansprüche
1. Vielschichtbauelement (100) aufweisend
ein inertes keramisches Substrat (1) und wenigstens eine Funktionskeramik (2), wobei die Funktionskeramik (2) vollständig von dem keramischen Substrat (1) umschlossen ist.
2. Vielschichtbauelement (100) nach Anspruch 1,
wobei das keramische Substrat (1) eine LTCC Keramik aufweist.
3. Vielschichtbauelement (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Vielschichtbauelement (100) eine Vielzahl von Funk¬ tionskeramiken (2) aufweist.
4. Vielschichtbauelement (100) nach Anspruch 3,
wobei die Funktionskeramiken (2) unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten und / oder unterschiedliche Sintertempera¬ turen aufweisen.
5. Vielschichtbauelement (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei die wenigstens eine Funktionskeramik (2) eine HTCC Ke¬ ramik aufweist.
6. Vielschichtbauelement (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei die Funktionskeramik (2) einen Varistor, eine NTC Keramik, eine PTC Keramik oder ein Ferrit aufweist.
7. Vielschichtbauelement (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei die Funktionskeramik (2) als ESD-Schutzelement ausge¬ bildet ist.
8. Verfahren zur Herstellung eines Vielschichtbauelements (100) aufweisend die folgenden Schritte:
- Herstellung von wenigstens einer Funktionskeramik (2);
- Bereitstellen von LTCC Grünfolien (15) aufweisend wenigs- tens eine Aussparung (6);
- Bereitstellen von Elektrodenstrukturen auf wenigstens einem Teil der Grünfolien (15);
- Einbringen der wenigstens einen Funktionskeramik (2) in den Aussparung ( 6) ;
- Bereitstellen von Deckfolien (13) im Grünzustand;
- Laminieren und Verpressen der Grünfolien (13, 15) zu einem Grünstapel (16);
- Sintern des Grünstapels (16);
- Bereitstellung von Außenkontakten (5) an Außenflächen des gesinterten Grünstapels (16).
9. Verfahren nach Anspruch 8,
wobei die wenigstens eine Aussparung (6) durch Stanzen oder Lasern der Grünfolien (15) bereitgestellt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
wobei zur Herstellung der Funktionskeramik (2) Sprühgranulat, Keramikpulver und / oder Grünschichten bereitgestellt werden und wobei das Sprühgranulat, das Keramikpulver und / oder die Grünschichten anschließend gesintert werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
wobei die Funktionskeramik (2) bei einer Temperatur von größer oder gleich 1000° C gesintert wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der Grünstapel (16) bei einer Temperatur gesintert wird, die unterhalb der Sintertemperatur der Funktionskeramik (2) liegt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12,
wobei der Grünstapel (16) bei einer Temperatur von kleiner oder gleich 900°C und größer oder gleich 750° C gesintert wird .
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