WO2014206650A1 - Verfahren zur herstellung eines vielschicht-varistorbauelements und vielschicht-varistorbauelement - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines vielschicht-varistorbauelements und vielschicht-varistorbauelement Download PDF

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varistor
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Oliver Dernovsek
Jutta KOHOLKA
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Epcos Ag
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Definitions

  • the present invention relates to a method for
  • the present invention further relates to a multilayer varistor device.
  • a problem to be solved is to provide an improved
  • a proposed method comprises providing a base body for a multilayer varistor component, wherein the base body comprises a plurality of internal electrodes.
  • the internal electrodes are preferably within the
  • the Basic body arranged one above the other.
  • the internal electrodes are also suitably electrically separated from each other.
  • the inner electrodes are further arranged and formed such that they overlap at least partially, wherein adjacent inner electrodes from opposite end sides of the base body of are accessible.
  • the end faces preferably describe side surfaces of the main body.
  • the varistor layers are the varistor layers.
  • varistor layers preferably comprise zinc oxide
  • the varistor layers consist of at least 90% zinc oxide.
  • the material of the varistor layers may be doped with bismuth and / or antimony or other additives or dopants.
  • the method further comprises providing the base body with a starting material for a copper electrode layer such that the starting material is directly connected to at least one inner electrode.
  • the starting material is directly connected to at least one inner electrode.
  • the method further comprises thermally treating the starting material under a protective gas atmosphere to form the copper electrode layer.
  • the starting material contains copper.
  • the starting material can furthermore be, for example, carbon or
  • the starting material is exposed to the inert gas atmosphere.
  • the protective gas atmosphere is in particular intended for oxidation of the copper for the copper electrode layer prevent or protect the copper electrode layer from oxidation. Such oxidation can be during operation
  • desired negative electrical properties of the multilayer varistor device negatively influence or destroy, in which the oxygen, which would be exposed to the starting material and / or the material of the body without the protective gas atmosphere, with the starting material and / or
  • the oxygen in the varistor layers can lead to a disproportionation of individual constituents, such as zinc and oxygen, as a result of which the electrical, in particular the semiconducting, properties of the
  • Multi-layer varistor device would be degraded.
  • an electrical contact of the copper electrode layer to the internal electrodes could be affected by the oxidation.
  • the method further comprises completing the
  • the copper electrode layer is
  • the outer electrode can be produced in a particularly cost-effective manner in comparison with other electrode materials, such as, for example, silver, palladium, platinum or gold.
  • the method is - in addition to the starting material - during the thermal Treat also the main body exposed to the inert gas.
  • the main body has a surface passivation, which acts as a diffusion barrier for a diffusion of the protective gas into the main body during the thermal treatment of the starting material.
  • the surface passivation is preferably made of a glass or comprises a glass.
  • the surface passivation is preferably a passivation layer.
  • Manufacture of the multilayer varistor can be exposed, prevented or reduced.
  • the starting material for the copper electrode layer is a
  • the copper-containing paste contains
  • the copper-containing paste is decarburized by thermal treatment or baked in the body. "Decarburization” should mean that by the thermal treatment of carbon from the
  • the copper electrode layer is preferably formed.
  • the main body is provided by means of a screen printing process with the starting material for the copper electrode layer.
  • the starting material can be thermally treated at temperatures between 400 ° C and 600 ° C. In a preferred embodiment of the process, the starting material is thermally treated at temperatures below 570 ° C.
  • the protective gas can diffuse or pass through the surface passivation during thermal treatment via thermal diffusion processes, and thus the electrical properties of the
  • Multi-layer varistor component destroyed or impaired.
  • the starting material is at temperatures above 400 ° C.
  • the protective gas comprises nitrogen or a noble gas.
  • the protective gas consists of nitrogen or a noble gas.
  • this configuration may suitably be an inert gas for the inert gas for
  • the protective gas atmosphere has an oxygen content of less than 300 ppm ("ppm" in English for "parts per million").
  • At least one further electrode layer is deposited on the copper electrode layer after the thermal treatment in order to form an outer electrode of the multilayer varistor component together with the copper electrode layer.
  • the at least one further electrode layer is electrochemically by means of
  • Electrode layers on the copper electrode layer are Electrode layers on the copper electrode layer
  • Copper electrode layer as a further electrode layer, a nickel layer or a nickel-containing layer
  • the further electrode layer is preferably such that advantageously a diffusion of
  • the multilayer varistor component can advantageously be designed to be solderable and / or surface mountable. It continues to be a multilayer varistor device
  • the multilayer varistor device comprises an outer electrode forming an area with a
  • Copper electrode layer is electrically conductively connected directly to a plurality of internal electrodes of the multilayer varistor device.
  • Copper electrode layer can be the outer electrode of the
  • Multilayer varistor device and / or the multilayer varistor device are designed in particular cost.
  • the multilayer varistor component can preferably be produced by means of the method described above or
  • the multilayer varistor component has a surface passivation, which in a region in which the copper electrode layer is directly electrically conductively connected to the internal electrodes, is interrupted.
  • Copper electrode layer allows.
  • a varistor current of the multilayer varistor component and a varistor current of the comparative component differ by 20% or less under otherwise identical conditions.
  • the multilayer varistor component can advantageously be designed such that it is as good as the one
  • the percentage values of the mentioned deviations can, for example, be based on the respective higher value of the
  • the outer electrode has an area comprising, for example, a nickel layer on.
  • the area can serve as a diffusion barrier for outdoor material.
  • the outer electrode has a, for example, a tin layer comprehensive
  • Multilayer varistor component in particular by means of
  • Tin layer solderable to be electrically connected to a circuit board or other electrical components in an application of the multilayer varistor device solderable to be electrically connected to a circuit board or other electrical components in an application of the multilayer varistor device.
  • the multilayer varistor device is surface mountable.
  • the multilayer varistor component is again space-saving, for example, on a printed circuit board and / or can be used.
  • the multilayer varistor component is designed such that the
  • Reliability test can be an ESD test ("ESD” for “electrostatic discharge” in English “electrostatic discharge”)
  • the reliability test may preferably be a charging or a pulsed electrical load of the multilayer varistor device with short
  • Voltage pulses include. Further advantages, advantageous embodiments and advantages of the invention will become apparent from the following description of the embodiments in conjunction with the figures.
  • FIG. 1 shows a perspective, schematic representation of at least one part of a multilayer varistor component.
  • FIG. 2 shows a schematic view or side view of at least one part of the multilayer varistor component.
  • Figure 3 shows a table with electrical parameters of the multilayer varistor device and a
  • FIG. 4 shows a voltage-current characteristic of the multilayer varistor component and a comparison component.
  • FIG. 5 shows results of an ESD test of the multilayer varistor component and a comparison component.
  • FIGS. 6A and 6B show the long-term behavior of leakage currents of the comparative component (FIG. 6A) and of the multilayer varistor component (FIG. 6B).
  • the same, similar and equally acting elements are provided in the figures with the same reference numerals.
  • the figures and the proportions of the elements shown in the figures with each other are not to scale
  • FIG. 1 shows an incomplete representation of a multilayer varistor component 100 for illustrative purposes.
  • the multilayer varistor component is preferably used as overvoltage protection, for example of semiconductor components and / or integrated circuits, against short-time overvoltages (typically up to 8 kV). Such overvoltages can be caused for example by friction electricity.
  • the multilayer varistor device 100 has a
  • the base body 1 preferably comprises varistor layers 9.
  • the varistor layers are made
  • the varistor layers 9 preferably have bismuth and / or antimony additives and / or are doped with these materials.
  • Varistor element preferably consists of a
  • dopants are preferably for the high electrical resistance or the
  • Varistor layers 9 are preferably sintered.
  • the main body 1 furthermore has an end face 7 and an end face 8 opposite the end face 7.
  • the main body 1 further comprises internal electrodes 3.
  • the inner electrodes 3 are preferably within the
  • Internal electrodes 3 are arranged one above the other and
  • the Internal electrodes 3 are accessible from the end faces 7, 8, to which they are respectively arranged.
  • adjacent internal electrodes at least partially overlap to form an electrically active region thereof during operation of the multilayer varistor device 100.
  • the varistor layers 9 are arranged.
  • the multilayer varistor component 100 furthermore has a copper electrode layer 4.
  • the copper electrode layer 4 is on the front side 7 directly mechanically and electrically conductive with the accessible from the front side 7 from
  • the copper electrode layer 4 further preferably has less than 0.1 atomic percent oxygen.
  • the main body 1 is preferably by a
  • Copper electrode layer 4 has been provided.
  • the starting material for the copper electrode layer 4 is preferably a copper-containing paste, which in addition to copper may further contain carbon and solvent.
  • the copper-containing paste is decarburized during a thermal treatment of the starting material or in the
  • the main body 1 is preferably in a
  • the copper electrode layer 4 is preferably formed by the thermal treatment of the starting material for the Copper electrode layer 4 is formed.
  • the thermal treatment is under conditions of a protective gas atmosphere
  • the shielding gas is preferably nitrogen or a noble gas or comprises at least one of these substances as the main constituent.
  • the protective gas atmosphere preferably has an oxygen content of less than 300 ppm.
  • the base body 1 is provided with a surface passivation 2 or coated.
  • the surface passivation 2 is provided, in particular, in front of the main body 1 or the varistor layers 9 and the inner electrodes 3
  • the surface passivation 2 preferably also acts as a diffusion barrier for diffusion of the
  • Copper electrode layer 4 The surface passivation 2 is preferably in areas where the
  • Copper electrode layer 4 is directly electrically conductively connected to the internal electrodes 3, interrupted.
  • Surface passivation is preferably one
  • Passivation layer with a layer thickness between 1 ym and 2 ym.
  • the surface passivation 2 is preferably made of glass or comprises glass.
  • a further electrode layer 5 is arranged or deposited.
  • an outer electrode layer 6 is provided arranged or deposited.
  • the outer electrode layer 6 preferably comprises tin or is tin.
  • the further electrode layer 5 is preferably one
  • the further electrode layer 5 preferably comprises nickel or consists of nickel.
  • the further electrode layer 5 is preferably such that it comprises the main body 1 and / or the
  • Tin or solutions used for an electrolytic tin deposition, to which the multilayer varistor component is exposed during its manufacture or during its operation, are usually particularly corrosive and / or diffusive and can thereby damage the varistor layers 9.
  • the further electrode layer 5 and the outer electrode layer 6 do not extend completely over the copper electrode layer 4.
  • Electrode layer 6 are preferably deposited electrolytically by means of galvanic processes.
  • the copper electrode layer 4, the further electrode layer 5 and the outer electrode layer 6 preferably form an outer electrode 10 of the multilayer varistor component 100.
  • the copper electrode layer 4 may be over a
  • the further electrode layer may be over a
  • the outer electrode layer may extend over an outer region of the outer electrode 10.
  • FIG. 2 schematically shows an elevation or side view of the multilayer varistor component 100. It can be seen that the copper electrode layer 4 is arranged on the end faces 7 and 8 of the multilayer varistor component 100.
  • Figure 3 shows a table with electrical parameters of the multilayer varistor device with a
  • Silver electrode layer (Ag) is replaced.
  • Varistor voltage U v is the voltage that drops across the varistor when a current of 1 milliamperes (mA) flows through the varistor.
  • the varistor voltage is 103.1 V.
  • the varistor voltage is 99, 87 V.
  • the varistor current or varistor leakage current I s is the current which flows through the device at a predetermined voltage applied to the device. It can be seen from the values shown that varistor voltage as well as varistor current, for example of the comparison component, are within a deviation of 10% of the respective values of the multilayer varistor component.
  • Copper electrode layers are also indicated.
  • FIG. 4 shows a voltage-current characteristic of the multilayer varistor component and a comparison component. The differences in the characteristics arise due to the slightly different varistor voltages or by the differences caused by the burning of the
  • Figure 5 shows results of an ESD test of the multilayer varistor device and a comparative device in which the copper electrode layer is replaced by a silver electrode layer as described above. In particular, overvoltages are simmulated in the ESD test.
  • the corresponding electrical contacts of the ESD test in the present case each have an electrical capacitance of 150 picofarads (pF) and an electrical resistance of 330 ohms. It can be seen in the diagram in FIG. 5 that the change in the
  • Varistor voltage of the multilayer varistor device (Cu) compared to an initial value even after the simulation is less than 10%, while the varistor voltage of the comparative device (Ag) analog even changes by much less than 5%.
  • Multilayer varistor device adjust the described varistor voltage changes by the ESD test satisfactory result.
  • "+” and “-” in Figure 5 indicate the positive and negative current direction, respectively.
  • FIGS. 6A and 6B show results of a stabilization test in which the long-term behavior of the varistor current of the
  • Comparative component ( Figure 6A) and the multilayer varistor device ( Figure 6B) has been tested.
  • the test provides information about the lifetime of the respective component.
  • the components were at 125 ° C over a period of 1000 hours with a voltage of

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Vielschicht-Varistorbauelements (100) angegeben. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Grundkörpers (1) für das Vielschicht-Varistorbauelement (100), wobei der Grundkörper (1) eine Mehrzahl von Innenelektroden (3) umfasst. Das Verfahren umfasst weiterhin das Versehen des Grundkörpers (1) mit einem Ausgangsmaterial für eine Kupferelektrodenschicht (4) derart, dass das Ausgangsmaterial direkt mit mindestens einer Innenelektrode (3) verbunden ist sowie das thermische Behandeln des Ausgangsmaterials unter einer Schutzgasatmosphäre, um die Kupferelektrodenschicht (4) zu bilden. Außerdem wird ein Vielschicht-Varistorbauelement (100) angegeben.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines Vielschicht- Varistorbauelements und Vielschicht-Varistorbauelement
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Herstellung eines Vielschicht-Varistorbauelements. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Vielschicht- Varistorbauelement .
Eine zu lösende Aufgabe ist es, ein verbessertes,
insbesondere kostengünstiges Vielschicht-Varistorbauelement anzugeben, beziehungsweise ein Verfahren zu dessen
Herstellung .
Die Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch das Vielschicht- Varistorbauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ein vorgeschlagenes Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Grundkörpers für ein Vielschicht-Varistorbauelement, wobei der Grundkörper eine Mehrzahl von Innenelektroden umfasst. Die Innenelektroden sind vorzugsweise innerhalb des
Grundkörpers übereinander angeordnet. Die Innenelektroden sind weiterhin zweckmäßiderweise elektrisch voneinander getrennt . Vorzugsweise sind die Innenelektroden weiterhin derart übereinander angeordnet und ausgebildet, dass diese zumindest teilweise überlappen, wobei benachbarte Innenelektroden von gegenüberliegenden Stirnseiten des Grundkörpers aus zugänglich sind. Die Stirnseiten beschreiben vorzugsweise Seitenflächen des Grundkörpers. Weiterhin umfasst der
Grundkörper zwischen den Innenelektroden angeordnete
Varistorschichten. Die Varistorschichten sind
zweckmäßigerweise elektrisch isolierend oder halbleitend. Die Varistorschichten umfassen vorzugsweise Zinkoxid,
insbesondere polykristallines Zinkoxid. Vorzugsweise bestehen die Varistorschichten mindestens zu 90 % aus Zinkoxid. Das Material der Varistorschichten kann mit Wismuth und/oder Antimon oder weiteren Zusätzen oder Dotierstoffen dotiert sein .
Das Verfahren umfasst weiterhin das Versehen des Grundkörpers mit einem Ausgangsmaterial für eine Kupferelektrodenschicht derart, dass das Ausgangsmaterial direkt mit mindestens einer Innenelektrode verbunden ist. Vorzugsweise wird der
Grundkörper lediglich in dem Bereich der Stirnseiten mit dem Ausgangsmaterial versehen. Bevorzugt wird das
Ausgangsmaterial an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten des Grundkörpers derart mit den Innenelektroden verbunden, dass es mit allen von einer Stirnseite des Grundkörpers aus zugänglichen Innenelektroden in direktem mechanischen Kontakt steht . Das Verfahren umfasst weiterhin das thermische Behandeln des Ausgangsmaterials unter einer Schutzgasatmosphäre, um die Kupferelektrodenschicht zu bilden. Zu diesem Zweck enthält das Ausgangsmaterial Kupfer. Das Ausgangsmaterial kann weiterhin beispielsweise Kohlenstoff oder
KohlenstoffVerbindungen enthalten. Mit anderen Worten wird das Ausgangsmaterial der Schutzgasatmosphäre ausgesetzt. Die Schutzgasatmosphäre ist insbesondere dafür vorgesehen, eine Oxidation des Kupfers für die Kupferelektrodenschicht zu verhindern oder die Kupferelektrodenschicht vor Oxidation zu schützen. Eine solche Oxidation kann die im Betrieb
gewünschten elektrischen Eigenschaften des Vielschicht- Varistorbauelements negativ beeinflussen oder zerstören, in dem der Sauerstoff, welchem das Ausgangsmaterial und/oder das Material des Grundkörpers ohne die Schutzgasatmosphäre ausgesetzt wäre, mit dem Ausgangsmaterial und/oder dem
Material des Grundkörpers reagiert. Im Speziellen kann der Sauerstoff in den Varistorschichten zu einer Disproportionierung einzelner Bestandteile, wie des Zinks und des Sauerstoffs führen, wodurch die elektrischen, insbesondere die halbleitenden, Eigenschaften des
Vielschicht-Varistorbauelements verschlechtert würden.
Außerdem könnte beispielsweise ein elektrischer Kontakt der Kupferelektrodenschicht zu den Innenelektroden durch die Oxidation beinträchtigt werden.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Fertigstellen des
Vielschicht-Varistorbauelements .
Durch das vorgestellte Verfahren kann mit Vorteil ein
besonders kostengünstiges Vielschicht-Varistorbauelement hergestellt werden. Die Kupferelektrodenschicht ist
vorzugsweise Teil einer Außenelektrode des Vielschicht- Varistorbauelements. Durch den Einsatz von Kupfer kann die Außenelektrode im Vergleich zu anderen Elektrodenmaterialien, wie beispielsweise Silber, Palladium, Platin oder Gold, besonders kostengünstig hergestellt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird - neben dem Ausgangsmaterial - während des thermischen Behandeins ebenfalls der Grundkörper dem Schutzgas ausgesetzt .
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Grundkörper eine Oberflächenpassivierung auf, welche während des thermischen Behandeins des Ausgangsmaterials als Diffusionsbarriere für eine Diffusion des Schutzgases in den Grundkörper fungiert. Die Oberflächenpassivierung ist vorzugsweise aus einem Glas oder umfasst ein Glas. Die Oberflächenpassivierung ist vorzugsweise eine Passivierungsschicht . Durch die Vorsehung der Oberflächenpassivierung kann neben einer Diffusion des Schutzgases in den Grundkörper auch eine Diffusion oder Korrosion des Grundkörpers durch andere, beispielsweise korrosive, Stoffe, welchen der Grundkörper bei der
Herstellung des Vielschicht-Varistorbauelements ausgesetzt sein kann, verhindert oder verringert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist das Ausgangsmaterial für die Kupferelektrodenschicht eine
kupferhaltige Paste. Die kupferhaltige Paste enthält
vorzugsweise Kohlenstoffzusätze . Die kupferhaltige Paste wird durch das thermische Behandeln entkohlt beziehungsweise in den Grundkörper eingebrannt. „Entkohlen" soll bedeuten, dass durch das thermische Behandeln Kohlenstoff aus dem
Ausgangsmaterial ausgetrieben wird.
Durch das thermische Behandeln der kupferhaltigen Paste beziehungsweise das Einbrennen dieser in den Grundkörper, wird vorzugsweise die Kupferelektrodenschicht gebildet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Grundkörper mittels eines Siebdruckverfahrens mit dem Ausgangsmaterial für die Kupferelektrodenschicht versehen. Durch das Entkohlen und/oder durch das Einbrennen des
Ausgangsmaterials in oder an den Grundkörper wird
vorzugsweise ein elektrischer Kontakt zwischen den
Innenelektroden und der Kupferelektrodenschicht hergestellt.
Das Ausgangsmaterial kann bei Temperaturen zwischen 400° C und 600° C thermisch behandelt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird das Ausgangsmaterial bei Temperaturen unterhalb von 570° C thermisch behandelt. Durch diese Ausgestaltung kann
insbesondere verhindert werden, dass das Schutzgas während des thermischen Behandeins über thermische Diffusionsprozesse durch die Oberflächenpassivierung diffundieren oder gelangen kann, und somit die elektrischen Eigenschaften des
Vielschicht-Varistorbauelements zerstört oder beeinträchtigt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird das Ausgangsmaterial bei Temperaturen oberhalb von 400° C
thermisch behandelt. Durch diese Ausgestaltung kann
gewährleistet werden, dass ausreichende Temperaturen für das Entkohlen oder das Einbrennen des Ausgangsmaterials zur
Verfügung stehen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens weist das Schutzgas Stickstoff oder ein Edelgas auf. Vorzugsweise besteht zumindest ein überwiegender Teil des Schutzgases aus Stickstoff oder einem Edelgas. Durch diese Ausgestaltung kann zweckmäßigerweise ein Inertgas für das Schutzgas zur
Verfügung gestellt werden, wodurch eine Reaktion,
beispielsweise Oxidation, des Ausgangsmaterials für die
Kupferelektrodenschicht verhindert werden kann. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens weist die Schutzgasatmosphäre einen Sauerstoffanteil von weniger als 300 ppm ("ppm" englisch für "parts per million"; deutsch für "Teile pro Million") auf. Durch diese Ausgestaltung kann mit Vorteil eine signifikante Oxidation des Ausgangsmaterials für die Kupferelektrodenschicht während des thermischen
Behandeins verhindert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird auf der Kupferelektrodenschicht nach dem thermischen Behandeln mindestens eine weitere Elektrodenschicht abgeschieden, um zusammen mit der Kupferelektrodenschicht eine Außenelektrode des Vielschicht-Varistorbauelements zu bilden. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die mindestens eine weitere Elektrodenschicht elektrochemisch mittels
galvanischer Prozesse abgeschieden.
Vorzugsweise werden dabei mindestens zwei weitere
Elektrodenschichten auf der Kupferelektrodenschicht
abgeschieden, um mit der Kupferelektrodenschicht die
Außenelektrode zu bilden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird auf der
Kupferelektrodenschicht als weitere Elektrodenschicht eine Nickel-Schicht oder eine Nickel enthaltende Schicht
abgeschieden. Die weitere Elektrodenschicht ist vorzugsweise derart beschaffen, dass mit Vorteil eine Diffusion von
Material einer zusätzlichen, beispielsweise äußeren, auf der weiteren Elektrodenschicht abgeschiedenen Elektrodenschicht in die Kupferelektrodenschicht verhindert wird. Mit anderen Worten kann die weitere Elektrodenschicht als
Diffusionsbarriere für Material einer auf dieser abgeschiedenen äußeren Elektrodenschicht, beispielsweise im Betrieb des Vielschicht-Varistorbauelements, fungieren.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird auf der weiteren Elektrodenschicht als äußere Elektrodenschicht eine Zinn- Schicht abgeschieden. Durch diese Ausgestaltung kann das Vielschicht-Varistorbauelement vorteilhafterweise lötbar und/oder oberflächenmontierbar ausgeführt werden. Es wird weiterhin ein Vielschicht-Varistorbauelement
angegeben. Das Vielschicht-Varistorbauelement umfasst eine Außenelektrode, die einen Bereich mit einer
Kupferelektrodenschicht aufweist, wobei die
Kupferelektrodenschicht direkt elektrisch leitfähig mit einer Mehrzahl von Innenelektroden des Vielschicht- Varistorbauelements verbunden ist. Die
Kupferelektrodenschicht weist weniger als 0,1 Atomprozente Sauerstoff auf. Durch die Vorsehung der
Kupferelektrodenschicht kann die Außenelektrode des
Vielschicht-Varistorbauelements und/oder das Vielschicht- Varistorbauelement insbesondere kostengünstig ausgestaltet werden .
Das Vielschicht-Varistorbauelement ist vorzugsweise mittels des oben beschriebenen Verfahrens herstellbar oder
hergestellt. Insbesondere können sich sämtliche für das Vielschicht-Varistorbauelement offenbarte Merkmale auch auf das Verfahren beziehen und umgekehrt. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Vielschicht- Varistorbauelement eine Oberflächenpassivierung auf, die in einem Bereich, in dem die Kupferelektrodenschicht direkt elektrisch leitfähig mit den Innenelektroden verbunden ist, unterbrochen ist. Durch diese Ausgestaltung wird eine
elektrische Verbindung der Innenelektroden mit der
Kupferelektrodenschicht ermöglicht . In einer bevorzugten Ausgestaltung weichen die
Varistorspannungen des Vielschicht-Varistorbauelements und eines Vergleichsbauelements, bei dem die
Kupferelektrodenschicht durch eine Silberelektrodenschicht ersetzt ist, um 10 % oder weniger voneinander ab. Durch diese Ausgestaltung kann das Vielschicht-Varistorbauelement
vorteilhafterweise derart ausgeführt werden, dass es sich, ähnlich gut wie das Vergleichsbauelement, dessen Herstellung durch den Einsatz von Silber deutlich kostenintensiver herzustellen ist, bezüglich seiner elektrischen
beziehungsweise Varistoreigenschaften für eine spezifischen Anwendung eignet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weichen ein Varistorstrom des Vielschicht-Varistorbauelements und ein Varistorstrom des Vergleichsbauelements unter sonst gleichen Bedingungen um 20% oder weniger voneinander ab. Durch diese Ausgestaltung kann das Vielschicht-Varistorbauelement vorteilhafterweise derart ausgeführt werden, dass es sich ähnlich gut wie das
Vergleichsbauelement bezüglich seiner elektrischen
beziehungsweise Varistoreigenschaften für eine spezifische Anwendung eignet.
Die prozentuale Werte der genannten Abweichungen können sich beispielsweise auf den jeweils höheren Wert der
Varistorspannungen beziehungsweise Varistorströme beziehen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Außenelektrode einen, beispielsweise eine Nickelschicht umfassenden, Bereich auf. Mit Hilfe des genannten Bereichs kann mit Vorteil beispielsweise eine Diffusion vom Material eines
Außenbereichs der Außenelektrode in den Bereich durch die Nickelschicht verhindert werden. Mit anderen Worten kann der Bereich als Diffusionsbarriere für Material des Außenbereichs dienen .
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Außenelektrode einen, beispielsweise eine Zinnschicht umfassenden
Außenbereich auf. Durch diese Ausgestaltung kann das
Vielschicht-Varistorbauelement insbesondere mittels der
Zinnschicht lötbar mit einer Leiterplatte oder weiteren elektrischen Komponenten in einer Anwendung des Vielschicht- Varistorbauelements elektrisch verbunden werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Vielschicht- Varistorbauelement oberflächenmontierbar ausgebildet. Durch diese Ausgestaltung ist das Vielschicht-Varistorbauelement wiederum platzsparend, beispielsweise auf einer Leiterplatte anorden- und/oder einsetzbar.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Vielschicht- Varistorbauelement derart ausgebildet, dass sich die
Varistorspannung unter Bedingungen eines für eine Anwendung des Vielschicht-Varistorbauelements zweckmäßigen
Zuverlässigkeitstests, beispielsweise für elektrostatische Entladungen um weniger als 10 % ändert. Der
Zuverlässigkeitstest kann ein ESD-Test ("ESD" englisch für "electrostatic discharge"; zu deutsch "elektrostatische
Entladung") sein. Der Zuverlässigkeitstest kann vorzugsweise eine Beaufschlagung beziehungsweise eine gepulste elektrische Last des Vielschicht-Varistorbauelements mit kurzen
Spannungspulsen, umfassen. Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren .
Figur 1 zeigt eine perspektivische, schematische Darstellung zumindest eines Teils eines Vielschicht-Varistorbauelements.
Figur 2 zeigt eine schematische Auf- oder Seitenansicht zumindest eines Teils des Vielschicht-Varistorbauelements.
Figur 3 zeigt eine Tabelle mit elektrischen Parametern des Vielschicht-Varistorbauelements und eines
Vergleichsbauelements .
Figur 4 zeigt eine Spannungs-Stromkennlinie des Vielschicht- Varistorbauelements und eines Vergleichsbauelements.
Figur 5 zeigt Ergebnisse eines ESD-Tests des Vielschicht- Varistorbauelements und eines Vergleichsbauelements.
Figur 6A und 6B zeigen Langzeitverhalten von Leckstromen des Vergleichsbauelements (Figur 6A) und des Vielschicht- Varistorbauelements (Figur 6B) . Gleiche, gleichartige und gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu
betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein. Figur 1 zeigt eine der beseeren Darstellbarkeit halber unvollständige Darstellung eines Vielschicht- Varistorbauelements 100. Das Vielschicht-Varistorbauelements wird vorzugsweise als Überspannungsschutz, beispielsweise von Halbleiterbauteilen und/oder integrierten Schaltkreisen, gegen kurzzeitige Überspannungen (typischerweise bis 8 kV) angewendet. Solche Überspannungen können beispielsweise durch Reibungselektrizität hervorgerufen werden. Das Vielschicht-Varistorbauelement 100 weist einen
Grundkörper 1 auf. Der Grundkörper 1 umfasst vorzugsweise Varistorschichten 9. Die Varistorschichten bestehen
vorzugsweise hauptsächlich aus, insbesondere
polykristallinem, Zinkoxid. Die Varistorschichten 9 weisen vorzugsweise Wismuth- und/oder Antimonzusätze auf und/oder sind mit diesen Materialien dotiert. Ein einzelnes
Varistorelement besteht dabei vorzugsweise aus einem
kristallinen Zinkoxidkorn. Die genannten Zusätze
beziehungsweise Dotierstoffe sind dabei vorzugsweise für den hohen elektrischen Widerstand beziehungsweise die
Sperrschicht an der Korngrenze verantwortlich. Die
Varistorschichten 9 sind vorzugsweise gesintert.
Der Grundkörper 1 weist weiterhin eine Stirnseite 7 und eine der Stirnseite 7 gegenüberliegende Stirnseite 8 auf.
Der Grundkörper 1 weist weiterhin Innenelektroden 3 auf. Die Innenelektroden 3 sind vorzugsweise innerhalb des
Grundkörpers 1 angeordnet. Vorzugsweise sind die
Innenelektroden 3 derart übereinander angeordnet und
ausgebildet, dass diese elektrisch voneinander getrennt sind und überlappen, wobei benachbarte Innenelektroden an
gegenüberliegenden Stirnseiten 7, 8 angeordnet sind. Die Innenelektroden 3 sind von den Stirnseiten 7, 8, an denen sie jeweils angeordnet sind, zugänglich. Vorzugsweise überlappen benachbarte Innenelektroden zumindest teilweise, um einem im Betrieb des Vielschicht-Varistorbauelements 100 elektrisch aktiven Bereich desselben zu bilden. Zwischen den
Innenelektroden 3 sind die Varistorschichten 9 angeordnet.
Das Vielschicht-Varistorbauelement 100 weist weiterhin eine Kupferelektrodenschicht 4 auf. Die Kupferelektrodenschicht 4 ist an der Stirnseite 7 direkt mechanisch und elektrisch leitfähig mit den von der Stirnseite 7 aus zugänglichen
Innenelektroden 3 verbunden. Die Kupferelektrodenschicht 4 weist weiterhin vorzugsweise weniger als 0,1 Atomprozente Sauerstoff auf.
Der Grundkörper 1 ist vorzugsweise durch ein
Siebdruckverfahren mit einem Ausgangsmaterial für die
Kupferelektrodenschicht 4 versehen worden. Das
Ausgangsmaterial für die Kupferelektrodenschicht 4 ist vorzugsweise eine kupferhaltige Paste, welche neben Kupfer weiterhin Kohlenstoff und Lösungsmittel enthalten kann. Die kupferhaltige Paste wird während einer thermischen Behandlung des Ausgangsmaterials entkohlt beziehungsweise in den
Grundkörper 1 eingebrannt. Weiterhin können durch die
thermische Behandlung die Lösungsmittel oder Reste davon verdampft werden.
Der Grundkörper 1 wird vorzugsweise in einem
Temperaturbereich zwischen 400° C und 570° C thermisch behandelt.
Die Kupferelektrodenschicht 4 wird vorzugsweise durch die thermische Behandlung des Ausgangsmaterials für die Kupferelektrodenschicht 4 gebildet. Die thermische Behandlung wird unter Bedingungen einer Schutzgasatmosphäre
durchgeführt. Das Schutzgas ist vorzugsweise Stickstoff oder ein Edelgas oder umfasst mindestens einen dieser Stoffe als Hauptbestandteil. Vorzugsweise weist die Schutzgasatmosphäre einen Sauerstoffanteil von weniger als 300 ppm auf.
Der Grundkörper 1 ist mit einer Oberflächenpassivierung 2 versehen oder beschichtet. Die Oberflächenpassivierung 2 ist insbesondere vorgesehen, um den Grundkörper 1 beziehungsweise die Varistorschichten 9 und die Innenelektroden 3 vor
korrosiven Stoffen, welche beispielsweise bei galvanischen Prozessen während der Herstellung des Vielschicht- Varistorbauelements auf den Grundkörper 1 einwirken, zu schützen. Die Oberflächenpassivierung 2 fungiert vorzugsweise ebenfalls als Diffusionsbarriere für eine Diffusion des
Schutzgases in dem Grundkörper 1 während des Entkohlens oder des Einbrennens des Ausgangsmaterials für die
Kupferelektrodenschicht 4. Die Oberflächenpassivierung 2 ist vorzugsweise in Bereichen, in denen die
Kupferelektrodenschicht 4 direkt elektrisch leitfähig mit den Innenelektroden 3 verbunden ist, unterbrochen. Die
Oberflächenpassivierung ist vorzugsweise eine
Passivierungsschicht mit einer Schichtdicke zwischen 1 ym und 2 ym. Die Oberflächenpassivierung 2 ist vorzugsweise aus Glas oder umfasst Glas.
Auf der Kupferelektrodenschicht 4 ist gemäß Figur 1 zumindest teilweise eine weitere Elektrodenschicht 5 angeordnet oder abgeschieden.
Auf der weiteren Elektrodenschicht 5 ist gemäß Figur 1 zumindest teilweise eine äußere Elektrodenschicht 6 angeordnet oder abgeschieden. Die äußere Elektrodenschicht 6 weist vorzugsweise Zinn auf oder besteht aus Zinn.
Die weitere Elektrodenschicht 5 ist vorzugsweise eine
Barriereschicht. Die weitere Elektrodenschicht 5 weist vorzugsweise Nickel auf oder besteht aus Nickel.
Die weitere Elektrodenschicht 5 ist vorzugsweise derart beschaffen, dass sie den Grundkörper 1 und/oder die
Kupferelektrodenschicht 4 gegen eine Diffusion von Zinn in den Grundkörper 1, schützt. Zinn beziehungsweise für eine elektrolytische Zinnabscheidung herangezogene Lösungen, welchen das Vielschicht-Varistorbauelement während seiner Herstellung oder während seines Betriebs ausgesetzt ist, sind üblicherweise besonders korrosiv und/oder diffusiv und können dadurch die Varistorschichten 9 beschädigen.
Lediglich der besseren Darstellung halber erstrecken sich die weitere Elektrodenschicht 5 und die äußere Elektrodenschicht 6 nicht vollständig über die Kupferelektrodenschicht 4.
Die weitere Elektrodenschicht 5 und die äußere
Elektrodenschicht 6 werden vorzugsweise elektrolytisch mittels galvanischer Prozesse abgeschieden. Die Kupferelektrodenschicht 4, die weitere Elektrodenschicht 5 und die äußere Elektrodenschicht 6 bilden vorzugsweise eine Außenelektrode 10 des Vielschicht-Varistorbauelements 100.
Obwohl dies nicht explizit dargestellt ist, ist der
Grundkörper 1 analog zu der Stirnseite 7 zweckmäßigerweise ebenfalls an der Stirnseite 8 mit einer weiteren
Außenelektrode 10 versehen. Die Kupferelektrodenschicht 4 kann sich über einen,
insbesondere inneren, Bereich der Außenelektrode 10
erstrecken . Die weitere Elektrodenschicht kann sich über einen,
insbesondere mittleren, Bereich der Außenelektrode 10
erstrecken .
Die äußere Elektrodenschicht kann sich über einen äußeren Bereich der Außenelektrode 10 erstrecken.
Figur 2 zeigt schematisch eine Auf- oder Seitenansicht des Vielschicht-Varistorbauelements 100. Es ist zu erkennen, dass die Kupferelektrodenschicht 4 an den Stirnseiten 7 und 8 des Vielschicht-Varistorbauelements 100 angeordnet ist.
Figur 3 zeigt eine Tabelle mit elektrischen Parametern des Vielschicht-Varistorbauelements mit einer
Kupferelektrodenschicht (Cu) und eines Vergleichsbauelements, bei dem die Kupferelektrodenschicht durch eine
Silberelektrodenschicht (Ag) ersetzt ist. Die
Varistorspannung Uv ist diejenige Spannung, die über dem Varistor abfällt, wenn ein Strom von 1 Milliampere (mA) durch den Varistor hindurchfließt. Für das Vielschicht- Varistorbauelements beträgt die Varistorspannung 103,1 V. Für das Vergleichsbauelement beträgt die Varistorspannung 99, 87 V. Der Varistorstrom beziehungweise Varistorleckstrom Is ist der Strom, welcher bei einer vorgegebenen, an das Bauelement angelegten Spannung, durch das Bauelement fließt. Anhand der gezeigten Werte ist zu erkennen, dass Varistorspannung als auch Varistorstrom beispielsweise des Vergleichsbauelements innerhalb einer Abweichung von 10 % der jeweiligen Werte des Vielschicht-Varistorbauelements liegen. Die elektrischen Kapazitäten, der Silber- beziehungsweise
Kupferelektrodenschichten sind ebenfalls angegeben.
Figur 4 zeigt eine Spannungs-Stromkennlinie des Vielschicht- Varistorbauelements und eines Vergleichsbauelements. Die Unterschiede in den Kennlinien ergeben sich aufgrund der leicht unterschiedlichen Varistorspannungen beziehungsweise durch die Unterschiede, die durch das Einbrennen der
Kupferelektrodenschicht einerseits und das Einbrennen der Silberelektrodenschicht (bei dem Vergleichsbauelement) andererseits, resultieren.
Figur 5 zeigt Ergebnisse eines ESD-Tests des Vielschicht- Varistorbauelements und eines Vergleichsbauelements, bei dem die Kupferelektrodenschicht, wie oben beschrieben, durch eine Silberelektrodenschicht ersetzt ist. Bei dem ESD-Test werden insbesondere Überspannungen simmuliert.
Vorliegend wurden bei dem ESD-Test zehn Spannungspulse ä 8 Kilovolt (kV) mittels galvanischem Kontakt an das
Vielschicht-Varistorbauelement angelegt. Die entsprechenden elektrischen Kontakte des ESD-Tests haben vorliegend jeweils eine elektrische Kapazität von 150 Picofarad (pF) und einen elektrischen Widerstand von 330 Ohm. Es ist in dem Diagramm in Figur 5 zu erkennen, dass die Änderung der
Varistorspannung des Vielschicht-Varistorbauelements (Cu) im Vergleich zu einem Ausgangswert auch nach der Simulation weniger als 10 % beträgt, während sich die Varistorspannung des Vergleichsbauelements (Ag) analog sogar um deutlich weniger als 5 % ändert. Speziel für die Anwendung des
Vielschicht-Varistorbauelements stellen die beschriebenen Änderungen der Varistorspannung durch den ESD-Test ein zufriedenstellendes Ergebnis dar. "+" und "-" bedeuten in Figur 5 die positive beziehungsweise negative Stromrichtung.
Figur 6A und 6B zeigen Ergebnisse eines Stabilisationstests, bei dem das Langzeitverhalten des Varistorstromes des
Vergleichsbauelements (Figur 6A) und des Vielschicht- Varistorbauelements (Figur 6B) getestet wurde. Der Test liefert insbesondere Erkenntnisse über die Lebensdauer des jeweiligen Bauelements. Die Bauteile wurden dabei bei 125 °C über einen Zeitraum von 1000 Stunden mit einer Spannung von
88 V belastet. Es ist zu erkennen, dass der Varistorstrom für beide Bauelemente zunächst zeitlich abnimmt und dann in ein annähernd konstantes Verhalten übergeht. Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die
Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von
Merkmalen was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugs zeichenliste
1 Grundkörper
2 Oberflächenpassivierung
3 Innenelektrode
4 Kupferelektrodenschicht
5 Weitere Elektrodenschicht
6 Äußere Elektrodenschicht
7, 8 Stirnseite
9 Varistorschicht
10 Außenelektrode
100 Vielschicht-Varistorbauelement

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Vielschicht- Varistorbauelements (100) mit folgenden Schritten:
- Bereitstellen eines Grundkörpers (1) für das
Vielschicht-Varistorbauelement (100), wobei der
Grundkörper (1) eine Mehrzahl von Innenelektroden (3) umfasst;
- Versehen des Grundkörpers (1) mit einem
Ausgangsmaterial für eine Kupferelektrodenschicht (4) derart, dass das Ausgangsmaterial direkt mit mindestens einer Innenelektrode (3) verbunden ist;
- Thermisches Behandeln des Ausgangsmaterials unter einer Schutzgasatmosphäre, um die
Kupferelektrodenschicht (4) zu bilden;
- Fertigstellen des Vielschicht-Varistorbauelements (100) .
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Grundkörper (1) während des thermischen Behandeins dem Schutzgas
ausgesetzt wird und wobei der Grundkörper (1) eine
Oberflächenpassivierung (2) aufweist, welche während des thermischen Behandeins des Ausgangsmaterials als
Diffusionsbarriere für eine Diffusion des Schutzgases in den Grundkörper (1) fungiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das
Ausgangsmaterial eine kupferhaltige Paste ist, welche durch das thermische Behandeln entkohlt beziehungsweise in den Grundkörper (1) eingebrannt wird. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen
Ansprüche, wobei das Ausgangsmaterial bei Temperaturen unterhalb von 570 °C thermisch behandelt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorherigen
Ansprüche, wobei das Ausgangsmaterial bei Temperaturen oberhalb von 400° C thermisch behandelt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorherigen
Ansprüche, wobei das Schutzgas Stickstoff oder ein
Edelgas aufweist.
Verfahren nach mindestens einem der vorherigen
Ansprüche, wobei die Schutzgasatmosphäre einen
Sauerstoffanteil von weniger als 300 ppm aufweist.
Verfahren nach mindestens einem der vorherigen
Ansprüche, wobei auf der Kupferelektrodenschicht (4) nach dem thermischen Behandeln mindestens eine weitere Elektrodenschicht (5) abgeschieden wird, um zusammen mit der Kupferelektrodenschicht (4) eine Außenelektrode (10) des Vielschicht-Varistorbauelements (100) zu bilden.
Vielschicht-Varistorbauelement (100) mit einer
Außenelektrode (10), die einen Bereich mit einer
Kupferelektrodenschicht (4) aufweist, wobei die
Kupferelektrodenschicht (4) direkt elektrisch leitfähig mit einer Mehrzahl von Innenelektroden (3) des
Vielschicht-Varistorbauelements (100) verbunden ist, und wobei die Kupferelektrodenschicht (4) weniger als 0,1 Atomprozente Sauerstoff aufweist.
10. Vielschicht-Varistorbauelement (100) nach Anspruch 9, welches eine Oberflächenpassivierung (2) aufweist, die in einem Bereich, in dem die Kupferelektrodenschicht (4) direkt elektrisch leitfähig mit den Innenelektroden (3) verbunden ist, unterbrochen ist.
11. Vielschicht-Varistorbauelement (100) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Varistorspannungen des Vielschicht- Varistorbauelements (100) und eines
Vergleichsbauelements, bei dem die
Kupferelektrodenschicht (4) durch eine
Silberelektrodenschicht ersetzt ist, um 10 % oder weniger voneinander abweichen. 12. Vielschicht-Varistorbauelement (100) nach mindestens
einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei ein Varistorstrom des Vielschicht-Varistorbauelements (100) und ein
Varistorstrom eines Vergleichsbauelements, bei dem die Kupferelektrodenschicht durch eine
Silberelektrodenschicht ersetzt ist, unter sonst
gleichen Bedingungen um 20 % oder weniger voneinander abweichen .
13. Vielschicht-Varistorbauelement (100) nach mindestens
einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Außenelektrode einen, beispielsweise eine Ni-Schicht umfassenden,
Bereich (5) aufweist.
14. Vielschicht-Varistorbauelement (100) nach mindestens
einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Außenelektrode einen, beispielsweise eine Sn-Schicht umfassenden,
Außenbereich (6) aufweist.
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