Beschreibung

Vielschicht-Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines Vielschicht-Bauelements

Ein elektrisches Vielschicht-Bauelement ist in den Druckschriften DE 10 2004 005 664 Al und JP 03239303 A beschrieben .

Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein elektrisches Bauelement anzugeben, das einen besonders großen aktiven Bereich aufweist .

Es wird ein Vielschicht-Bauelement mit einem Körper angegeben, in dem mindestens eine erste Innenelektrode und mindestens eine zweite Innenelektrode angeordnet ist, wobei diese Innenelektroden einen überlappungsbereich aufweisen, der sich auf mindestens einer Seite bis zur Oberfläche des Körpers erstreckt .

Das angegebene Bauelement zeichnet sich durch eine besonders hohe Kapazität aus, da die Grundfläche des Körpers auf eine effiziente Art und Weise zur Bildung eines Kapazitätselements ausgenützt ist. Der Kapazitätswert steigt mit zunehmender Fläche der überlappenden Elektroden.

Der Körper weist vorzugsweise Keramikschichten auf, zwischen denen die Innenelektroden angeordnet sind. Die Keramikschichten können dielektrisch sein. Sie können beispielsweise piezoelektrisch sein. Die Keramikschichten können auch in mindestens einem Temperaturbereich elektrisch leitfähig sein.

Die erste und zweite Innenelektrode weist auf die Oberfläche des Körpers treffende Außenkanten auf, die mittels einer e- lektrisch isolierenden Passivierungsschicht bedeckt sind. Dies trifft für mindestens eine Seitenfläche des Körpers zu. Möglich ist auch, dass die Außenkanten von ersten und zweiten Innenelektroden auf mindestens zwei Seitenflächen des Körpers auf die Oberfläche des Körpers treffen.

Die Passivierungsschicht überdeckt zumindest einen Teil des Körpers, in einer Variante den gesamten Körper, und schützt insbesondere bis zur Oberfläche des Körpers reichende Innenelektroden vor Feuchte und sonstigen schädlichen Umwelteinflüssen. Besonders vorteilhaft ist die Variante, in der die Passivierungsschicht den Körper vollflächig bedeckt.

In einer vorteilhaften Variante weist der Körper zwei parallel zueinander ausgerichtete erste Seitenflächen und zwei parallel zueinander ausgerichtete zweite Seitenflächen auf. Die mindestens eine erste Innenelektrode ist an eine erste Außenelektrode und die mindestens eine zweite Innenelektrode an eine zweite Außenelektrode angeschlossen. Die Außenelektroden sind auf mindestens einer der ersten Seitenflächen des Körpers angeordnet. Der überlappungsbereich der ersten und zweiten Innenelektroden erstreckt sich bis zu mindestens einer der zweiten Seitenflächen des Körpers. Der überlappungsbereich erstreckt sich in einer Variante bis zu den beiden zweiten Seitenflächen des Körpers.

In einer vorteilhaften Variante ist im Körper mindestens eine dritte Innenelektrode und mindestens eine vierte Innenelektrode angeordnet, wobei diese Innenelektroden einen überlappungsbereich aufweisen, der sich auf mindestens einer Seite bis zur Oberfläche des Körpers erstreckt.

Die mindestens eine dritte und vierte Innenelektrode weisen jeweils auf die Oberfläche des Körpers treffende Außenkanten auf, die vorzugsweise mittels der Passivierungsschicht bedeckt sind. Für die dritte und vierte Innenelektrode gilt im übrigen die Beschreibung der ersten und zweiten Innenelektrode .

Eine erste Innenelektrode und eine dritte Innenelektrode können nebeneinander in einer ersten Ebene angeordnet sein, wobei eine zweite Innenelektrode und eine vierte Innenelektrode nebeneinander in einer zweiten Ebene angeordnet sind. Die mindestens erste und zweite Innenelektroden bilden - zusammen mit den zwischen den ersten und zweiten Innenelektroden liegenden Keramikschichten - eine erste Funktionseinheit. Die mindestens eine dritte und vierte Innenelektroden bilden - zusammen mit den zwischen den dritten und vierten Innenelektroden liegenden Keramikschichten - eine zweite Funktionseinheit, die von der ersten Funktionseinheit durch einen Trennbereich getrennt und vorzugsweise elektrisch von ihr isoliert ist .

Im Körper können im Prinzip mehr als nur zwei Funktionseinheiten integriert sein. Unter einer Funktionseinheit ist beispielsweise ein Kapazitätselement oder ein Widerstandselement, vorzugsweise ein Varistorelement, zu verstehen, das im Körper des Bauelements integriert ist.

Die Innenelektroden weisen jeweils vorzugsweise mindestens eine Aussparung in mindestens einem Eckbereich des Körpers auf, da Eckbereiche ein erhöhtes Risiko von Rissbildung haben, welche dann elektrische Eigenschaften der Funktionseinheit beeinflussen kann.

In einer Variante sind mehrere Innenelektroden der jeweiligen Sorte, also mindestens zwei erste Innenelektroden und mindestens zwei zweite Innenelektroden, ggf. zusätzlich mindestens zwei dritte Innenelektroden und mindestens zwei vierte Innenelektroden, vorgesehen. Die Innenelektroden der jeweiligen Sorte sind durch eine ihnen zugeordnete Außenelektrode leitend miteinander verbunden.

Die Innenelektroden können beispielsweise die folgenden Metalle oder Metalllegierungen enthalten: Ag, AgPd, AgPt, Pt, Cu, Ni.

Für jede Sorte der Innenelektroden ist vorzugsweise mindestens eine eigene Außenelektrode vorgesehen. Die Außenelektrode ist von außen zugänglich und dient zur Kontaktierung des Bauelements von außen.

Die Außenelektrode ist vorzugsweise zumindest teilweise auf einer Seitenfläche des Bauelements, z. B. auf einer Seitenfläche des Körpers, angeordnet. Randbereiche der Außenelektrode können auch auf der Oberseite und/oder der Unterseite des Körpers angeordnet sein. Zumindest ein Teil der Außenelektrode kann auch auf der Passivierungsschicht angeordnet sein .

Der Körper enthält in einer Variante Varistorkeramik. Die Varistorkeramik kann beispielsweise ZnO-Bi, ZnO-Pr oder weitere geeignete Materialien enthalten.

Der Körper kann auch Kondensatorkeramik enthalten. Als Kondensatorkeramik kommen beispielsweise die folgenden Keramiken in Betracht: NPO, X7R, X8R, Z5U. Diese Angaben beziehen sich auf Temperaturklassen von Keramikmaterialien. Der Körper um-

fasst in einer vorteilhaften Variante mindestens eine Schicht aus Varistorkeramik und mindestens eine Schicht aus Kondensatorkeramik .

Die Funktionseinheit kann beispielsweise als eine Vielschicht-Kapazität ausgebildet sein. Die Funktionseinheit kann alternativ als ein Vielschicht-Widerstand ausgebildet sein. Die Funktionseinheit kann auch eine Kapazität und einen Widerstand umfassen, die leitend miteinander verbunden sind.

Die Passivierungsschicht enthält in einer Variante Glas. Die Passivierungsschicht kann im Prinzip ein Keramikmaterial enthalten .

In einer weiteren Ausführungsform enthält die Passivierungsschicht das gleiche Keramikmaterial wie der Körper. Bevorzugt besteht die Passivierungsschicht aus der gleichen Keramik wie der Körper.

Die Passivierungsschicht bedeckt zumindest den Bereich der Seitenfläche des Körpers, in dem sich die Innenelektroden bis zum Rand des Körpers erstrecken und ohne die Passivierungsschicht frei lägen. Die Passivierungsschicht kann auch den ganzen Körper bedecken. Ein Teil der Passivierungsschicht kann unterhalb von Außenelektroden angeordnet sein, wobei die Passivierungsschicht zwischen den Innenelektroden der jeweiligen Sorte und der diese leitend verbindenden Außenelektrode durchkontaktiert ist.

Die ersten Innenelektroden sind mit einer ersten Außenelektrode leitend verbunden und von einer zweiten Außenelektrode beabstandet sowie elektrisch isoliert. Die zweiten Innenelektroden sind mit der zweiten Außenelektrode leitend ver-

bunden und von der ersten Außenelektrode beabstandet sowie elektrisch isoliert. Dies gilt in entsprechender Weise für dritte und vierte Innenelektroden und eine dritte und vierte Außenelektrode .

In einer vorteilhaften Variante weist jede Innenelektrode einen Bereich mit verringerter Breite auf, der zur Außenelektrode gewandt und an diese angeschlossen ist.

Das angegebene Bauelement kann beispielsweise in einem Verfahren mit den folgenden Schritten erzeugt werden. Zunächst werden Keramikfolien mit einer leitfähigen Paste, beispielsweise einer Metallpaste, vorzugsweise in einem Siebdruckverfahren bedruckt. Die bedruckten Keramikfolien werden übereinander gestapelt und laminiert. Der dabei gebildete Stapel wird verpresst, entkohlt und gesintert. Der Stapel kann vor der Entkohlung oder nach dem Sintern zur Bildung von mehreren Vorläufer-Bauelementen vereinzelt. Jedes Vorläufer-Bauelement weist einen Körper auf.

In einer Variante kann die für die Innenelektroden verwendete Paste einen höheren Sinterschwund aufweisen, als die Keramikfolien. Dadurch ziehen sich die Innenelektroden während des Sintervorgangs zurück. Anschließend werden die Innenelektroden durch Material der Passivierungsschicht nach Außen hin verschlossen. Alternativ können die entstandenen Räume beim Auftragen der Passivierungsschicht mit aufgefüllt werden. Es ist auch möglich, dass sich die Innenelektroden bereits vor dem Sintern soweit zurückziehen, dass sie mit versintert werden, also durch die Keramikfolien während des Sinterns nach außen hin verschlossen werden.

Die Vorläufer-Bauelemente werden zum Freilegen von Innenelektroden gescheuert, geätzt oder einem ähnlichen Verfahren unterzogen. Insbesondere werden dabei Bereiche von Innenelektroden freigelegt, die zum Anschließen an die Außenelektroden vorgesehen sind.

Der Körper des jeweiligen Vorläufer-Bauelements wird passi- viert. Dabei wird auf seiner Oberfläche eine elektrisch isolierende Passivierungsschicht erzeugt. Dieser Schritt erfolgt in einer Variante nach den Freilegen von Innenelektroden. Alternativ ist es möglich, die Passivierungsschicht vor dem Entkohlen aufzutragen und sie zusammen mit dem Körper mitzu- sintern .

Vorzugsweise nach der Passivierung werden z. B. in einem Tauchverfahren Außenelektroden auf Seitenflächen des Körpers erzeugt. Die Außenelektroden können aber auch vor der Passivierung erzeugt werden. Der Körper wird in eine leitende Paste getaucht, die danach getrocknet und eingebrannt wird.

Die Passivierungsschicht kann beispielsweise in einem Sprühverfahren auf den Körper aufgetragen werden. Dabei wird eine relativ dünne Schicht mit homogener Dicke erzeugt. Die Dicke der Passivierungsschicht ist vorzugsweise unterhalb von 20 μm gewählt. Eine ausreichend dünne Schicht wird beim Einbrennen von Außenelektroden in Bereichen, die zwischen der Außenelektrode und den zu ihr gewandten Innenelektroden liegt, durchbrochen, so dass zwischen jeder Innenelektrode und der ihnen zugeordneten Außenelektrode eine leitende Verbindung entsteht .

Die Außenelektroden können durch mindestens eine weitere Schicht bedeckt werden. Vorzugsweise wird dabei in einem gal-

vanischen Verfahren mindestens eine Schicht aufgetragen, die Ag, Pt und/oder Ni enthält. Die oberste Schicht kann durch eine lötbare Schicht gebildet sein.

Die Außenelektroden können beispielsweise die folgenden Metalle oder Metalllegierungen enthalten: Ag, AgPd, AgPt, Pt, Cu, Ni.

Im Folgenden wird das angegebene Bauelement und seine vorteilhaften Ausgestaltungen anhand von schematischen und nicht maßstabgetreuen Figuren erläutert. Es zeigen:

Figuren IA, IB Draufsicht auf verschiedene Metallisierungsebenen eines Bauelements gemäß der ersten Ausführungsform;

Figur IC das Bauelement gemäß der Figuren IA, IB in einem ersten Querschnitt;

Figur ID das Bauelement gemäß der Figuren IA, IB in einem zweiten Querschnitt;

Figuren 2A, 2B Draufsicht auf verschiedene Metallisierungsebenen eines Bauelements gemäß der zweiten Ausführungsform;

Figur 2C, 2D das Bauelement gemäß der Figuren 2A, 2B in einem ersten und zweiten Querschnitt;

Figuren 3A, 3B Draufsicht auf verschiedene Metallisierungsebenen eines Bauelements mit zwei Funktionseinheiten;

Figuren 3C, 3D das Bauelement gemäß der Figuren 3A, 3B in einem ersten und zweiten Querschnitt;

Figuren 4A, 4B Draufsicht auf verschiedene Metallisierungsebenen eines Bauelements mit zwei Funktionseinheiten und einer Passivierungsschicht, die den gesamten Körper bedeckt;

Figuren 4C, 4D das Bauelement gemäß der Figuren 4A, 4B in einem ersten und zweiten Querschnitt.

In den Figuren IA bis ID ist eine erste Ausführungsform des Bauelements mit einer Funktionseinheit vorgestellt. Die in den Figuren IC und ID gezeigten Querschnitte erfolgen entlang gestrichelter Linien, die in den Figuren IA und IB zu sehen sind. Dies gilt in entsprechender Weise auch für Figuren 2A bis 2D, 3A bis 3D und 4A bis 4D.

Das Bauelement weist einen Körper 5 auf. Im Körper 5 sind erste Innenelektroden 1 und zweite Innenelektroden 2 angeordnet. Die ersten Innenelektroden 1 sind mittels einer ersten Außenelektrode 81 leitend miteinander verbunden. Die zweiten Innenelektroden 2 sind mittels einer zweiten Außenelektrode 82 leitend miteinander verbunden und elektrisch von den ersten Innenelektroden isoliert. Erste und zweite Innenelektroden sind in abwechselnder Reihenfolge übereinander angeordnet und bilden einen Elektrodenstapel. Der Elektrodenstapel und zwischen den Innenelektroden liegende Keramikschichten des Körpers bilden eine Funktionseinheit.

Der Körper weist erste Seitenflächen 51, 52 auf, die parallel zueinander ausgerichtet sind. Der Körper weist außerdem zweite Seitenflächen 53, 54 auf, die parallel zueinander und senkrecht zu den ersten Seitenflächen 51, 52 ausgerichtet sind.

Die Außenelektroden 81, 82 sind hauptsächlich auf den Seitenflächen 51, 52 des Körpers angeordnet. Teile von Außenelektroden sind aber auch auf der Unterseite und der Oberseite des Körpers angeordnet.

Im überlappungsbereich 12 ist ein Bereich der ersten Innenelektrode in vertikaler Richtung gegenüber einem Bereich der zu ihr gewandten zweiten Innenelektroden angeordnet, siehe Figur ID. Dieser Bereich bildet ein aktives Volumen der Funktionseinheit, beispielsweise ein Vielschicht-Kapazitätselement oder ein Vielschicht-Widerstandselement.

Der überlappungsbereich 12 erstreckt sich bis zu den zweiten Seitenflächen 53, 54 des Körpers 5. Die Kanten der Innenelektroden 1, 2 reichen also bis zu den Seitenflächen 53, 54. Diese offen liegenden Kanten sind mittels Passivierungs- schichten 6 überdeckt.

Jede erste Innenelektrode 1 weist einen Bereich mit verringerter Breite auf, der zur ersten Außenelektrode 81 gewandt und an diese angeschlossen ist. Jede zweite Innenelektrode 2 weist einen Bereich mit verringerter Breite auf, der zur zweiten Außenelektrode 82 gewandt und an diese angeschlossen ist. Zur Bildung des Bereichs mit verringerter Breite sind in Eckbereichen Ausnehmungen 7 der Innenelektroden 1, 2 vorgesehen .

Die erste Innenelektrode 1 ist in einem Abstand von der zweiten Außenelektrode 82 angeordnet. Die zweite Innenelektrode 2 ist in einem Abstand von der ersten Außenelektrode 81 angeordnet .

Die Außenelektroden 81, 82 können in einem Tauchverfahren erzeugt werden. Die Passivierungsschichten 6 können auf den dafür vorgesehenen Bereich der zweiten Seitenflächen 53, 54 in einem Siebdruckverfahren unter Verwendung einer Maske aufgetragen werden.

In den Figuren 2A bis 2D ist eine zweite Ausführungsform des Bauelements mit einer Funktionseinheit vorgestellt. Im Unterschied zur vorstehend erläuterten Variante bedeckt hier die Passivierungsschicht 6 den Körper 5 vollflächig. Die Passi- vierungsschicht 6 ist nur zur Verbindung zwischen den Innenelektroden und der ihnen zugeordneten Außenelektrode durchbrochen bzw. durchkontaktiert . Jede Durchkontaktierung ist dabei maximal so groß wie der Querschnitt des Bereichs mit verringerter Breite der jeweiligen Innenelektrode.

Da eine dünne Passivierungsschicht im Bereich der offen liegenden Kanten der Innenelektroden durchbrochen wird, wird vorzugsweise der Abstand d zwischen einer Innenelektrode, in Fig. 2B der Innenelektrode 2, und der Außenelektrode der anderen Polarität, in diesem Fall der Außenelektrode 81, überall größer als die Dicke t der Passivierungsschicht 6 gewählt. Dies gilt für alle zweite Innenelektroden 2 und in entsprechender Weise auch für die Innenelektroden 1 und die Außenelektrode 82.

In den Figuren 3A bis 3D ist eine Ausführungsform des Bauelements vorgestellt, bei dem zwei Funktionseinheiten in einem gemeinsamen Körper 5 angeordnet sind. Zwischen den Funktionseinheiten ist ein elektrisch isolierender Trennbereich 9 angeordnet. Die Breite d2 des Trennbereichs 9 ist vorzugsweise größer als der Abstand zwischen einer ersten Innenelektrode und der nächsten zweiten Innenelektrode. Der Abstand zwischen

den Funktionseinheiten ist also vorzugsweise größer als die Dicke einer Keramikschicht.

Die erste Außenelektrode 81 der ersten Funktionseinheit sowie die erste Außenelektrode 83 der zweiten Funktionseinheit ist auf der ersten Seitenfläche 51 des Körpers angeordnet. Die zweite Außenelektrode 82 der ersten Funktionseinheit sowie die zweite Außenelektrode 84 der zweiten Funktionseinheit ist auf der weiteren ersten Seitenfläche 52 des Körpers angeordnet .

Für die erste Funktionseinheit, die in der Figur 3A, 3B links angeordnet ist, gilt das in Zusammenhang mit den Figuren IA bis ID Gesagte.

Für die zweite Funktionseinheit, die in der Figur 3A, 3B rechts angeordnet ist, gilt in entsprechender Weise das in Zusammenhang mit den Figuren IA bis ID Gesagte. Die zweite Funktionseinheit weist erste Innenelektroden 3 und zweite Innenelektroden 4 auf, die sich in einem überlappungsbereich 34 überlappen .

Im Unterschied zur Variante gemäß den Figuren IA bis ID erstreckt sich in diesem Fall der jeweilige überlappungsbereich nur auf einer Seite bis zur Oberfläche des Körpers. Der überlappungsbereich 12 reicht bis zur zweiten Seitenfläche 53 und der überlappungsbereich 34 bis zur zweiten Seitenfläche 54. Die offen liegenden Kanten der Innenelektroden 3, 4 sind auch durch eine Passivierungsschicht 6 bedeckt.

Im übrigen trifft auch für die in den Figuren 3A bis 3D gezeigte Variante die Beschreibung der Figur IA bis ID zu.

In den Figuren 4A bis 4D ist ein Bauelement mit zwei Funktionseinheiten gezeigt, wobei sich der überlappungsbereich der Innenelektroden jeder Funktionseinheit nur bis zu einer zweiten Seitenfläche 53 bzw. 54 des Körpers 5 erstreckt. Der Körper ist durch die Passivierungsschicht 6 vollflächig bedeckt.

Die in den Figuren 4A bis 4D vorgestellte Variante stellt eine Kombination der Varianten gemäß den Figuren 2A bis 2D und 3A bis 3D. Für diese Ausführungsform gilt also die Beschreibung der vorstehend erläuterten Varianten.

Die Ausgestaltungsmöglichkeiten des angegebenen Bauelements sind durch die in den Figuren erläuterten Varianten oder erwähnte Materialangaben nicht erschöpft. Insbesondere kann die Grundform des Körpers, der Innenelektroden, der Außenelektroden beliebig sein.

Bezugszeichenliste

1 erste Innenelektrode

12 überlappungsbereich der Elektroden 1, 2

2 zweite Innenelektrode

3 dritte Innenelektrode

4 vierte Innenelektrode

5 Körper

51, 52 erste Seitenflächen des Körpers 53, 54 zweite Seitenflächen des Körpers

6 Passivierungsschicht

7 Aussparung

81 erste Außenelektrode

82 zweite Außenelektrode 9 Trennbereich d Abstand zwischen der Innenelektrode und der

Außenelektrode der anderen Polarität d2 Breite des Trennbereichs 9 t Dicke der Passivierungsschicht 6