DE102004005664A1

DE102004005664A1 - Passivierungsmaterial, Verfahren zur Herstellung einer Passivierungsschicht und elektrisches Bauelement

Info

Publication number: DE102004005664A1
Application number: DE102004005664A
Authority: DE
Inventors: Patrick Dr. Schmidt-Winkel; Horst Dr. Schlick
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2004-02-05
Filing date: 2004-02-05
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2024-02-06
Also published as: DE102004005664B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Passivierungsmaterial für ein keramisches Bauelement, enthaltend eine Matrix (1), in die ein Füllstoff eingebettet ist. Das Passivierungsmaterial hat den Vorteil, dass die Viskosität während des Benetzens des Bauelements durch den Füllstoff kontrolliert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Passivierungsmaterial, das insbesondere für keramische Bauelemente geeignet ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Passivierungsschicht. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein elektrisches Bauelement.

Aus der Druckschrift US2002/0109575A1 ist ein Passivierungsmaterial für keramische Bauelemente bekannt, das Glas enthält und das eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber Säuren aufweist. Darüber hinaus ist aus dieser Druckschrift ein Verfahren zur Herstellung einer Passivierungsschicht bekannt, wobei ein Varistorchip in eine Suspension, enthaltend Gaspulver eingetaucht wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Passivierungsmaterial anzugeben, das sich leicht verarbeiten läßt. Es ist darüber hinaus Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Passivierungsschicht anzugeben.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Passivierungsmaterial nach Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer Passivierungsschicht nach Patentanspruch 18. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Passivierungsmaterials und des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Es wird ein Passivierungsmaterial für ein keramisches Bauelement angegeben, das eine Matrix enthält, in die ein Füllstoff eingebettet ist.

Das hier angegebene Passivierungsmaterial hat den Vorteil, dass durch das Vorsehen eines Füllstoffs die Eigenschaften des Passivierungsmaterials sehr gut beeinflußt werden können. Beispielsweise ist es möglich, den Füllstoff in einer bestimmten Partikelgröße der Matrix beizufügen. Darüber hinaus gibt es noch andere Möglichkeiten, mittels des Füllstoffs die Eigenschaften des Passivierungsmaterials an gegebene Anforderungen anzupassen. Beispielsweise ist es möglich, durch Ändern des Anteils des Füllstoffs am Passivierungsmaterial die Eigenschaften des Passivierungsmaterials zu ändern. Darüber hinaus hat auch die Vermischung des Füllstoffs mit der Matrix Einfluß auf die Eigenschaften des Passivierungsmaterials.

Das hier angegebene Passivierungsmaterial kann besonders vorteilhaft in der Form eines Kompositmaterials vorliegen. Darunter ist eine Kombination zweier oder mehrerer Materialien zu verstehen, die in ihrer Form oder Zusammensetzung auf einer Makroskala voneinander abweichen. Die Bestandteile des Kompositmaterials behalten dabei jeweils ihre eigenständige Identität, d.h. dass nicht eine Komponente in einer anderen sich vollständig auflöst oder die beiden ineinander übergehen, die Komponenten jedoch miteinander wechselwirken. Dies führt dazu, dass das Kompositmaterial Eigenschaften hat, die zwischen den Eigenschaften der Komponenten des Komposites liegen.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn das Passivierungsmaterial die Eigenschaft hat, dass es bei Zimmertemperatur in einer festen Form vorliegt. Das Material kann durch Erhitzen aufgeweicht werden, so dass es fließfähig wird und vorteilhafterweise eine Oberfläche benetzen kann. Bei weiterem Aufheizen verfestigt sich das Material. Das Material kann kris tallisieren bzw. sich in einen Feststoff umwandeln. Der Feststoff kann kristallin, amorph oder auch teilkristallin sein.

Dementsprechend ist es vorteilhaft, wenn der Füllstoff so gestaltet ist, dass er während der Fließphase der Matrix, also solange sich die Matrix in einem fließfähigen Zustand befindet, selbst in einem festen Zustand bleibt.

Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn bei dem Passivierungsmaterial die Matrix ein glasartiges Material enthält. Ein glasartiges Material hat den Vorteil, dass es besonders gut als Grundlage für ein Passivierungsmaterial geeignet ist, da es beispielsweise ein keramisches Bauelement vor dem Eindringen von Galvanikflüssigkeit in den Keramikkörper schützen kann.

Bei der Verwendung eines glasartigen Materials für die Matrix des Passivierungsmaterials kommt es insbesondere in Betracht, devitrifizierende Materialien zu verwenden. Devitrifizierende Materialien haben die Eigenschaft, dass bei einer bestimmten Temperatur eine Kristallisation des Glases von selbst stattfindet, so dass aus einem solchen Material eine mechanisch feste Passivierungsschicht hergestellt werden kann.

Es können aber genauso gut auch vitrifizierende Materialien als Matrix verwendet werden.

In einer anderen Ausführungsform des Passivierungsmaterials enthält die Matrix ein bleifreies Glas. Ein solches Glas hat den Vorteil, dass es umweltfreundlicher ist.

In einer anderen Ausführungsform des Passivierungsmaterials enthält die Matrix ein bleihaltiges Glas.

Als Matrix für das Passivierungsmaterial kommt insbesondere in Betracht:
ein Aluminosilikat-Glas, ein Borat-Glas, ein Borosilikat-Glas, ein Silikat-Glas oder ein Zink-Borat-Glas.

In einer besonderen Ausführungsform des Passivierungsmaterials ist als Matrix eine Mischung aus verschiedenen Materialien vorgesehen. Eine solche Mischung hat den Vorteil, dass eine große Anzahl von Möglichkeiten besteht, die Matrix des Passivierungsmaterials und damit auch wesentliche Eigenschaften des Passivierungsmaterials selbst durch verschiedene Mischungsverhältnisse und durch Hinzufügen verschiedener Materialien an das gewünschte Anforderungsprofil anzupassen.

In einer anderen Ausführungsform des Passivierungsmaterials liegt als Matrix eine homogene Mischung verschiedener Materialien vor.

In einer Ausführungsform des Passivierungsmaterials ist eine glasartige Matrix vorgesehen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Transformationstemperatur der glasartigen Matrix 350 bis 700 °C beträgt.

In einer anderen Ausführungsform des Passivierungsmaterials ist die Matrix ein glasartiges Material oder auch ein Glas selbst und weist eine Erweichungstemperatur zwischen 500 und 950 °C auf.

Als Füllstoff kommen insbesondere feuerfeste Stoffe in Betracht, die keramische Eigenschaften aufweisen. Stoffe mit keramischen Eigenschaften haben den Vorteil, dass ihre physi kalischen und chemischen Eigenschaften bei relativ tiefen Temperaturen bis 500 °C keine große Abhängigkeit von der Temperatur aufweisen. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass das Verhalten des Füllstoffs über den gesamten für den hier beschriebenen Prozeß wichtigen Temperaturbereich im wesentlichen konstant ist.

Als weiterer Vorteil von Füllstoffen mit keramischen Eigenschaften wäre die gute Kompatibilität zu einer glasartigen Matrix zu nennen, die insbesondere aus der niedrigen Grenzflächenenergie zwischen dem Füllstoffpartikel und der genannten Matrix resultiert. In einer anderen Ausführungsform des Passivierungsmaterials wird ein Füllstoff verwendet, der glasartige Eigenschaften aufweist.

Vorteilhaft ist, wenn der Füllstoff während der Verarbeitung der Matrix, also insbesondere während der Umwandlung der Matrix in eine fließfähige Form, seine Feststoffeigenschaften beibehält, so dass der Füllstoff als Kristallisationskeim und auch als Versiegelungsverzögerer in einer zu schaffenden Passivierungsschicht fungieren kann.

In einer anderen Ausführungsform des Passivierungsmaterials enthält der Füllstoff Chromit, Kieselsäure, Korund, Mullit, Aluminiumsilikat, Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Titandioxid, Vanadiumdioxid, Zinkoxid, Zirkondioxid, Zirkonsilicat, Zeolithe, mikro-, meso- und makroporöse oxidische oder auch nicht-oxidische Materialien oder auch hochschmelzendes Glas. Der Füllstoff kann auch Mischungen der angegebenen Materialien enthalten.

In einer Ausführungsform des Passivierungsmaterials liegt der Füllstoff in Form von Partikeln mit einer Größe zwischen 0,1 und 20 μm vor.

In einer Ausführungsform des Passivierungsmaterials ist der Füllstoff homogen mit der Matrix vermischt.

In einer anderen Ausführungsform des Passivierungsmaterials hat der Füllstoff an dem Passivierungsmaterial einen Anteil von 0,1 bis 85 Gewichtsprozent.

Es wird darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung einer Passivierungsschicht angegeben. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

a) In einem ersten Schritt wird Passivierungsmaterial auf eine zu passivierende Fläche aufgebracht.
b) In einem darauffolgenden Schritt wird ein Kontaktierungsmaterial auf das Passivierungsmaterial aufgebracht.
c) In einem darauffolgenden Schritt wird eine Temperaturbehandlung durchgeführt, wobei das Passivierungsmaterial einen dichten Film auf der Fläche bildet.

Vorteilhafterweise wird die Temperaturbehandlung so durchgeführt, dass das Passivierungsmaterial zunächst erweicht und bei Fortsetzen der Temperaturbehandlung wieder aushärtet. Das Passivierungsmaterial verfestigt sich also im Laufe der Temperaturbehandlung. Das Fortsetzen der Temperaturbehandlung nach dem Erweichen des Passivierungsmaterial kann darin bestehen, dass eine bereits vorhandene Temperatur für eine weitere Zeitdauer gehalten wird. Das Fortsetzen der Temperatur behandlung kann aber auch darin bestehen, dass nach dem Erweichen des Passivierungsmaterials die Temperatur erhöht wird.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens erfolgt nach der Bildung eines Films von Passivierungsmaterial auf der Oberfläche gleichzeitig eine Fixierung der Passivierung und gegebenenfalls eine Fixierung des Kontaktierungsmaterials. Vorteilhafterweise entsteht zwischendurch auch gleichzeitig noch ein elektrischer Kontakt zwischen dem Kontaktierungsmaterial und dem zu passivierenden Grundkörper.

Das Verfahren hat den Vorteil, dass die Viskosität der Matrix im geschmolzenen bzw. fließfähigen Zustand durch das Vorhandensein des Füllstoffs kontrolliert werden kann.

In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens wird ein Passivierungsmaterial aufgebracht, das eine glasartige Matrix enthält, in die ein Füllstoff eingebettet ist.

Vorteilhafterweise wird dann während der Temperaturbehandlung aus dem Passivierungsmaterial eine glasartige Schmelze erzeugt.

In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens kann erreicht werden, dass während der Temperaturbehandlung aus einer glasartigen Schmelze des Passivierungsmaterials eine Benetzung der zu passivierenden Fläche stattfindet.

In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird als Kontaktierungsmaterial ein elektrisch leitfähiges Material verwendet, das beim Auftragen pastös ist und das während der Temperaturbehandlung fixiert wird.

Ein solches Verfahren hat den Vorteil, dass die Fixierung bzw. die Verfestigung des Passivierungsmaterials und die Fixierung bzw. Verfestigung des Kontaktierungsmaterials in einem Schritt erfolgen kann. Daraus ergibt sich beispielsweise bei der Herstellung von elektrokeramischen Bauelementen eine gleichzeitige Fixierung von Passivierungsschicht und Terminierung.

In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird das Passivierungsmaterial so auf die Fläche aufgebracht, dass eine mit temporären Perkolationspfaden durchsetzte Schicht entsteht. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass während der Temperaturbehandlung, also während der Fließphase des Passivierungsmaterials, ein Gasaustausch zwischen der Oberseite und der Unterseite des Passivierungsmaterials hindurch möglich ist. D. h., dass Luft oder auch andere Gase durch das Passivierungsmaterial entlang der Perkolationspfade gelangen können. Dies hat insbesondere Vorteile für die Grenzfläche zwischen der zu passivierenden Fläche und dem passivierenden Material, da dort nach Auftrag des Passivierungsmaterials oft Luft oder Gase eingeschlossen wird, die dann während der Temperaturbehandlung über die Perkolationspfade nach außen entweichen können.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens werden die Perkolationspfade gebildet durch die Partikel des Füllstoffs.

Mit Erreichen des dichten Films werden dann die Perkolationspfade geschlossen.

In einer anderen Ausführungsform wird während der Temperaturbehandlung aus dem Passivierungsmaterial eine glasartige Schmelze gebildet, die sich vor Erreichen der Verfestigungstemperatur des Matrixmaterials verfestigt.

In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird zu passivierende Fläche gebildet durch die Oberfläche eines Bauelementekörpers. Ein solches Verfahren hat den Vorteil, dass Bauelementekörper, beispielsweise Grundkörper von keramischen Bauelementen, mit dem hier beschriebenen Verfahren mit einer Passivierungsschicht versehen werden können.

Es ist darüber hinaus besonders vorteilhaft, wenn die Temperaturbehandlung für eine Vielzahl von Bauelementekörpern gleichzeitig im Schüttgut erfolgt.

Darüber hinaus ist es auch besonders vorteilhaft, wenn das Beschichten der Oberflächen mit dem Passivierungsmaterial für eine Vielzahl von Bauelementekörpern gleichzeitig im Schüttgut erfolgt.

Eine solche Vorgehensweise hat den Vorteil, dass die Bauelementekörper nicht einer gewissen Ordnung unterzogen werden müssen, sondern dass sie einfach ungeordnet als Schüttgut verarbeitet werden können, wodurch die Kosten für die Herstellung der Passivierung auf den Bauelementekörpern drastisch reduziert werden können.

In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens sind die Körper Grundkörper von keramischen Vielschichtbauelementen, wobei das Kontaktierungsmaterial als Terminierung auf die keramischen Vielschichtbauelemente aufgebracht wird.

In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird das Passivierungsmaterial mittels eines naßchemischen Beschichtungsverfahrens auf die zu passivierende Fläche aufgebracht.

In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird das Passivierungsmaterial durch ein trockenes Beschichtungsverfahren auf die zu passivierende Fläche aufgebracht. Ein solches Verfahren könnte beispielsweise darin bestehen, dass die zu passivierende Fläche mit einem Klebstoff beschichtet und anschließend in eine Pulverschüttung enthaltend Passivierungsmaterial eingetaucht wird. Dabei kann der Klebstoff vorteilhafterweise so gewählt sein, dass er erst oberhalb der Raumtemperatur, beispielsweise in der erhitzten Pulverschüttung des Passivierungsmaterials, seine Klebefähigkeit entfaltet und dabei mit dem Passivierungsmaterial beschichtet wird.

Ein solches Verfahren hat den Vorteil, dass relativ billige, standardmäßig zur Verfügung stehende Verfahren zum Auftrag des Passivierungsmaterials verwendet werden können.

In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird das Passivierungsmaterial in Form einer wässerigen Suspension auf die zu passivierende Fläche aufgebracht. Dazu wird die Matrix in Form von Pulver mit dem Füllstoff ebenfalls in Form von Pulver vermischt und nebeneinander in eine wässrige Suspension eingebracht. Daneben ist es auch möglich, zuerst den Komposit aus Matrix und Füllstoff zu bilden, d.h., den Füllstoff in die Matrix einzubetten und dann den Komposit zu pulverisieren und anschließend in eine Suspension einzubringen. Dabei muss die Suspension nicht notwendigerweise wässrig sein. Sie kann auch nicht wässrig sein, beispielsweise organisch.

In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird das Passivierungsmaterial als Schicht mit einer Schichtdicke von 0,5 bis 20 μm auf die zu passivierende Fläche aufgebracht.

In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird das Passivierungsmaterial in Form einer Suspension aufgebracht, wobei die Suspension nicht notwendigerweise wässerig sein muß. Passivierungsmaterial kann als pulverisiertes Matrixmaterial vermischt mit pulverisiertem Füllstoffmaterial in einem beliebigen geeigneten Lösungsmittel, beispielsweise Aceton oder Methylethylketon, zu einer Suspension verarbeitet werden.

Es wird darüber hinaus ein elektrisches Bauelement angegeben, das einen Grundkörper aufweist. Der Grundkörper enthält ein Keramikmaterial.

Der Grundkörper weist wenigstens zwei Außenelektroden auf. Darüber hinaus ist wenigstens ein Teil der Oberfläche des Grundkörpers mit einer Schicht aus einem hier beschriebenen Passivierungsmaterial bedeckt.

Das hier angegebene Bauelement hat den Vorteil, dass es gegenüber äußeren Einflüssen passiviert werden kann. Dabei stehen für das Bauelement sowohl die hier angegebenen Materialien für das Passivierungsmaterial als auch das hier angegebene Verfahren zur Herstellung der Passivierungsschicht zur Verfügung.

Insbesondere der Auftrag des Passivierungsmaterials kann mit standardmäßig verfügbaren Methoden vonstatten gehen. Es kommt beispielsweise in Betracht, das Passivierungsmaterial als Suspension mittels naßchemischer Verfahren wie z. B. Impräg nieren, Bedrucken, Elektrophorese, Tauchen, Tränken, Zentrifugieren oder weitere übliche Methoden zu beschichten.

Bei der Auswahl des Passivierungsmaterials wird vorteilhafterweise darauf geachtet, dass einer oder mehrere der folgenden Zwecke durch die Passivierungsschicht erfüllt wird:

a) Verhinderung der Abscheidung von Nickel und/oder Zinn auf dem Grundkörper während einer gegebenenfalls durchzuführenden galvanischen Verstärkung der Terminierung.
b) Verhinderung des Eindringens von Galvanikbadflüssigkeit, die während eines gegebenenfalls durchzuführenden galvanischen Schritts auf dem Grundkörper des Bauelements anliegt.
c) Die Passivierungsschicht kann eine Funktion als Haftvermittler zwischen einem keramischen Grundkörper und einer Terminierung, also einem Außenkontakt des Bauelements, übernehmen.
d) Es ist vorteilhaft, die Passivierung so auszuführen, dass eine Schutzwirkung entsteht gegenüber degradierenden Umwelteinflüssen, z. B. reduzierenden Bedingungen, Reflow-Löten beim Aufbringen des Bauelements auf einer Leiterplatte, Eindringen von Feuchtigkeit.
e) Verbesserung der Nicht-Linearität der Varistor-Kennlinie, für den Fall, dass es sich bei dem Bauelement um einen Varistor handelt.
f) Die Oberflächenleckströme können reduziert werden durch eine geeignete Passivierungsschicht.
g) Es kann die mechanische Stabilität und die Abriebfestigkeit des Grundkörpers verbessert werden.
h) Es kann die Langzeitstabilität und die Lebensdauer eines keramischen Bauelements verbessert werden.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird das Kontaktierungsmaterial an einem vorher fest vorgegebenen Ort auf dem Passivierungsmaterial aufgebracht, wobei das Kontaktierungsmaterial während der Temperaturbehandlung seine Position im wesentlichen nicht mehr ändert.

Bei der Verarbeitung mehrerer keramischer Grundkörper im Schüttgut kann mittels des hier angegebenen Verfahrens ggf. eine Verklebung der Bauelementekörper untereinander vermieden werden, da das Passivierungsmaterial schon zu einem sehr frühen Zeitpunkt eine ausreichend hohe Viskosität hat, so dass ein Verkleben praktisch nicht mehr stattfindet.

In einer anderen Ausführungsform des Bauelements ist die gesamte Oberfläche des Grundkörpers mit einer Schicht aus einem Passivierungsmaterial bedeckt.

In einer anderen Ausführungsform des Bauelements sind im Inneren des Grundkörpers Innenelektroden vorgesehen.

Innenelektroden haben den Vorteil, dass der Widerstand des Grundkörpers reduziert werden kann und dass gegebenenfalls eine Kapazität realisiert werden kann.

In einer anderen Ausführungsform des Bauelements umfaßt der Grundkörper einen keramischen Körper. Ein solcher keramischer Körper kann beispielsweise entstehen durch Übereinandersta peln einer Vielzahl keramischer Grünfolien, zwischen denen gegebenenfalls Innenelektroden angeordnet sind. Anschließend wird der Stapel von keramischen Folien gepreßt und gesintert. Dadurch entsteht ein einheitlicher keramischer Körper, wobei die keramischen Schichten nicht mehr voneinander unterscheidbar sind.

In einer anderen Ausführungsform des Bauelements enthält der Grundkörper einer Varistorkeramik. Ein solches Bauelement hat den Vorteil, dass es als Varistor verwendet werden kann. Es kommt beispielsweise in Betracht, als Varistorkeramik ZnO-Bi-Oxid, wobei Bi-Oxid für ein Wismut-Oxid steht, ZnO-Pr-Oxid, wobei Pr-Oxid für ein Praseodym-Oxid steht, oder auch SrTiO₃-Keramiken zu verwenden.

In einer anderen Ausführungsform des Bauelements weist der Grundkörper eine Heißleiterkeramik auf. Ein solches Bauelement hat den Vorteil, dass es als Heißleiterbauelement verwendet werden kann. Als Heißleiterkeramik kommt beispielsweise die Verwendung von MnNiO-Spinell oder auch von Perowskiten in Betracht.

In einer anderen Ausführungsform des Bauelements enthält der Grundkörper eine oder mehrere Kondensatorkeramiken. Ein solches Bauelement hat den Vorteil, dass es als Kondensator verwendet werden kann. Als Kondensatorkeramik kommt beispielsweise in Betracht COG, X7R, Z5U oder Y5V usw.

Dabei handelt es sich um ein- oder mehrphasige Oxidsysteme mit spezifischer Charakteristik.

In einer anderen Ausführungsform des Bauelements enthält der Grundkörper eine Ferritekeramik. Ein solches Bauelement hat den Vorteil, dass es als Induktivität verwendet werden kann. Als Material kommt beispielsweise in Betracht: (Mn, Zn) Fe₂O₄, (Ni, Zn) Fe₂O₄ oder (Mg, Zn) Fe₂O₄.

In einer anderen Ausführungsform des Bauelements weist der Grundkörper eine Kaltleiterkeramik auf. Ein solches Bauelement hat den Vorteil, dass es als Kaltleiter verwendet werden kann. Ferner kann es als Überlastschutz, Motorstarter oder Degaussing-Bauelement verwendet werden.

Als Material kommt beispielsweise die Anwendung von BaTiO₃-Keramiken, wie (Ba, Pb) TiO₃ oder (Ba, Sr) TiO₃ in Betracht.

In einer anderen Ausführungsform des Bauelements weist der Grundkörper eine Piezokeramik, beispielsweise Pb (Zr, Ti) O₃ – Pb (Mn, Sb) O₃ auf.

Ein solches Bauelement hat den Vorteil, dass es beispielsweise als Piezoaktor verwendet werden kann.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
1 zeigt ein Passivierungsmaterial in einer schematischen Darstellung.
2 zeigt ein elektrisches Bauelement in einem schematischen Längsschnitt.
1 zeigt ein Passivierungsmaterial mit einer Matrix 1, in die Füllstoffpartikel 2 eingebettet sind.
Dabei sind vorzugsweise die Füllstoffpartikel 2 allseitig von der Matrix 1 umschlossen. Der Füllstoff kann in Form von Partikeln 2 vorliegen.
2 zeigt ein keramisches Bauelement mit einem Grundkörper 3, der eine Vielzahl von übereinanderliegenden keramischen Schichten 41, 42 enthält. Zwischen keramischen Schichten 41, 42 sind Innenelektroden 51, 52 angeordnet. Dabei gibt es eine erste Sorte von Innenelektroden 51, die nur mit der linken Außenelektrode 71 elektrisch leitend verbunden sind. Eine andere Sorte von Innenelektroden 52 ist nur mit der rechten Außenelektrode 72 verbunden. Dadurch entstehend kammartig ineinandergreifende Innenelektroden, die beispielsweise der Realisierung sehr kleiner ohmscher Widerstände zwischen den Außenelektroden oder auch der Realisierung großer Kapazitäten dienlich sind. Darüber hinaus ist der Grundkörper 3 des Bauelements allseitig von einer Passivierungsschicht 6 umgeben, die eines der hier beschriebenen Materialien enthält und die durch eines der hier beschriebenen Verfahren hergestellt ist.
Die Außenelektroden können hergestellt sein durch einfaches Auftragen eines elektrisch leitenden Materials auf das Passivierungsmaterial. Sie können aber auch hergestellt werden durch Auftragen eines Precursors auf das Passivierungsmaterial und durch anschließendes Aufgalvanisieren von Metall.
Die Außenelektroden können hergestellt werden durch Auftragen eines Kontaktierungsmaterials. Entscheidend ist, dass das Kontaktierungsmaterial am Ende des Herstellungsprozesses ausreichende elektrisch leitfähige Eigenschaften aufweist, um eine elektrische Kontaktierung des Bauelementes von außen zu ermöglichen. Beispielsweise kann als Kontaktierungsmaterial ein Material verwendet werden, das von Haus aus elektrisch leitfähige Eigenschaften aufweist. Beispielsweise kann ein Metall als Kontaktierungsmaterial verwendet werden.
In einer anderen Ausführungsform können die Außenelektroden hergestellt werden, indem eine Paste, enthaltend Metallpartikel und Glas, also eine Mischung aus Glas und Metallpartikeln, oder auch eine Mischung aus organischen Bestandteilen und Metallpartikeln aufgebracht wird. Solche Materialien können nach Ende des Herstellungsprozesses ihre Leitfähigkeit erhöhen, indem die Metallpartikel bauelementeseitig gesammelt werden und das übrige Material der Außenelektrode sich am Rand der Elektrode befindet und dort chemisch oder mechanisch entfernt werden kann.
Darüber hinaus kann auch durch Aufdampfen von Silber/Platin-Elektroden als Vorläufermaterial für einen Galvanikprozeß bzw. durch Verwendung anderer geeigneter Materialien und anschließendes Aufgalvanisieren von Nickel/Zinn eine Außenelektrode hergestellt werden.
Das hier beschriebene Passivierungsmaterial hat den Vorteil, dass es leicht und bequem auf bestehende, fest vorgegebene Prozeßbedingungen für die Herstellung von keramischen Vielschichtbauelementen angepaßt werden kann, ohne dass eine nachteilige Beeinflussung der passivierenden Wirkung zu befürchten wäre. Die Anpassung kann dabei geschehen durch Anpassung des Füllstoffmaterials, durch Anpassung der Füllstoffverteilung in der Matrix, durch Anpassung der Füllstoff-Partikelgröße und durch Anpassung des Füllstoffgehalts an dem Passivierungsmaterial.
Darüber hinaus hat das hier beschriebene Verfahren zur Herstellung einer Passivierungsschicht den Vorteil, dass ein erheblich breiteres Prozeßfenster zur Produktion passivierter keramischer Bauelemente zur Verfügung steht.
Darüber hinaus kann eine Blasenbildung innerhalb der Passivierungsschicht vermieden werden.
Die in dieser Erfindung beschriebenen Passivierungsmaterialien können verwendet werden, um beispielsweise Varistoren zu passivieren. Dafür geeignete Passivierungsmaterialien können unterschiedliche Zusammensetzungen haben. In den folgenden Beispielen werden einige Passivierungsmaterialien und Passivierungsverfahren beschrieben:
Beispiel 1:
250 Gramm eines Glases bestehend aus 61,7 mol-% H₃BO₃, 2,3 mol-% Al₂O₃, 29,8 mol-% SiO₂, 3,4 mol-% K₂O, 2,8 mol-% BaCO₃ werden gemeinsam mit 20 Gramm ZrO₂-Pulver in 100–450 ml deionisiertem Wasser suspendiert. Dann werden Varistoren in die Suspension des Passivierungsmaterials getaucht. Nach der Beschichtung werden die Varistoren bei 100–120 °C getrocknet und an den Stirnflächen mit einer Metallisierungspaste versehen. Anschließend werden die Varistoren für 10–45 min auf 750–850 °C erhitzt. Durch die Temperaturbehandlung wird die passivierende Beschichtung gemeinsam mit der Terminierung auf den Varistoren fixiert und man erhält passivierte Varistoren.
Beispiel 2:
150 Gramm eines Glases bestehend aus 17,2 mol-% H₃BO₃, 5,6 mol-% Na₂CO₃, 3,0 mol-% Al₂O₃, 65,9 mol-% SiO₂, 4,5 mol-% K₂O, 3,8 mol-% BaCO₃ werden zusammen mit 18 Gramm Zirkonsilicat-Pulver in 50–250 ml einer 2 %-igen Lösung aus Nitrocellulose in Aceton/Butyldiglykolacetat suspendiert. Nach Imprägnieren der Varistoren mit der Suspension des Passivierungsmaterials werden die Bauelemente bei 75–150 °C getrocknet und an den Stirnflächen mit einer Metallisierungspaste versehen. Anschließend werden die Varistoren allmählich auf 750–850 °C erhitzt. Durch die Temperaturbehandlung wird die passivierende Beschichtung gemeinsam mit der Terminierung auf den varistoren fixiert und man erhält passivierte Varistoren.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie umfaßt ferner auch alle fachmännischen Abwandlungen sowie Teil- und Unterkombinationen der beschriebenen und/oder dargestellten Merkmale und Maßnahmen.

1: Matrix
2: Füllstoffpartikel
3: Grundkörper
41, 42: keramische Schichten
51, 52: Innenelektroden
6: Passivierungsschicht
71, 72: Außenelektroden

Claims

Passivierungsmaterial für ein keramisches Bauelement, enthaltend eine Matrix (1), in die ein Füllstoff eingebettet ist.
Material nach Anspruch 1, bei dem das Passivierungsmaterial ein Material ist, das bei Zimmertemperatur in einer festen Form vorliegt, das durch Erhitzen aufgeweicht werden kann, so dass es fließfähig wird und das schließlich bei weiterem Aufheizen in einen Feststoff umgewandelt werden kann.
Material nach Anspruch 1, bei dem die Matrix (1) ein glasartiges Material enthält.
Material nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Matrix (1) ein vitrifizierendes oder ein devitrifizierendes Material enthält.
Material nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Matrix (1) bleihaltig oder frei von Blei ist.
Material nach Anspruch 1, bei dem die Matrix (1) ein Aluminosilikat-Glas, ein Borat-Glas, ein Borosilikat-Glas, ein Silikat-Glas oder ein Zink-Borat-Glas enthält.
Material nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Matrix (1) eine Mischung aus verschiedenen Materialien enthält.
Material nach Anspruch 7, bei dem die Mischung homogen ist.
Material nach einem der Ansprüche 3 bis 8, bei dem die Transformationstemperatur des glasartigen Materials zwischen 350 und 700 °C liegt.
Material nach einem der Ansprüche 3 bis 9, bei dem die Erweichungstemperatur des glasartigen Materials zwischen 500 °C und 950 °C liegt.
Material nach einem der Ansprüche 2 bis 10, bei dem sich der Füllstoff bei einer Temperatur, bei der sich die Matrix in einem fließfähigen Zustand befindet, in einem festen Zustand befindet.
Material nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der Füllstoff keramische Eigenschaften aufweist.
Material nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem der Füllstoff glasartige Eigenschaften aufweist.
Material nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem der Füllstoff Chromit, Kieselsäure, Korund, Mullit, Aluminiumsilikat, Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Titandioxid, Vanadiumdioxid, Zinkoxid, Zirkondioxid, Zirkonsilikat, Zeolithe, mikro-, meso- und makroporöse oxidische oder auch nicht-oxidische Materialien oder auch hochschmelzendes Glas enthält.
Material nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem der Füllstoff in Form von Partikeln (2) mit einer Größe zwischen 0,1 und 20 μm vorliegt.
Material nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem die Matrix (1) und der Füllstoff homogen miteinander vermischt sind.
Material nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem der Füllstoff an dem Passivierungsmaterial einen Anteil von 0,1 bis 85 Gewichtsprozent hat.
Verfahren zur Herstellung einer Passivierungsschicht (6) mit folgenden Schritten: a) Aufbringen eines Passivierungsmaterials auf einer zu passivierenden Fläche, b) Aufbringen eines Kontaktierungsmaterials auf das Passivierungsmaterial, c) Durchführen einer Temperaturbehandlung, wobei das Passivierungsmaterial einen dichten Film auf der Fläche bildet.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei während der Temperaturbehandlung das Passivierungsmaterial erweicht und die Oberfläche benetzt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei ein Passivierungsmaterial aufgebracht wird, das eine glasartige Matrix (1) enthält, in die ein Füllstoff eingebettet ist, und wobei die Temperaturbehandlung das Passivierungsmaterial zunächst erweicht und anschließend verfestigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei das Kontaktierungsmaterial pastös ist und während der Temperaturbehandlung fixiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei das Passivierungsmaterial so auf die Oberfläche aufgebracht wird, dass eine Schicht mit temporären Perkolationspfaden entsteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei während der Temperaturbehandlung aus dem Passivierungsmaterial eine Schmelze gebildet wird, die sich vor Erreichen der Verfestigungstemperatur der enthaltenen Matrix verfestigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, wobei die zu beschichtende Fläche gebildet wird durch die Oberfläche eines Bauelementekörpers, und wobei eine Vielzahl von Bauelementekörpern gleichzeitig im Schüttgut die Temperaturbehandlung erfahren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, wobei die Körper die Grundkörper (3) von keramischen Vielschichtbauelementen sind und wobei das Kontaktierungsmaterial als Terminierung aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Passivierungsmaterial mittels eines naßchemischen Beschichtungsverfahrens aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Passivierungsmaterial als Schicht (6) mit einer Schichtdicke von 0,5 bis 20 μm aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, wobei das Passivierungsmaterial in Form einer Suspension aufgebracht wird.
Elektrisches Bauelement – mit einem Grundkörper (3) enthaltend ein Keramikmaterial, – bei dem der Grundkörper (3) wenigstens zwei Außenelektroden (71, 72) aufweist, – und bei dem wenigstens ein Teil der Oberfläche mit einer Schicht (6) aus einem Passivierungsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 17 bedeckt ist.
Bauelement nach Anspruch 29, bei dem die gesamte Oberfläche des Grundkörpers (3) von der Schicht bedeckt ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 29 oder 30, bei dem im Inneren des Grundkörpers (3) Innenelektroden (51, 52) vorgesehen sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 29 bis 31, bei dem der Grundkörper (3) einen monolithischen keramischen Körper umfaßt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 29 bis 32, bei dem der Grundkörper (3) eine Varistorkeramik enthält.
Bauelement nach einem der Ansprüche 29 bis 32, bei dem der Grundkörper (3) eine Heißleiterkeramik enthält.
Bauelement nach einem der Ansprüche 29 bis 32, bei dem der Grundkörper (3) eine Kondensatorkeramik enthält.
Bauelement nach einem der Ansprüche 29 bis 32, bei dem der Grundkörper (3) eine Ferritkeramik enthält.
Bauelement nach einem der Ansprüche 29 bis 32, bei dem der Grundkörper (3) eine Kaltleiterkeramik enthält.
Bauelement nach einem der Ansprüche 29 bis 32, bei dem der Grundkörper (3) eine Piezokeramik enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, wobei die zu beschichtende Fläche gebildet wird durch die Oberfläche eines Bauelementekörpers, und wobei eine Vielzahl von Bauelementekörpern gleichzeitig im Schüttgut mit Passivierungsmaterial beschichtet werden.