WO2003092019A1 - Ptc-bauelement und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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WO2003092019A1
WO2003092019A1 PCT/DE2003/001264 DE0301264W WO03092019A1 WO 2003092019 A1 WO2003092019 A1 WO 2003092019A1 DE 0301264 W DE0301264 W DE 0301264W WO 03092019 A1 WO03092019 A1 WO 03092019A1
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sintering
ceramic
component
debinding
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PCT/DE2003/001264
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Lutz Kirsten
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Epcos Ag
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    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/18—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material comprising a plurality of layers stacked between terminals
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    • H01C17/065—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors adapted for coating resistive material on a base by thick film techniques, e.g. serigraphy
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    • H01C7/02—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having positive temperature coefficient
    • H01C7/021—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having positive temperature coefficient formed as one or more layers or coatings

Definitions

  • the invention relates to a PTC component and a method for producing the component.
  • PTC elements For ceramic thermistors, i.e. Components with a positive temperature coefficient of resistance, so-called PTC elements, are not usually suitable for use in temperature-stable electrodes made of precious metal. These cannot establish ohmic contact between the ceramic and the metallic electrodes. Therefore, PTC elements with (inner) electrodes made of precious metal have an impermissibly high resistance. However, the base metals suitable as electrode material generally do not survive the sintering process that is required for the construction of multilayer components.
  • PTC device which is a ten-coupled multi-layer component of überrapgesta- Keramikschich 'and which is sintered in an atmosphere with a high oxygen content or after-baked.
  • the PTC component contains internal electrodes with tungsten. Tungsten survives the sintering process.
  • the sintering or subsequent tempering at high oxygen partial pressure poses a risk of oxidation of the internal electrodes, which results in PTC components with high ohmic resistance, which is undesirable.
  • a method for producing a PTC component is specified with the steps:
  • a PTC component is to be understood as a component with a base body, comprising ceramic layers lying one above the other, which are separated from one another by electrode layers, in which the ceramic layers contain a ceramic material which is present in at least one characteristic part of the R / T
  • Characteristic has a positive temperature coefficient. Furthermore, the component has collector electrodes attached to the side, the electrode layers being contacted alternately with these collector electrodes.
  • the method according to the invention allows the production of PTC components which have a volume V and an ohmic resistance R, which is measured between the collecting electrodes at a temperature between 0 ° C. and 40 ° C., where: V • R ⁇ 600.
  • electrodes made of tungsten or containing tungsten survive the sintering process required for the ceramic component and thereby form a good ohmic contact with the ceramic.
  • tungsten has a good electrical conductivity comparable to that of noble metals, which for pure tungsten is about three times as high as that of silver, so that electrode layers with sufficient electrical load-bearing capacity can already be achieved with thinner tungsten layers.
  • Wolfram is also hiring is inexpensive electrode material, which is, for example, much cheaper than precious metals such as palladium or platinum.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a ceramic green sheet printed with an electrode layer
  • FIG. 2 shows a multilayer component according to the invention in a schematic cross section
  • FIG. 3 shows a ceramic green sheet which can be divided into several components and has active and passive areas in the
  • Figure 4 shows a layer stack of ceramic
  • FIGS. 5 A to D each show a temperature / oxygen profile for the debinding or sintering of a layer stack.
  • Ceramic is used to manufacture green ceramic films
  • the film is then produced in a desired thickness by film drawing or film casting.
  • Figure 1 shows such a green sheet 1 in perspective.
  • an electrode paste 2 is applied to the area provided for the electrode.
  • a number of thick-film processes, in particular printing, for example by means of screen printing, are suitable for this.
  • passive area 3 It is also possible not to apply the electrode as a flat layer, but in a structured manner, possibly as an openwork pattern.
  • the electrode paste 2 consists of metallic, metallic tungsten or a tungsten compound-comprising particles for producing the desired conductivity, optionally sinterable ceramic particles for adapting the shrinking properties of the electrode paste to that of the ceramic and a burnable organic binder in order to make the ceramic mass or a moldable To ensure cohesion of the green bodies.
  • Particles of pure tungsten, particles of tungsten alloy, tungsten compound or mixed particles of tungsten and other metals can be used.
  • the electrode layers and thus the electrode paste can also contain further tungsten compounds such as, for example, tungsten carbide, tungsten nitride or also tungsten oxide (WO). The only important thing is that the tungsten is in an oxidation state that is less than + 6, so that it can still perform its function in the barrier layer degradation.
  • tungsten can vary within wide ranges, the sintering conditions possibly having to be adapted to the electrode paste composition.
  • the barrier layer in PTC thermistor material is regularly broken down with tungsten parts of 3 and more weight percent (based on the metallic particles) reached.
  • the printed green foils 9 are then stacked in a desired number in a stack of foils such that (green) ceramic layers 1 and electrode layers 2 are arranged alternately one above the other.
  • the electrode layers are also alternately connected to collecting electrodes on different sides of the component in order to connect the individual electrodes in parallel.
  • first and second green foils 9 with different orientations of the printed electrode layers 2 in such a way that their passive areas 3 alternately point to different sides.
  • a uniform electrode geometry is preferably selected for this purpose, the first and second green film 9 differing in that they are rotated in the film stack against one another by 180 °.
  • the film stack which is still elastic due to the binder, is brought into the desired external shape by pressing and, if necessary, cutting.
  • the stack of foils is then released and sintered, either separately or in one cut.
  • FIG. 2 shows a finished multilayer component 8 according to the invention in a schematic cross section. Ceramic layers 4 and electrode layers 5 are alternately arranged one above the other in the component body. Collective electrodes 6, 6 ′ are now produced on two opposite sides of the component body, each of which is in electrical contact with every second electrode layer 5.
  • a metallization usually made of silver, can first be produced on the ceramic, for example by electroless deposition. This can then be galvanically reinforced, for example by applying a layer sequence Ag / Ni / Sn. This improves the solderability on circuit boards.
  • other possibilities of metallization or the generation of the collecting electrodes 6, 6 ' for example sputtering, are also suitable.
  • the component 8 shown in FIG. 2 has ceramic layers as closing layers on both main surfaces.
  • an unprinted green film 1 can be installed in the film stack as the top layer before sintering, so that the stack does not end with an electrode layer 2.
  • an electrode layer 2 For mechanically particularly stressed ceramic components, it is also possible to make the top and bottom ceramic layers in the stack thicker than the other ceramic layers 4 in the stack.
  • several unprinted green foils 1 without an electrode layer can be installed as the bottom and top layers when stacking the foil stack and pressed and sintered together with the rest of the green foil stack.
  • FIG. 3 shows a green film printed with an electrode pattern 2, which enables division into several components, each with a smaller base area.
  • the passive areas 3 not printed with electrode paste are arranged in this way. net that the alternating offset of the electrodes in the stack, which is suitable for contacting, can be set by alternately stacking first and second green foils. This can be achieved if the first and second green foils are each rotated relative to one another by, for example, 180 °, or if generally the first and second green foils have an electrode pattern offset from one another.
  • the intersection lines 7, along which the green sheet or the layer stack produced therefrom can be separated into individual components, are identified by dashed lines.
  • electrode patterns are also possible in which the cut guides can be laid out so that no electrode layer has to be cut through. However, every second electrode layer can then be contacted from the edge of the stack. If necessary, the stacks are separated after the separation and sintering before the application of the collecting electrodes 6, 6 'in order to expose the electrode layers to be contacted.
  • FIG. 4 shows a layer stack produced in this way in a schematic cross section. It can be seen that when the layer stack is separated along the cutting lines 7, components are formed which each have the desired offset of the electrodes 4.
  • Such a stack of films comprising a number of component floor plans is divided into individual film stacks of the desired component base area, preferably after the film stack has been pressed, for example by cutting or punching. The film stacks are then sintered. However, it is also possible to first sinter the multiple floor plans of the film stack comprising components and only then to separate the individual components by sawing the finished sintered ceramic. Finally, collecting electrodes 6 are again applied.
  • a PTC component according to the invention consists of a barium titanate ceramic of the general composition (Ba, Ca, Sr, Pb) Ti0 3 , which is doped with donors and / or acceptors, for example with manganese and yttrium.
  • the component can comprise, for example, 5 to 20 or even more ceramic layers together with the associated electrode layers, but at least two internal electrode layers.
  • the ceramic layers usually each have a thickness of 30 to 200 ⁇ m. However, they can also have larger or smaller layer thicknesses.
  • the outer dimension of a PTC thermistor component in the inventive multilayer construction can vary, but is usually in the range of a few millimeters for components that can be processed with SMD.
  • a suitable size is, for example, the design 2220 known from capacitors. Geometries and component tolerances result from the standard CECC 32101-801 or from other standards. However, the PTC thermistor component can also be smaller.
  • FIGS. 5 A to D show a temperature / oxygen profile for the debinding or sintering of a layer stack with variable oxygen content.
  • FIGS. 5 A to D each show the same temperature profile, which is combined with different oxygen profiles.
  • the temperature curve is indicated by the solid curve G.
  • the area I between the times 0 and 260 minutes is the area of the debinding.
  • the temperature rises evenly from 20 ° C to 500 ° C. In this time range, the oxygen content is 2 vol. -%.
  • Area I adjoins area II, which begins at 280 minutes and ends at 500 minutes.
  • the sintering of the layer stack takes place in this area II.
  • the temperature is based on the final The temperature of the debinding further increased to a temperature of 1200 ° C. and then decreased again.
  • the oxygen content can either be kept at 2% by volume, that is to say at the value of the debinding (curve A in FIG. 5 A), or else the oxygen content becomes a lower value, for example 1, after the debinding has been completed % By volume (curve B in FIG. 5 A) or 0.5% by volume (curve C in FIG. 5 A).
  • FIG. 5C shows a further variant, according to which, according to curve E, the oxygen content during the sintering is continuously reduced to a value of 0.5% by volume.
  • curve F it can be advantageous, as shown in FIG. 5 D, curve F, to lower the oxygen content with increasing temperature and to let it gradually increase again after the temperature maximum of 1200 ° C. has been exceeded.
  • This has the advantage that at temperatures lower than the maximum sintering temperature, oxygen is again available for the ceramic, which improves the properties of the ceramic. As a result, the grain boundary active layers of the PTC ceramic can be built up better.
  • An atmosphere containing a mixture is preferably used for the debinding or sintering processes from nitrogen or noble gas or another inert gas with air or oxygen.
  • nitrogen and air can be mixed in such a way that an oxygen content in the atmosphere of 2% by volume results.
  • the layer stacks are debinded up to a temperature of 500 ° C, the sintering taking place in the same atmosphere.
  • barium titanate ceramics can be used, the sintering taking place at the usual temperatures.
  • Table 1 below shows component resistances of PTC components in the 1210 design with 23 electrodes produced by the method according to the invention, depending on the oxygen content during sintering and compared with the sintering in air.
  • the use of the method according to the invention enables the production of PTC components with a small volume and at the same time a low electrical resistance.
  • Table 2 shows PTC component resistances as a function of the volume of the PTC component.

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines Bauelements mit einem Grundkörper (8), enthaltend übereinanderliegende Keramikschichten (4), die durch Elektrodenschichten (5) voneinander getrennt sind, bei dem die Keramikschichten (4) ein Keramikmaterial enthalten, das zumindest in einem Kennlinienteil der R/T-Kennlinie einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist mit den Schritten: a) Herstellen eines Schichtstapels aus keramischen Grünfolien (1) mit dazwischenliegenden Elektrodenschichten (5), b) Entbindern und Sintern des Schichtstapels in einer Atmosphäre, die gegenüber Luft einen abgesenkten Sauerstoffgehalt aufweist. Es gelingt die Herstellung von PTC-Bauelementen mit kleinem Volumen und kleinem Widerstand.

Description

Beschreibung
PTC-Bauelement und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft ein PTC-Bauelement sowie ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements.
Für keramische Kaltleiter, d.h. Bauelemente mit positivem Temperaturkoeffizient des Widerstands, sogenannte PTC- Elemente, sind keine üblicherweise verwendete temperaturstabile Elektroden aus Edelmetall geeignet. Diese können keinen ohmschen Kontakt zwischen der Keramik und den metallischen Elektroden aufbauen. Daher weisen PTC-Elemente mit (Innen-) Elektroden aus Edelmetall einen unzulässig hohen Widerstand auf. Die als Elektrodenmaterial geeigneten unedlen Metalle überstehen jedoch in der Regel nicht den Sinterprozeß, der für den Aufbau von Vielschichtbauelementen erforderlich ist.
Aus der Druckschrift DE 19719174 AI ist ein keramischer Kalt- leiter in Vielschichtbauweise bekannt, der Aluminium umfassende Elektrodenschichten aufweist. Diese bilden zur Keramik einen ohmschen Kontakt auf und lassen sich bei Temperaturen bis 1200° ohne Beschädigung sintern. Nachteilig an diesem Vielschichkaltleiterbauelement ist jedoch, daß das Aluminium aus den Elektrodenschichten teilweise in die Keramik eindiffundiert und dabei die Bauelementeigenschaften mittel- oder langfristig beeinträchtigt oder das Bauelement gar unbrauchbar macht .
Aus der Druckschrift DE 100 18 377 Cl ist ein PTC-Bauelement bekannt, das ein Vielschichtbauelement aus übereinandergesta- pelten Keramikschich'ten ist und das in einer Atmosphäre mit hohem Sauerstoffgehalt gesintert beziehungsweise nachgetempert wird. Das PTC-Bauelement enthält Innenelektroden mit Wolfram. Wolfram übersteht zwar den Sinterprozeß. Durch die Sinterung beziehungsweise anschließende Temperung bei hohem Sauerstoff-Partialdruck besteht jedoch die Gefahr der Oxidation der Innenelektroden, woraus PTC-Bauelemente mit hohem ohmschen Widerstand resultieren, was unerwünscht ist.
Eine Sinterung an sauerstoffhaltiger Atmosphäre ist andererseits notwendig, um die korngrenzenaktiven Schichten der PTC- Keramik (auf Basis von dotiertem BaTiθ3 ) beim Abkühlen aufzubauen. Es resultiert die Eigenschaft, daß bei einer bestimm- ten Temperatur, abhängig von der genauen Zusammensetzung der Keramik, der Widerstand der Keramik sprunghaft ansteigt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines PTC-Bauelements anzugeben, das es erlaubt, PTC-Bauelemente mit niedrigem Volumen und gleichzeitig geringem ohmschen Widerstand herzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen 8 bis 17 zu entnehmen.
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines PTC-Bauelements angegeben mit den Schritten:
a) Herstellen eines Schichtstapels aus keramischen Grünfolien mit dazwischenliegenden Elektrodenschichten b) Entbindern und Sintern des Schichtstapels in einer Atmosphäre, die gegenüber Luft einen abgesenkten Sauerstoffgehalt aufweist .
Unter einem PTC-Bauelement ist ein Bauelement zu verstehen mit einem Grundkörper, enthaltend übereinanderliegende Keramikschichten, die durch Elektrodenschichten voneinander getrennt sind, bei dem die Keramikschichten ein Keramikmaterial enthalten, das zumindest in einem Kennlinienteil der R/T-
Kennlinie einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist. Ferner weist das Bauelement seitlich angebrachte Sammelelektroden auf, wobei die Elektrodenschichten alternierend mit diesen Sammelelektroden kontaktiert sind.
Dadurch, daß sowohl das Entbindern als auch das Sintern in einer Atmosphäre mit niedrigem Sauerstoffgehalt durchgeführt wird, kann eine Oxidation des in den Innenelektroden enthaltenen Metalls gehemmt werden, was die Herstellung von PTC- Bauele enten mit verbesserten Eigenschaften erlaubt.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Sauerstoffgehalt während des Sinterns, wo i. a. höhere Temperaturen als beim Entbindern verwendet werden, weiter erniedrigt ist.
Insbesondere erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung von PTC-Bauelementen, die ein Volumen V und einen ohmschen Widerstand R aufweisen, der zwischen den Sammelelektroden bei einer Temperatur zwischen 0° C und 40° C gemessen wird, wobei gilt: V • R < 600.
Es gelingt also die Herstellung von PTC-Bauelementen, die bei kleinem Volumen gleichzeitig einen geringen ohmschen Widerstand aufweisen, was im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung von PTC-spezifischen Anwendungen wünschenswert ist.
Es hat sich gezeigt, daß aus Wolfram bestehende oder wolfram- haltige Elektroden den für das keramische Bauelement erforderlichen Sinterprozeß überstehen und dabei einen guten ohmschen Kontakt zur Keramik ausbilden. Beim Sintern werden höchstens geringe Diffusionsprozesse des Wolframs in die Keramik beobachtet, die die keramischen Bauelementeigenschaften beeinträchtigen könnten. Gleichzeitig weist Wolfram eine mit Edelmetallen vergleichbare gute elektrische Leitfähigkeit auf, die für reines Wolfram etwa drei mal so hoch ist wie die von Silber, so daß Elektrodenschichten mit ausreichender elektrischer Tragfähigkeit bereits mit dünneren Wolframschichten erzielt werden können. Außerdem stellt Wolfram ein kostengünstiges Elektrodenmaterial dar, das z.B. wesentlich kostengünstiger ist als Edelmetalle wie Palladium oder Platin.
Im folgenden wird die Erfindung insbesondere das Verfahren zur Herstellung des Bauelements anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen nur der Veranschaulichung der Erfindung und sind nur schematisch und nicht maßstabsgetreu.
Figur 1 zeigt eine mit einer Elektrodenschicht bedruckte keramische Grünfolie in perspektivischer Darstellung
Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Vielschicht- bauelement im schematischen Querschnitt
Figur 3 zeigt eine in mehrere Bauelemente aufteilbare keramische Grünfolie mit ak- tiven und passiven Bereichen in der
Draufsicht
Figur 4 zeigt einen Schichtenstapel keramischer
Grünfolie im Querschnitt.
Figuren 5 A bis D zeigen je ein Temperatur- /Sauerstoff- profil für die Entbinderung beziehungsweise Sinterung eines Schichtstapels.
Zur Herstellung keramischer Grünfolien wird das keramische
Ausgangsmaterial fein vermählen und homogen mit einem Bindermaterial vermischt. Die Folie wird anschließend durch Folienziehen oder Foliengießen in einer gewünschten Dicke hergestellt.
Figur 1 zeigt eine solche Grünfolie 1 in perspektivischer Darstellung. Auf eine Oberfläche der Grünfolie 1 wird nun in dem für die Elektrode vorgesehenen Bereich eine Elektrodenpaste 2 aufgebracht . Dazu eignen sich eine Reihe von insbesondere Dickschichtverfahren, vorzugsweise Aufdrucken, beispielsweise mittels Siebdruck. Zumindest im Bereich einer Kante der Grünfolie 1, wie beispielsweise in Figur 1 dargestellt, oder nur im Bereich einer Ecke der Grünfolie verbleibt ein nicht von Elektrodenpaste bedeckter und hier als passiver Bereich 3 bezeichneter Oberflächenbereich. Möglich ist es auch, die Elektrode nicht als flächige Schicht aufzu- bringen, sondern strukturiert, gegebenenfalls als durchbrochenes Muster.
Die Elektrodenpaste 2 besteht aus metallischen, metallisches Wolfram oder eine Wolframverbindung umfassenden Partikeln zur Herstellung der gewünschten Leitfähigkeit, ggf. sinterfähigen keramischen Partikeln zur Anpassung der Schwundeigenschaften der Elektrodenpaste an die der Keramik und einem ausbrennbaren organischen Binder, um eine Formbarkeit der keramischen Masse bzw. einen Zusammenhalt der Grünkörper zu gewährlei- sten. Dabei können Partikel aus reinem Wolfram, Partikel aus Wolframlegierung, Wolframverbindung oder gemischte Partikel aus Wolfram und anderen Metallen verwendet werden. Die Elektrodenschichten und damit die Elektrodenpaste können auch weitere Wolframverbindungen wie beispielsweise Wolframcarbid, Wolframnitrid oder auch Wolframoxid (WO) enthalten. Entscheidend ist lediglich, daß das Wolfram in einer Oxidationsstufe vorliegt, die kleiner als + 6 ist, so daß es seine Funktion beim Sperrschichtabbau noch erfüllen kann.
Bei keramischen Vielschichtbauelementen, die einer nur geringen mechanischen Belastung ausgesetzt sind, ist es auch möglich, in der Elektrodenpaste auf die keramischen Anteile ganz zu verzichten. Der Wolframanteil kann in weiten Bereichen variieren, wobei ggf. die Sinterbedingungen auf die Elektroden- pastenzusammensetzung anzupassen sind. Der Abbau der Sperrschicht bei Kaltleitermaterial wird regelmäßig mit Wolframan- teilen von 3 und mehr Gewichtsprozent (bezogen auf die metallischen Partikel) erreicht.
Anschließend werden die bedruckten Grünfolien 9 in einer ge- wünschten Anzahl so zu einem Folienstapel übereinanderge- schichtet, daß (grüne) Keramikschichten 1 und Elektrodenschichten 2 alternierend übereinander angeordnet sind.
Bei der späteren Kontaktierung werden die Elektrodenschichten außerdem alternierend auf unterschiedlichen Seiten des Bauelements mit Sammelelektroden verbunden, um die Einzelelektroden parallel zu verschalten. Dazu ist es vorteilhaft, erste und zweite Grünfolien 9 mit unterschiedlicher Orientierung der aufgedruckten Elektrodenschichten 2 so zu stapeln, daß deren passive Bereiche 3 alternierend nach unterschiedlichen Seiten weisen. Vorzugsweise wird dazu eine einheitliche Elektrodengeometrie gewählt, wobei erste und zweite Grünfolie 9 sich dadurch unterscheiden, daß sie im Folienstapel gegeneinander um 180° gedreht sind. Möglich ist es jedoch auch, für das Bauelement einen Grundriß mit höherer Symmetrie auszuwählen, so daß zur Herstellung einer alternierenden Kontaktierung ein Verdrehen um andere Winkel als 180° möglich ist, beispielsweise um 90° bei Vorsehen eines quadratischen Grundrisses. Möglich ist es jedoch auch, bei jeder zweiten Grünfo- lie 9 das Elektrodenmuster um einen bestimmten Betrag gegen das der ersten Grünfolien so zu versetzen, daß jeder passive Bereich 3 in der jeweils benachbarten Grünfolie über einem mit Elektrodenpaste bedruckten Bereich angeordnet ist.
Anschließend wird der auf Grund des Binders noch formelastische Folienstapel durch Pressen und gegebenenfalls Zuschneiden in die gewünschte äußere Form gebracht . Danach wird der Folienstapel entbindet und gesintert, und zwar entweder getrennt oder in einem Schnitt.
Nach der Sinterung entsteht aus den einzelnen Grünfolienschichten ein monolithischer keramischer Bauelementkörper 8, der einen festen Verbund der einzelnen Keramikschichten 4 aufweist. Dieser feste Verbund ist auch an den Verbindungsstellen Keramik/Elektrode/Keramik gegeben. Figur 2 zeigt ein fertiges erfindungsgemäßes Vielschichtbauele ent 8 im schema- tischen Querschnitt. Im Bauelementkörper sind alternierend Keramikschichten 4 und Elektrodenschichten 5 übereinander angeordnet. An zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Bauelementkörpers werden nun Sammelelektroden 6, 6' erzeugt, die jeweils mit jeder zweiten Elektrodenschicht 5 in elektrischem Kontakt stehen. Dazu kann beispielsweise zunächst eine Metallisierung, üblicherweise aus Silber auf der Keramik erzeugt werden, beispielsweise durch stromlose Abscheidung. Diese kann anschließend galvanisch verstärkt werden, z.B. durch Aufbringen einer Schichtfolge Ag/Ni/Sn. Dadurch wird die Löt- fahigkeit auf Platinen verbessert. Es sind jedoch auch andere Möglichkeiten der Metallisierung beziehungsweise der Erzeugung der Sammelelektroden 6, 6', beispielsweise Sputtern geeignet .
Das in der Figur 2 dargestellte Bauelement 8 weist auf beiden Hauptoberflächen Keramikschichten als Abschlußschichten auf. Dazu kann zum Beispiel als oberste Schicht eine unbedruckte Grünfolie 1 vor dem Sintern in den Folienstapel eingebaut werden, so daß der Stapel nicht mit einer Elektrodenschicht 2 abschließt. Für mechanisch besonders beanspruchte keramische Bauelemente ist es auch möglich, die oberste und die unterste keramische Schicht im Stapel dicker zu gestalten als die übrigen Keramikschichten 4 im Stapel . Dazu können beim Aufstapeln des Folienstapels als unterste und oberste Schichten mehrere unbedruckte Grünfolien 1 ohne Elektrodenschicht eingebaut und zusammen mit dem restlichen Grünfolienstapel verpreßt und gesintert werden.
Figur 3 zeigt eine mit einem Elektrodenmuster 2 bedruckte Grünfolie, die ein Aufteilen in mehrere Bauelemente mit jeweils kleinerer Grundfläche ermöglicht. Die nicht mit Elektrodenpaste bedruckten passiven Bereiche 3 werden so angeord- net, daß sich durch abwechselndes Stapeln von ersten und zweiten Grünfolien der zur Kontaktierung geeignete alternierende Versatz der Elektroden im Stapel einstellen läßt. Dies kann erreicht werden, wenn die ersten und zweiten Grünfolien jeweils gegeneinander um z.B. 180° verdreht sind, oder wenn allgemein erste und zweite Grünfolien ein gegeneinander versetzt Elektrodenmuster aufweisen. Die Schnittlinien 7, entlang der sich die Grünfolie beziehungsweise der daraus hergestellte Schichtenstapel in einzelne Bauelemente vereinzeln läßt, sind mit gestrichelten Linien gekennzeichnet. Möglich sind jedoch auch Elektrodenmuster, bei denen die Schnittfüh- rungen zum Vereinzeln so gelegt werden können, daß keine Elektrodenschicht durchtrennt werden muß. Jede zweite Elektrodenschicht ist dann aber vom Stapelrand her kontaktierbar . Gegebenenfalls werden dazu die Stapel nach dem Vereinzeln und Sintern vor dem Aufbringen der Sammelelektroden 6, 6 ' noch abgeschliffen, um die zu kontaktierenden Elektrodenschichten freizulegen.
Figur 4 zeigt einen so hergestellten Schichtenstapel im schematischen Querschnitt. Man erkennt, daß bei der Vereinzelung des Schichtenstapels entlang der Schnittlinien 7 Bauelemente entstehen, die jeder für sich den gewünschten Versatz der Elektroden 4 aufweisen. Die Zerteilung eines solchen mehrere Bauelementgrundrisse umfassenden Folienstapels in einzelne Folienstapel der gewünschten Bauelementgrundfläche erfolgt vorzugsweise nach dem Verpressen der Folienstapel, beispielsweise durch Schneiden oder Stanzen. Anschließend werden die Folienstapel gesintert. Möglich ist es jedoch auch, den meh- rere Grundrisse von Bauelementen umfassenden Folienstapel zunächst zu sintern und die Einzelbauelemente erst anschließend durch Sägen der fertig gesinterten Keramik zu vereinzeln. Abschließend werden wiederum Sammelelektroden 6 aufgebracht.
Ein erfindungsgemäßes PTC-Bauelement besteht aus einer Bari- umtitanat-Keramik der allgemeinen Zusammensetzung (Ba,Ca, Sr, Pb) Ti03, die mit Donatoren und/oder Akzeptoren, beispielsweise mit Mangan und Yttrium dotiert ist .
Das Bauelement kann beispielsweise 5 bis 20 oder auch mehr Keramikschichten samt der dazugehörigen Elektrodenschichten, zumindest aber zwei innenliegende Elektrodenschichten umfassen. Die Keramikschichten weisen üblicherweise jeweils eine Dicke von 30 bis 200 μm auf. Sie können jedoch auch größere oder kleinere Schichtdicken besitzen.
Die äußere Dimension eines Kaltleiterbauelements in erfinderischer Vielschichtbauweise kann variieren, liegt jedoch für mit SMD verarbeitbare Bauelemente üblicherweise im Bereich weniger Millimeter. Eine geeignete Größe ist beispielsweise die von Kondensatoren bekannte Bauform 2220. Geometrien und Bauelementetoleranzen ergeben sich dabei aus der Norm CECC 32101-801 oder auch aus anderen Normen. Das Kaltleiterbauelement kann jedoch auch noch kleiner sein.
Die Figuren 5 A bis D zeigen ein Temperatur-/Sauerstoffprofil für die Entbinderung beziehungsweise Sinterung eines Schicht- stapeis mit variablem Sauerstoffgehalt.
Die Figuren 5 A bis D zeigen jeweils ein gleiches Temperatur- profil, das mit unterschiedlich verlaufenden Sauerstoffprofilen kombiniert ist. Der Temperaturverlauf ist durch die durchgezogene Kurve G angegeben. Der Bereich I zwischen den Zeiten 0 und 260 Minuten ist der Bereich der Entbinderung. Dabei steigt die Temperatur gleichmäßig von 20° C bis 500° C an. In diesem Zeitbereich beträgt der Sauerstoffgehalt 2 Vol . - % .
An den Bereich I schließt sich der Bereich II an, der bei der Zeit 280 Minuten beginnt und bei der Zeit 500 Minuten endet. In diesem Bereich II erfolgt die Sinterung des Schichtstapels. Dabei wird die Temperatur ausgehend von der Endtem- peratur 500° C der Entbinderung weiter erhöht bis zu einer Temperatur 1200° C und danach wieder abgesenkt.
Während des Sinterns (Bereich II) kann der Sauerstoffgehalt entweder bei 2 Vol.-%, also bei dem Wert der Entbinderung gehalten werden (Kurve A in Figur 5 A) oder aber der Sauerstoffgehalt wird nach Abschluß des Entbinderns auf einem niedrigeren Wert wie beispielsweise 1 Vol.-% (Kurve B in Figur 5 A) oder auch 0,5 Vol.-% (Kurve C in Figur 5 A) abge- senk .
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Sauerstoffgehalt stufenweise, gegenläufig zur ansteigenden Temperatur abzusenken (vergleiche Kurve D in Figur 5 B) . In Figur 5 C ist eine weitere Variante dargestellt, wonach gemäß Kurve E der Sauerstoffgehalt während des Sinterns kontinuierlich abgesenkt wird auf einen Wert von 0,5 Vol.-%.
Desweiteren kann es von Vorteil sein wie in Figur 5 D, Kurve F dargestellt, den Sauerstoffgehalt mit steigender Temperatur abzusenken und ihn nach Überschreiten des Temperaturmaximums von 1200° C wieder schrittweise ansteigen zu lassen. Dies hat den Vorteil, daß bei kleineren Temperaturen als der maximalen Sintertemperatur wieder vermehrt Sauerstoff für die Keramik zur Verfügung steht, was die Eigenschaften der Keramik verbessert . Dadurch können die korngrenzenaktiven Schichten der PTC-Keramik besser aufgebaut werden.
Desweiteren ist es vorteilhaft, wenn die Prozesse Entbinde- rung und Sinterung unmittelbar aufeinanderfolgen, ohne daß zwischendurch die Temperatur auf Raumtemperatur beziehungsweise unterhalb der maximalen Entbinderungstemperatur 500° C abgesenkt wird. Daraus ergibt sich eine Verkürzung der Prozeßzeit sowie eine geringere Oxidation von Wolfram.
Vorzugsweise wird für die Prozesse Entbinderung beziehungsweise Sinterung eine Atmosphäre verwendet, die ein Gemisch aus Stickstoff oder Edelgas oder einem anderen inerten Gas mit Luft oder Sauerstoff darstellt. Beispielsweise kann Stickstoff und Luft so gemischt werden, daß ein Sauerstoffgehalt der Atmosphäre von 2 Vol.-% resultiert. Bis zu einer Temperatur von 500° C werden die Schichtstapel entbindert, wobei die Sinterung in der gleichen Atmosphäre erfolgt . Es können beispielsweise Bariumtitanat -Keramiken verwendet werden, wobei die Sinterung bei den dafür üblichen Temperaturen erfolgt .
In der nachfolgenden Tabelle 1 sind Bauteilwiderstände von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigten PTC-Bauelementen in der Bauform 1210 mit 23 Elektroden in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt während des Sinterns dargestellt und mit der Sinterung an Luft verglichen.
Tabelle 1
Figure imgf000013_0001
Es ist deutlich zu erkennen, wie durch Reduktion des Sauerstoffgehalts der Bauteilwiderstand verringert werden kann. Dies ist eine Folge der verringerten Oxidation des in den Innenelektroden enthaltenen metallischen Materials.
Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gelingt die Herstellung von PTC-Bauelementen mit kleinem Volumen und gleichzeitig geringem elektrischen Widerstand.
Die folgende Tabelle 2 zeigt PTC-Bauteilwiderstände in Abhän- gigkeit von dem Volumen des PTC-Bauelements. Tabelle 2
Figure imgf000014_0001

Claims

Patentansprüche
1. PTC-Bauelement
- mit einem Grundkörper (8) , enthaltend übereinanderliegende Keramikschichten (4) , die durch Elektrodenschichten (5) voneinander getrennt sind, bei dem die Keramikschichten (4) ein Keramikmaterial enthalten, das zumindest in einem Kennlinienteil der R/T-Kennlinie einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, - bei dem die Elektrodenschichten (5) alternierend mit seitlich am Bauelement angebrachten Sammelelektroden (6) kontaktiert sind,
- mit einem Volumen V und einem ohmschen Widerstand R, gemessen zwischen den Sammelelektroden bei einer Temperatur zwi- sehen 0°C und 40°C, wobei gilt: V • R < 600 Ω • mm3.
2. Bauelement nach Anspruch 1, das durch Gemeinsamsinterung von keramischen Grünfolien (1) und Elektrodenschichten (5) hergestellt ist.
3. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , bei dem die Elektrodenschichten (5) Wolfram enthalten.
4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Elektrodenschichten (5) Wolframearbid enthalten.
5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Elektrodenschichten WO enthalten.
6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei den die Elektrodenschichten eine Wolframverbindung enthalten, bei der das Wolfram eine Wertigkeit hat, die kleiner als +6 ist.
7. Verfahren zur Herstellung eines PTC-Bauelements nach Anspruch 1 mit den Schritten: a) Herstellen eines Schichtstapels aus keramischen Grünfolien (1) mit dazwischenliegenden Elektrodenschichten (5) , b) Entbindern und Sintern des Schichtstapels in einer Atmo- Sphäre, die gegenüber Luft einen abgesenkten Sauerstoffgehalt aufweist .
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre kleiner als 8 Vol . - % ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8 , wobei das Entbindern bei einer Temperatur < 600° C erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Sintern in einem Temperaturintervall zwischen 1000° C und 1200° C erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Temperatur des Schichtstapeis nach dem Entbindern wenigstens solange auf einer Temperatur gehalten wird, die mindestens der maximalen Temperatur des Entbinderns entspricht, bis das Sintern abgeschlossen ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei das Entbindern bei einem Sauerstoffgehalt zwischen 0,5 und < 8 Vol.-% durchgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei das Sintern bei einem Sauerstoffgehalt durchgeführt wird, der dem Sauerstoffgehalt während des Entbinderns entspricht .
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei das Sintern bei einem Sauerstoffgehalt zwischen 0,1 und 5 Vol.-% durchgeführt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, wobei der Sauerstoffgehalt nach dem Entbindern weiter abgesenkt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche, 7 bis 15, wobei der Sauerstoffgehalt nach dem Entbindern kontinuierlich abgesenkt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 15, wobei nach dem Entbindern der Sauerstoffgehalt mit steigender Temperatur abgesenkt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 17, wobei nach Überschreiten einer maximalen Temperatur beim Sin- tern der Sauerstoffgehalt wieder erhöht wird.
19. Verwendung eines Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als SMD-fähiges PTC-Widerstandsele ent .
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