CN1319086C - 陶瓷质多层元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
提出一种具有单体元件体的陶瓷质多层元件，它在元件体上具有交替地布置的陶瓷层和电极层。电极层交替地同两个从侧向布置在元件体上的集电极相连，其中，内在的电极的材料含有钨，因此至少含有钨或一种钨化合物。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷质多层元件及制造该元件所用的方法。
背景技术
这样一种元件例如在EP 0734031 A2中公开过。它包含一个用钙钛广陶瓷(perovskitische Keramik)制做的单体的陶瓷质元件体，它具有一个由交替的陶瓷层和电极层组成的多层结构。以镍或镍合金为基础的内置电极交替地同布置在元件外面的集电极相连。该元件是作为可变电阻设计的。
可用作为电容器的陶瓷质多层元件见US-3679950中所介绍的。这种元件也具有交替的陶瓷层和电极层，于此，电极层交替地同两个布置在元件体侧面的集电极相接触。在制造陶瓷质元件时，电极层首先是作为多孔隙的陶瓷质中间层加以预制的，然后才用导电物质加以浸渍，例如在硝酸银熔液中用银浸渍，或者在一种BiPbSnCd-合金的熔液中进行浸渍。
除了已提及的费事的方法之外，在生产陶瓷质多层元件方面只有陶瓷/电极组合体是合适的，这种组合体能够经受在通常1200～1500℃温度下烧结成致密陶瓷元件体的高温处理。
对于陶瓷质热敏电阻即具有电阻正温度系数的元件，所谓的PTC-元件(正温度系数热敏电阻)，通常所用的贵金属制成的温度稳定电极都是不合适的。这些电极不能在陶瓷和金属质电极之间建立起欧姆电阻接触。因此，PTC-元件配有贵金属(内-)电阻，它们具有一种不允许的高电阻。合适作电极材料的非贵重金属通常又不能经受为多层元件结构所需的烧结处理过程。
DE 19719174 A1公开过一种多层式的陶瓷质热敏电阻，它具有含铝的电极层。这种电极层对陶瓷建立起一种欧姆接触，在至1200℃温度下可以无损害地加以烧结。不过，这种多层导体元件也有这么一个缺点：从电极层中析出的铝会部分地渗入到陶瓷中，从而使元件的性制裁中期或长期地受到损害，或者使得元件成为根本不可用的。
DE 19622690 A1中公开过一种陶瓷质多层元件，它包含一个连接成整体元件体的叠合体，由多个两侧配有电极的陶瓷层组成，其上的电极层交替地同在侧面布置在元件上的集电极相接触，依此，内在电极的材料含有钨。
发明内容
本发明的任务是提供一种陶瓷质多层元件，具有包含PTC陶瓷的陶瓷层，该元件具有对烧结稳定的内电极，而且有长期稳定的元件性能。
为了完成上述任务，本发明提供一种陶瓷质多层元件，包含一个连接成单体元件体的由多个在其两侧配有电极的陶瓷层组成的层叠，其中电极层交替地同从侧面布置在所述元件上的集电极相接触，其特征是，所述陶瓷层包含PTC陶瓷，至少内在电极的材料含有钨。
本发明还提供一种一种制造上述陶瓷质多层元件的方法，它包括：用PTC陶瓷制出陶瓷质新鲜膜，在为电极所配备的新鲜膜的区域上涂敷一种可经受烧结的含钨电极膏剂；按所希望的数目将配有电极膏剂的第一和第二新鲜膜层交替地叠成一个膜层叠；将膜层叠进行压合；将膜层叠烧结成一个单体元件体。
最后，本发明还涉及将上述陶瓷质元件作为有表面贴装器件能力的PTC电阻元件的应用。
业已证明，用钨制成的或者含钨的电极能无损害地经受为陶瓷质元件所需的烧结处理过程，并形成对PTC陶瓷的一种良好欧姆接触。因此，可利用本发明获得具有低电阻的元件。在烧结时观察不出钨扩散到陶瓷中的会影响陶瓷质元件性能的扩散过程。这一情况也同样适用于陶瓷热敏电阻，这种陶瓷热敏电阻对含钨电极也能形成一种良好的欧姆接触，而不会丧失冷导性能。与此同时，钨具有一种可与贵金属相比的良好导电性能，就纯钨而言，其导电性能大约为银的导电性能三倍之高，所以利用较薄的钨层便能获得具有足够电荷负能力的电极层，这里说较薄的钨层是指比迄今利用已知非贵重金属所能获得的电极层较薄。此外，钨是一种价格便宜的电极材料，例如它比贵金属如钯或铂便宜得多，所以本发明提出的陶瓷质多层元件可以比那些具有含贵金属的电极的元件较经济地生产。但是，本发明的要点不是钨的导电性，而是消除了对热敏电阻材料的阻挡层，这种消除单借助合适的钨量的存在便可达到，钨量的存在可建立良好的欧姆接触。
在本发明提出的作为PTC元件设计的而且因此是用热敏性陶瓷制成的元件上，还可获得其它迄今不能实现的优点。知道迄今没有稳定的陶瓷质多层热敏电阻以后，现在能够生产出具有比已知(单层)热敏电阻元件所能达到的更高额定电流和更小元件电阻而且构形更小的热敏电阻。这一点之所以可能，是因为在多层元件上，电极间距或者说陶瓷层的层厚度可以大大小于没有内电极的传统热敏电阻元件中的这一间距。由于减小了各个陶瓷层的厚度，从而也就降低了垂直于主平面的陶瓷层的电阻，也就是沿层厚度方向中的电阻，而不须为此降低陶瓷的比电阻。整个多层元件的电阻的进一步降低是通过各个PTC-元件的并联实现的，这些PTC元件在本发明提出的元件上彼此叠置而产生多层元件。借此还可保证元件的高电荷能力。
一般地说，在一陶瓷质多层元件上，经过对参数的改变，即改变单个元件的层厚和基面及多层元件上叠置的单层数目，便能适当地调制或调节整个元件的性能。因此，一个多层元件在给定的外部尺寸条件下也可在其性能的其它限度内做一定调整，而不须为此改变陶瓷成分。对于单层的陶瓷质元件，元件性能常常只能经过元件尺寸的改变或对元件所用材料的改变加以调节。
因此，本发明提出的陶瓷质多层元件特别适合于用在表面贴装器件-装配技术上，这种装配技术是以一种坚实的可机器加工的或者说适合于机器加工的结构为先决条件的。在多层元件上，这种结构可加以任意改变，因为元件性能可以与之无关地加以调节。
附图说明
下面将参照一些实施例和附图对本发明特别是对元件的制造方法做较详细的说明。附图仅用于表示本发明，所以都只是示意性的而不是尺寸精准的。附图表示：
图1一个刷有一电极层的陶瓷质新鲜薄膜透视图。
图2本发明提出的多层元件的示意横断面图。
图3一个可分成多个元件的陶瓷质的具有有源和无源区域的新鲜薄膜顶视图。
图4陶瓷质新膜的一种层叠的横断面图。
具体实施方式
为了制造出陶瓷质新鲜薄膜，陶瓷原料得先磨成细粉，然后均匀地用一种粘合剂混和。随即通过薄膜拉制或薄膜注塑方法而生产出具有合乎要求厚度的薄膜。
图1以透视图表示这样一种新膜1。在新膜1的一个表面上，在规定用于电极的区域内涂刷了一种电极膏剂2。适合于此目的有一系列特别的涂层法，特别是印刷法，例如利用丝网印刷法。至少在新膜1的一个棱边区，例如在图1上所示的，或者仅在新膜的一个角区，保留有一个不被电极膏剂所覆盖的、在这里称之为无源区3的表面区域。还有一个可能性，就是电极不作为平面的层加以涂敷，而是按一定设计必要时做成透孔样式。
电极膏剂2的成分包含金属的、金属钨或含有钨化合物的颗粒以用于产生所要求的导电率，必要时还包含可烧结的陶瓷颗粒以用于使电极膏剂的收缩性质匹配于陶瓷的收缩性质，和包含一种可烧尽的有机粘合剂以便保证陶瓷质物质的可成形性，更确切地说保证各新鲜体的接合。于此，可以使用纯钨颗粒，钨合金、钨化合物颗粒，或钨和其它金属的混合颗粒。在只经受微小机械负荷的陶瓷质多层元件上，也可以在电极膏剂中完全放弃陶瓷成份。钨成份可以在宽的范围内加以调整，其中必要时使烧结条件适配于电极膏剂成份。在热敏电阻材料方面，阻隔层的消除通常使用3％以上重量百分比(就金属颗粒而言)的钨成份便可达到。
然后将印刷好的新鲜膜9按所希望的数目如此地叠成一个膜叠，使得(新鲜的)陶瓷层1和电极层2交替地上下叠置。
在其后的接触过程中，电极层此外还要交替地在元件的不同侧面上同集电极相连，以便将各个电极并联。为此最好的做法是，将第一个和第二个新鲜膜9依印刷好的电极层2的不同取向如此地加以叠置，使得其无源区域3交替地指向不同的侧面。为此最好选用一种统一的电极几何构形，其中，第一和第二新鲜膜9的区别在于：它们在膜层叠层中是对向地旋转180°的。当然也可以为元件选择一种具有较高对称性的平面设计，从而为了产生交替的接触可以实现不同于180°的其它角度的旋转，例如在规定一个正方形平面设计的条件下可旋转90°。当然也可以这么做，在每个第二新鲜膜9上，将电极式样按一定的量对第一新鲜膜的电极式样如此错开，使得在有关相邻新鲜膜上的每个无源区域3布置在印刷了电极膏剂的区域上。
然后将由于粘合剂之故而仍在形状上有弹性的薄膜叠通过压制必要时通过裁剪使其具有所要求的外形。随后将陶瓷加以烧结，这可能包括在至少开始时含氧很少的气氛中的一种多级处理过程。最终的烧结，即在此种烧结条件下陶瓷被烧结到完全的或者说烧结到所希望的致密度，通常其温度在1100°至1500℃之间。如果为这种高温烧结步骤选择一种含氧的大气(例如具有至少为1百帕(Hektopasqual)的一种氧分压)的话，则应保持一个1200℃的最大烧结温度。超过这一温度便存在下述危险：电极中所含的钨被氧化，从而降其导电率。在一种也可能的在惰性气体条件下的烧结(例如具有最高为1帕(Pasqual)的氧分压)时，则不须保持这一温度上限，所以烧结可以在例如对钛酸钡常用的1300℃进行。但也可以通过对陶瓷选择合适的添加剂的方法来达到降低所需烧结温度的目的。
烧结完成之后，就从各个新鲜薄膜层产生一个单体的陶瓷质元件体8，该元件体具有与各个陶瓷层4的一种牢固联合。这种牢固的联合也在陶瓷/电极/陶瓷连接点上产生。图2以示意横断面图表示一个完成的本发明提出的多层元件8。在元件体上交替地叠置着陶瓷层4和电极层5。在元件体的两个彼此对峙的侧边上制作了集电极6、6’，这些集电极分别与每个第二电极层5处于电接触之中。为此，例如可首先在陶瓷上实现一种金属化，通常用的是银，例如采用无电流的淀积法加以实施。然后可用电镀法加以增强，如通过一个Ag/Ni/Sn层序列的涂敷。这样就能改善铂上的焊接能力。当然还有其它实现金属化的可能性，更确切地说就是适合于制取集电极6、6’的可能性。
图2中所示的元件8在其两个主表面上具有作为连接层的陶瓷层。为此，例如可将一个未印刷的新鲜膜1在烧结前插放到薄膜叠中作为最上面的层，从而使薄膜叠不以一个电极层2封闭。对于在机械性能上有特殊要求的陶瓷质元件，也可以将薄膜叠中的最上和最下的陶瓷层制作得比薄膜叠中其余陶瓷层4较厚一些。为此，在叠成薄膜叠时，可***多个不带有电极层的未印刷的新鲜层1作为最下和最上的层，并将之同其余的新鲜膜叠进行压合和烧结。
图3表示一个印刷有电极式样2的新鲜薄膜，这种薄膜可以分配成多个具有更小基面的元件。未印刷有电极膏剂的无源区域3是如此布置的，使得通过第一和第二新鲜薄膜的交替叠置便可调节叠层中适合于接触的电极交替错位。按下述方式即可实现上述：将第一个和第二个新鲜薄膜彼此相对例如旋转180°，或者通常地第一个和第二个新鲜薄膜具有一个相对错开的电极式样。切线7以虚线表示，沿着此切线新鲜薄膜更确切地说由薄膜形成的层叠可以分成单个元件。当然还有这样的电极式样，其上用于分离的切线可以如此布置，使得没有电极层须加以断开。每个第二电极层但也只能从层叠边缘实现接触。必要时还可以在分成单个元件和烧结之后，在涂敷集电极6，6’之前，将层叠加以研磨，以便露出待接触的电极层。
图4以示意横断面图表示出一个如此制得的层叠。可以看出：在层叠分成单个元件时，沿切线7产生元件，这些元件各自具有所希望的电极4的错位。这种包含多个元个基面的膜层叠分割成单个符合所希望元件基面的膜层叠的处理，最好在膜层叠压合之后例如通过裁切或冲裁予以实施。然后将膜层叠进行烧结。当然也可以首先将包含多个元件基面的膜层叠进行烧结，然后将完成烧结的陶瓷加以锯切而分割出单个元件来。最后才涂敷集电极6。
本发明提出的可用作为热敏电阻(PTC-元件，即正温度系数热敏电阻)的多层元件是由一般成分(Ba、Ca、Sr、Pb)TiO3的钛酸钡陶瓷做成的，这种成分中添加有施主和/或受主例如锰和钇。
这种元件例如可包含5至20个陶瓷层连同所附属的电极层，但至少要有2个内在电极层。陶瓷层所具有的厚度通常分别为30至200μm。它们当然也可以具有大于或小于上述值的层厚度。
按本发明提出的多层结构的热敏电阻元件的外部尺寸是可以改变的，但对于可用表面贴装器件加工的元件的外部尺寸一般在几个毫米范围内。一种合适的尺寸例如是从电容器所知道的结构形式2220。热敏电阻元件当然也可以更小一点。
陶瓷质多层元件直至电极材料的选择的已知制造方法，只能参照实施例做示范性说明。因此本发明不限于一些实施例，还可以通过多项参数的改变而按所希望的方式加以修改。
本发明对所述的热敏电阻元件具有特殊的优点，这些元件利用本发明可首次作为稳定的具有较小结构和较低的电阻的多层元件而制得。当然利用本发明还可以制造出其它陶瓷质多层元件，如电容器、热敏电阻或压敏电阻。
Claims (9)
1.陶瓷质多层元件，包含一个连接成单体元件体(8)的由多个在其两侧配有电极(5)的陶瓷层(4)组成的层叠，其中电极层交替地同从侧面布置在所述元件上的集电极(6，6’)相接触，其特征在于，所述陶瓷层包含PTC陶瓷，至少内在电极(5)的材料含有钨。
2.按权利要求1所述的元件，其特征在于，所述元件包含至少两个内在的电极层(5)。
3.一种制造按权利要求1所述的陶瓷质多层元件(8)的方法，包括以下几个步骤：
用PTC陶瓷制出陶瓷质新鲜膜(9)，在为电极所配备的新鲜膜(9)的区域(2)上涂敷一种可经受烧结的含钨电极膏剂；
按所希望的数目将配有电极膏剂(2)的第一和第二新鲜膜层交替地叠成一个膜层叠；
将膜层叠进行压合；
将膜层叠烧结成一个单体元件体(8)。
4.按权利要求3所述的方法，其特征在于，烧结是在含氧的气氛中于低于1200℃的温度条件下进行的。
5.按权利要求3所述的方法，其特征在于，烧结是在惰性气体气氛中、在大于1200℃温度下进行的；随后在含氧气氛中但在较低温度下进行回火。
6.按权利要求3至5中的任一项所述的方法，其特征在于，膜层叠在烧结之前被分割成符合所希望的大小和形状的较小膜层叠。
7.按权利要求3至6中的任一项所述的方法，其特征在于，所述电极膏剂(2)通过印刷被涂敷在有源的区域中，至少留下一个未被印刷的无源区域(3)，当叠置被印刷过的新鲜薄膜(9)时，每个第二新鲜薄膜的所述无源区域被布置在第一新鲜薄膜的一个被印刷过的区域上。
8.按权利要求3至7中的任一项所述的方法，其特征在于，无源的未被印刷的区域(3)布置在新鲜薄膜(9)的一个角上或棱边上；在烧结之后在元件体(8)的侧面将两个集电极(6)装在这些无源区域(3)的范围内，使得所有第一或所有第二陶瓷层的各电极(5)分别被一个集电极(6)所接触。
9.按以上权利要求中的任一项所述的陶瓷质元件作为有表面贴装器件能力的PTC电阻元件的应用。
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