EP4670195A1 - Keramisches bauelement und verfahren zur herstellung eines keramischen bauelements - Google Patents

Keramisches bauelement und verfahren zur herstellung eines keramischen bauelements

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EP4670195A1
EP4670195A1 EP24704127.0A EP24704127A EP4670195A1 EP 4670195 A1 EP4670195 A1 EP 4670195A1 EP 24704127 A EP24704127 A EP 24704127A EP 4670195 A1 EP4670195 A1 EP 4670195A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
protective layer
metallization
supply line
ceramic
section
Prior art date
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Pending
Application number
EP24704127.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Urdl
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
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Filing date
Publication date
Application filed by TDK Electronics AG filed Critical TDK Electronics AG
Publication of EP4670195A1 publication Critical patent/EP4670195A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01C7/04—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having negative temperature coefficient
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    • H01C1/1406—Terminals or electrodes formed on resistive elements having positive temperature coefficient
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    • 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

Definitions

  • the application relates to a ceramic component and a method for producing a ceramic component.
  • Electroceramic components are known which are used as resistance elements in electronics.
  • electroceramic components with variable resistance properties are known, for example temperature-dependent resistors.
  • NTC resistors or NTC thermistors are used, for example, as sensor elements for measuring temperature in various areas, such as in automobiles, household appliances or industrial applications. The measurement can be used to set, regulate or monitor the temperature.
  • the object of at least one embodiment of the present invention is therefore to provide ceramic components with improved properties.
  • the ceramic component has a ceramic base body with at least one metallization on at least one surface of the base body and at least one electrical supply line in electrical contact with the metallization.
  • the ceramic base body can contain a ceramic or consist of such a ceramic. Furthermore, the ceramic base body can have different geometric shapes. For example, the ceramic base body is cuboid-shaped.
  • the at least one surface can comprise one of the side surfaces of the cuboid. If metallizations are present on more than one surface of the base body, for example on two surfaces of the base body, then these surfaces are spatially separate sub-areas of the entire surface. If the base body is formed, for example, cuboid-shaped, metallizations can be present on two opposite side surfaces of the base body.
  • the at least one metallization is applied to the base body in such a way that the latter can be electrically contacted by means of the metallization.
  • the at least one metallization is in direct mechanical contact with the ceramic base body.
  • the supply line can in particular be a wire.
  • electrical contact is understood to mean in particular a direct mechanical connection of the at least one supply line to the metallization.
  • the ceramic component further comprises an encapsulation which encloses the ceramic base body, the at least one metallization and a first section of the at least one supply line, wherein the first section directly adjoins the metallization.
  • enclosing means that the encapsulation completely covers all exposed surfaces of the ceramic base body, the at least one metallization and the first section of the supply line.
  • the encapsulation can be connected to the ceramic base body, the at least one metallization and/or to the first section.
  • the at least one supply line have a common interface and/or enclose cavities.
  • the ceramic component further comprises a protective layer which encloses the encapsulation and a second section of the at least one supply line, the second section being directly adjacent to the first section.
  • enclosing means that the protective layer completely covers all exposed surfaces of the encapsulation and the second section of the at least one supply line. In particular, there are no cavities, such as air pockets, between the encapsulation and the protective layer and between the second section of the supply line and the protective layer.
  • the encapsulation and the protective layer as well as the second section of the supply line and the protective layer each have common interfaces, in particular over the entire surface.
  • the second section of the at least one supply line adjoins the first section, i.e. is arranged on the side of the first section facing away from the metallization.
  • the protective layer is thus arranged indirectly on the first section and directly on the second section of the at least one supply line.
  • the ceramic component further comprises an insulation layer which encloses the protective layer and a third section of the supply line, wherein the third section directly adjoins the second section.
  • "enclosing” means that the Insulation layer completely covers all exposed surfaces of the protective layer and of the third section of the at least one supply line. In particular, there are no cavities, such as air inclusions, between the insulation layer and the protective layer and between the insulation layer and the third section of the at least one supply line.
  • the insulation layer and the protective layer as well as the third section of the supply line and the insulation layer each have common interfaces, in particular over the entire surface.
  • the third section of the at least one supply line adjoins the second section, i.e. is arranged on the side of the second section facing away from the metallization.
  • the insulation layer is thus arranged indirectly on the first and second sections and directly on the third section of the at least one supply line.
  • the first, second and third sections of the at least one supply line are thus to be understood as a connected section of the at least one supply line.
  • the first, second and third sections of the at least one supply line do not represent the entire supply line.
  • the supply line has a fourth section which directly adjoins the side of the third section facing away from the second section and which is not enclosed by encapsulation, protective layer or insulation layer.
  • Component specified comprising: - a ceramic base body with at least one metallization on at least one surface of the base body and at least one electrical lead in electrical contact with the metallization,
  • a protective layer which encloses the encapsulation and a second section of the at least one supply line, the second section being directly adjacent to the first section, and
  • the presence of an additional protective layer between the encapsulation and the insulation layer can improve the stability of the ceramic component.
  • the insulation layer already protects the encapsulated component from environmental influences.
  • water, water vapor and/or the media can enter directly via the insulation layer or along the interfaces between the insulation layer and at least one supply line.
  • moisture or other media enter the thin gap that forms between the encapsulation and the insulation layer. This penetration in turn leads to dissolution effects with high ion concentrations in the materials of the component.
  • ions migrate in the electric field and so-called migration errors form. This can cause at least one lead to decompose, for example. The result is an undesirable reduction in resistance, even leading to a short circuit and thus a loss of function.
  • the protective layer between the encapsulation and the insulation layer can make it much more difficult or impossible for the insulation layer to come off. It acts as an adhesion promoter between the encapsulation and the insulation layer and between the supply line and the insulation layer, thus ensuring an improved or stronger bond between the insulation layer and the encapsulation and the supply line. This prevents the formation of gaps as described above through the use of the protective layer. Any ingress of moisture and/or other media is thus made more difficult or prevented, and electromigration is effectively suppressed.
  • the component has two metallizations on two surfaces of the base body and in each case an electrical supply line in electrical contact with a metallization. All statements regarding the at least one metallization on the at least one surface and the at least one electrical supply line apply analogously to any further metallization, surface and supply line.
  • the encapsulation then encloses, for example, the ceramic base body, the two metallizations, and the first section of each of the two supply lines, the protective layer then encloses the encapsulation and the second section of each of the two supply lines, and the insulation layer then encloses the protective layer and the third section of each of the two supply lines.
  • the protective layer comprises a material that contains an organic portion and an inorganic portion.
  • the material of the protective layer comprises approximately 50% by weight organic portion and approximately 50% by weight inorganic portion.
  • the inorganic portion may comprise inorganic particles that are embedded in the organic portion that functions as a matrix.
  • the organic portion comprises a fluorine-containing polymer and the inorganic portion comprises a metal oxide.
  • the fluorine-containing polymer is, for example, a perfluoroalkoxy polymer.
  • the metal oxide can in particular be selected from FeO, SiCh, SnO, Al2O3 and combinations thereof.
  • metal oxide particles can be embedded in the fluorine-containing polymer.
  • the protective layer has a thickness that is selected from the range 1 pm to 250 pm. Depending on the precise composition of the material of the protective layer, this is thin or thick when applied.
  • a protective layer in the case of a thin material, can be produced, for example, with a thickness in the range 1 pm to 25 pm inclusive; in the case of a thick material, a protective layer can be produced, for example, with a thickness in the range 20 pm to 250 pm inclusive.
  • chemical bonds and/or chemical interactions are present between the protective layer and the encapsulation and/or between the protective layer and the insulation layer. Such bonds and/or interactions can increase the adhesion effect of the protective layer between the insulation layer and the encapsulation.
  • the encapsulation contains a glass, i.e. an oxide network
  • a metal oxide contained in the protective layer can react with the oxide network and thus ensure an improved bond between the encapsulation and the protective layer.
  • the insulation layer contains a fluorine-containing polymer, this can form a homogeneous organic network with, for example, a fluorine-containing polymer in the protective layer and thus lead to a good bond between the insulation layer and the protective layer.
  • the ceramic is formed from a plurality of materials. According to at least one embodiment, the ceramic
  • Base body a ceramic material with negative
  • the ceramic base body is therefore an NTC element or an NTC chip.
  • a ceramic material with a negative temperature coefficient of electrical resistance can be selected from spinels.
  • a spinel is a ceramic with the general composition AB2O4, in which the divalent metal ions B2 + are arranged on the tetrahedral sites of the crystal lattice and the trivalent metal ions B3 + are arranged on the octahedral sites of the crystal lattice.
  • a spinel can be an oxidic composition of the elements Mn, Co and Ni.
  • different resistances and characteristic curve slopes can be realized.
  • the encapsulation comprises a glass.
  • the ceramic component is thus a glass-encapsulated, wired element, a so-called glass sensor.
  • the insulation layer comprises a material selected from fluorine-containing organic polymers.
  • a perfluoroalkoxy polymer PFA
  • the insulation resistance of such a PFA insulation layer is over 100 M ⁇ at an applied voltage of 100 V DC.
  • the at least one metallization comprises Au.
  • the at least one supply line comprises a metal selected from Fe, Ni, Cu and combinations thereof.
  • the lead comprises a Cu-coated FeNi alloy.
  • the ceramic component further comprises a contact metal which surrounds the at least one supply line and the at least one metallization in the region in which the supply line and the metallization have a common interface.
  • the contact metal is in particular Au. The contact metal ensures in particular a good and stable fixation of the supply line to the metallization.
  • the ceramic component is designed as an NTC sensor.
  • the NTC sensor can be used in particular for temperature measurement, for example in the automotive sector.
  • a method for producing a ceramic component is also specified.
  • the method is suitable for producing a ceramic component as described here. All features and embodiments specified in connection with the ceramic component therefore also apply to the method and vice versa.
  • the method for producing a ceramic component comprises the following process steps:
  • the step of arranging at least one metallization on at least one surface of the ceramic base body comprises the steps of applying and fixing a material to form a metallization.
  • the application is carried out by printing, in particular by means of screen printing.
  • the fixing is carried out by heating, in particular by firing. In particular, the heating takes place at a temperature in the range 800 ° C to 890 ° C, in particular at 850 ° C.
  • an Au paste is selected as the material for forming a metallization. This is fired onto at least one surface of the ceramic base body during heating, thus forming the metallization.
  • the step of electrically contacting the at least one metallization with an electrical supply line comprises the steps of arranging the supply line on the metallization and fixing the supply line on the metallization. During the arranging, a section, in particular a part of the first subsection of the supply line, is brought into mechanical contact with the metallization, so that the metallization and the supply line have a common interface.
  • the step of fixing the supply line on the metallization comprises, according to one embodiment, arranging a contact metal in the region in which the metallization and the supply line have a common interface and drying the contact metal.
  • Another Au paste can be used as the contact metal, for example.
  • the step of forming an encapsulation that encloses the ceramic base body, the at least one metallization and a first section of the at least one supply line comprises arranging a material from which the encapsulation is produced on the ceramic base body, the metallization and the first section of the supply line and fusing this material.
  • the fusing takes place in particular at a temperature in the range of 600 ° C to 800 ° C.
  • the material of the encapsulation can in particular be glass. For example, a glass tube is pushed over the ceramic base body with the metallization and the first section of the supply line and then fused. The fusing creates a tight and sealed encapsulation from which only the at least one supply line protrudes.
  • the previously applied contact metal can also be melted in. This Contact metal is burned in and forms a permanent and stable fixation of the supply line on the metallization.
  • forming the protective layer comprises the step of applying a liquid material to form the protective layer.
  • the liquid material is applied using a method selected from dip coating, spray coating and roller coating. If, for example, dip coating is selected as the method, the already encapsulated component can be immersed in the liquid material. It is immersed to such an extent that it is ensured that the second section of the supply line is also covered with the liquid material. If the encapsulated component has a length of, for example, approximately 1 mm, it can be immersed up to 10 mm in the liquid material to apply the liquid material of the protective layer.
  • the liquid material used to form the protective layer can have different viscosities and thus be, for example, thin or thick.
  • the thickness of the resulting protective layer can be influenced using this parameter.
  • the formation of the protective layer further comprises the step of intermediate drying after the application of the liquid material.
  • the intermediate drying can take place, for example, at room temperature or at elevated temperatures in the range of 90 ° C to 130 ° C. In this case, the liquid material becomes at least partially solid before the insulation layer is applied.
  • the step of intermediate drying can also be omitted and the insulation layer can be applied to the liquid material. This is then a so-called wet process.
  • the protective layer is completely dried after the insulating layer has been applied. During drying, chemical bonds and/or interactions can be formed between the encapsulation and the protective layer and/or between the protective layer and the insulating layer, whereby the protective layer acquires its function as an adhesion promoter.
  • the step of applying an insulating layer is carried out by means of electrostatic powder coating.
  • Figure la shows a schematic sectional view of a ceramic component with encapsulation.
  • Figure 1b shows a schematic sectional view of a ceramic component with encapsulation and protective layer.
  • Figure 1c shows a schematic sectional view of a ceramic component with encapsulation, protective layer and insulation layer.
  • Figure 2 shows an image of a conventional ceramic component with the defect pattern Cu migration.
  • Figure 3a shows the resistance drift of components according to exemplary embodiments and a comparison example.
  • Figure 3b shows the resistance drift of components according to exemplary embodiments.
  • FIG. 1a shows a schematic sectional view of an encapsulated component.
  • the encapsulated component contains a ceramic base body 10.
  • the ceramic base body 10 contains an NTC ceramic, for example a spinel.
  • Metallizations 20 are applied to two spatially separated surfaces 11, which can also be referred to as partial surfaces, of the ceramic base body 10, which in this example contain or consist of Au as the material.
  • Electrical supply lines 30 are arranged on the metallizations 20, each of which has a common interface 23 with the metallizations 20.
  • the supply lines are Cu-coated wires made of a FeNi alloy.
  • a contact metal 21, for example Au is also present, which fixes the supply lines 30 to the metallizations.
  • supply lines 30 and the contact metal 21 A voltage can be applied to the ceramic base body.
  • the supply lines 30 each contain a first partial section 31, the area of which is indicated in Figure 1a by means of the two dashed lines. This first partial section 31 of the two supply lines 30, the metallizations 20, the contact metals 21 and the ceramic base body 10 are enclosed by an encapsulation 40.
  • the encapsulation 40 contains a glass or consists of it.
  • the areas of the two supply lines 30 that do not belong to the first section 31 protrude from the encapsulation 40.
  • the component shown in Figure la is in particular a glass-encapsulated NTC resistor or NTC thermistor.
  • Figure 1b shows a schematic sectional view of a ceramic component as already explained with reference to Figure 1a and which also has a protective layer 50.
  • Figure 1b thus again shows a component according to an exemplary embodiment that has not yet been completed.
  • the protective layer 50 encloses the encapsulation 40 and a second section 32 of the supply lines 30.
  • the area of the second section 32 is again marked by dashed lines.
  • the protective layer 50 thus surrounds a larger area than the encapsulation 40 underneath.
  • the protective layer 50 is formed from a material that contains an organic and an inorganic portion.
  • the embodiment Bl has a Protective layer 50 which is formed from a fluorine-containing polymer, in this example a perfluoroalkoxy polymer, and the metal oxides SiCy and Al2O3 (for example the material "Primer Clear” from Chemours).
  • the exemplary embodiment B2 has a protective layer 50 which is formed from a fluorine-containing polymer, in this example a perfluoroalkoxy polymer, and the metal oxides Fe2Oa, SnO, SiCy and Al2O3 (for example the material "Ruby Red” from Chemours).
  • the material with which the protective layer 50 of example B1 is produced is thinner than the material of example B2.
  • the protective layer 50 which is produced by means of dip coating, for example, has a thickness in the range 1 mm to 25 pm in example B1 and a thickness in the range 20 pm to 250 pm in example B2.
  • Figure 1c shows a schematic sectional view of a ceramic component as already explained with reference to Figures 1a and 1b and which also has an insulation layer 60.
  • the insulation layer 60 encloses the protective layer 50 and the third section 33 of the supply lines 30.
  • the insulation layer 60 thus surrounds a larger area than the encapsulation 40 underneath.
  • the insulation layer 60 is a PFA layer which is applied, for example, by means of electrostatic powder coating.
  • the component of Figure 1c represents an NTC thermistor, which has a significantly higher resistance to environmental influences than conventional components that do not contain a protective layer. Due to the protective layer 50, which serves as an adhesion promoter between the encapsulation 40 and the insulation layer 60, prevents or significantly delays the access of media into the interior of the component. This makes it possible to avoid dissolution effects and - when a voltage is applied - a migration of ions, in particular Cu ions from the supply lines 30. This means that no migration errors occur in the component and thus no undesirable change in the resistance.
  • Figure 2 shows a picture of a conventional component that does not have a protective layer 50 and has the defect Cu migration.
  • the arrow points to the point that has become defective, particularly due to electromigration. The result is an undesirable change in resistance and even a short circuit.
  • Figures 3a and 3b show measurements of the resistance drift dR25 (in %) measured at 25°C of components according to embodiments and a comparison example.
  • the resistance drift is the deviation of the nominal resistance R25 from the desired value.
  • Figure 3a shows the measured resistance drift dR25 of the components according to examples Bl and B2 as well as comparative example V.
  • Comparative example V has no protective layer 50, but an insulating layer 60 made of PFA.
  • the resistance drift dR25 was measured after 500 hours of water storage at a temperature of 80°C and an applied voltage of 1.2 V. 30 measurements were made each time and their distribution is plotted in Figure 3a.
  • Figure 3a shows that the two components Bl and B2 have a slight resistance drift; in both examples this is almost zero, as indicated by the solid lines on the 0 line.
  • the comparison example V shows a significant resistance drift with a distribution of values that is almost exclusively outside the tolerable range of ⁇ 3% (grey box). The comparison example V therefore shows total failures after just 500 hours of water storage. Electromigration leads to a reduction in resistance, a short circuit and finally to total failure.
  • Figure 3b shows a continuation of the test series described in connection with Figure 3a, with the components Bl and B2.
  • the storage time was varied between 500 h and 5000 h.
  • the resistance drift dR25 is shown on the y-axis only in the range of the tolerable deviation of ⁇ 3%. In both examples, a resistance drift of less than 1% can be observed even after storage for 5000 h.
  • the use of the protective layer 50 between the encapsulation 40 and the insulation layer 60 significantly increases the stability and service life of ceramic components even when used under environmental influences such as water or water vapor.
  • the occurrence of electromigration and thus of migration errors can be effectively suppressed.
  • the ceramic components described can therefore also be used in

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Abstract

Es wird ein keramisches Bauelement angegeben, aufweisend: - einen keramischen Grundkörper (10) mit zumindest einer Metallisierung (20) auf zumindest einer Oberfläche (11) des Grundkörpers und zumindest einer elektrischen Zuleitung (30) in elektrischem Kontakt mit der Metallisierung (20), - eine Verkapselung (40), die den keramischen Grundkörper (10), die zumindest eine Metallisierung (20), sowie einen ersten Teilabschnitt (31) der zumindest einen Zuleitung (30) umschließt, wobei der erste Teilabschnitt (31) direkt an die Metallisierung (20) angrenzt, - eine Schutzschicht (50), die die Verkapselung (40) und einen zweiten Teilabschnitt (32) der zumindest einen Zuleitung (30) umschließt, wobei der zweite Teilabschnitt (32) direkt an den ersten Teilabschnitt (31) angrenzt, und - eine Isolationsschicht (60), die die Schutzschicht (50) und einen dritten Teilabschnitt (33) der Zuleitung (30) umschließt, wobei der dritte Teilabschnitt (33) direkt an den zweiten Teilabschnitt (32) angrenzt. Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Bauelements angegeben.

Description

Beschreibung
Keramisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines keramischen Bauelements
Die Anmeldung betri f ft ein keramisches Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Bauelements .
Es sind elektrokeramische Bauelemente bekannt , die in der Elektronik als Widerstandselemente eingesetzt werden . Insbesondere sind elektrokeramische Bauelemente mit variablen Widerstandseigenschaften bekannt , zum Beispiel temperaturabhängige Widerstände . Temperaturabhängige Widerstände umfassen Kaltleiter beziehungsweise PTC- Widerstände ( PTC = Positive Temperature Coef ficient ) , deren Keramiken bei tieferen Temperaturen den Strom besser leiten als bei hohen Temperaturen, und Heißleiter beziehungsweise NTC-Widerstände (NTC = Negative Temperature Coef ficient ) , deren Keramiken bei Temperaturerhöhung durch eine zunehmende elektrische Leitfähigkeit bzw . einen sinkenden Widerstand gekennzeichnet sind . NTC-Widerstände oder auch NTC- Thermistoren werden beispielsweise als Sensorelemente zur Temperaturmessung in verschiedenen Bereichen, wie beispielsweise in Automobilen, Haushaltsgeräten oder Industrieanwendungen eingesetzt . Die Messung kann dabei sowohl zur Einstellung, Regelung als auch zur Kontrolle der Temperatur dienen .
Obwohl herkömmliche keramische Bauelemente in der Regel eine I solationsschicht zum Schutz vor Umwelteinflüssen wie beispielsweise Wasserdampf , Luftfeuchtigkeit oder sonstigen Medien aufweisen, lässt sich unter Einsatzbedingungen mit zunehmender Einsatz zeit und/oder bei erhöhten Betriebstemperaturen häufig eine unzulässige Veränderung der Widerstands-Temperatur-Kennlinie oder sogar ein Funktionsverlust beobachten . Dies betri f ft beispielsweise den Einsatz von NTC-Widerständen als Temperatursensoren in Automotive-Anwendungen .
Aufgabe zumindest einer Aus führungs form der vorliegenden Erfindung ist es daher, keramische Bauelemente mit verbesserten Eigenschaften bereitzustellen .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein keramisches Bauelement sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Bauelements gemäß den unabhängigen Ansprüchen erreicht . Vorteilhafte Ausgestaltungen des Bauelements sowie des Verfahrens sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen .
Es wird ein keramisches Bauelement angegeben . Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist das keramische Bauelement einen keramischen Grundkörper mit zumindest einer Metallisierung auf zumindest einer Oberfläche des Grundkörpers und zumindest einer elektrischen Zuleitung in elektrischem Kontakt mit der Metallisierung auf .
Der keramische Grundkörper kann eine Keramik enthalten oder aus einer solchen bestehen . Weiterhin kann der keramische Grundkörper unterschiedliche geometrische Aus formungen aufweisen . Beispielsweise ist der keramische Grundkörper quaderförmig .
Unter der „zumindest einen Oberfläche" soll hier und im
Folgenden ein Teilbereich der gesamten Oberfläche des keramischen Grundkörpers verstanden werden . I st der keramische Grundkörper beispielsweise quaderförmig ausgebildet , kann die zumindest eine Oberfläche eine der Seitenflächen des Quaders umfassen . Sind auf mehr als einer Oberfläche des Grundkörpers , beispielsweise auf zwei Oberflächen des Grundkörpers , Metallisierungen vorhanden, dann sind diese Oberflächen räumlich voneinander getrennte Teilbereiche der gesamten Oberfläche . I st der Grundkörper beispielsweise quaderförmig ausgebildet , können so beispielsweise auf zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des Grundkörpers Metallisierungen vorhanden sein .
Die zumindest eine Metallisierung ist so auf dem Grundkörper aufgebracht , dass dieser mittels der Metallisierung elektrisch kontaktiert werden kann . Insbesondere ist die zumindest eine Metallisierung in direktem mechanischem Kontakt mit dem keramischen Grundkörper .
Die Zuleitung kann insbesondere ein Draht sein . Unter „elektrischem Kontakt" ist insbesondere eine direkte mechanische Anbindung der zumindest einen Zuleitung an die Metallisierung zu verstehen .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist das keramische Bauelement weiterhin eine Verkapselung auf , die den keramischen Grundkörper, die zumindest eine Metallisierung sowie einen ersten Teilabschnitt der zumindest einen Zuleitung umschließt , wobei der erste Teilabschnitt direkt an die Metallisierung angrenzt . Unter „Umschließen" ist in diesem Zusammenhang gemeint , dass die Verkapselung sämtliche freiliegende Oberflächen des keramischen Grundkörpers , der zumindest einen Metallisierung und des ersten Teilabschnitts der Zuleitung vollständig bedeckt . Dabei kann die Verkapselung mit dem keramischen Grundkörper, der zumindest einen Metallisierung und/oder mit dem ersten Teilabschnitt der zumindest einen Zuleitung eine gemeinsame Grenz fläche aufweisen und/oder Hohlräume einschließen .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist das keramische Bauelement weiterhin eine Schutzschicht auf , die die Verkapselung und einen zweiten Teilabschnitt der zumindest einen Zuleitung umschließt , wobei der zweite Teilabschnitt direkt an den ersten Teilabschnitt angrenzt . Unter „Umschließen" ist in diesem Zusammenhang gemeint , dass die Schutzschicht sämtliche freiliegende Oberflächen der Verkapselung sowie des zweiten Teilabschnitts der zumindest einen Zuleitung vollständig bedeckt . Insbesondere sind zwischen der Verkapselung und der Schutzschicht sowie zwischen dem zweiten Teilabschnitt der Zuleitung und der Schutzschicht keine Hohlräume , beispielsweise Lufteinschlüsse , vorhanden . Somit weisen die Verkapselung und die Schutzschicht sowie der zweite Teilabschnitt der Zuleitung und die Schutzschicht j eweils insbesondere voll flächig gemeinsame Grenz flächen auf .
Der zweite Teilabschnitt der zumindest einen Zuleitung grenzt an den ersten Teilabschnitt an, ist also auf der von der Metallisierung abgewandten Seite des ersten Teilabschnitts angeordnet . Die Schutzschicht ist somit indirekt auf dem ersten Teilabschnitt und direkt auf dem zweiten Teilabschnitt der zumindest einen Zuleitung angeordnet .
Gemäß zumindest einer weiteren Aus führungs form weist das keramische Bauelement weiterhin eine I solationsschicht auf , die die Schutzschicht und einen dritten Teilabschnitt der Zuleitung umschließt , wobei der dritte Teilabschnitt direkt an den zweiten Teilabschnitt angrenzt . Unter „Umschließen" ist in diesem Zusammenhang gemeint , dass die I solationsschicht sämtliche freiliegenden Oberflächen der Schutzschicht sowie des dritten Teilabschnitts der zumindest einen Zuleitung vollständig bedeckt . Insbesondere sind zwischen der I solationsschicht und der Schutzschicht sowie zwischen der I solationsschicht und dem dritten Teilabschnitt der zumindest einen Zuleitung keine Hohlräume , beispielsweise Lufteinschlüsse , vorhanden . Somit weisen die I solationsschicht und die Schutzschicht sowie der dritte Teilabschnitt der Zuleitung und die I solationsschicht j eweils insbesondere voll flächig gemeinsame Grenz flächen auf .
Der dritte Teilabschnitt der zumindest einen Zuleitung grenzt an den zweiten Teilabschnitt an, ist also auf der von der Metallisierung abgewandten Seite des zweiten Teilabschnitts angeordnet . Die I solationsschicht ist somit indirekt auf dem ersten und dem zweiten Teilabschnitt und direkt auf dem dritten Teilabschnitt der zumindest einen Zuleitung angeordnet .
Erster, zweiter und dritter Teilabschnitt der zumindest einen Zuleitung sind somit als zusammenhängender Abschnitt der zumindest einen Zuleitung zu verstehen . Gemäß zumindest einer Aus führungs form stellen erster, zweiter und dritter Teilabschnitt der zumindest einen Zuleitung nicht die gesamte Zuleitung dar . Mit anderen Worten weist die Zuleitung einen vierten Teilabschnitt auf , welcher an der von dem zweiten Teilabschnitt abgewandten Seite des dritten Teilabschnitts direkt angrenzt , und der weder von Verkapselung, Schutzschicht noch I solationsschicht umschlossen ist .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form wird ein keramisches
Bauelement angegeben, aufweisend : - einen keramischen Grundkörper mit zumindest einer Metallisierung auf zumindest einer Oberfläche des Grundkörpers und zumindest einer elektrischen Zuleitung in elektrischem Kontakt mit der Metallisierung,
- eine Verkapselung, die den keramischen Grundkörper, die zumindest eine Metallisierung, sowie einen ersten Teilabschnitt der zumindest einen Zuleitung umschließt , wobei der erste Teilabschnitt direkt an die Metallisierung angrenzt ,
- eine Schutzschicht , die die Verkapselung und einen zweiten Teilabschnitt der zumindest einen Zuleitung umschließt , wobei der zweite Teilabschnitt direkt an den ersten Teilabschnitt angrenzt , und
- eine I solationsschicht , die die Schutzschicht und einen dritten Teilabschnitt der Zuleitung umschließt , wobei der dritte Teilabschnitt direkt an den zweiten Teilabschnitt angrenzt .
Durch das Vorhandensein einer zusätzlichen Schutzschicht zwischen der Verkapselung und der I solationsschicht kann die Stabilität des keramischen Bauelements verbessert werden .
Grundsätzlich schützt bereits die I solationsschicht das verkapselte Bauelement vor Umwelteinflüssen . Bei längerem Kontakt mit Wasser bzw . Wasserdampf oder hoher Luftfeuchtigkeit sowie auch bei Kontakt mit Medien wie Abgaskondensaten und Motorölen bei Verwendung des Bauelements in Automobilen kommt es j edoch trotz I solationsschicht zu einer unzulässigen Veränderung der Widerstands-Temperatur- Kennlinie . Der Zutritt des Wassers , des Wasserdampfes und/oder der Medien kann dabei direkt über die I solationsschicht bzw . entlang der Grenz flächen zwischen der I solationsschicht und der zumindest einen Zuleitung erfolgen . Wird die I solationsschicht aufgrund der Umwelteinflüsse leicht abgelöst , tritt in den sich bildenden dünnen Spalt zwischen Verkapselung und I solationsschicht Feuchtigkeit bzw . andere Medien ein . Dieses Eindringen wiederum führt zu Lösungsef fekten mit hoher lonenkonzentration in den Materialien des Bauelements . Bei Anlegen einer Spannung kommt es dann zu einer Wanderung von Ionen im elektrischen Feld und der Ausbildung von sogenannten Migrations fehlern . Dadurch kann sich beispielsweise die zumindest eine Zuleitung zersetzen . Folge davon ist eine unerwünschte Erniedrigung des Widerstands bis hin zu einem Kurzschluss und damit einem Funktionsverlust .
Die Schutzschicht zwischen der Verkapselung und der I solationsschicht kann ein Ablösen der I solationsschicht wesentlich erschweren oder verhindern . Sie wirkt als Haftvermittler zwischen Verkapselung und I solationsschicht und zwischen Zuleitung und I solationsschicht und sorgt somit für eine verbesserte bzw . stärkere Anbindung der I solationsschicht an die Verkapselung und an die Zuleitung . Damit wird eine wie oben beschriebene Spaltbildung durch den Einsatz der Schutzschicht verhindert . Jeglicher Eintritt von Feuchtigkeit und/oder anderer Medien wird somit erschwert oder verhindert und eine Elektromigration wirkungsvoll unterdrückt .
Die Wasserbeständigkeit sowie die Beständigkeit gegenüber anderen Medien führt zu einer verbesserten Langzeitstabilität auch bei Verwendung des Bauelements bei erhöhten Temperaturen, beispielsweise bei Temperaturen von bis zu 260 ° C, im Vergleich zu herkömmlichen Bauelementen ohne einer solchen Schutzschicht . Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist das Bauelement zwei Metallisierungen auf zwei Oberflächen des Grundkörpers auf und j eweils eine elektrische Zuleitung in elektrischem Kontakt mit einer Metallisierung . Sämtliche Aus führungen hinsichtlich der zumindest einen Metallisierung auf der zumindest einen Oberfläche und der zumindest einen elektrischen Zuleitung gelten für j ede weitere Metallisierung, Oberfläche und Zuleitung analog . Die Verkapselung umschließt dann beispielsweise den keramischen Grundkörper, die beiden Metallisierungen, sowie j eweils den ersten Teilabschnitt der beiden Zuleitungen, die Schutzschicht umschließt dann die Verkapselung und j eweils den zweiten Teilabschnitt der beiden Zuleitungen, und die I solationsschicht umschließt dann die Schutzschicht und j eweils den dritten Teilabschnitt der beiden Zuleitungen .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist die Schutzschicht ein Material auf , das einen organischen Anteil und einen anorganischen Anteil enthält . Insbesondere weist das Material der Schutzschicht circa 50 Gew% organischen Anteil und circa 50 Gew% anorganischen Anteil auf . Beispielsweise kann der anorganische Anteil anorganische Partikel umfassen, die in dem organischen Anteil , der als Matrix fungiert , eingebettet sind .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist der organische Anteil ein Fluor-haltiges Polymer auf und der anorganische Anteil ein Metalloxid auf . Bei dem Fluor-haltigen Polymer handelt es sich beispielsweise um ein Perfluoralkoxypolymer . Das Metalloxid kann insbesondere ausgewählt sein aus FeO, SiCh , SnO, AI2O3 und Kombinationen daraus . Beispielsweise können Metalloxid-Partikel in dem Fluor-haltigen Polymer eingebettet sein . Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist die Schutzschicht eine Dicke auf , die aus dem Bereich 1 pm bis 250 pm ausgewählt ist . Je nach genauer Zusammensetzung des Materials der Schutzschicht ist dieses beim Aufbringen dünnflüssig oder dickflüssig . Im Falle eines dünnflüssigen Materials kann eine Schutzschicht beispielsweise mit einer Dicke aus dem Bereich einschließlich 1 pm bis einschließlich 25 pm erzeugt werden, im Falle eines dickflüssigen Materials kann eine Schutzschicht beispielsweise mit einer Dicke aus dem Bereich einschließlich 20 pm bis einschließlich 250 pm erzeugt werden .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form sind zwischen der Schutzschicht und der Verkapselung und/oder zwischen der Schutzschicht und der I solationsschicht chemische Bindungen und/oder chemische Wechselwirkungen vorhanden . Solche Bindungen und/oder Wechselwirkungen können die Haftungswirkung der Schutzschicht zwischen I solationsschicht und Verkapselung erhöhen . Wenn beispielsweise die Verkapselung ein Glas , also ein oxidisches Netzwerk, enthält , kann beispielsweise ein in der Schutzschicht enthaltenes Metalloxid eine Reaktion mit dem oxidischen Netzwerk eingehen und somit für eine verbesserte Anbindung zwischen Verkapselung und Schutzschicht sorgen . Wenn beispielsweise die I solationsschicht ein Fluor-haltiges Polymer enthält , kann dieses mit beispielsweise einem Fluor-haltigen Polymer in der Schutzschicht ein homogenes organisches Netzwerk ausbilden und damit zu einer guten Anbindung der I solationsschicht an die Schutzschicht führen .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist der keramische
Grundkörper ein keramisches Material mit negativem
Temperaturkoef fi zienten des elektrischen Widerstands auf . Bei dem keramischen Grundkörper handelt es sich somit um ein NTC- Element oder einen NTC-Chip . Ein keramisches Material mit negativem Temperaturkoef fi zienten des elektrischen Widerstands kann ausgewählt sein aus Spinellen . Unter einem Spinell ist eine Keramik mit der allgemeinen Zusammensetzung AB2O4 zu verstehen, bei der die zweiwertigen Metallionen B2+ auf den Tetraederplätzen des Kristallgitters und die dreiwertigen Metallionen B3+ auf den Oktaederplätzen des Kristallgitters angeordnet sind . Beispielsweise kann ein Spinell eine oxidische Zusammensetzung der Elemente Mn, Co und Ni sein . Je nach verwendeter Spinellkeramik können unterschiedliche Widerstände und Kennliniensteigungen ( sogenannte B-Werte ) realisiert werden .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist die Verkapselung ein Glas auf . Bei dem keramischen Bauelement handelt es sich somit um ein glasgekapseltes , bedrahtetes Element , einem sogenannten Glassensor .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist die I solationsschicht ein Material auf , das aus Fluor-haltigen organischen Polymeren ausgewählt ist . Insbesondere kann als Material für die I solationsschicht ein Perfluoralkoxypolymer ( PFA) ausgewählt werden . Der I solationswiderstand einer solchen PFA- I solationsschicht beträgt über 100 MQ bei einer angelegten Spannung von 100 V Gleichstrom .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist die zumindest eine Metallisierung Au auf .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist die zumindest eine Zuleitung ein Metall auf , das ausgewählt ist aus Fe , Ni , Cu und Kombinationen daraus . Beispielsweise umfasst die Zuleitung eine Cu-beschichtete FeNi-Legierung .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist das keramische Bauelement weiterhin ein Kontaktmetall auf , welches die zumindest eine Zuleitung und die zumindest eine Metallisierung in dem Bereich umgibt , in dem die Zuleitung und die Metallisierung eine gemeinsame Grenz fläche aufweisen . Bei dem Kontaktmetall handelt es sich insbesondere um Au . Das Kontaktmetall sorgt insbesondere für eine gute und stabile Fixierung der Zuleitung an die Metallisierung .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist das keramische Bauelement als NTC-Sensor ausgebildet . Der NTC-Sensor kann insbesondere zur Temperaturmessung beispielsweise im Automotive-Bereich verwendet werden .
Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Bauelements angegeben . Das Verfahren ist dazu geeignet ein hier beschriebenes keramisches Bauelement herzustellen . Sämtliche Merkmale und Aus führungs formen, die im Zusammenhang mit dem keramischen Bauelement angegeben sind, gelten somit auch für das Verfahren und umgekehrt .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst das Verfahren zur Herstellung eines keramischen Bauelements die Verfahrensschritte :
- Bereitstellen eines keramischen Grundkörpers ,
- Anordnen zumindest einer Metallisierung auf zumindest einer Oberfläche des keramischen Grundkörpers ,
- elektrisches Kontaktieren der zumindest einen Metallisierung mit einer elektrischen Zuleitung, - Bilden einer den keramischen Grundkörper, die zumindest eine Metallisierung und einen ersten Teilabschnitt der zumindest einen Zuleitung umschließenden Verkapselung, wobei der erste Teilabschnitt direkt an die Metallisierung angrenzt ,
- Bilden einer die Verkapselung und einen zweiten Teilabschnitt der zumindest einen Zuleitung umschließenden Schutzschicht , wobei der zweite Teilabschnitt direkt an den ersten Teilabschnitt angrenzt ,
- Aufbringen einer die Schutzschicht und einen dritten Teilabschnitt der zumindest einen Zuleitung umschließenden I solationsschicht , wobei der dritte Teilabschnitt direkt an den zweiten Teilabschnitt angrenzt .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst der Schritt Anordnen zumindest einer Metallisierung auf zumindest einer Oberfläche des keramischen Grundkörpers die Schritte Aufbringen und Fixieren eines Materials zur Bildung einer Metallisierung . Das Aufbringen wird gemäß zumindest einer Aus führungs form durch Bedrucken, insbesondere mittels Siebdruck, durchgeführt . Das Fixieren wird gemäß zumindest einer Aus führungs form durch Erhitzen, insbesondere durch Einbrennen, durchgeführt . Insbesondere findet das Erhitzen bei einer Temperatur aus dem Bereich 800 ° C bis 890 ° C, insbesondere bei 850 ° C statt .
Als Material zur Bildung einer Metallisierung wird gemäß einer Aus führungs form eine Au-Paste ausgewählt . Diese wird bei dem Erhitzen auf die zumindest eine Oberfläche des keramischen Grundkörpers eingebrannt und so die Metallisierung gebildet . Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst der Schritt elektrisches Kontaktieren der zumindest einen Metallisierung mit einer elektrischen Zuleitung die Schritte Anordnen der Zuleitung auf der Metallisierung und Fixieren der Zuleitung auf der Metallisierung . Bei dem Anordnen wird ein Abschnitt , insbesondere ein Teil des ersten Teilabschnitts der Zuleitung in mechanischen Kontakt mit der Metallisierung gebracht , so dass die Metallisierung und die Zuleitung eine gemeinsame Grenz fläche aufweisen . Der Schritt Fixieren der Zuleitung auf der Metallisierung umfasst gemäß einer Aus führungs form das Anordnen eines Kontaktmetalls in dem Bereich, in dem die Metallisierung und die Zuleitung eine gemeinsame Grenz fläche aufweisen und Trocknen des Kontaktmetalls . Als Kontaktmetall kann beispielsweise eine weitere Au-Paste verwendet werden .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst der Schritt Bilden einer den keramischen Grundkörper, die zumindest eine Metallisierung und einen ersten Teilabschnitt der zumindest einen Zuleitung umschließenden Verkapselung das Anordnen eines Materials , aus dem die Verkapselung erzeugt wird, auf dem keramischen Grundkörper, der Metallisierung und dem ersten Teilabschnitt der Zuleitung und Verschmel zen dieses Materials . Das Verschmel zen findet insbesondere bei einer Temperatur aus dem Bereich 600 ° C bis 800 ° C statt . Das Material der Verkapselung kann insbesondere Glas sein . Beispielsweise wird ein Glasröhrchen über den keramischen Grundkörper mit der Metallisierung und dem ersten Teilabschnitt der Zuleitung geschoben und dann verschmol zen . Durch das Verschmel zen wird eine dichte und abgeschlossene Verkapselung gebildet aus der lediglich die zumindest eine Zuleitung herausragt . Während des Verschmel zens des Materials der Verkapselung kann auch das zuvor aufgebrachte Kontaktmetall eingeschmol zen werden . Dadurch wird das Kontaktmetall eingebrannt und bildet eine dauerhafte und stabile Fixierung der Zuleitung auf der Metallisierung .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst das Bilden der Schutzschicht den Schritt Aufbringen eines flüssigen Materials zur Bildung der Schutzschicht . Das Aufbringen des flüssigen Materials erfolgt gemäß einer Aus führungs form mit einem Verfahren, das ausgewählt ist aus Dip-Coating, Spray- Coating und Roller-Coating . Wird beispielsweise als Verfahren Dip-Coating gewählt , kann das bereits verkapselte Bauelement in das flüssige Material eingetaucht werden . Dabei wird es soweit eingetaucht , dass sichergestellt ist , dass auch der zweite Teilabschnitt der Zuleitung mit dem flüssigen Material bedeckt ist . Weist das verkapselte Bauelement beispielsweise eine Länge von etwa 1 mm auf , so kann es zum Aufbringen des flüssigen Materials der Schutzschicht bis zu 10 mm in das flüssige Material eingetaucht werden .
Je nach Zusammensetzung kann das flüssige Material zur Bildung der Schutzschicht unterschiedliche Viskositäten aufweisen und somit beispielsweise dünn- oder dickflüssig sein . Über diesen Parameter kann die Schichtdicke der resultierenden Schutzschicht beeinflusst werden .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst das Bilden der Schutzschicht weiterhin den Schritt Zwischentrocknen nach dem Aufbringen des flüssigen Materials . Das Zwischentrocknen kann beispielsweise bei Raumtemperatur oder bei erhöhten Temperaturen aus dem Bereich 90 ° C bis 130 ° C stattfinden . Dabei wird das flüssige Material zumindest teilweise fest bevor die I solationsschicht aufgebracht wird . Alternativ kann der Schritt des Zwischentrocknens auch weggelassen werden und die I solationsschicht auf das flüssige Material aufgebracht werden . Dabei handelt es sich dann um einen sogenannten Nassprozess . Ein vollständiges Trocknen der Schutzschicht erfolgt gemäß einer Aus führungs form nach dem Aufbringen der I solationsschicht . Während des Trocknens können chemische Bindungen und/oder Wechselwirkungen zwischen der Verkapselung und der Schutzschicht und/oder zwischen der Schutzschicht und der I solationsschicht gebildet werden, wodurch die Schutzschicht ihre Funktion als Haftvermittler erhält .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form wird der Schritt Aufbringen einer I solationsschicht mittels elektrostatischer Pulverbeschichtung durchgeführt .
Weitere vorteilhafte Aus führungs formen und Weiterbildungen des Bauelements und des Verfahrens ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Aus führungsbeispielen .
Figur la zeigt in schematischer Schnittansicht ein keramisches Bauelement mit Verkapselung .
Figur 1b zeigt in schematischer Schnittansicht ein keramisches Bauelement mit Verkapselung und Schutzschicht .
Figur 1c zeigt in schematischer Schnittansicht ein keramisches Bauelement mit Verkapselung, Schutzschicht und I solat ions schicht .
Figur 2 zeigt eine Abbildung eines herkömmlichen keramischen Bauelements mit dem Fehlerbild Cu-Migration .
Figur 3a zeigt den Widerstanddri ft von Bauelementen gemäß Aus führungsbeispielen und einem Vergleichsbeispiel . Figur 3b zeigt den Widerstandsdri ft von Bauelementen gemäß Aus führungsbeispielen .
Die Figuren und Größenverhältnisse der in den Figuren gezeigten Elemente untereinander sind nicht als maßstabsgetreu zu verstehen . Weiterhin sind gleiche oder gleichartige Elemente mit denselben Bezugs zeichen gekennzeichnet .
Figur la zeigt in schematischer Schnittansicht ein verkapseltes Bauelement . Es handelt sich hierbei um ein Aus führungsbeispiel eines keramischen Bauelements vor seiner Fertigstellung . Das verkapselte Bauelement enthält einen keramischen Grundkörper 10 . Der keramische Grundkörper 10 enthält eine NTC-Keramik, beispielsweise einen Spinell . Auf zwei voneinander räumlich getrennten Oberflächen 11 , die auch als Teiloberflächen bezeichnet werden können, des keramischen Grundkörpers 10 sind Metallisierungen 20 aufgebracht , welche in diesem Beispiel als Material Au enthalten bzw . daraus bestehen .
Auf den Metallisierungen 20 sind elektrische Zuleitungen 30 angeordnet , die mit den Metallisierungen 20 j eweils eine gemeinsame Grenz fläche 23 aufweisen . Die Zuleitungen sind in diesem Beispiel Cu-beschichtete Drähte aus einer FeNi- Legierung .
In dem Bereich der gemeinsamen Grenz fläche 23 der Metallisierungen 20 und der Zuleitungen 30 ist weiterhin ein Kontaktmetall 21 , beispielsweise Au, vorhanden, welches die Zuleitungen 30 auf den Metallisierungen fixiert . Mittels der Metallisierungen 20 , Zuleitungen 30 und des Kontaktmetall 21 kann an den keramischen Grundkörper eine Spannung angelegt werden .
Die Zuleitungen 30 enthalten j eweils einen ersten Teilabschnitt 31 , dessen Bereich in der Figur la mittels der beiden gestrichelten Linien gekennzeichnet ist . Dieser erste Teilabschnitt 31 der beiden Zuleitungen 30 , die Metallisierungen 20 , die Kontaktmetalle 21 und der keramische Grundkörper 10 sind von einer Verkapselung 40 umschlossen .
Die Verkapselung 40 enthält ein Glas oder besteht daraus . Die nicht zu dem ersten Teilabschnitt 31 gehörigen Bereiche der beiden Zuleitungen 30 ragen aus der Verkapselung 40 heraus .
Bei dem in Figur la gezeigten Bauelement handelt es sich insbesondere um einen glasgekapselten NTC-Widerstand bzw . NTC-Thermistor .
Figur 1b zeigt eine schematische Schnittansicht eines keramischen Bauelements wie es bereits in Bezug auf Figur la erläutert wurde und das darüber hinaus eine Schutzschicht 50 aufweist . Figur 1b zeigt somit wiederum ein noch nicht fertiggestelltes Bauelement gemäß einem Aus führungsbeispiel . Die Schutzschicht 50 umschließt die Verkapselung 40 sowie einen zweiten Teilabschnitt 32 der Zuleitungen 30 . Der Bereich des zweiten Teilabschnitts 32 ist wieder mittels gestrichelter Linien gekennzeichnet . Die Schutzschicht 50 umgibt somit einen größeren Bereich als die darunter liegende Verkapselung 40 .
Die Schutzschicht 50 ist aus einem Material gebildet , das einen organischen und einen anorganischen Anteil enthält . In den im Folgenden diskutierten Aus führungsbeispielen für keramische Bauelemente weist das Aus führungsbeispiel Bl eine Schutzschicht 50 auf , die aus einem Fluor-haltigen Polymer, in diesem Beispiel ein Perfluoralkoxypolymer, und den Metalloxiden SiCy und AI2O3 gebildet ist (beispielsweise das Material „Primer Clear" der Firma Chemours ) , das Aus führungsbeispiel B2 weist eine Schutzschicht 50 auf , die aus einem Fluor-haltigen Polymer, in diesem Beispiel ein Perfluoralkoxypolymer, und den Metalloxiden Fe2Oa, SnO, SiCy und AI2O3 gebildet ist (beispielsweise das Material „Ruby Red" der Firma Chemours ) . Das Material , mit der die Schutzschicht 50 des Beispiels Bl erzeugt wird, ist dünnflüssiger als das Material des Beispiels B2 . Die Schutzschicht 50 , die beispielsweise mittels Dip-Coating erzeugt wird, weist im Beispiel Bl eine Dicke aus dem Bereich 1 mm bis 25 pm, im Beispiel B2 eine Dicke aus dem Bereich 20 pm bis 250 pm auf .
Figur 1c zeigt eine schematische Schnittansicht eines keramischen Bauelements wie es bereits in Bezug auf die Figuren la und 1b erläutert wurde und das darüber hinaus eine I solationsschicht 60 aufweist . Hierbei handelt es sich um ein Bauelement gemäß einem Aus führungsbeispiel nach seiner Fertigstellung . Die I solationsschicht 60 umschließt die Schutzschicht 50 und den dritten Teilabschnitt 33 der Zuleitungen 30 . Die I solationsschicht 60 umgibt somit einen größeren Bereich als die darunter liegende Verkapselung 40 . Bei der I solationsschicht 60 handelt es sich um eine PFA- Schicht , welche beispielsweise mittels elektrostatischer Pulverbeschichtung aufgebracht ist .
Das Bauelement der Figur 1c stellt einen NTC-Thermistor dar, der eine signi fikant höhere Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen aufweist als herkömmliche Bauelement , welche keine Schutzschicht enthalten . Aufgrund der Schutzschicht 50 , welche als Haftvermittler zwischen der Verkapselung 40 und der Isolationsschicht 60 dient, verhindert bzw. verzögert stark den Zutritt von Medien in das Innere des Bauelements. Damit können Lösungseffekte und - bei Anlegen einer Spannung - eine Wanderung von Ionen, insbesondere von Cu-Ionen aus den Zuleitungen 30 vermieden werden. In dem Bauelement treten also keine Migrationsfehler auf und damit keine unerwünschte Veränderung des Widerstands.
Figur 2 zeigt eine Abbildung eines herkömmlichen Bauelements, das keine Schutzschicht 50 aufweist und das Fehlerbild Cu- Migration aufweist. Der Pfeil zeigt auf die Stelle, die insbesondere durch Elektromigration fehlerhaft geworden ist. Eine unerwünschte Veränderung des Widerstands bis hin zu einem Kurzschluss sind die Folge.
Die Figuren 3a und 3b zeigen Messungen des Widerstandsdrif ts dR25 (in %) gemessen bei 25°C von Bauelementen gemäß Ausführungsbeispielen und eines Vergleichsbeispiels. Unter dem Widerstandsdrift ist die Abweichung des Nennwiderstands R25 von dem gewünschten Wert zu verstehen.
In Figur 3a ist der gemessene Widerstandsdrift dR25 der Bauelemente gemäß den Beispielen Bl und B2 sowie des Vergleichsbeispiels V gezeigt. Das Vergleichsbeispiel V weist keine Schutzschicht 50, aber eine Isolationsschicht 60 aus PFA auf.
Der Widerstandsdrift dR25 wurde nach 500 Stunden unter Wasserlagerung bei einer Temperatur von 80°C und bei einer angelegten Spannung von 1,2 V gemessen. Es wurden jeweils 30 Messungen gemacht und deren Verteilung in Figur 3a aufgetragen. Die gestrichelten Linien zeigen den nominellen Widerstand von 1000 Q ( dR25 = 0 ) sowie die tolerable Abweichung des Widerstands von ± 3% ( dR25 = 3 bzw . dR25 = -3 ) an . In Figur 3a ist zu sehen, dass die beiden Bauelemente Bl und B2 einen geringen Widerstandsdri ft aufweisen, dieser liegt in beiden Beispielen bei nahezu null , was durch die durchgezogenen Linien auf der 0-Linie gekennzeichnet ist . Das Vergleichsbeispiel V hingegen zeigt einen deutlichen Widerstandsdri ft mit einer Verteilung an Werten, die fast ausschließlich außerhalb des tolerablen Bereichs von ± 3% liegt ( grauer Kasten) . Das Vergleichsbeispiel V zeigt also bereits nach 500h Wasserlagerung Totalaus fälle . Durch die Elektromigration kommt es zu einer Verringerung des Widerstands , einem Kurzschluss und schließlich zu dem Totalaus fall .
Figur 3b zeigt eine Fortführung der Versuchsreihe , die in Zusammenhang mit Figur 3a beschrieben wurde , mit den Bauelementen Bl und B2 . Unter ansonsten gleichen Versuchsbedingungen wie in Zusammenhang mit Figur 3a beschrieben, wurde hier die Lagerungs zeit zwischen 500 h und 5000 h variiert . Zur besseren Veranschaulichung ist auf der y-Achse der Widerstandsdri ft dR25 nur im Bereich der tolerablen Abweichung von ± 3% dargestellt . In beiden Beispielen ist auch bei einer Lagerung von 5000 h ein Widerstandsdri ft von weniger als 1 % beobachtbar .
Es kann also gezeigt werden, dass die Verwendung der Schutzschicht 50 zwischen Verkapselung 40 und I solationsschicht 60 die Stabilität und die Lebensdauer keramischer Bauelemente auch bei Einsatz unter Umwelteinflüssen wie beispielsweise Wasser oder Wasserdampf deutlich erhöht . Das Auftreten von Elektromigration und damit von Migrations fehlern kann wirksam unterdrückt werden . Hier beschriebene keramische Bauelemente können somit auch bei
Einsatz in Wasser bzw . Wasserdampf oder hoher Luftfeuchtigkeit bis weit über herkömmliche Spezi fikationen, welche beispielsweise in der Automobilindustrie bei etwa 2000 h liegen, eingesetzt werden .
Bezugs zeichenliste
10 keramischer Grundkörper
11 Oberfläche 20 Metallisierung
21 Kontaktmetall
23 gemeinsame Grenz fläche
30 elektrische Zuleitung
31 erster Teilabschnitt 32 zweiter Teilabschnitt
33 dritter Teilabschnitt
40 Verkapselung
50 Schutzschicht
60 I solationsschicht dR25 Widerstandsdri ft gemessen bei 25 ° C
Bl Aus führungsbeispiel
B2 Aus führungsbeispiel
V Vergleichsbeispiel

Claims

Patentansprüche
1. Keramisches Bauelement, aufweisend:
- einen keramischen Grundkörper (10) mit zumindest einer Metallisierung (20) auf zumindest einer Oberfläche (11) des Grundkörpers und zumindest einer elektrischen Zuleitung (30) in elektrischem Kontakt mit der Metallisierung (20) ,
- eine Verkapselung (40) , die den keramischen Grundkörper (10) , die zumindest eine Metallisierung (20) , sowie einen ersten Teilabschnitt (31) der zumindest einen Zuleitung (30) umschließt, wobei der erste Teilabschnitt (31) direkt an die Metallisierung (20) angrenzt,
- eine Schutzschicht (50) , die die Verkapselung (40) und einen zweiten Teilabschnitt (32) der zumindest einen Zuleitung (30) umschließt, wobei der zweite Teilabschnitt (32) direkt an den ersten Teilabschnitt (31) angrenzt, und
- eine Isolationsschicht (60) , die die Schutzschicht (50) und einen dritten Teilabschnitt (33) der Zuleitung (30) umschließt, wobei der dritte Teilabschnitt (33) direkt an den zweiten Teilabschnitt (32) angrenzt.
2. Keramisches Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Schutzschicht (150) ein Material aufweist, das einen organischen Anteil und einen anorganischen Anteil enthält .
3. Keramisches Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der organische Anteil ein Fluor-haltiges Polymer aufweist und wobei der anorganische Anteil ein Metalloxid aufweist .
4. Keramisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schutzschicht (150) eine Dicke aufweist, die aus dem Bereich 1 pm bis 250 pm ausgewählt ist.
5. Keramisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der Schutzschicht (50) und der Verkapselung (40) und/oder zwischen der Schutzschicht (50) und der Isolationsschicht (60) chemische Bindungen und/oder chemische Wechselwirkungen vorhanden sind.
6. Keramisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der keramische Grundkörper (10) ein keramisches Material mit negativem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands aufweist.
7. Keramisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verkapselung (40) ein Glas aufweist.
8. Keramisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Isolationsschicht (60) ein Material aufweist, das aus Fluor-haltigen organischen Polymeren ausgewählt ist.
9. Keramisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Metallisierung (20) Au aufweist .
10. Keramisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Zuleitung (30) ein Metall aufweist, das ausgewählt ist aus Fe, Ni, Cu und Kombinationen daraus .
11. Keramisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das als NTC-Sensor ausgebildet ist.
12. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Bauelements mit den Verfahrensschritten:
- Bereitstellen eines keramischen Grundkörpers (10) ,
- Anordnen zumindest einer Metallisierung (20) auf zumindest einer Oberfläche (11) des keramischen Grundkörpers (10) ,
- elektrisches Kontaktieren der zumindest einen Metallisierung (20) mit einer elektrischen Zuleitung (30) ,
- Bilden einer den keramischen Grundkörper (10) , die zumindest eine Metallisierung (20) und einen ersten Teilabschnitt (31) der zumindest einen Zuleitung (30) umschließenden Verkapselung (40) , wobei der erste Teilabschnitt (31) direkt an die Metallisierung (20) angrenzt,
- Bilden einer die Verkapselung (40) und einen zweiten Teilabschnitt (32) der zumindest einen Zuleitung (30) umschließenden Schutzschicht (50) , wobei der zweite Teilabschnitt (32) direkt an den ersten Teilabschnitt (31) angrenzt,
- Aufbringen einer die Schutzschicht (50) und einen dritten Teilabschnitt (33) der zumindest einen Zuleitung (30) umschließenden Isolationsschicht (60) , wobei der dritte Teilabschnitt (33) direkt an den zweiten Teilabschnitt (32) angrenzt .
13. Verfahren nach dem vorhergehenden Abschnitt, wobei das Bilden der Schutzschicht (50) den Schritt Aufbringen eines flüssigen Materials zur Bildung der Schutzschicht (50) umfasst .
14 . Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das flüssige Material mit einem Verfahren aufgebracht wird, das ausgewählt ist aus Dip-Coating, Spray-Coating und Roller- Coating .
15 . Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14 , wobei das Bilden der Schutzschicht ( 50 ) weiterhin den Schritt Zwischentrocknen nach dem Aufbringen des flüssigen Materials umfasst .
EP24704127.0A 2023-02-23 2024-02-06 Keramisches bauelement und verfahren zur herstellung eines keramischen bauelements Pending EP4670195A1 (de)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4039904A (en) * 1976-01-02 1977-08-02 P. R. Mallory & Co., Inc. Intermediate precoat layer of resin material for stabilizing encapsulated electric devices
US4873507A (en) * 1987-10-15 1989-10-10 Therm-O-Disc, Incorporated Encapsulated thermal protector
JPH05109506A (ja) * 1991-10-16 1993-04-30 Fuji Electric Co Ltd 電圧非直線抵抗体
JPH08335502A (ja) * 1995-06-07 1996-12-17 Tdk Corp 電圧非直線抵抗体およびその製造方法
JP3344684B2 (ja) * 1996-05-20 2002-11-11 株式会社村田製作所 電子部品
DE10026257A1 (de) * 2000-05-26 2001-12-06 Epcos Ag Elektrisches Bauelement und Verfahren zu dessen Herstellung
DE10042636C1 (de) * 2000-08-30 2002-04-11 Epcos Ag Elektrisches Bauelement und Verfahren zu dessen Herstellung
JP2004095609A (ja) * 2002-08-29 2004-03-25 Matsushita Electric Ind Co Ltd 外装被覆形バリスタ
JP2010192539A (ja) * 2009-02-16 2010-09-02 Nippon Chemicon Corp 電子部品の製造方法
KR101008310B1 (ko) * 2010-07-30 2011-01-13 김선기 세라믹 칩 어셈블리
DE102012109704A1 (de) * 2012-10-11 2014-04-17 Epcos Ag Keramisches Bauelement mit Schutzschicht und Verfahren zu dessen Herstellung
US20170221612A1 (en) * 2014-08-08 2017-08-03 Dongguan Littelfuse Electronics, Co., Ltd. Varistor having multilayer coating and fabrication method
JP6992442B2 (ja) * 2017-11-24 2022-01-13 株式会社デンソー 温度センサ
DE102018102132B3 (de) * 2018-01-31 2019-01-03 Tdk Electronics Ag Verfahren zur Befestigung eines Kontaktelements bei einem elektrischen Bauteil und elektrisches Bauteil mit Kontaktelement
CN109073480B (zh) * 2018-02-13 2022-07-05 株式会社芝浦电子 温度传感器、传感器元件以及温度传感器的制造方法
CN109053158B (zh) * 2018-08-28 2021-11-05 深圳市汇北川电子技术有限公司 热敏陶瓷粉体、ntc热敏芯片、温度传感器及制备方法
TWI766724B (zh) * 2021-06-10 2022-06-01 聚鼎科技股份有限公司 插件式過電流保護元件

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