Beschreibung
ELEKTRISCHES BAUELEMENT MIT AUSSENELEKTRODEN UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES ELEKTRISCHEN BAUELEMENTS MIT AUSSENELEKTRODEN
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement, insbeson¬ dere ein NTC-Bauelement, sowie dessen Herstellung.
Herkömmliche elektrokeramische Bauelemente weisen normaler¬ weise auf der Oberfläche des keramischen Grundkörpers Kon¬ taktkörper auf, die zur elektrischen Kontaktierung des Bau¬ elements dienen und unter anderem die SMD (Surface Mounted Device) -Fähigkeit des Bauelements gewährleisten. Diese elekt¬ risch leitenden Kontaktkörper bzw. Terminierungen bestehen dabei in der Regel aus einem anderen Material als der kerami¬ sche Grundkörper, mit der Folge, dass Probleme betreffend die Haftung der Kontaktkörper auf dem Grundkörper auftreten.
Aus US 5,245,309 sind keramische NTC-Bauelemente bekannt, bei denen der keramische Grundkörper in Vielschichttechnologie gefertigt ist und aus keramischen Schichten mit darin ange¬ ordneten Innenelektroden besteht . Diese Innenelektroden kon¬ taktieren jeweils einen äußeren Kontaktkörper und bilden ein Elektrodenterminal. Weiterhin kann hier eine äußere Passivie- rungsschicht, z. B. Glas auf der Oberfläche des Bauelements, aufgebracht sein. Mit dieser Technik ist es möglich, durch Variation der Anordnung der Innenelektroden bei Bauteilen mit gleicher Bauteilnorm unterschiedliche Widerstände zu reali¬ sieren.
Aus DE 10159451 Al ist ein NTC-Bauelement mit einem Grundkör¬ per bekannt, der zumindest einen ersten und einen zweiten je¬ weils räumlich ausgeformten keramischen Teilbereich aus un-
terschiedlichen NTC-Materialien umfasst, wobei wenigstens ei¬ ne erste und eine zweite Kontaktschicht auf der Oberfläche des Grundkörpers vorgesehen sind. Ebenfalls werden durch Va¬ riation sowohl der relativen Anordnung und der relativen An¬ teile der beiden keramischen Teilbereiche im Grundkörper als auch durch geeignete Materialkombinationen bei gleichen Ab¬ messungen des Grundkörpers NTC-Bauelemente mit unterschiedli¬ chen elektrischen Eigenschaften hergestellt.
Aus DE 4207915 ist bekannt, dass sich der Widerstandswert ei¬ nes Thermistorelements variieren lässt, indem man den Abstand zwischen den Enden der Innenelektroden variiert. Dadurch wird vermieden, dass NTC-Bauelemente, die einen niedrigen Wider¬ standswert aufweisen, besonders dünn ausfallen und dadurch durch Brüche oder Risse beschädigt werden können.
Es liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Bauelement bereitzustellen, welches gegenüber aggressiven Umgebungsbedingungen resistent ist.
Die Aufgabe wird hinsichtlich eines elektrischen Bauelements und hinsichtlich seiner Herstellung durch die Merkmale der jeweiligen unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Es wird ein elektrisches Bauelement vorgeschlagen, umfassend:
- einen keramischen Grundkörper mit einer teilweise kerami¬ schen Oberfläche,
- mehrere im keramischen Grundkörper angeordnete Elektroden, deren Enden einen Teil der Oberfläche des Grundkörpers bilden, wobei
die Oberfläche des Grundkörpers mit einer Haftschicht verse¬ hen ist, welche eine Zusammensetzung aufweist, die so gewählt ist, dass sich deren Haftung bei Erwärmung an den Enden der Elektroden vermindert .
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das elektrische Bauelement mindestens einen elektrischen Kontaktkörper aufweist, welcher auf der Oberfläche des Grund¬ körpers aufgebracht und mit den Enden der Elektroden elekt¬ risch leitend verbunden ist . Die Oberfläche des Grundkörpers ist dabei mit einer Haftschicht zur wenigstens teilweisen Verbindung des Kontaktkörpers mit dem keramischen Teil der Oberfläche des Grundkörpers versehen.
Ein so ausgebildetes elektrisches Bauelement hat den Vorteil, dass die Haftschicht bei ihrer Erwärmung von den Elektroden¬ enden von selbst abgeführt wird und der hierdurch freigelegte Bereich eine Kontaktierung von Kontaktkörpern mit den Elekt¬ rodenenden ermöglicht, ohne dass eine den Widerstandswert des elektrischen Bauelements verändernde Haftschicht zwischen den Elektrodenenden und der Kontaktkörper in nennenswerten Umfang bestehen bleibt .
Es wird also vorteilhafterweise die maximale Fläche der kera¬ mischen Oberfläche des Grundkörpers für die Haftung mit dem Kontaktkörper ausgenutzt. Gleichzeitig ist der keramische Grundkörper dort mit einer vor aggressiven Umgebungsbedingun¬ gen schützenden Haftschicht versehen, wo der Kontaktkörper nicht auf dem Grundkörper angeordnet ist .
Die Kontaktkörper können selbstverständlich auch als Kontakt¬ schichten realisiert sein, oder auch als Enden von Kontakt¬ drähten welche eine Verbindung zu einer externen Strom- und Spannungsquelle herstellen.
Vorteilhafterweise sind die Kontaktkörper aufgrund der spe¬ ziellen Eigenschaft der Haftschicht mit den keramischen Be¬ reichen der keramischen Oberfläche verbunden, obwohl sie gleichzeitig mit den im selben Bereich angeordneten Elektro¬ denenden durchkontaktiert sind.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die Kontaktkör¬ per verstärkt auf dem keramischen Grundkörper haften und da¬ durch eine hohe Abzugsfestigkeit aufweisen.
Bisher konnten die Kontaktkörper während einer thermischen Fixierungsphase nur auf den keramischen Grundkörper bei gleichzeitiger, erheblicher Veränderung des Grundwiderstands- werts des elektrischen Bauelements eingebrannt werden. Mit¬ tels eines der hier vorgeschlagenen elektrischen Bauelemente ist es also besonders günstig, dass der Einfluss des Einbren¬ nens der Kontaktkörper auf den Widerstandswert des elektri¬ schen Bauelements durch die Beschichtung des keramischen Grundkörpers reduziert wird, da keine Haft- und Entkopplungs¬ schicht mehr an den Elektrodenenden haftet und die Durchkon- taktierung der Elektroden zum Kontaktkörper besonders rein ist. Zudem ist der keramische Grundkörper von den Kontaktkör¬ pern elektrisch isoliert, so dass hier auch eine verringerte Veränderung des Grundwiderstandswerts des elektrischen Bau¬ elements erreichbar ist. Zu diesem Zweck wird also bevorzugt, dass -die Haftschicht elektrisch isolierend ist und somit auch eine Entkopplungsschicht ist .
Es wird bevorzugt, dass die verminderte Haftung der Haft- schicht an den Enden der Elektroden in einem Temperaturbe¬ reich von zwischen 50 bis 200 K unterhalb der Einbrenntempe¬ ratur des Kontaktkörpers liegt. Dadurch ergibt sich der Vor¬ teil, dass beim Einbrennen des Kontaktkörpers auf den kerami¬ schen Grundkörper eine derart ausreichende Erweichung der Haftschicht stattfindet, dass die Haftschicht von den Enden der Elektroden von selbst abführbar ist . Zu diesem Zweck wird bevorzugt, dass die Haftschicht eine Blei-Borosilikat- Mischung aufweist, sodass sie bei Erweichung von den Enden der Elektroden besonders gründlich abführbar ist.
Zur Herstellung eines elektrischen Bauelements wird ein Ver¬ fahren vorgeschlagen, bei dem ein keramischer Grundkörper mit einer teilweise kerami¬ schen Oberfläche erzeugt wird, wobei in dessen Inneren mehrere Elektroden so ausgeformt werden, dass die Enden der Elektroden einen Teil der Oberfläche bilden, die Oberfläche des Grundkörpers mit einer Haftschicht be¬ netzt wird, welche bei einer vorgegebenen Temperatur schlecht an den Enden der Elektroden haftet.
Unter einer schlechten Haftung wird auch verstanden, dass die Haftschicht im erwärmten Zustand überhaupt nicht mehr an den Enden der Elektroden haftet .
Das Herstellungsverfahren wird vorzugsweise dadurch erwei¬ tert, dass ein Kontaktkörper auf den Grundkörper aufgebracht wird, wobei während einer thermischen Fixierungsphase das e- lektrische Bauelement so erwärmt wird, dass die Haftschicht von den Teilen der Oberfläche des Grundkörpers, welche mit Elektroden ausgebildet sind, abgeführt und eine Durchkontak-
tierung des Kontaktkörpers mit den Enden der Elektroden er¬ reicht wird.
Mit dem Begriff „thermische Fixierungsphase" wird eine ther¬ mische Phase verstanden, bei der die Kontaktkörper auf den keramischen Grundkörper eingebrannt werden— das Einbrennen der Kontaktkörper ist also ein Teil der thermischen Fixie¬ rungsphase.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele und Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
Figuren 1 und 2 jeweils eine Längs- und Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines elektrischen NTC- Bauelements,
Figur 3 das Verhalten von 3 keramischen Grund¬ körpern mit oder ohne einer Haft- und Entkopplungs- schicht in bestimmten Herstellungsschritten bei un¬ terschiedlichen Temperaturen.
Figur 1 zeigt, wie ein keramischer Grundkörper 2, welcher vorzugsweise ein Mangan-Nickel-Mischoxid aufweist, mit paral¬ lel zueinander angeordneten Elektroden 3 versehen ist, welche sich jeweils mit einem Ende 6 bis zur Oberfläche erstrecken und somit einen Teil der Oberfläche bilden. Gleichzeitig ist eine Haft- und Entkopplungsschicht 5 auf den keramischen Grundkörper aufgebracht .
Die Elektroden weisen vorzugsweise eine Silber-Palladium (Ag- Pd) Legierung auf. Die Kontaktkörper weisen eine Grundmetal¬ lisierung aus Silber (Ag) auf, welche vorzugsweise galvanisch mit einer Nickel- und einer Zinnschicht verstärkt ist.
Ein solches elektrisches NTC-Bauelement wird vorzugsweise folgendermaßen hergestellt: Auf den gesinterten Keramik- Grundkörper 2 wird eine Glasschicht 5 aufgebracht. Dies ge¬ schieht vorzugsweise durch ein Verfahren zur Abscheidung dün¬ ner Schichten, wie z. B. durch Tauchen in einen Glasschli- cker, Aufsprühen eines Glasschlickers und anschließende oder prozessbegleitende Trocknung. Der Glasschlicker wird vorteil- hafterweise mit einem Bindemittel versetzt, welches die Haf¬ tung der getrockneten Schicht verbessert. Typische Schicht- stärken, grün getrocknet, liegen im Bereich zwischen 1 und 20 μm. Eine beispielhafte Glasschlicker-Zusammensetzung könnte aus 100 g Glaspulver, 3 bis 20 g Bindemittel und 500 bis 1000 g Wasser bestehen. Als Bindemittel können Zellulose-Derivate, wie z. B. CarboxymethylZellulose, Hydroxypropylmethylzellulo- se, Polyvinylalkohol, Polyethylenglykol und Silikonharze ver¬ wendet werden.
Die Zusammensetzung des Glases ist auf die Benetzung, insbe¬ sondere des Keramikkörpers, d. h. der keramischen Oberfläche des keramischen Grundkörpers, auszurichten. Eine typische Zu¬ sammensetzung des Glases kann aus den Systemen B-Si (Borosi- likat) , insbesondere Blei-Borosilikat (Pb-B-Si) , oder Zn-B-Si (Zinn-Borosilikat) kommen, gegebenenfalls mit weiteren Zusät¬ zen, wie z. B. Ba, Al, Cu, Fe, Cr, Mg. Der so erhaltene be¬ schichtete keramische Grundkörper 2 wird nun in bekannter Weise durch Tauchen und Trocknen mit den Kontaktkörpern bzw. den Terminierungen 4 versehen. Nachdem mit diesem Schritt die Kontaktkörper erstmals auf den keramischen Grundkörper aufge¬ bracht sind, haftet die Haftschicht bereits mit der Oberflä¬ che des Kontaktkörpers, da dieser eine Oberflächenzusammen¬ setzung aufweist, welche dazu führt, dass die Haftschicht zwischen den Partikeln der Kontaktkörperoberfläche eindringt.
Somit ist eine bleibende Haftung zwischen dem Kontaktkörper und der Haftschicht auch in der späteren thermischen Fixie¬ rungsphase gewährleistet. Danach folgt die thermische Fixie¬ rung, üblicherweise im Bereich zwischen 650° C und 850° C.
Das Glas wird so ausgewählt, dass sein Erweichungspunkt ca. 50 bis 200 K unterhalb der Einbrenntemperatur der Kontaktkör¬ per bzw. der Terminierung liegt. In dieser thermischen Fixie¬ rungsphase wird die Haftschicht auf eine Temperatur erwärmt, bei der sie beginnt zu erweichen, und schließlich von den En¬ den der Elektroden abgeführt wird. Somit bleibt die Haft- schicht auf der keramischen Oberfläche des keramischen Grund¬ körpers haften, nicht aber an den Enden der Elektroden, so- dass eine Durchkontaktierung der Terminierung bzw. der Kon¬ taktkörper zu den Enden der Elektroden ermöglicht wird. Die Durchkontaktierung der Kontaktkörper zu den Elektrodenenden geschieht dadurch, dass der Kontaktkörper während der thermi¬ schen Fixierungsphase teilweise erweicht und somit auf die Elektrodenenden fließt. Dieses verflüssigte Kontaktkörperma¬ terial kann sich anschließend aushärten und bildet damit eine feste elektrische Kontaktierung zu den Elektroden.
Die Zusammensetzung der Haftschicht ist so zu wählen, dass die allgemeine Wechselwirkung zwischen dem Glas und dem E- lektrodenmaterial dahingehend berücksichtigt wird, dass die Abfuhr der erweichten Glasschicht in der thermischen Fixie¬ rungsphase entsprechend erleichtert wird. Im allgemeinen wird auch darauf geachtet, dass die Elektrodenenden aus einem an¬ deren Material bestehen als die Kontaktkörper, und zwar da¬ hingehend, dass die Haftschicht wesentlich schlechter an den Elektrodenenden haftet als an den Kontaktkörpern.
Durch die Abfuhr der Haftschicht von den Elektrodenenden wäh¬ rend der thermischen Fixierungsphase wird erreicht, dass der bisher übliche Prozessschritt, in dem die an den Enden von Elektroden noch haftenden Haftschichtanteile abgeschliffen werden mussten, eingespart wird. Selbstverständlich ist auch die auf die Oberfläche des keramischen Grundkörpers aufgetra¬ gene Dicke der Haftschicht so zu wählen, dass eine vollstän¬ dige Erweichung der Haftschicht an den Enden der Elektroden während der thermischen Fixierungsphase erreichbar ist.
Die bestehen gebliebene Haftschicht zwischen den Kontaktkör¬ pern und der keramischen Oberfläche des keramischen Grundkör¬ pers ergibt eine verstärkte Abzugsfestigkeit der Kontaktkör¬ per, so dass eine Abzugsfestigkeit der Kontaktkörper von bis zu 50 Newton erreicht werden kann. Dagegen weisen Referenz¬ teile ohne eine Haftschicht zwischen den Kontaktkörpern und der keramischen Oberfläche einen Fehleranteil bei einem Peel- Off-Test von typisch 10 bis 20 % auf, wogegen das erfindungs¬ gemäß vorgeschlagene Bauelement diesen Test mit 100 % be¬ steht .
Die Änderung des Grundwiderstandswerts des elektrischen Bau¬ elements durch das Einbrennen der Kontaktkörper kann mit dem erfindungsgemäßen elektrischen Bauelement von ca. 12 % auf unter 4 % abgesenkt werden. Die Veränderung des Widerstands des keramischen Grundkörpers bei der galvanischen Verstärkung der Kontaktkörper, hervorgerufen durch den Keramik-Abtrag an der freiliegenden Oberfläche des keramischen Grundkörpers in sauren Galvanikbädern, wird von 2 % auf unter 0,5 % reduziert (siehe dazu Figur 3) . Im Falle von NTC-Bauelementen auf Spi¬ nellbasis wird insbesondere mittels der Haft- und Entkopp¬ lungsschicht eine Verringerung der Empfindlichkeit des Wider¬ standswerts des keramischen Bauelements gegenüber dem Ein-
brennen von Terminierungen auf den keramischen Grundkörper erreicht .
Es wird bevorzugt, dass der keramische Grundkörper in bekann¬ ter Vielschichttechnik erzeugt wird.
Die an den Bereichen des Grundkörpers aufgebrachte Haft- schicht, welche nicht zwischen dem Kontaktkörper und dem Grundkörper liegt, dient als Schutzschicht welche gegenüber aggressiven Umgebungsbedingungen in weiteren Prozessschritten resistent ist, wie z. B. bei der galvanischen Verstärkung der Terminierung mit Nickel-Zinn-Schichten oder beim Flussmit¬ telangriff beim Löten.
Figur 2 zeigt eine Ansicht auf das elektrische Bauelement 1 in der Richtung des in Figur 1 gezeigten Pfeils. Der von der Haftschicht freigelegte Bereich 8 wird schematisch um das ei¬ ne Elektrodenende 6 herum dargestellt. Der Kontaktkörper 4, welcher mit dieser Perspektive zwischen dem Beobachter des elektrischen Bauelements und dem keramischen Grundkörper liegt, ist zur freien Ansicht des Querschnitts des elektri¬ schen Bauelements nicht eingezeichnet.
Figur 3 zeigt die Änderung des Widerstandswertes ΔW von 3 keramischen Grundkörpern mit oder ohne einer Haft- und Ent¬ kopplungsschicht in bestimmten Herstellungsschritten bei un¬ terschiedlichen Temperaturen.
Die linke Balkengruppe zeigt den Fall, wenn der keramische Grundkörper mit einer erfindungsgemäßen Haftschicht versehen ist. Dabei zeigt:
1. der linke Balken Bl eine geringe Änderung des Widerstands- werts AW1 des keramischen Grundkörpers in einem Zeitraum von 10 Minuten vor und nach der galvanischen Verstärkung der Terminierung bei 25°C.
2. der mittlere Balken B2 eine geringe Änderung des Wider¬ standswerts des Grundkörpers in einem Zeitraum von 10 Mi¬ nuten vor und nach der galvanischen Verstärkung der Termi¬ nierung bei Temperaturen zwischen 25 und 1000C.
3. der rechte Balken B3 die negative Änderung des Wider¬ standswerts des keramischen Grundkörpers während der ther¬ mischen Fixierungsphase.
Die mittlere Balkengruppe zeigt den Fall, wenn der keramische Grundkörper ebenfalls mit einer erfindungsgemäßen Haft- schicht, diesmal mit einem dickeren Schichtauftrag, versehen ist, wobei hier eine Wartezeit von 20 Minuten nach den oben geschilderten Zeitpunkten 1. bis 3. eingelegt wurde, bis die Messung des Widerstandswerts erfolgte. Wie bei der linken Gruppe von Balken ist hier ebenfalls eine hohe Stabilität des Widerstandswerts des keramischen Grundkörpers zu sehen.
Die rechte Balkengruppe zeigt den Referenzfall, wo gemäß des Standes der Technik keine Haft- und Entkopplungsschicht zwi¬ schen dem Kontaktkörper bzw. der Terminierung und dem kerami¬ schen Grundkörper vorliegt. In diesem Fall sind die Änderun¬ gen der Widerstandswerte des keramischen Grundkörpers in den oben geschilderten Fällen 1. bis 3. sehr viel höher.
Bezugszeichenliste
1 elektrisches Bauelement
2 keramischer Grundkörper
3 Elektroden
4 Terminierung
5 Haftschicht
6 Elektrodenenden
7 keramische Oberfläche
8 von Haftschicht freigelegter Bereich
Bl erster Balken Änderung Widerstandswert
B2 zweiter Balken Änderung Widerstandswert
B3 dritter Balken Änderung Widerstandswert