DE4015463C2 - Verfahren zum Anbringen einer Mehrzahl von Anschlußschichten auf der Außenseite eines Keramik-Bauelements und keramischer Mehrschichtenkondensator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anbringen einer Mehrzahl von Anschlußschichten auf der Außenseite eines Keramik-Bauelements mit einem ungesinterten Keramikkörper nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen keramischen Mehrschichtkondensator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 15.

Bei einem aus dem US-Patent 3 235 939 bekannten Verfahren wird eine Elektrode aus feinverteiltem Metall auf einen Streifen von ungesinterter Keramik aufgebracht. Dann wird eine Mehrzahl dieser beschichteten und unbeschichteten Streifen auf­ einandergelegt. Die Anordnung wird in einzelne Stücke zerschnitten, die Stücke werden unter einer Presse zusammengedrückt und dann gebrannt, um die Keramik zu sintern. Nach dem Brennen wird ein für Anschlüsse geeignetes, aus feinverteiltem Metall in einer organischen Trägersubstanz bestehendes Material an den frei­ liegenden Elektrodenenden der Keramikkondensatoren aufgebracht, und auf diese Weise werden die Anschlüsse gebildet. Dann werden die Kondensatoren einer so hohen Temperatur aus­ gesetzt, daß die Anschlüsse an den Kondensatorkörper geschmolzen werden. Danach können an den leitenden Anschlüssen Anschlußdrähte angebracht (weich oder hart angelötet, angeschweißt) werden.

Bei diesem bekannten Verfahren ergeben sich eine Reihe von Schwierigkeiten aus der Methode, nach welcher die Anschlüsse gebildet werden. Eine der größten Schwierigkeiten ist, daß nur ein geringer Zusammenhalt zwischen den Anschlüssen und dem Keramikkörper des Kondensators erreicht werden kann, so daß manchmal nur ein schlechter Kontakt zwischen einigen Elektroden des Kondensators und den gebrannten An­ schlüssen besteht, wodurch die elektrischen Kenngrößen des Kondensators in unvorhersehbarer Weise und regellos variieren können.

Eine weitere wesentliche Schwierigkeit bei diesem bekannten Verfahren ist, daß, nachdem das zweite Brennen bei einer niedrigeren Temperatur als das erste Brennen stattfinden muß, die höchste Betriebstemperatur des Kondensators auf die niedrigere Temperatur des zweiten Brennens herabgesetzt wird. Bei einem weiteren gebräuchlichen Verfahren wird das Anschlußmaterial nach dem ersten Brennen beschichtet, und es besteht aus einem feinverteilten Metall und feinverteilten Glas­ teilchen (Fritte) in einer organischen Flüssigkeit oder Paste. Zwar verbessert die Glasfritte die Haftung, sie verschlechtert aber häufig die Lötbarkeit von elektrischen Anschlüssen und ist wegen des Glasanteils spröde, bricht daher leicht und ist empfindlich gegenüber plötzlichen Temperaturänderungen. Außerdem neigen die üblicherweise für Anschlüsse eingesetzten Metalle zum Diffundieren in das für die Anbringung der An­ schlußdrähte benutzte Lötmittel. Wenn das zum Schmelzen der Glasfritte angewandte zweite Brennen mit einer Temperatur erfolgt, die gleich der des ersten Brennens oder höher als diese ist, kann sich die Anschlußschicht leicht von dem Keramik­ kondensator trennen.

Um die Brauchbarkeit der mit Glasfritte hergestellten An­ schlüsse zu verbessern, wird manchmal ein Metallüberzug zur Vervollständigung und Verstärkung der Schicht für die Anschlüsse einer Keramikkomponente aufgebracht. Die Anbringung derartiger Überzüge kann aber zu weiteren Schwierigkeiten führen, weil starke Lösungen benutzt werden, die Glasfritte und Keramikmaterial anätzen, wodurch ungleichmäßige Grenzflächen zwischen Anschlüssen und Keramikkörpern entstehen, wodurch wiederum eine sowohl mechanische als auch elektrische Beein­ trächtigung der Lötstelle hervorgerufen wird. Außerdem kann das Betriebsverhalten des Kondensators beeinträchtigt werden durch eingeschlossene Galvanisierungslösungen oder sonstige beim Herstellen des Überzugs eingeschleppte verunreinigende Fremdstoffe. Insgesamt wird damit die Betriebssicherheit des Kondensators aufs Spiel gesetzt, und die Vorrichtung ist als beschädigt anzusehen. Bei dem oben erwähnten US-Patent 3 235 939 war vorgesehen, die Anschlüsse aus feinverteiltem Metall an den grünen Keramikkondensatoren aus wirtschaftlichen Gründen vor dem Sintern der Keramik anzubringen. Hierbei ergab sich aber wiederum eine schlechte Haftung der Metallanschlüsse an den Kondensatorkörpern, und die Folge waren unzumutbare Veränderungen der erwarteten Kennwerte der Kondensatoren. Nach einem weiteren bekannten Verfahren, das in dem US-Patent 4 246 625 beschrieben ist, bestehen die Endanschlüsse aus feinverteilten Teilchen von Nickel oder Kupfer in Verbindung mit Glasfritte und Mangandioxid, wobei die End­ anschlüsse mit dem Kondensatorkörper gemeinsam gebrannt werden. Glasfritte enthaltende Anschlußenden dieser Art zeigen die gleichen, schon oben erwähnten Nachteile, nämlich verschlechterte Lötfähigkeit von Anschlüssen usw.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zuverlässige leitende Anschlüsse für elektronische Keramik-Bauelemente, wie Kondensatoren, Widerstände und Hybrid-Bauelemente, zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Her­ stellung eines Kondensators mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie ein keramischer Mehrschichtkondensator mit den Merkmalen des Anspruchs 15.

Nachdem die einzelnen Kondensatoren oder sonstigen Keramik- Bauelemente als ungesinterte Teile hergestellt worden sind, wird die erste Anschlußschicht, bestehend aus einem Gemisch von fein­ verteiltem Metall und Keramik der gleichen oder vergleichbaren Zusam­ mensetzung wie die des Keramikkondensators in einer flüssigen oder pastenförmigen organischen Trägersubstanz, auf die Seiten der Kondensator-Stücke mit freiliegenden Elektroden aufgebracht. Dann werden die Kondensatoren bei ihrer normalen Brenntemperatur gesintert. Während des Sinterungsvorgangs wird die Keramik in der Anschlußschicht gleichzeitig durch Festkörperreaktionen an den Kondensatorkörper gesintert und bildet eine einheitliche mechanische Verbindung, die zu einem monolithischen, gemeinsam gebrannten Anschluß führt. Hervor­ ragendes elektrisches Leitvermögen zwischen jeder Elektrode des Kondensators und dem gesinterten Anschluß wird durch die Metallzusammensetzung in der Anschlußschicht erzielt. Die An­ schlußschicht erfordert die geeignete Keramik-Metall-Mischung, um optimale Eigenschaften zu erzielen. Wenn die Zusammensetzung der Anschlußschicht dieselbe ist wie die der Keramik in dem Körper, beträgt der Keramikanteil in der Anschlußschicht typischerweise zwischen 10 und 60 Vol.-% Keramik in der Keramik- Metall-Mischung. Wenn ein niedrigeres elektrisches Leitvermögen der Keramikkomponente vertretbar ist, kann der Keramikanteil auf bis zu 75 Vol.-% erhöht werden. wenn die Keramikart in der Anschlußschicht sich von der des Keramikkörpers durch Anwendung von Flußmitteln, etwa hochtemperaturbeständige Gläser oder Tone, z. B. Steatit, unterscheidet, kann die Zusammen­ setzung der Anschlußschicht auf bis zu 2 Vol.-% Keramikanteil herabgesetzt werden.

Wenn mit höheren Keramikanteilen gearbeitet wird, um die phy­ sikalischen Eigenschaften zu verbessern, verschlechtert sich die Lötfähigkeit der Anschlußschichten. Um diesem Mangel ent­ gegenzuwirken, wird vor jedem Sintern eine zusätzliche Schicht von feinverteiltem Metall mit niedrigerem Keramikanteil oder frei von Keramik über die anfängliche Keramik-Metall-Anschlußschicht aufgebracht. Der Kondensator und die Anschlußschichten werden anschließend zu einem monolithischen einheitlichen Bauelement gesintert. Diese Technik des gemeinsamen Brennens beseitigt die von früher bekannten Schwierigkeiten des ungenügenden Zusammenhalts, der schlechten Lötfähigkeit, der Ungleichmäßigkeit der elektrischen Leistung und die sonstigen, oben erwähnten Schwierigkeiten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Es sind:

Fig. 1 eine stark vergrößerte perspektivische Ansicht eines ungebrannten Keramikkondensators mit in Abstand voneinander angeordneten Elektroden mit freiliegenden Kanten in einer Phase der Kondensatorfertigung;

Fig. 2 ein noch weiter vergrößertes perspektivisches Bild eines Querschnitts längs der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 bzw. Fig. 4 waagerechte Querschnitte längs der Linien 3-3 bzw. 4-4 in Fig. 1;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des keramischen Kon­ densatorelements aus Fig. 1 mit vor dem gemeinsamen Sintern an­ gebrachten Anschlußschichten;

Fig. 6 eine mit Fig. 5 vergleichbare Ansicht des Bau­ elements nach Fig. 5, nachdem vor dem gemeinsamen Sintern zusätzliche Anschlußschichten aufgebracht worden sind;

Fig. 7 eine Seitenansicht des Kondensatorelements nach den Fig. 5 und 6 nach dem Brennen und Anbringen von Anschlußdrähten; und

Fig. 8 eine Endansicht des fertigen Kondensatorelements, gesehen in Richtung der Pfeile 8 in Fig. 7.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen einen Kondensator 10 in einer bestimmten Fertigungsphase. Der Kondensator 10 hat einen Keramikkörper 12 aus ungesintertem Keramikmaterial. In dem rechtwinkligen Körper 12 befinden sich in Abstand voneinander Metallschichten 14, 16, die ab­ wechselnd an den entgegengesetzten Seiten 18, 20 des Körpers 12 enden. Der Körper 12 entsteht durch vertikales Zusammenlegen einer Vielzahl von Blättern zu einer Gruppe, Zusammendrücken der Gruppe, wie im einzelnen in der erwähnten US-Patentschrift 3 235 939 erläutert, und Zerschneiden der Gruppe zu einzelnen Körpern 12.

Die Seiten 18 und 20 des Körpers 12 werden mit dünnen ersten Anschlußschichten 22, 24 belegt, wie in Fig. 5 dargestellt. Jede Anschlußschicht 22, 24 besteht aus feinverteiltem Metall, etwa Platin, Palladium, Gold usw., vermischt mit einem keramischen Material von der gleichen oder von im wesentlichen gleicher Zusammensetzung wie das des Keramikkörpers 12, in Form einer üblichen organischen Flüssigkeit oder Paste. Die ersten Anschlußschichten 22, 24 sind gewöhnlich nicht stärker als 0,025 mm und können die Seiten 18, 20 vollständig bedecken und auf den Körper 12 übergreifen oder Teile dieser Seiten 18, 20 nur so weit bedecken, daß ein frei­ liegendes Ende oder eine freiliegende Kante 21, 23 der jeweiligen Elektrode 14, 16 bedeckt ist.

In diesem Zeitpunkt kann der in Fig. 5 dargestellte Kondensator 10′ gebrannt werden, um den Keramikkörper 12, die als Elektroden fungierenden Schichten 14, 16 und die ersten Anschluß­ schichten 22, 24 zu härten, so daß die monolithische, einheitliche Kondensatorstruktur 10′′ nach Fig. 7 entsteht. Beim nächsten Fertigungsschritt kann Lötmittel 26 auf die Außenseiten der gehärteten ersten Anschlußschichten 22′, 24′ aufgebracht und können Leiter 28 angebracht werden, um den Kondensator 10′′ fertigzustellen.

Die ersten Anschlußschichten 22, 24 können aber vor dem gemeinsamen Brennen auch jeweils mit dünnen zweiten Anschlußschichten 25 und 25′ überzogen werden (vgl. Fig. 6), um das Betriebsverhalten zu verbessern oder die Kondensatoranschlüsse den Kundenwünschen anzupassen. Die zweiten Anschlußschichten 25, 25′ bestehen aus feinverteiltem Metall, mit oder ohne Keramikzusatz, in Form einer organischen Flüssigkeit oder Paste. Nach dem gemeinsamen Brennen sind die ersten und zweiten Anschlußschichten 22, 24, 25 und 25′ miteinander und mit den Seiten des Keramik­ körpers 12′ und mit den Elektroden 14, 16 zu einem einheitlichen Gebilde verbunden. Anschließend können die Lötstelle 26 und die Zuleitungen 28 an den Kondensatoranschlüsse bildenden ersten Anschlußschichten 22′, 24′ angebracht werden, um den Aufbau des Kondensators 10′′, wie in den Fig. 7 und 8 dargestellt, zu vervollständigen.

Wenn es erforderlich ist, das Schneiden der Gruppe von un­ gesinterten Keramikschichten nach dem Zusammendrücken der Schichten, wie oben in Verbindung mit der US-Patentschrift 3 235 939 erwähnt, zu verbessern, kann die Gruppe eine Wärmebehandlung erfahren, damit die Teilchen zusammenfließen und das Bindemittel entfernt wird, wodurch die Gruppe leichter mit Sägen oder Messern zu Blöcken 12 zugeschnitten werden kann. Der Keramikkörper des Blocks 12, gleichgültig ob ungebrannt oder zum Entfernen des Bindemittels unvollkommen gebrannt, ist weiterhin ungesintert, so daß die Anschlußschichten 22, 24, 25 und 25′ mit dem Körper 12 und den Elektroden 14, 16 zu einem einheitlichen Bauteil werden, nachdem sie gemeinsam gebrannt sind.

Zwar ist das Verfahren an Hand eines Mehrschichtkondensators beschrieben, es kann jedoch auch bei einem Kondensator mit einem einzelnen ungesinterten Keramikkörper angewandt werden, etwa bei dem in der US-Patentschrift 4 205 364 beschriebenen Kondensator. Die aus einem Gemisch von Keramikmaterial und feinverteiltem Metall bestehenden ersten Anschlußschichten 22, 24 und die aus feinverteiltem Metall mit oder ohne die Keramikzusammensetzung bestehenden zweiten Anschlußschichten 25, 25′ werden an dem Keramikkörper 12 angebracht und mit dem Keramikkörper 12 und seinen Elektroden 14, 16 in der oben in Verbindung mit den Fig. 5 und 6 erläuterten Weise gemeinsam gebrannt. Danach können die Kondensatoren ebenfalls mit den Lötstellen und/oder Leitern versehen werden, wie es in Verbindung mit den Fig. 7 und 8 beschrieben wurde.

Die Zusammensetzung der ersten und zweiten Anschlußschichten 24, 24; 25, 25′ ist dieselbe wie die Keramikmischung des Körpers 12, und die Keramik in der Anschlußschicht hat typischerweise einen Volumenanteil Keramik von 10 bis 60% auf. Wenn das Bauteil ein Widerstand oder eine sonstige Widerstandskomponente ist, oder wenn ein niedrigeres elektrisches Leitvermögen der Keramikkomponente zulässig ist, kann das Verhältnis von Keramik zu Metall in den Anschlußschichten 22, 24; 25, 25′ bis auf 75 Vol.-% erhöht werden. Wenn ferner die Keramik in den Anschlußschichten 22, 24; 25, 25′ sich von der Keramik in dem Körper 12′ infolge Anwendung eines Fluß­ mittels unterscheidet, kann das Verhältnis von Keramik zu Metall in den Anschlußschichten 22, 24; 25, 25′ auf bis zu 2 Vol.-% herabgesetzt werden.

Zwar ist das Verfahren im Zusammenhang mit Kondensatoren dar­ gestellt und erläutert worden, jedoch läßt sich das Verfahren auch bei anderen elektronischen Keramikbauteilen anwenden, z. B. bei Widerständen, Drosseln, Schaltungen, Hybridbauteilen usw. Das beschriebene Verfahren kann bei der Anwendung auf Hybridbauteile eingesetzt werden, um Stromwege herzustellen, so daß das fertige Hybridbauteil fast wie eine Leiterplatte aussieht, an der anschließend Elektronikkomponenten angebracht werden können.

Claims (15)

1. Verfahren zum Anbringen einer Mehrzahl von Anschluß­ schichten auf der Außenseite eines Keramik-Bauelements mit einem ungesinterten Keramikkörper (12), wobei erste Anschlußschichten (22, 24) an dem Keramikkörper (12) angebracht werden, die feinverteiltes Metall in einer organischen Trägersubstanz enthalten und der Keramikkörper (12) und die ersten Anschlußschichten (22, 24) gebrannt werden, dadurch gekennzeichnet,
daß die ersten Anschlußschichten (22, 24) zusätzlich nur noch eine feinverteilte Keramik aufweisen, die im wesentlichen mit der Keramik in dem Keramikkörper (12) übereinstimmt,
daß zweite Anschlußschichten (25, 25′) über den ersten Anschlußschichten (22, 24) angebracht werden, welche zweite Anschlußschichten (25, 25′) feinverteiltes Metall und feinverteilte Keramikteilchen von im wesentlichen der gleichen Keramik wie der des Keramikkörpers (12) in einer flüssigen Trägersubstanz aufweisen, und
daß der Keramikkörper (12), die ersten Anschlußschichten (22, 24) und die zweiten Anschlußschichten (25, 25′) gemeinsam gebrannt werden, um sie in ein monolithisches, einheitliches Bauelement überzuführen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Keramik-Bauelement ein Kondensator ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Anschlußschichten (22, 24) aus einem Gemisch von Keramik und Metall bestehen, in dem die Keramik im wesentlichen 10 bis 60 Vol.-% ausmacht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Keramik-Bauelement ein Widerstand ist und die ersten Anschlußschichten (22, 24) aus einem Gemisch von Keramik und Metall gebildet sind, in dem die Keramik im wesentlichen 30 bis 75 Vol.-% ausmacht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die feinverteilte Keramik der ersten Anschlußschichten (22, 24) von der des Körpers (12) durch die Verwendung von Flußmitteln unterscheidet und die ersten Anschlußschichten (22, 24) aus einem Gemisch von Keramik und Metall gebildet sind, in dem die Keramik im wesentlichen zwischen 2 und 10 Vol.-% ausmacht.

6. Verfahren zur Herstellung eines Kondensators, wobei
ein Körper (12) aus ungesintertem Keramikmaterial mit darin in Abstand voneinander befindlichen dünnen Elektroden (14, 16) hergestellt wird, die aus feinverteiltem Metallmaterial bestehen, die sich abwechselnd bis zu gegenüber­ liegenden Seiten (18, 20) des Körpers (12) erstrecken und dort freiliegende Kanten (21, 23) aufweisen;
eine erste Anschlußschicht (22, 24) an den in Abstand voneinander befindlichen Seiten (18, 20) des Körpers (12) angebracht wird, um die freiliegenden Kanten (21, 23) der Elektroden (14, 16) zu bedecken und elektrisch zu verbinden, und
der Körper (12) die Elektroden (14, 16) und die erste Anschlußschicht (22, 24) gemeinsam gebrannt werden, um sie zu einem monolithischen einheitlichen Bauteil zusammen­ zuführen, so daß die erste Anschlußschicht (22, 24) leitende Anschlüsse der Elektroden bildet,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Anschlußschicht (22, 24) aus einem Gemisch besteht, das sich nur aus einem feinverteilten Metall, feinverteilten Keramikteilchen und einer flüssigen organischen Trägersubstanz zusammensetzt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik des Gemischs im wesentlichen mit der Keramik des Körpers (12) übereinstimmt.

8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikteilchen bei Nichtberücksichtigung der Trägersubstanz im wesentlichen 10 bis 60 Vol.-% des Gemischs ausmachen, so daß sich die Anschlußschichten (22, 24) beim Brennen vollständig mit dem Körper (12) und den Elektroden (14, 16) zusammenschließen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem gemeinsamen Brennen eine zweite Anschlußschicht (25, 25′) aus feinverteiltem Metall und einer flüssigen organischen Trägersubstanz auf die erste Anschlußschicht (22, 24) aufgebracht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Anschlußschicht (25, 25′) bei Nichtberücksichtigung der Trägersubstanz Keramikteilchen in einem Anteil von bis zu 60 Vol.-% enthält.

11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den leitenden Anschlüssen zur Vervollständigung des Kondensators Leiter (28) angebracht werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine vertikale Anordnung von Streifen aus ungesintertem Keramikmaterial, die mit Schichten (14, 16) aus feinverteiltem Metallmaterial belegt sind, schwach gebrannt wird, um die Teilchen zusammen­ fließen zu lassen und das Bindemittel zu entfernen und daß die Anordnung zerschnitten wird, um eine Mehrzahl von Körpern (12) zu erhalten, in denen die Schichten Elektroden (14, 16) darstellen, deren Kanten (21, 23) an gegenüber­ liegenden Seiten der Körper (12) alternierend freiliegen.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf die zweiten Anschlußschichten (25, 25′) vor dem gemeinsamen Sintern dritte Anschlußschichten aufgebracht werden, die aus metallischem Material bestehen, damit Leiter (28) an den dritten Anschlußschichten leicht angebracht werden können.

14. Verfahren nach Anspruch 13, worin die genannten dritten metallischen Schichten feinverteilte Keramikteilchen enthalten.

15. Keramischer Mehrschichtkondensator mit einem Keramikkörper und einer Mehrzahl von vertikal übereinandergelegten, jeweils Elektroden dar­ stellenden Schichten (14, 16) aus Metall, die sich abwechselnd bis zu gegenüberliegenden Seiten (18, 20) des Keramikkörpers erstrecken und mit Anschlußschichten (22, 24) an jeder der beiden Seiten (18, 20) des Keramikörpers, die die Elektroden leitend verbinden und feinverteiltes Metall in einer flüssigen organischen Trägersubstanz aufweisen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Anschlußschichten (22, 24) zusätzlich nur noch feinverteilte Keramikteilchen enthalten, wobei die ungesinterten Keramikteilchen von der gleichen Art wie die Keramik des Keramikkörpers ist, wodurch der Keramikkörper die vertikal übereinandergelegten Schichten (14, 16) und die Anschlußschichten (22, 24) gemeinsam zu einem monolithischen einheitlichen Bauelement brennbar sind.