DE3638342A1

DE3638342A1 - Elektrisches bauelement aus keramik mit mehrlagenmetallisierung und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3638342A1
Application number: DE19863638342
Authority: DE
Inventors: Gerald Dr Kainz; Gerhard Dipl Ing Kelz
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1986-11-10
Filing date: 1986-11-10
Publication date: 1988-05-19

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement, dessen elektrisch aktiver Teil aus einem Keramikkörper besteht und einen Kondensator oder Widerstand, wie einen NTC- bzw. PTC- Widerstand bzw. Varistor oder ein Piezoelement, bildet, mit auf der Keramikoberfläche angebrachten Metallbelägen, die aus einer Schichtfolge unterschiedlicher Metalle bestehen.

Ein solches Bauelement ist beispielsweise in der US-PS 36 45 785 beschrieben, dort jedoch mit fünf Schichten, u. a. aus Gold und Germanium.

Elektrische Bauelemente, deren elektrisch aktiver Teil aus einem Keramikkörper besteht, sind, wie an sich bekannt, ent weder Widerstände, wie Heißleiter, Kaltleiter oder Varisto ren, ferner Kondensatoren oder Piezoelemente. Dabei können die Keramikkörper entweder aus einem massiven Keramikkörper oder aus einem monolithischen Block bestehen, der aus mehre ren aufeinander geschichteten Keramikplättchen gebildet ist, zwischen denen Metallschichten angeordnet sind, die alternie rend an verschiedenen Seitenflächen miteinander elektrisch leitend verbunden sind.

Nähere Einzelheiten über Heißleiter finden sich in dem Buch "Bauelemente, technische Erläuterungen und Kenndaten für Stu dierende" der Siemens Aktiengesellschaft, 2. Auflage, 1977, S. 511 ff. In demselben Buch befinden sich ab S. 532 auch Hinweise auf den Aufbau bzw. die Anwendung von Kaltleitern. In eben demselben Buch befindet sich ab S. 545 eine Beschrei bung von Varistoren und deren Anwendungsmöglichkeiten. Ab S. 463 desselben Buches findet man Erläuterungen über Kera mikkondensatoren und ab S. 596 über Piezoelemente.

Die Bemühungen, auf einer gleichbleibend großen Fläche eine immer größere Anzahl von diskreten Bauelementen unterzubrin gen, haben zu immer kleiner werdenden Gehäuseformen geführt. Die zur Zeit kleinste Gehäuseform ist die der Surface-moun ted-devices (SMD), die auch als Chip-Bauelemente bezeichnet werden.

Das Auflöten von Surface-mounted-devices auf Leiterplatten kann über verschiedene Verfahren erfolgen. Ein vorteilhaf tes Verfahren ist das sogenannte Schwallöten, bei dem die Surface-mounted-devices kurzzeitig von einer Welle geschmol zenen Lötzinnes überspült werden. Dieses sichere Verfahren läßt sich aber nur anwenden, wenn das Gehäuse des Surface mounted-devices der hohen Temperatur des geschmolzenen Löt zinnes widersteht. Es ist also erforderlich, daß die Tempe ratur, bei der das Material des Gehäuses schmilzt, zerfällt oder sich zersetzt, nachfolgend als "Schmelztemperatur" be zeichnet, wesentlich höher als die Temperatur des flüssigen Lötzinnes ist.

Bei der Herstellung von Bauelementen, deren elektrisch ak tiver Teil aus einem Keramikkörper besteht, wird üblicher weise auf die zu kontaktierenden Flächen des Körpers ein Metallbelag aufgebracht, der dann mit den Anschlußdrähten durch Löten verbunden wird. Anschließend wird der Keramik körper mit einem Thermoplasten umhüllt, wofür verschiedene Vefahren bekannt sind, wie z.B. das Spritzgußverfahren, das Formpressen, das Wirbelsintern mit anschließender Form gebung.

Üblicherweise werden die Metallbelegungen, die aus Silber bestehen, mittels des Siebdruckverfahrens auf die Keramik oberfläche aufgebracht. Dies ist allerdings nicht mehr mög lich, wenn die Schmelztemperatur des zum Umhüllen benutzten Thermoplasten so hoch ist, daß dieser den beim Schwallöten auftretenden Temperaturen widerstehen kann. Denn die dann beim Umhüllen auftretenden Temperaturen sind so hoch, daß die zwischen dem Silberbelag und dem Anschlußdraht bestehen de Lötverbindung wieder aufgelöst wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kontaktflächen eines aus Keramik bestehenden elektrischen Bauelementes so auszubilden, daß zum Anlöten der Anschlußdrähte ein Lot verwendet werden kann, das den beim Umhüllen mit einem hoch schmelzenden Thermoplasten auftretenden Temperaturen wider steht.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzuge ben, das es ermöglicht, die Temperatur von Temperungsprozes sen, soweit erforderlich, frei wählen zu können.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das elektrische Bauelement der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gekenn zeichnet, daß in Nachbarschaft zum Keramikkörper zunächst eine dünne haftvermittelnde Schicht, insbesondere aus Alu minium oder Chrom oder Legierungen mit hohem Anteil dieser Metalle, darauf eine dünne Sperrschicht, insbesondere aus Nickel oder Titan oder Legierungen mit hohem Anteil die ser Metalle, und als äußerste Schicht eine dünne Lötschicht, insbesondere aus Silber oder Palladium oder Legierungen mit hohem Anteil dieser Metalle, vorhanden sind.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht da rin, daß die Dicke der haftvermittelnden Schicht im Bereich von 0,05 bis 10,0 µm liegt, die Dicke der Sperrschicht im Bereich von 0,05 bis 10,0 µm liegt und die Dicke der Löt schicht im Bereich von 0,01 bis 10,0 µm liegt.

Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeich net, daß das Bauelement als Surface-mounted-device ausge führt und hierfür in einer entsprechend geformten Isolier umhüllung eingeschlossen ist, aus der Auflagekontakte, wie an sich bekannt, herausgeführt sind.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungs gemäßen Bauelementes ist dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des Keramikkörpers einschließlich seiner Umfangs läche, die nicht von den Metallbelägen bedeckt sind, in eine Polyimidumhüllung eingeschlossen ist.

Ein mögliches Verfahren zur Herstellung von Varistoren bzw. NTC-Widerständen, bei dem die Schichten der Metall beläge durch Flammspritzen, Kathodenzerstäubung oder auf chemischem Wege aufgetragen werden, ist dadurch gekenn zeichnet, daß der Keramikkörper vor dem Aufbringen der Metallbeläge bei 400 bis 700°C getempert wird.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß nunmehr zum Umhüllen von aus Keramik bestehenden elek trischen Bauelementen ein Thermoplast mit einer hohen Schmelz temperatur und demzufolge einer hohen Verarbeitungstempe ratur von 290 bis 400°C verwendet werden kann. Außerdem entfällt das Sintern der durch das Siebdruckverfahren auf gebrachten Silberpaste. Dieses Sintern erfolgt üblicher weise bei Temperaturen von 600 bis 700°C.

Ein vorteilhaftes Langzeitverhalten von NTC-Widerständen oder Varistoren erfordert häufig ein Tempern bei niedrige ren Temperaturen. Da das Aufbringen der erfindungsgemäßen Metallschichtenfolge vorteilhaft durch Kathodenzerstäubung erfolgen kann, ist ein Sinterschritt nicht mehr erforder lich. Dadurch kann ein Temperprozeß mit der für das jewei lige Bauelement optimalen Temperatur gefahren werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Ein Bauelement mit der erfindungsgemäßen Schicht folge der Belegungen,

Fig. 2 ein als Surface-mounted-device ausgeführtes Bauelement.

In Fig. 1 ist der elektrisch aktive Keramikkörper 1 gezeigt. Auf die zu kontaktierende Keramikoberfläche wird eine haft vermittelnde Schicht 2, beispielsweise durch Kathodenzer stäubung im Vakuum, aufgebracht. Diese Schicht bewirkt ei nerseits, daß die später abgeschiedenen Schichten gut auf der Keramikoberfläche haften. Andererseits dient sie zum Erzielen eines ohmschen Kontaktes zwischen dem beispiels weise bei Varistoren halbleitenden Keramikmaterial und den später aufzubringenden Schichten. Die Dicke der haftvermit telnden Schicht 2 liegt bei einer erfindungsgemäßen Aus führung im Bereich von 0,05 bis 10,0 µm. Als Schichtmate rial werden vorzugsweise Aluminium oder Chrom oder Legie rungen mit einem hohen Anteil dieser Metalle verwendet.

Auf diese Schicht wird, beispielsweise wiederum mittels Kathodenzerstäubung im Vakuum, eine Sperrschicht 3 aufge bracht. Die Sperrschicht 3 verhindert, daß die haftvermit telnde Schicht 2 mit der später auf die Sperrschicht 3 auf zubringenden Lötschicht 4 eine Legierung eingehen kann. Als Material für eine erfindungsgemäße Sperrschicht eignen sich beispielsweise Nickel oder Titan oder Legierungen mit einem hohen Anteil dieser Metalle. Die Dicke einer sol chen Schicht liegt erfindungsgemäß im Bereich von 0,05 bis 10,0 µm.

Als äußerste Schicht wird schließlich eine Lötschicht 4 ab geschieden. Sie erleichtert ein Auflöten der Anschlußdrähte auf die Sperrschicht. Die Lötschicht 4 kann so dünn bemes sen sein, daß nach dem Auflöten der Anschlußdrähte ledig lich an der Lötstelle der ursprüngliche 3-Schichten-Aufbau erhalten bleibt, während außerhalb der Lötstelle die Sperr schicht 3 offenliegt. Es liegt also im Rahmen der Erfin dung, daß, wenn die Lötschicht 4 beispielsweise aus Silber besteht, dieses Silber beim Verlöten, wobei das Lot z.B. aus einer Blei-Zinn-Legierung besteht, vollständig mit die sem Lot legiert. Neben Silber und Legierungen mit hohem Sil bergehalt eignen sich beispielsweise auch Palladium und Le gierungen mit hohem Palladiumgehalt für die Lötschicht 4. Eine vorteilhafte Schichtdicke liegt im Bereich von 0,01 bis 10,0 µm.

Fig. 2 zeigt ein Bauelement, das als Surface-mounted-device ausgeführt ist. Der Keramikkörper 5 ist beidseitig mit Be legungen 6 und 7 versehen, die vorzugsweise aus den drei Einzelschichten Aluminium, Nickel und Silber bestehen. Nach dem Aufbringen der Belegungen 6 und 7 wird die freigeblie bene Keramikoberfläche mit einer Polyimidumhüllung 10 ver sehen. Dann werden Anschlußdrähte 8 und 9 auf die Belegun gen 6 und 7 aufgelötet. Der Keramikkörper 5 und teilweise auch die Anschlüsse 8 und 9 sind von einer Isolierumhüllung 13 aus Polyphenylensulfid (PPS) eingeschlossen, die bei einer erfindungsgemäßen Ausführung der Metallbelegungen 6 und 7 eine hohe Verarbeitungstemperatur von bis zu 400°C besitzen darf. Die aus der Isolierumhüllung 13 herausragen den Teile der Anschlüsse 8 und 9 werden dann so umgebogen, daß sie Auflagekontakte 11, 12 bilden, wie sie für Surface mounted-devices an sich bekannt und typisch sind.

Bezugszeichenliste 1 Keramikkörper
2 Aluminiumschicht
3 Nickelschicht
4 Silberschicht
5 Keramikkörper
6 Al-Ni-Ag-Schicht
7 Al-Ni-Ag-Schicht
8 Anschlußdraht
9 Anschlußdraht
10 Polyimidumhüllung
11 Auflagekontakt
12 Auflagekontakt
13 Isolierumhüllung

Claims

1. Elektrisches Bauelement, dessen elektrisch aktiver Teil aus einem Keramikkörper (1) besteht und einen Kondensator oder Widerstand, wie einen NTC- bzw. PTC-Widerstand bzw. Varistor oder ein Piezoelement bildet, mit auf der Keramik oberfläche angebrachten Metallbelägen (6, 7), die aus einer Schichtfolge unterschiedlicher Metalle bestehen, da durch gekennzeichnet, daß in Nachbar schaft zum Keramikkörper (1) zunächst eine dünne haftvermit telnde Schicht (2), insbesondere aus Aluminium oder Chrom oder Legierungen mit hohem Anteil dieser Metalle, darauf eine dünne Sperrschicht (3), insbesondere aus Nickel oder Titan oder Legierungen mit hohem Anteil dieser Metalle, und als äußerste Schicht eine dünne Lötschicht (4), insbesonde re aus Silber oder Palladium oder Legierungen mit hohem An teil dieser Metalle, vorhanden sind.

2. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der haftver mittelnden Schicht (2) im Bereich von 0,05 bis 10,0 µm liegt, die Dicke der Sperrschicht (3) im Bereich von 0,05 bis 10,0 µm liegt und die Dicke der Lötschicht (4) im Bereich von 0,01 bis 10,0 µm liegt.

3. Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement als Surface-mounted-device ausgeführt und hierfür in einer entsprechend geformten Isolierumhüllung (13) eingeschlossen ist, aus der Auflagekontakte (11, 12) herausgeführt sind.

4. Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen des Keramikkörpers (5) einschließlich seiner Um fangsfläche, die nicht von den Metallbelägen (6, 7) bedeckt sind, in eine Polyimidumhüllung (10) eingeschlossen sind.

5. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bauelemen tes nach einem der Ansprüche 1 bis 4, insbesondere zur Herstellung eines Varistors bzw. eines NTC-Widerstandes, bei dem die Schichten der Metallbeläge (6, 7) durch Flamm spritzen, Kathodenzerstäubung oder auf chemischem Wege auf getragen werden, dadurch gekennzeich net, daß der Keramikkörper (1) vor dem Aufbringen der Metallbeläge (6, 7) bei 400 bis 700°C getempert wird.