WO2006136359A1 - Elektrisches vielschichtbauelement mit reduzierter parasitärer kapazität - Google Patents

Elektrisches vielschichtbauelement mit reduzierter parasitärer kapazität Download PDF

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WO2006136359A1
WO2006136359A1 PCT/EP2006/005872 EP2006005872W WO2006136359A1 WO 2006136359 A1 WO2006136359 A1 WO 2006136359A1 EP 2006005872 W EP2006005872 W EP 2006005872W WO 2006136359 A1 WO2006136359 A1 WO 2006136359A1
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electrode
multilayer component
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blind end
dkb
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PCT/EP2006/005872
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Christian Block
Holger FLÜHR
Alois Kleewein
Günter PUDMICH
Heinz Ragossnig
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Epcos Ag
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Definitions

  • the invention relates to an electrical multilayer component whose basic body is constructed of stacked ceramic layers, between which electrode surfaces are arranged.
  • Such multilayer components can be used as capacitors, varistors or temperature-dependent resistors (thermistors).
  • the main body of varistors is often made of a mixture of different metal oxides, for example based on zinc oxide.
  • Varistors have a non-linear voltage-dependent resistance change used to protect an electrical circuit from overvoltage. The resistance of varistors decreases with increasing applied voltage.
  • a multilayer varistor in which, in order to reduce the resistance, non-overlapping internal electrodes are arranged in the interior of the main body.
  • the internal electrodes are contacted on the two end faces of the component by large-area contact layers, which allow an SMD mounting of the component.
  • the disadvantage of this conventional device is that parasitic capacitances and inductances are built up due to the large-area contact layers, which makes precise adjustment of the electrical characteristics of the device difficult.
  • parasitic capacitances and inductances are built up due to the large-area contact layers, which makes precise adjustment of the electrical characteristics of the device difficult.
  • such a device requires due to the large contact layers correspondingly much space during assembly on, for example, boards.
  • especially modules in this design, in which several of these components are integrated are particularly especially large and thus have a particularly low integration density.
  • a ceramic multilayer capacitor with a first electrode structure which has free-ending plated-through holes (blind ends).
  • the shortest distance between the two electrode structures of the capacitor is determined by the spacing of overlapping electrode planes.
  • varistors e.g. as ESD protection components in high frequency data cables.
  • Parasitic capacitances in known multilayer varistors still regularly reach values of more than 60 pF, making them unsuitable for this application. Capacities of this magnitude mean that all signals are derived from a certain cutoff frequency to ground and thereby also the information carrying data signal is lost. For signals with clock rates up to 1 GHz, varistors with parasitic capacitances up to max. about 1 pF desirable.
  • the object of the present invention is to specify an electrical multilayer component with low parasitic capacitance.
  • the multilayer component is constructed from a stack of ceramic layers, which form a solid base body. On the underside of the base body first and second pads for contacting the device are arranged. Between the ceramic layers of the base metalization levels are provided, in which structured electrode surfaces can be arranged.
  • All electrode surfaces of an electrode structure are electrically connected to each other via vias through the ceramic layers or to one of the pads.
  • the entirety of interconnected electrode surfaces forms a first electrode structure.
  • the corresponding electrode surfaces and plated-through holes connected to one of the second connection surfaces form a second electrode structure.
  • First and second electrode structures are implemented remotely and electrically isolated from each other. At least one of the two electrode structures has a via with a blind end, which does not terminate in an electrode surface. This end points in the direction of the other electrode structure and forms in this area the shortest distance between the first and second electrode structure. The shortest distance is measured vertically to the layer planes of the ceramic layers towards the nearest metallization level, in which there is an element of the other electrode structure.
  • B cylindrical hole understood by at least one ceramic layer which connects a metallization with another metallization level or with a pad in a straight line vertical to the layer planes of the ceramic layers.
  • blind end of a via terminates in a metallization plane in which it has no contact with any electrode surface or pad. However, the other end of the via is always connected to an electrode surface or pad.
  • the first and second electrode structures of the multilayer component extend in a large distance and a plurality of ceramic layers surround each other.
  • the blind end can also form only a small capacitance for the next metallic structure of the other electrode structure because of its small area. By doing so, the parasitic capacitance between the first and second electrode structures is kept low.
  • first and second electrode structures and in particular the electrode surfaces associated with these electrode structures in such a way that no overlapping occurs between the electrode surfaces of different electrode structures, except in the area of the blind via. This also increases the distance of the electrode surfaces from one another and further reduces the parasitic capacitance between the two electrode structures.
  • the multilayer component can be realized as a HTCC (High Temperature Cofired Ceramics). This material ensures exact structurability with respect to the location of plated-through holes and electrode surfaces, so that a multilayer component with a precisely defined structure and a precisely defined parasitic capacitance can be obtained. - -
  • the first and second electrode structures can each have a through contact with a blind end.
  • the two blind ends can then be arranged one above the other in the stack of the base body and face each other. If the thickness of a single ceramic layer is provided as the shortest distance in the region of these two blind ends and the blind vias are each connected to one electrode surface, then the minimum distance between these two said electrode surfaces corresponds to the layer thicknesses of the three intervening ceramic layers.
  • the vias are extended to the blind ends, so lead in a straight line through several ceramic layers. In this way, the associated electrode surfaces of the first and second electrode structures are even further apart.
  • both electrode structures it is not necessary for both electrode structures to have electrode surfaces. It is also possible, for example, for one of the two electrode structures to consist only of a through-hole extending through possibly several ceramic layers, which is connected to one of the connection surfaces.
  • a plurality of first connection surfaces and a corresponding number of first electrode structures connected thereto may be provided.
  • the plurality of first electrode structures may be galvanically isolated from each other and each have a via with a blind end.
  • An overlap with the second electrode structure can then take place exclusively in the region of this blind end, wherein the second electrode structure in the overlapping region can also, for example, also have a through-connection with a blind end.
  • first electrode structures can then overlap with a single second electrode structure.
  • first electrode structures can then overlap with a single second electrode structure.
  • second electrode structures it is also possible to provide both a plurality of first electrode structures and a plurality of second electrode structures in the multilayer component, wherein the number of first and second electrode structures does not have to be coincident.
  • connection surfaces are distributed on the underside of the base body such that they have a maximum distance from one another. This can be achieved by providing the pads at the edges, in the corners and / or in the middle of the lowermost ceramic layer. The farthest distance from each other have two connection surfaces, which are arranged at two diagonally opposite corners on the bottom.
  • An easily accessible connection surface on the underside is strip-shaped along an edge of the base surface or of the base body. By way of example, these connection surfaces can be connected to one or more electrode surfaces in the center via plated-through holes.
  • the electrode surfaces of different electrode structures are preferably arranged in widely spaced metallization planes. It is also possible to provide only one electrode surface for each electrode structure. It makes sense in this case to form the electrode surfaces in strip form and, starting from, for example, different corners of the base body, run towards each other. In the case of a symmetrical arrangement, an overlap in the middle (relative to the base area) of the main body can thus be obtained. There, then, the at least one blind-end plated through-hole is made, which leads from an electrode structure to the corresponding - -
  • the electrode surface of the other electrode structure has.
  • the second electrode structure is provided with a through-connection with a blind end.
  • the electrode surfaces can be strip-shaped and extend from the plated-through holes arranged above the first connection surfaces in the direction of the center of the body, where they overlap with corresponding through-holes belonging to the second electrode structure.
  • first and second electrode structures are each present in an even number, an overlap with between in each case two electrode structures of different types can take place. This can then take place in a remote from the pads area of the body. That is, below the vias with the blind ends are then provided in the stack no Anschuss vom.
  • the multilayer component can be formed from a varistor ceramic, for example based on doped zinc oxide.
  • the multilayer component then represents a varistor with a low but defined capacitance.
  • Such a varistor can advantageously be used as an ESD protection component in data lines which are operated at high clock rates up to, for example, one gigahertz.
  • the low capacitance of the varistor which is a shunt line prevents the data signal from being dissipated to ground through the high pass parasitic capacitance of the varistor and thereby lost.
  • the multilayer component can also be formed from a ceramic material with a negative or positive temperature coefficient of resistance. In this way, it can be used as a thermistor of the PTC or NTC type.
  • the ceramic base body may comprise, in addition to the functional layers, further layers which ensure, for example, the stability of the basic body. Such layers are then preferably designed as dielectric layers in order not to generate new current paths. Additional dielectric layers are then also not disposed within the current path that occurs between the first and second electrode structure in response to the device. Such a response of the component is achieved in varistor case when exceeding the varistor voltage between the first and second electrode structures or when exceeding a certain temperature in the PTC case.
  • the multilayer component is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments and the associated figures.
  • the figures serve to illustrate the invention and are designed only schematically and not to scale. Identical or equivalent parts are designated by the same reference numerals.
  • FIG. 1 shows, in a schematic cross-section, a multilayer component with two electrode structures each having an electrode surface
  • FIG. 2 shows, in a schematic cross-section, a multilayer component with two electrode structures but in total only one electrode surface
  • FIG. 3 shows a multilayer component in a schematic cross section with two electrode structures and a through-connection with a blind end
  • FIG. 4 shows, in a schematic cross section, a multilayer component with two first electrode structures and a second electrode structure
  • FIG. 5 shows, in a schematic cross section, a multilayer component with an overlap of two first and one second electrode structure
  • FIG. 6 shows a schematic plan view of a multilayer component with two electrode surfaces
  • FIG. 7 shows a schematic top view of a component with five connection surfaces
  • FIG. 8 shows a top view of a multilayer component with five connection surfaces and three electrode structures.
  • FIG. 1 shows a simple exemplary embodiment of a multilayer component VS in a schematic cross section.
  • the ceramic base body is composed of five ceramic layers KS, which are arranged one above the other in a stack and are firmly connected to one another by sintering. Between each two ceramic layers, a metallization ME is arranged, can be provided in the metallizations. At the bottom of the main body there is a first connection _ -
  • the two electrode structures EF1, EF2 belonging to different electrode structures are disposed largely without mutual overlap in metallization levels ME1, ME4 which are far apart from each other.
  • the two electrode structures overlap only in a limited area of limited area.
  • the two ends of the blind plated-through holes DKB are spaced apart by the thickness of a ceramic layer KS.
  • FIG. 2 shows a first electrode structure which is connected to a first connection area AFI and comprises a plated-through hole DK1 and a first electrode surface EF1 as well as a plated-through hole DKB1 with a blind end DKB.
  • a second electrode structure is connected to the second connection surface AF2 and comprises only one through-connection DKB2 with a blind end. The two blind ends are arranged one above the other in the stack and overlap each other.
  • the second electrode structure has no electrode surface here.
  • FIG. 4 shows, as a further exemplary embodiment in schematic cross-section, a multilayer component in which a plurality of first connection surfaces AFI, AFI 'are provided, of which two are shown in the figure.
  • a second connection area AF2 is provided with a second electrode structure comprising a through-connection DK2, a second electrode area EF2 and two blind-end plated-through holes DKB2.
  • a first electrode structure is connected to the first connection surfaces AFI, which here only includes one through-connection DKB1 each with a blind end. These overlap with the corresponding blind ends of the plated-through holes DKB2 of the second electrode structure.
  • the arrangement of connection surfaces and electrode surfaces is preferably symmetrical and may comprise more than the two illustrated first electrode structures.
  • Figure 5 shows another multi-layered component, in schematic cross section, in which first in the section plane two E lektroden Modellen with first electrode surfaces EFL EFI ⁇ are provided, which are arranged in widely separated metallization. Both first electrode surfaces EFL EFI ⁇ are each provided with a via DKBL, DKBL 'with blind end, which are both arranged in the stack one above the other. A second electrode surface EF2 is provided between these two blind ends, each of which has a first electrode structure, which is only shown in section in the figure, since it extends transversely to the plane of the drawing. Notwithstanding the illustration, the second electrode surface may also have through-holes with blind end, which are one above the other and preferably as shown - -
  • the second electrode surface is connected to at least one, but preferably two plated-through holes (not shown in the figure), which connect the second electrode area to second terminal areas on the underside of the multi-layer component.
  • the distance between the electrode surfaces of different electrode structures is at least two ceramic layers, but preferably more, while the smallest distance towards the blind ends of the through-connection is reduced to the thickness of a ceramic layer.
  • Figure 6 shows a possible arrangement of electrode surfaces, pads and vias in the plan view.
  • the embodiment may correspond in Figure 1 cross section.
  • First and second electrode surfaces EF1, EF2 are connected via plated-through holes DK with first and second connection surfaces AFI, AF2 on the underside of the base body.
  • the electrode surfaces like the connection surfaces, are strip-shaped and show an overlap only in the area of a central through-connection with blind end DKB.
  • the through-contacts with blind end DKB can be provided on one or both electrode surfaces.
  • Figure 7 shows a plan view of a multilayer component according to the section shown in Figure 4.
  • four first connection surfaces AFI, AFI ', AFl'',AFL''' are provided, which are connected via plated-through holes to a first electrode surface EF1.
  • a second connection surface AF2 is connected to a second electrode structure, which comprises only one through-connection with blind end DKB. This is _
  • FIG. 8 shows, in a schematic plan view, the arrangement of electrode structures for an exemplary embodiment which corresponds to the cross section illustrated in FIG.
  • second connection surfaces AF2, AF2 ' are provided, which are connected via plated-through holes DK2, each with a second electrode surfaces EF2, EF2'. These are also strip-shaped and extend from a corner with the through-connection to the pad to the middle, in which a through hole DKB with a blind end is provided.
  • the second electrode surfaces are arranged in widely spaced metallization planes, while the first electrode surface EF1 is strip-shaped, arranged in a central metallization plane and overlaps the two ends of the second electrode surfaces EF2.
  • each electrode structure with more than one electrode surface EF, wherein different electrode surfaces assigned to an electrode structure can be arranged in different metallization planes. In particular, it is possible to carry out these further electrode surfaces with a smaller area than the main electrodes.
  • vias with blind ends can be provided on both electrode structures.
  • an overlapping of different electrode structures takes place only between a blind end and an electrode surface. It is also possible, as shown for example in FIG. 5, to provide multiple overlaps between multiply provided electrode structures of different or the same type in a single overlapping region, which corresponds to the size of a plated through hole.
  • the electrode surfaces may be strip-shaped and accordingly designed with a small area in order to reduce the capacitance.
  • the strip-shaped, with a small base area equipped electrode surfaces as shown in the embodiments.
  • All structures shown can be used both for varistors and for thermistors. In all cases, they can be produced with high accuracy, in particular in a HTCC process, which results in only a minimal dimensional change during the sintering process and therefore operates in a structurally precise manner. However, it is also possible to use other ceramic types with a low shrink during sintering, such as _
  • LTCC Low temperature cofired ceramics
  • the structural accuracy also allows the capacity of the component to be set exactly.
  • the minimum distances between different electrode structures are adjustable, since they always correspond to the thickness of one or more ceramic layers, which is also well reproducible.
  • the varistor voltage is set in a varistor. The performance of such a Varistorbauelements is then dependent on the volume of the ceramic base body, which is arbitrarily adaptable depending on the requirements of larger base areas or higher number of ceramic layers.

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Abstract

Es wird ein keramisches Vielschichtbauelement vorgeschlagen, bei dem zwischen übereinander gestapelten keramischen Schich-ten Metallisierungsebenen vorgesehen sind, in denen Elektro-denflächen für erste und zweite Elektroden angeordnet sein können. Auf der Unterseite des Bauelements sind erste und zweite Anschlussflächen vorgesehen, die mit ersten und zwei-ten Elektrodenstrukturen über Durchkontaktierungen verbunden sind. Im Bereich des geringsten Abstandes zwischen erster und zweiter Elektrodenstruktur ist zumindest eine Durchkontaktie-rung mit blindem Ende vorgesehen.

Description

Beschreibung
ELEKTRISCHES VIELSCHICHTBAUELEMENT MIT REDUZIERTER PARASITÄRER KAPAZITÄT
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Vielschichtbauelement dessen Grundkörper aus übereinandergestapelten keramischen Schichten aufgebaut ist, zwischen denen Elektrodenflächen angeordnet sind.
Derartige Vielschichtbauelemente können je nach Beschaffenheit der keramischen Schichten und der Elektrodenflächen als Kondensatoren, Varistoren oder temperaturabhängige Widerstände (Thermistoren) eingesetzt werden. Der Grundkörper von Varistoren ist häufig aus einer Mischung verschiedener Metalloxide, zum Beispiel auf der Basis von Zinkoxid hergestellt. Varistoren weisen eine nicht-lineare spannungsabhängige Widerstandsänderung auf, die zum Schutz eines elektrischen Schaltkreises vor Überspannung benutzt wird. Der Widerstandswert von Varistoren sinkt dabei mit steigender anliegender Spannung .
Aus der Druckschrift DE 199 31 056 Al ist ein Vielschichtva- ristor bekannt, bei dem zur Senkung des Widerstandes nicht überlappende Innenelektroden im Inneren des Grundkörpers angeordnet sind. Die Innenelektroden werden dabei auf den beiden Stirnseiten des Bauelements von großflächigen Kontaktschichten kontaktiert, die eine SMD-Montierung des Bauelements erlauben. Der Nachteil dieses herkömmlichen Bauelements besteht darin, dass aufgrund der großflächigen Kontaktschichten parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten aufgebaut werden, die eine genaue Einstellung der elektrischen Charakteristika des Bauelements schwierig macht. Weiterhin benötigt ein derartiges Bauelement aufgrund der großen Kontaktschichten entsprechend viel Platz bei der Montage auf zum Beispiel Platinen. Weiterhin sind vor allem auch Module in dieser Bauweise, in die mehrere dieser Bauelemente integriert sind, be- sonders groß und weisen damit eine besonders niedrige Integrationsdichte auf.
Aus der Druckschrift DE 100 19 840 Al ist ein keramischer Mehrschichtkondensator mit einer ersten Elektrodenstruktur bekannt, die frei endende Durchkontaktierungen (blinde Enden) aufweist. Der kürzeste Abstand zwischen den beiden Elektrodenstrukturen des Kondensators ist durch den Abstand einander überlappender Elektrodenebenen bestimmt.
Aus der Druckschrift WO2004/086432 ist ein Vielschichtva- ristor bekannt, bei dem zur Senkung der parasitären Kapazitäten die Innenelektroden über Durchkontaktierungen sowohl miteinander als auch mit auf der Unterseite des Grundkörpers angeordneten Lötbumps verbunden sind.
Probleme bereitet aber weiterhin der Einsatz derartiger Varistoren z.B. als ESD Schutzbauelemente in Hochfrequenzdatenleitungen. Parasitäre Kapazitäten erreichen in bekannten Vielschichtvaristoren nach wie vor regelmäßig Werte von mehr als 60 pF, das sie für diesen Einsatz ungeeignet macht. Kapazitäten dieser Größenordnung führen dazu, dass alle Signale ab einer bestimmten Grenzfrequenz gegen Masse abgeleitet werden und dabei auch das die Information tragende Datensignal verloren geht. Bei Signalen mit Taktraten bis 1 GHz sind eher Varistoren mit parasitären Kapazitäten bis max. ca. 1 pF wünschenswert .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektrisches Vielschichtbauelement mit niedriger parasitärer Kapazität anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit einem Vielschichtbauelement mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen. Das Vielschichtbauelement ist aus einem Stapel keramischer Schichten aufgebaut, die einen massiven Grundkörper ausbilden. Auf der Unterseite des Grundkörpers sind erste und zweite Anschlussflächen zur Kontaktierung des Bauelements angeordnet. Zwischen den keramischen Schichten des Grundkörpers sind Metallisierungsebenen vorgesehen, in denen strukturierte Elektrodenflächen angeordnet sein können.
Alle Elektrodenflächen einer Elektrodenstrukturen sind über Durchkontaktierungen durch die keramischen Schichten elektrisch miteinander oder mit einer der Anschlussflächen verbunden. Die Gesamtheit miteinander verbundener Elektrodenflächen bildet eine erste Elektrodenstruktur. Die entsprechenden mit einer der zweiten Anschlussflächen verbundenen Elektrodenflächen und Durchkontaktierungen bilden eine zweite Elektrodenstruktur. Erste und zweite Elektrodenstruktur sind entfernt voneinander ausgeführt und elektrisch gegeneinander isoliert. Zumindest eine der beiden Elektrodenstrukturen weist eine Durchkontaktierung mit einem blinden Ende auf, die nicht in einer Elektrodenfläche endet. Dieses Ende weist in Richtung der anderen Elektrodenstruktur und bildet in diesem Bereich den kürzesten Abstand zwischen erster und zweiter Elektrodenstruktur aus. Der kürzeste Abstand bemisst sich dabei vertikal zu den Schichtebenen der keramischen Schichten hin zur der nächstgelegenen Metallisierungsebene, in der sich ein E- lement der anderen Elektrodenstruktur befindet.
Unter einer Durchkontaktierung wird ein mit elektrisch leitendem Material gefülltes z. B. zylinderförmiges Loch durch zumindest eine keramische Schicht verstanden, welches eine Metallisierungsebene mit einer anderen Metallisierungsebene oder mit einer Anschlussfläche in gerader Linie vertikal zu den Schichtebenen der keramischen Schichten verbindet. Ein - -
blindes Ende einer Durchkontaktierung endet in einer Metallisierungsebene, in der es keinerlei Kontakt mit einer Elektrodenfläche oder einer Anschlussfläche hat. Das andere Ende der Durchkontaktierung ist jedoch stets mit einer Elektrodenfläche oder einer Anschlussfläche verbunden.
Mit Ausnahme des kürzesten Abstands im Bereich des blinden Endes der Durchkontaktierung verlaufen erste und zweite E- lektrodenstruktur des Vielschichtbauelements in großem und mehrere keramische Schichten umfassenden Abstand zueinander. Das blinde Ende kann zur nächsten metallischen Struktur der anderen Elektrodenstruktur wegen seiner geringen Fläche auch nur eine kleine Kapazität ausbilden. Allein dadurch ist die parasitäre Kapazität zwischen erster und zweiter Elektrodenstruktur niedrig gehalten.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, erste und zweite Elektrodenstrukturen und insbesondere die diesen Elektrodenstrukturen zugehörigen Elektrodenflächen so zu strukturieren, dass außer im Bereich der blinden Durchkontaktierung keine Überlappung zwischen den Elektrodenflächen unterschiedlicher Elektrodenstrukturen stattfindet. Auch dadurch wird der Abstand der Elektrodenflächen zueinander erhöht und die parasitäre Kapazität zwischen beiden Elektrodenstrukturen weiter reduziert.
Das Vielschichtbauelement kann als eine HTCC (High Tempera- ture Cofired Ceramics) verwirklicht sein. Dieses Material gewährleistet eine exakte Strukturierbarkeit bezüglich der Lage von Durchkontaktierungen und Elektrodenflächen, sodass ein Vielschichtbauelement mit exakt definierter Struktur und exakt definierter parasitärer Kapazität erhalten werden kann. - -
Erste und zweite Elektrodenstruktur können je eine Durchkon- taktierung mit einem blinden Ende aufweisen. Die beiden blinden Enden können dann im Stapel des Grundkörpers übereinander angeordnet sein und zueinander weisen. Wird als kürzester Abstand im Bereich dieser beiden blinden Enden die Dicke einer einzigen keramischen Schicht vorgesehen und sind die blinden Durchkontaktierungen mit je einer Elektrodenfläche verbunden, so entspricht der minimale Abstand dieser beiden genannten Elektrodenflächen dann den Schichtdicken der drei dazwischenliegenden keramischen Schichten. Vorzugsweise sind die Durchkontaktierungen mit den blinden Enden verlängert, führen also in gerader Linie durch mehrere keramische Schichten. Auf diese Weise sind die dazugehörigen Elektrodenflächen von erster und zweiter Elektrodenstruktur noch weiter voneinander entfernt .
Es ist jedoch nicht erforderlich, dass beide Elektrodenstrukturen Elektrodenflächen aufweisen. Möglich ist es beispielsweise auch, dass eine der beiden Elektrodenstrukturen nur aus einer durch gegebenenfalls mehrere keramische Schichten reichenden Durchkontaktierung besteht, die mit einer der Anschlussflächen verbunden ist.
In einem Vielschichtbauelement können mehrere erste Anschlussflächen und eine entsprechende Anzahl damit verbundener erster Elektrodenstrukturen vorgesehen sein. Die mehreren ersten Elektrodenstrukturen können galvanisch voneinander getrennt sein und jeweils eine Durchkontaktierung mit einem blinden Ende aufweisen. Eine Überlappung mit der zweiten E- lektrodenstruktur kann dann ausschließlich im Bereich diesen blinden Endes stattfinden, wobei die zweite Elektrodenstruktur im Überlappungsbereich beispielsweise ebenfalls eine Durchkontaktierung mit blindem Ende aufweisen kann. Mehrere -
dieser ersten Elektrodenstrukturen können dann mit einer einzigen zweiten Elektrodenstruktur überlappen. Möglich ist es jedoch auch, im Vielschichtbauelement sowohl mehrere erste Elektrodenstrukturen als auch mehrere zweite Elektrodenstrukturen vorzusehen, wobei die Anzahl von ersten und zweiten E- lektrodenstrukturen nicht übereinstimmend sein muss.
Zur weiteren Minimierung der parasitären Kapazität des Viel- schichtbauelements sind die Anschlussflächen so auf der Unterseite des Grundkörpers verteilt, dass sie einen maximalen Abstand zueinander aufweisen. Dies kann erreicht werden, indem die Anschlussflächen an den Kanten, in den Ecken und/oder in der Mitte der untersten keramischen Schicht vorgesehen sind. Den weitesten Abstand zueinander weisen zwei Anschlussflächen auf, die an zwei sich diagonal gegenüberliegenden Ecken auf der Unterseite angeordnet sind. Eine einfach zugängliche Anschlussfläche auf der Unterseite ist streifenförmig entlang einer Kante der Grundfläche beziehungsweise des Grundkörpers ausgebildet. Diese Anschlussflächen können beispielsweise mittig über Durchkontaktierungen mit einer oder mehreren Elektrodenflächen verbunden sein.
Die Elektrodenflächen unterschiedlicher Elektrodenstrukturen sind vorzugsweise in weit voneinander entfernten Metallisierungsebenen angeordnet. Möglich ist es auch, für jede Elektrodenstruktur nur eine Elektrodenfläche vorzusehen. Sinnvoll ist es dabei, die Elektrodenflächen streifenförmig auszubilden und von z.B. unterschiedlichen Ecken des Grundkörpers ausgehend aufeinander zulaufen zu lassen. Bei symmetrischer Anordnung kann so eine Überlappung in der Mitte (bezogen auf die Grundfläche) des Grundkörpers erhalten werden. Dort ist dann die zumindest eine Durchkontaktierung mit blindem Ende ausgeführt, die von einer Elektrodenstruktur zur entsprechen- - -
den Elektrodenfläche der anderen Elektrodenstruktur weist. Vorteilhaft ist auch die zweite Elektrodenstruktur mit einer Durchkontaktierung mit blindem Ende versehen. Aus Symmetriegründen ist es vorteilhaft, die blinden Enden der Durchkon- taktierungen für beide Elektrodenstrukturen im gleichen Abstand zur dazugehörigen nächstliegenden Elektrodenfläche auszubilden .
Sind mehrere erste Anschlussflächen vorhanden, so ist es vorteilhaft, die zweite Anschlussfläche mittig anzuordnen, die ersten Anschlussflächen dagegen in den Ecken an der Unterseite. Auch hier können die Elektrodenflächen streifenförmig ausgebildet sein und von den über den ersten Anschlussflächen angeordneten Durchkontaktierungen in Richtung Grundkörpermitte verlaufen, wo sie mit entsprechenden der zweiten Elektrodenstruktur zugehörigen Durchkontaktierungen überlappen.
Sind erste und zweite Elektrodenstrukturen jeweils in einer geradzahligen Anzahl vorhanden, so kann eine Überlappung mit zwischen jeweils zwei Elektrodenstrukturen unterschiedlicher Art stattfinden. Diese kann dann in einem von den Anschlussflächen entfernten Bereich des Grundkörpers stattfinden. Das heißt, unterhalb der Durchkontaktierungen mit den blinden Enden sind dann im Stapel keine Anschussflächen vorgesehen.
Das Vielschichtbauelement kann aus einer Varistorkeramik ausgebildet sein, beispielsweise auf der Basis von dotiertem Zinkoxid. Das Vielschichtbauelement stellt dann einen Varistor mit niedriger aber definierter Kapazität dar. Ein solcher Varistor kann vorteilhaft als ESD-Schutzbauelement in Datenleitungen eingesetzt werden, die mit hohen Taktraten bis beispielsweise ein Gigahertz betrieben werden. Die niedrige Kapazität des Varistors, der ja eine Shunt-Leitung darstellt, verhindert, dass das Datensignal über die einen Hochpass bildende parasitäre Kapazität des Varistors gegen Masse abgeleitet wird und dadurch verloren geht.
Das Vielschichtbauelement kann auch aus einem keramischen Material mit negativem oder positivem Temperaturkoeffizienten des Widerstands ausgebildet sein. Auf diese Weise kann es als Thermistor vom PTC- oder NTC-Typ eingesetzt werden.
Der keramische Grundkörper kann neben den Funktionsschichten weitere Schichten umfassen, die beispielsweise die Stabilität des Grundkörpers gewährleisten. Solche Schichten sind dann vorzugsweise als dielektrische Schichten ausgeführt, um keine neuen Strompfade zu generieren. Zusätzliche dielektrische Schichten sind dann auch nicht innerhalb des Strompfades angeordnet, der im Ansprechfall des Bauelements zwischen erster und zweiter Elektrodenstruktur auftritt. Ein solches Ansprechen des Bauelements wird im Varistorfall bei Übersteigen der Varistorspannung zwischen ersten und zweiten Elektrodenstrukturen beziehungsweise bei Übersteigen einer bestimmten Temperatur im PTC-FaIl erreicht.
Im Folgenden wird das Vielschichtbauelement anhand von Ausführungsbeispielen und der dazu gehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen der Veranschaulichung der Erfindung und sind nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Gleiche oder gleichwirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Figur 1 zeigt im schematischen Querschnitt ein Vielschichtbauelement mit zwei Elektrodenstrukturen mit jeweils einer Elektrodenfläche, Figur 2 zeigt im schematischen Querschnitt ein Vielschicht- bauelement mit zwei Elektrodenstrukturen aber insgesamt nur einer Elektrodenfläche,
Figur 3 zeigt ein Vielschichtbauelement im schematischen Querschnitt mit zwei Elektrodenstrukturen und einer Durch- kontaktierung mit einem blinden Ende,
Figur 4 zeigt im schematischen Querschnitt ein Vielschichtbauelement mit zwei ersten Elektrodenstrukturen und einer zweiten Elektrodenstruktur,
Figur 5 zeigt im schematischen Querschnitt ein Vielschichtbauelement mit einer Überlappung von zwei ersten und einer zweiten Elektrodenstruktur,
Figur 6 zeigt in schematischer Draufsicht ein Vielschichtbauelement mit zwei Elektrodenflächen,
Figur 7 zeigt in schematischer Draufsicht ein Bauelement mit fünf Anschlussflächen,
Figur 8 zeigt in der Draufsicht ein Vielschichtbauelement mit fünf Anschlussflächen und drei Elektrodenstrukturen.
Figur 1 zeigt ein einfaches Ausführungsbeispiel eines Viel- schichtbauelements VS im schematischen Querschnitt. Der keramische Grundkörper ist aus fünf keramischen Schichten KS aufgebaut, die in einem Stapel übereinander angeordnet und durch Sintern fest miteinander verbunden sind. Zwischen je zwei Keramikschichten ist eine Metallisierungsebene ME angeordnet, in der Metallisierungen vorgesehen werden können. An der Unterseite des Grundkörpers findet sich eine erste Anschluss- _ -
fläche AFI und eine zweite Anschlussfläche AF2, die jeweils über eine Durchkontaktierung DK mit einer ersten beziehungsweise zweiten Elektrodenfläche EFl, EF2 verbunden sind. Die beiden unterschiedlichen Elektrodenstrukturen angehörenden Elektrodenflächen EFl, EF2 sind in weit voneinander entfernten Metallisierungsebenen MEl, ME4 weitestgehend ohne gegenseitige Überlappung angeordnet. Die beiden Elektrodenstrukturen überlappen nur in einem flächenmäßig eng begrenzten Bereich. Dort sind Durchkontaktierungen DKB mit jeweils einem blinden Ende angeordnet, wobei das blinde Ende in Richtung der jeweils anderen Elektrodenstruktur weist. Die beiden Enden der blinden Durchkontaktierungen DKB sind um die Dicke einer keramischen Schicht KS voneinander beabstandet.
Figur 2 zeigt davon abweichend eine erste Elektrodenstruktur, die mit einer ersten Anschlussfläche AFI verbunden ist und eine Durchkontaktierung DKl und eine erste Elektrodenfläche EFl sowie eine Durchkontaktierung DKBl mit blindem Ende DKB umfasst. Eine zweite Elektrodenstruktur ist mit der zweiten Anschlussfläche AF2 verbunden und umfasst lediglich eine Durchkontaktierung DKB2 mit blindem Ende. Die beiden blinden Enden sind im Stapel übereinander angeordnet und überlappen gegenseitig. Die zweite Elektrodenstruktur weist hier keine Elektrodenfläche auf.
Während in den ersten beiden Figuren der Bereich des kürzesten Abstands zwischen den blinden Enden von Durchkontaktierungen zu finden ist, zeigt die Struktur von Figur 3 eine Möglichkeit, den Bereich des kürzesten Abstandes zwischen erster und zweiter Elektrodenstruktur zwischen dem blinden Ende einer Durchkontaktierung DKBl und einer zweiten Elektrodenfläche EF2 vorzusehen. Auch mit dieser Ausführung gelingt es, erste und zweite Elektrodenflächen in weit voneinander - -
Metallisierungsebenen und damit mit geringst möglicher dazwischen ausgebildeter Kapazität vorzusehen.
Figur 4 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel im schematischen Querschnitt ein Vielschichtbauelement, bei dem mehrere erste Anschlussflächen AFI, AFI' vorgesehen sind, von denen in der Figur zwei abgebildet sind. Eine zweite Anschlussfläche AF2 ist mit einer zweiten Elektrodenstruktur, umfassend eine Durchkontaktierung DK2, eine zweite Elektrodenfläche EF2 und zwei Durchkontaktierungen mit blindem Ende DKB2. Mit den ersten Anschlussflächen AFI ist jeweils eine erste Elektrodenstruktur verbunden, die hier nur je eine Durchkontaktierung DKBl mit blindem Ende umfasst. Diese überlappen mit den entsprechenden blinden Enden der Durchkontaktierungen DKB2 der zweiten Elektrodenstruktur. Die Anordnung von Anschlussflächen und Elektrodenflächen ist vorzugsweise symmetrisch und kann mehr als die beiden dargestellten ersten Elektrodenstrukturen umfassen.
Figur 5 zeigt im schematischen Querschnitt ein weiteres Vielschichtbauelement, bei dem in der Schnittebene zwei erste E- lektrodenstrukturen mit ersten Elektrodenflächen EFl, EFl Λ vorgesehen sind, die in weit voneinander entfernten Metallisierungsebenen angeordnet sind. Beide erste Elektrodenflächen EFl, EFl Λ sind mit je einer Durchkontaktierung DKBl, DKBl' mit blinden Ende versehen, die beide im Stapel übereinander angeordnet sind. Zwischen diesen beiden jeweils einer erster Elektrodenstruktur zugeordneten blinden Enden ist eine zweite Elektrodenfläche EF2 vorgesehen, die in der Figur nur im Schnitt dargestellt ist, da sie quer zur Zeichnungsebene verläuft. Abweichend von der Darstellung kann die zweite Elektrodenfläche ebenfalls Durchkontaktierungen mit blindem Ende aufweisen, die übereinander und vorzugsweise wie dargestellt - -
in der Mitte des Grundkörpers angeordnet sind. Die zweite E- lektrodenflache ist mit zumindest einer, vorzugsweise aber zwei Durchkontaktierungen verbunden (in der Figur nicht dargestellt) , die die zweite Elektrodenfläche mit zweiten Anschlussflächen auf der Unterseite des Vielschichtbauelements verbinden. Auch hier beträgt der Abstand zwischen den Elektrodenflächen unterschiedlicher Elektrodenstrukturen zumindest zwei Keramiklagen, vorzugsweise aber mehr, während der geringste Abstand hin zu den blinden Enden der Durchkontak- tierung auf die Dicke einer Keramikschicht reduziert ist.
Figur 6 zeigt eine mögliche Anordnung von Elektrodenflächen, Anschlussflächen und Durchkontaktierungen in der Draufsicht. Die Ausführung kann im Querschnitt Figur 1 entsprechen. Erste und zweite Elektrodenflächen EFl, EF2 sind über Durchkontaktierungen DK mit ersten und zweiten Anschlussflächen AFI, AF2 auf der Unterseite des Grundkörpers verbunden. Die Elektrodenflächen sind ebenso wie die Anschlussflächen streifenförmig ausgebildet und zeigen nur im Bereich einer zentralen Durchkontaktierung mit blindem Ende DKB eine Überlappung. Die Durchkontaktierungen mit blindem Ende DKB können an einer o- der beiden Elektrodenflächen vorgesehen sein.
Figur 7 zeigt eine Draufsicht auf ein Vielschichtbauelement entsprechend dem in Figur 4 dargestellten Schnitt. In diesem Beispiel sind vier erste Anschlussflächen AFI, AFI', AFl'', AFl''' vorgesehen die über Durchkontaktierungen mit einer ersten Elektrodenfläche EFl verbunden sind. Diese ist in Form zweier sich überkreuzender streifenförmiger Metallisierungen ausgebildet. Eine zweite Anschlussfläche AF2 ist mit einer zweiten Elektrodenstruktur verbunden, die lediglich eine Durchkontaktierung mit blindem Ende DKB umfasst. Diese ist _
mittig angeordnet und bildet mit ihrem blinden Ende den kürzesten Abstand zur ersten Elektrodenstruktur aus.
Figur 8 zeigt in schematischer Draufsicht die Anordnung von Elektrodenstrukturen für ein Ausführungsbeispiel, welches dem in Figur 5 dargestellten Querschnitt entspricht. In dieser Struktur sind zwei erste Anschlussflächen AFI, AFI' vorgesehen, die über Durchkontaktierungen DKl mit einer ersten E- lektrode EFl verbunden sind. Diese ist streifenförmig ausgebildet angeordnet und verbindet diagonal diese beiden Durchkontaktierungen DKl .
Es sind außerdem zwei zweite Anschlussflächen AF2, AF2 ' vorgesehen, die über Durchkontaktierungen DK2 mit je einer zweiten Elektrodenflächen EF2, EF2 ' verbunden sind. Diese sind ebenfalls streifenförmig ausgeführt und reichen von einer E- cke mit der Durchkontaktierung zur Anschlussfläche bis zur Mitte, in der eine Durchkontaktierung DKB mit blindem Ende vorgesehen ist. Die zweiten Elektrodenflächen sind in weit voneinander entfernten Metallisierungsebenen angeordnet, während die erste Elektrodenfläche EFl streifenförmig ausgebildet, in einer mittleren Metallisierungsebene angeordnet und die beiden Enden der zweiten Elektrodenflächen EF2 überlappt.
Die anhand einzelner Figuren dargestellten beziehungsweise in Ausführungsbeispiele beschriebenen Details können auch mit anderen Ausführungsbeispielen kombiniert werden. Des weiteren ist es möglich, jede Elektrodenstruktur mit mehr als einer Elektrodenfläche EF zu versehen, wobei unterschiedliche einer Elektrodenstruktur zugeordnete Elektrodenflächen in unterschiedlichen Metallisierungsebenen angeordnet sein können. Dabei ist es insbesondere möglich, diese weiteren Elektrodenflächen mit geringerer Fläche auszuführen als die Hauptelek- _ _
trodenfläche, die hin zum überlappenden Bereich mit den Durchkontaktierungen mit blindem Ende führt.
In allen vertikalen Überlappungsbereichen zwischen unterschiedlichen Elektrodenstrukturen können an beiden Elektrodenstrukturen Durchkontaktierungen mit blinden Enden vorgesehen sein. Möglich ist es jedoch auch, dass eine Überlappung unterschiedlicher Elektrodenstrukturen nur zwischen einem blinden Ende und einer Elektrodenfläche stattfindet. Es ist auch möglich, wie beispielsweise in Figur 5 dargestellt, mehrfache Überlappungen zwischen mehrfach vorgesehener Elektrodenstrukturen unterschiedlichen oder gleichen Typs in einem einzigen Überlappungsbereich vorzusehen, der der Größe einer Durchkontaktierung entspricht.
Die Elektrodenflächen können streifenförmig und dementsprechend mit geringer Fläche ausgeführt sein, um die Kapazität zu erniedrigen. Es ist jedoch möglich, die Elektrodenflächen mit davon abweichender beliebiger Grundfläche auszubilden um beispielsweise eine großflächige Elektrodenfläche vorzusehen, die sich über den größten Teil einer Metallisierungsebene erstrecken kann. Vorteilhaft sind jedoch stets die streifenförmigen, mit geringer Grundfläche ausgestatteten Elektrodenflächen, wie sie in den Ausführungsbeispielen dargestellt wurden .
Sämtliche dargestellten Strukturen können sowohl für Varistoren als auch für Thermistoren eingesetzt werden. In allen Fällen lassen sie sich mit hoher Genauigkeit herstellen, insbesondere in einem HTCC-Prozess, der nur eine minimale Dimensionsänderung während des Sinterprozesses zur Folge hat und daher strukturgenau arbeitet. Möglich sind jedoch auch andere Keramiktypen mit niedrigem Shrink beim Sintern wie beispiels- _
weise LTCC (Low temperature cofired ceramics) . Über die Strukturgenauigkeit lässt sich auch die Kapazität des Bauelements exakt einstellen. Ebenso exakt sind die minimalen Abstände zwischen unterschiedlichen Elektrodenstrukturen einstellbar, da sie stets der Dicke einer oder mehrerer Keramikschichten entsprechen, die ebenfalls gut reproduzierbar ist. Über diesen Abstand wird bei einen Varistor die Varistorspannung eingestellt. Die Leistungsfähigkeit eines solchen Varistorbauelements ist dann abhängig vom Volumen des keramischen Grundkörpers, der je nach Anforderungen durch größere Grundflächen oder höhere Anzahl von Keramikschichten beliebig anpassbar ist.

Claims

—Patentansprüche
1. Elektrisches Vielschichtbauelement (VS),
- mit einem aus einem Stapel keramischer Schichten (KS) aufgebauten Grundkörper (GK) , mit ersten und zweiten Anschlussflächen (AF) auf der Unterseite des Grundkörpers mit Elektrodenflächen (EF) , die in Metallisierungsebenen (ME) zwischen den keramischen Schichten angeordnet sind, mit Durchkontaktierungen (DK) zwischen unterschiedlichen Metallisierungsebenen, die mit einer Elektrodenfläche o- der einer Anschlussfläche elektrisch verbunden sind, wobei alle mit jeweils einer der Anschlussflächen verbundenen Elektrodenflächen und Durchkontaktierungen eine erste oder zweite Elektrodenstruktur bilden wobei zumindest eine der Elektrodenstrukturen eine Durch- kontaktierung (DKB) mit einem blinden Ende (EB) aufweist, wobei im Stapel der kürzeste Abstand zwischen der ersten und zweiten Elektrodenstruktur der vertikale Abstand des blinden Endes zu einer darüber oder darunter liegenden Metallisierungsebene oder einem blinden Ende der anderen E- lektrodenstruktur ist.
2. Vielschichtbauelement nach Anspruch 1, bei dem erste und zweite Elektrodenstrukturen je eine Durch- kontaktierung (DKB) mit je einem blinden Ende aufweisen, bei dem die beiden blinden Enden im Stapel übereinander angeordnet sind und zueinander weisen.
3. Vielschichtbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Elektrodenflächen (EF) von erster und zweiter E- lektrodenstruktur nur im Bereich der Durchkontaktierung (DKB) mit dem blinden Ende überlappen.
4. Vielschichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zwischen ersten und zweiten Elektrodenflächen
(EFl, EF2) zumindest drei keramische Schichten (KS) angeordnet _
sind, wobei der kürzeste Abstand zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenstruktur der Dicke einer der keramischen Schichten entspricht.
5. Vielschichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem mehrere erste Anschlussflächen (AFI, AFI') und damit verbundene erste Elektrodenstrukturen vorgesehen sind, die galvanisch voneinander getrennt sind und jeweils eine Durch- kontaktierung (DKB) mit einem blinden Ende aufweisen, in deren Bereich eine Überlappung mit der zweiten Elektrodenstruktur stattfindet.
6. Vielschichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Anschlussflächen (AF) so auf der Unterseite des Grundkörpers verteilt sind, dass sie einen maximalen Abstand zueinander aufweisen.
7. Vielschichtbauelement nach Anspruch 6, bei dem eine mittig angeordnete zweite Anschlussfläche (AF2) und mehrere in den Ecken angeordnete erste Anschlussflächen (AFI, AFI', AF 1", AFl''') vorgesehen sind.
8. Vielschichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Durchkontaktierungen (DKB) mit dem blinden Ende bezogen auf die Grundfläche des Stapels mittig angeordnet sind.
9. Vielschichtbauelement nach Anspruch 8, bei dem zwei unterschiedlichen Elektrodenstrukturen angehöri- ge Durchkontaktierungen (DKB) mit blinden Enden vorgesehen sind, in deren Bereich keine Anschlussfläche (AF) angeordnet ist.
10. Vielschichtbauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem in der auf die Grundfläche des Stapels bezogenen Mitte des Grundkörpers zumindest zwei Durchkontaktierungen (DKB) mit blindem Ende vorgesehen sind, bei dem die Elektrodenflächen (EF) streifenförmig ausgebildet sind und von der Mitte der jeweiligen Metallisierungsebene (ME) ausgehend in Richtung einer der Anschlussflächen (AF) weisen .
11. Vielschichtbauelement nach Anspruch 10, bei dem die streifenförmigen Elektrodenflächen (EF) von der Mitte ausgehend in jeweils eine von vier Ecken des mit rechteckiger Grundfläche ausgebildeten Stapels weisen, in denen an der Unterseite je eine Anschlussfläche (AF) vorgesehen ist.
12. Vielschichtbauelement nach Anspruch 10, bei dem genau zwei Anschlussflächen (AF) vorgesehen, die sich einander gegenüber liegend entlang je einer Seitenkante der rechteckigen Unterseite erstrecken.
13. Vielschichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem der Grundkörper aus HTCC Material ausgeführt ist.
14. Vielschichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, ausgebildet als Varistor mit keramischen Schichten (KS) aus Varistorkeramik auf der Basis von Zinkoxid.
15. Vielschichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, ausgebildet als Thermistor mit keramischen Schichten (KS), die einen PTC oder einen NTC Effekt aufweisen.
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