DE102016108604A1

DE102016108604A1 - Vielschichtbauelement und Verfahren zur Herstellung eines Vielschichtbauelements

Info

Publication number: DE102016108604A1
Application number: DE102016108604.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Feichtinger; Bernhard Döllgast
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2016-05-10
Publication date: 2017-11-16
Also published as: EP3455861A2; TW201808625A; WO2017194408A2; WO2017194408A3; CN109416963A; JP2019523545A; US20190287702A1

Abstract

Es wird ein Vielschichtbauelement (100) beschrieben, aufweisend ein inertes keramisches Substrat (1) und wenigstens eine Funktionskeramik (2), wobei die Funktionskeramik (2) vollständig von dem keramischen Substrat (1) umschlossen ist. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines Vielschichtbauelements (100) beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein keramisches Vielschichtbauelement. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Vielschichtbauelements.
Zur Integration von Funktionalitäten in Vielschichtbauelemente ist beispielsweise die Integration einer vollständig umschlossenen Elektrokeramik bzw. Funktionskeramik in ein inertes organisches Material bekannt. Auch ist der Aufbau eines Trägers aus einer Funktionskeramik selbst, wie beispielsweise einer Varistorkeramik, bekannt. Jedoch sind hierbei Zusatzoberflächenschichten, beispielsweise aus Glas oder Polymer, erforderlich, um die Funktionskeramik vor äußeren Einflüssen zu schützen.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine verbessertes Vielschichtbauelement sowie ein Verfahren zur Herstellung eines verbesserten Vielschichtbauelements anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand und das Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Gemäß einem Aspekt wird ein Vielschichtbauelement angegeben. Das Vielschichtbauelement weist ein inertes keramisches Substrat auf. Unter „inert“ wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass eine Oberfläche des keramischen Substrats einen hohen Isolationswiderstand aufweist. Der hohe Isolationswiderstand schützt die Oberfläche des Substrats gegen äußere Einflüsse. Der hohe Isolationswiderstand macht die Oberfläche beispielsweise unempfindlich gegenüber elektrochemischen Prozessen, wie dem Abscheiden von metallischen Schichten auf der Oberfläche. Der hohe Isolationswiderstand macht die Oberfläche des Substrats ferner unempfindlich gegen aggressive Medien, z.B. aggressive Flussmittel, die beispielsweise bei Lötprozessen eingesetzt werden.
Das Vielschichtbauelement weist wenigstens eine Funktionskeramik auf. Das Vielschichtbauelement kann auch mehr als eine Funktionskeramik aufweisen. Beispielsweise weist das Vielschichtbauelement zwei, drei, fünf, zehn oder mehr Funktionskeramiken auf. Die Funktionskeramik dient dazu spezifische Funktionalitäten des Vielschichtbauelements bereitzustellen. Die Funktionskeramik dient dazu die spezifischen Funktionen in das Substrat zu integrieren. Verschiedene Funktionskeramiken können dabei verschiedene aber auch gleiche Funktionalitäten zur Verfügung stellen.
Das keramische Substrat dient als Träger für die Funktionskeramik. Die Funktionskeramik ist vollständig von dem keramischen Substrat umschlossen. Mit anderen Worten, die Funktionskeramik ist zu allen Seiten hin von dem inerten, dielektrischen keramischen Material des Substrats umgeben. Die Funktionskeramik weist spezifische Eigenschaften, beispielsweise eine definierte Form und Größe auf, um die Funktionskeramik in das keramische Substrat zu integrieren. Beispielsweise ist die Funktionskeramik kornförmig, kugelförmig, scheibenförmig, ellipsenförmig oder würfelförmig ausgebildet. Beispielsweise weist die Funktionskeramik einen Durchmesser von kleiner oder gleich 100 µm, beispielsweise 50 µm, auf.
Das keramische Substrat weist spezifische Eigenschaften auf, um die Funktionskeramik in das Substrat zu integrieren. So ist in einem Innenbereich des Substrats eine Aussparung vorgesehen, in die die Funktionskeramik während der Herstellung des Vielschichtbauelements eingebracht wird. Die Funktionskeramik ist vollständig im Innenbereich des Substrats angeordnet.
Durch das inerte, dielektrische, keramische Substrat ist die Funktionskeramik vor schädlichen äußeren Einflüssen geschützt. Auf diese Weise kann ein kompaktes, stabiles, langlebiges und adaptives Vielschichtbauelement bereitgestellt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das keramische Substrat eine LTCC (low temperature cofired ceramics) Keramik auf. Die LTCC-Technologie erlaubt es, keramische Mehrschichtbauelemente mit mehreren Metallisierungsebenen zu realisieren, in die sich eine Vielzahl passiver Komponenten wie Leiterbahnen, Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten integrierten lassen. Die LTCC Keramik weist vorzugsweise eine niedrige Dielektrizitätskonstante auf. Damit können unerwünschte parasitäre elektrische Effekte, wie parasitäre Kapazitäten des Substrats, unterdrückt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Vielschichtbauelement eine Vielzahl von Funktionskeramiken auf. Die Funktionskeramiken haben unterschiedliche Eigenschaften. Die Funktionskeramiken weisen beispielsweise unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten und / oder unterschiedliche Sintertemperaturen auf. Durch die vollständige Einbettung der Funktionskeramiken in das inerte dielektrische keramische Material des Substrats können die unterschiedlichen Eigenschaften der Funktionskeramiken kompensiert werden. Verschiedenste Funktionalitäten können somit integriert werden. Damit können äußert adaptive und flexibel einsetzbare Vielschichtbauelemente realisiert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die wenigstens eine Funktionskeramik eine HTCC Keramik auf. Bei HTCC Keramiken liegen die Sintertemperaturen deutlich über 1000° C, beispielsweise bei 1500 °C. Das Korngefüge der HTCC Keramik wird durch die Prozessierung (das Einbrennen) der LTCC Keramik des Substrats bei Temperaturen deutlich unter 1000° C nicht beeinflusst. Die Funktionalität der Funktionskeramik in dem Substrat bleibt also auch nach Einbrennen der LTCC Keramik erhalten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Funktionskeramik einen Varistor, eine NTC (negative temperature coefficient) Keramik, eine PTC (positive temperature coefficient) Keramik oder ein Ferrit auf. Beispielsweise ist die Funktionskeramik als ESD-Schutzelement ausgebildet. Durch die Funktionskeramik können somit verschiedene Funktionalitäten des Vielschichtbauelements bereitgestellt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Vielschichtbauelements beschrieben. Durch das Verfahren wird vorzugsweise das oben beschriebene Vielschichtbauelement hergestellt. Sämtliche Merkmale, die in Zusammenhang mit dem Vielschichtbauelement beschrieben wurden, finden auch für das Verfahren Anwendung und umgekehrt.
In einem ersten Schritt wird wenigstens eine Funktionskeramik, vorzugsweise mehrere Funktionskeramiken, hergestellt. Dabei können Funktionskeramiken mit unterschiedlichen Funktionalitäten hergestellt werden. Der jeweiligen Funktionskeramik liegt ein keramisches Sprühgranulat, ein Keramikpulver und / oder keramische Grünschichten zu Grunde. Das Sprühgranulat, das Keramikpulver und / oder die Grünschichten werden gesiebt, gepresst und gesintert. Die Funktionskeramik wird bei diesem Herstellungsprozess bei Temperaturen größer oder gleich 1000 °C, beispielsweise 1300 °C oder 1500° C, gesintert. Bei der Herstellung kann die Funktionskeramik verschiedenste geometrische Formen erhalten. Beispielsweise kann die Funktionskeramik ein gesintertes Korn, eine gesinterte Kugel, einen gesinterten Chip oder einen gesinterten Würfel aufweisen.
In einem weiteren Schritt werden LTCC Grünfolien bereitgestellt, die wenigstens eine Aussparung aufweisen. Die Grünschichten werden übereinander gestapelt. Die Aussparung wird durch Stanzen oder Lasern der Grünfolien bereitgestellt und durchdringt die bereitgestellten Grünfolien vollständig.
In einem weiteren Schritt werden Elektrodenstrukturen auf wenigstens einem Teil der Grünfolien bereitgestellt, zum Beispiel aufgedruckt. Die Elektrodenstrukturen weisen beispielsweise Silber und / oder Palladium auf. Das Aufbringen der Elektrodenstrukturen erfolgt vorzugsweise bevor die bereit gestellten Grünfolien gestapelt werden.
In einem weiteren Schritt wird die Funktionskeramik in die Aussparung eingebracht. Insbesondere wird die Aussparung mit der Funktionskeramik bestückt und die Funktionskeramik wird passgenau in die Aussparung eingerüttelt.
In einem weiteren Schritt werden keramische Deckfolien im Grünzustand bereitgestellt. Diese werden an der Oberseite und der Unterseite des Stapels aus Grünfolien angeordnet. Die Deckfolien sind frei von der Aussparung, so dass die Funktionskeramik von allen Seiten von keramischen Material umgeben ist.
In einem weiteren Schritt werden die Grünfolien und die Deckfolien zu einem Grünstapel laminiert und verpresst.
In einem weiteren Schritt können optional durch Stanz- oder Laserprozesse weitere Aussparungen zur Erzeugung von Durchkontaktierungen in den Grünstapel eingebracht werden. Diese Aussparungen durchdringen den Grünstapel vollständig. Die Aussparungen sind in einem Bereich des Grünstapels angeordnet, der räumlich von demjenigen Bereich separiert ist, in welchem die Funktionskeramik angeordnet ist.
In einem weiteren Schritt wird der Grünstapel gesintert. Der Grünstapel wird bei einer Temperatur gesintert, welcher beispielsweise 150 °C unterhalb der Sintertemperatur der Funktionskeramik liegt. Dadurch wird die Funktionalität der integrierten Funktionskeramik nicht durch das Sintern des Grünstapels beeinflusst. Durch geeignete Wahl der LTCC Keramik mit definiertem Sinterschwund in z-Richtung und geringem Schwund in die x- und y-Richtung, kommt es zu einem rissfreiem Umschließen der Funktionskeramik durch das keramische Substrat. Dabei kann das keramische Material des Substrats passgenau an der Funktionskeramik anliegen. Alternativ dazu kann nach dem Sintern des Grünstapels auch ein Spalt zwischen der Funktionskeramik und dem Material des keramischen Substrats verbleiben.
In einem letzten Schritt werden Außenkontakte an Außenflächen des gesinterten Grünstapels bereitgestellt. Beispielsweise wird eine Silberpaste auf die Stirnseite des gesinterten Grünstapels aufgebracht und anschließend eingebrannt.
Das dadurch entstandene Vielschichtbauelement weist wenigstens eine, vollständig in das keramische Substrat, integrierte Funktionskeramik auf. Durch die Einbettung der Funktionskeramik in das inerte, dielektrische keramische Material kann das Vielschichtbauelement harschen Umgebungsbedingungen (hohen Temperaturen, aggressive Medien) ausgesetzt werden, ohne dass die Funktionskeramik Schaden nimmt. Durch die geringe Dielektrizitätskonstante des keramischen Substrats kann das Vielschichtbauelement ferner bei Anwendungen eingesetzt werden, bei denen die Reduktion von unerwünschten parasitären elektrischen Effekten (beispielsweise der parasitären Kapazität) des Substrats eine Rolle spielt. Somit wird ein langlebiges und adaptives Vielschichtbauelement zur Verfügung gestellt.
Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.
Elemente, die einander gleichen oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Vielschichtbauelements,
2 eine Schnittdarstellung eines Vielschichtbauelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
3 eine Schnittdarstellung eines Vielschichtbauelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
4 eine horizontale Schnittansicht auf das Vielschichtbauelement gemäß 3,
5 eine horizontale Schnittansicht auf das Vielschichtbauelement gemäß 3 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
6 eine Schnittdarstellung eines Vielschichtbauelements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
7 eine Schnittdarstellung eines Vielschichtbauelements gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
8a einen Verfahrensschritt bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Vielschichtbauelements,
8b einen weiteren Verfahrensschritt bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Vielschichtbauelements,
8c einen weiteren Verfahrensschritt bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Vielschichtbauelements,
8d einen weiteren Verfahrensschritt bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Vielschichtbauelements.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Vielschichtbauelements 100. Das Vielschichtbauelement 100 weist ein Substrat 1 auf. Das Substrat 1 weist vorzugsweise einen inerten dielektrischen keramischen Träger auf. Unter „inert“ wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass eine Oberfläche des Substrats 1 einen hohen Isolationswiderstand aufweist. Der hohe Isolationswiderstand macht die Oberfläche des Substrats 1 unempfindlich gegenüber elektrochemischen Prozessen, wie beispielsweise dem Abscheiden von metallischen Schichten, z.B. Schichten aufweisend Ni, Z, Ag oder Ad, auf der Oberfläche des Substrats 1. Der hohe Isolationswiderstand macht die Oberfläche des Substrats 1 ferner unempfindlich gegen aggressive Medien, wie beispielsweise aggressive Flussmittel, die beispielsweise bei Lötprozessen eingesetzt werden. Diese aggressiven Medien können die Oberfläche angreifen und zu unerwünschten Nebeneffekten, wie Kurzschlüssen und Kriechströmen führen.
Das Substrat 1 ist vorzugsweise eine Vielschichtkeramik. Das Substrat 1 weist vorzugsweise eine LTCC Keramik auf. Besonders bevorzugt weist das Substrat 1 eine Glaskeramik auf.
Das Vielschichtbauelement 100 weist ferner eine Vielzahl von Funktionskeramiken 2, beispielsweise zwei, drei, fünf oder 10 Funktionskeramiken 2, auf. Die Funktionskeramiken 2 sind innerhalb des Substrats 1 angeordnet. Die Funktionskeramiken 2 sind vollständig von dem Substrat 1 umschlossen. Die Funktionskeramiken 2 sind räumlich voneinander separiert und elektrisch isoliert.
Vorzugsweise weist die jeweilige Funktionskeramik 2 eine HTCC Keramik auf. Die jeweilige Funktionskeramik 2 kann ZnO-Pr (Varistor), MnNiX (NTC Keramik), BaTiO₃ (PTC Keramik) oder ein Ferrit aufweisen, abhängig von der gewünschten Funktion und Wirkungsweise der jeweiligen Funktionskeramik 2. Dabei können mehrere Funktionskeramiken 2 auch die gleiche Zusammensetzung aufweisen. Alternativ dazu kann jede Funktionskeramik 2 auch unterschiedlich ausgebildet sein zur Realisierung verschiedener gewünschter Funktionen innerhalb des Substrats 1.
Durch die inerte Oberfläche des Substrats 1 sind die Funktionskeramiken 2 vor äußeren Einflüssen geschützt. Zusatzoberflächenschutzschichten für die Funktionskeramiken, wie beispielsweise Glas- oder Polymerschichten, sind folglich überflüssig.
Die 2 zeigt eine Schnittdarstellung eines Vielschichtbauelements 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Insbesondere ist in 2 ein Vielschichtbauelement 100 mit keramischen Substrat 1 und einem integrierten Scheibenvaristor als Funktionskeramik 2 dargestellt. Vorzugsweise weist die Funktionskeramik 2 einen Kunststoff gemoldeten Varistor wie zum Beispiel einen SMD CU Varistor oder einen ThermoFuse Varistor auf.
Die Funktionskeramik 2 ist scheibenförmig ausgebildet. Die Funktionskeramik 2 weist vorzugsweise eine Metallscheibe auf. Die Funktionskeramik ist ein Scheibenvaristor. Beispielsweise weist die Funktionskeramik ZnO-Pr auf.
Das Substrat 1 weist Innenelektroden 4 auf. Die Innenelektroden 4 sind zwischen (nicht explizit dargestellten) keramischen Schichten des Substrats 1 angeordnet. Die Innenelektroden 4 dienen der elektrischen Kontaktierung der Funktionskeramik 2. Die Funktionskeramik 2 ist in eine (hier nicht explizit dargestellte) Aussparung 6 im Innenbereich des Substrats 1 angeordnet. Die Innenelektroden 4 reichen bis an den Rand dieser Aussparung 6, um die Funktionskeramik 2 elektrisch zu kontaktieren.
Die Funktionskeramik 2 weist Außenkontakte 3 auf. Die Außenkontakte 3 sind an Außenflächen, hier der Ober- und Unterseite, der Funktionskeramik 2 ausgebildet. Beispielsweise handelt es sich bei den Außenkontakten 3 um Metallschichten an der Oberseite und Unterseite der Funktionskeramik 2. Die Innenelektroden 4 sind mit den Außenkontakten 3 elektrisch leitend verbunden.
An den gegenüberliegenden Seitenflächen des Substrats 1 sind ferner Außenelektroden 5 angeordnet zur elektrischen Kontaktierung des Vielschichtbauelements 100. Die Außenelektroden 5 sind alternierend mit Innenelektroden 4 unterschiedlicher Polarität elektrisch verbunden.
Das in 2 dargestellte Vielschichtbauelement 100 ist für Hochtemperaturanwendungen bei ≥ 150 °C ausgebildet. Das Substrat 1, welches die Funktionskeramik 2 vollständig umgibt, schützt die Funktionskeramik 2 dabei vor den auftretenden hohen Temperaturen. Insbesondere dient die inerte Oberfläche des Substrats 1 dazu den integrierten Scheibenvaristor, welcher für maximale Einsatztemperaturen bis 85° C spezifiziert ist, vor den hohen Temperaturen zu schützen.
Die 3 zeigt eine Schnittdarstellung eines Vielschichtbauelements 100 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Insbesondere ist in 3 ein Vielschichtbauelement 100 mit einem integrierten SMD (surface mounted device) Varistor mit niedriger Klemmspannung und Kapazität als Funktionskeramik 2 dargestellt. Die Klemmspannung tritt bei einem ESD-Ereignis zusammen mit einem bestimmten Stoßstrom am Bauelement auf. Je höher die am Varistor auftretende Klemmspannung bei gleichem Strom ist, umso größer ist auch die elektrische Leistung und damit letztendlich die Energie, die der Varistor aufnehmen muss. Bei kleineren Klemmspannungen wird somit eine höhere Strombelastbarkeit erreicht, um dieselbe Energieaufnahme zu erzielen.
Das Vielschichtbauelement 100 weist das oben beschriebene Substrat 1 auf. Die Funktionskeramik 2 ist in eine Aussparung 6 innerhalb des Substrats 1 angeordnet bzw. eingebettet. Die Aussparung 6 ermöglicht das Einbringen der Funktionskeramik 2 in das Substrat 1 während des Herstellungsprozesses. Beispielsweise weist die Aussparung 6 ein gesintertes Via bzw. eine gesinterte Durchkontaktierung einzelner Schichten des Substrats 1 auf. Die Aussparung 6 zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass diese das Substrat 1 nicht vollständig durchdringt. Damit ist die in der Aussparung 6 eingebettete Funktionskeramik 2 von allen Seiten, d.h. vollständig, von dem Material des Substrats 1 umgeben.
Je nach den Anforderungen an das Vielschichtbauelement 100 kann die Aussparung 6 und/oder die Funktionskeramik 2 so ausgebildet sein, dass die Funktionskeramik 2 derart von dem Substrat 1 umschlossen wird, dass keine Lücke zwischen dem Material des Substrats 1 und der Funktionskeramik 2 verbleibt (siehe 2). Alternativ dazu kann die Aussparung 6 aber auch so ausgebildet sein, dass eine Lücke zwischen der Funktionskeramik 2 und dem Material des Substrats 1 verbleibt (siehe 3), die Aussparung 6 also auch nach Fertigstellung des Vielschichtbauelements 100 erkennbar ist. Dies kann insbesondere dann erforderlich sein, wenn das Material von Funktionskeramik 2 und Substrat 1 unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten aufweist, um Risse oder Beschädigungen des Vielschichtbauelements 100 bei der Weiterprozessierung, beispielsweise beim Löten, zu vermeiden.
Die Funktionskeramik 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel kugelförmig ausgebildet. Die Funktionskeramik 2 weist vorzugsweise eine Varistorkugel auf. Die Funktionskeramik 2 weist beispielsweise ZnO-PrCo auf. Vorzugsweise ist die Funktionskeramik 2 ein gesintertes ZnO-PrCo Korn. Die Funktionskeramik 2 weist eine geringe Kapazität auf. Beispielsweise beträgt die Kapazität der Funktionskeramik 0,5 pF oder weniger beispielsweise 0,47 pF. Die Funktionskeramik 2 weist einen Durchmesser von kleiner 100 µm, bevorzugt kleiner oder gleich 50 µm auf. Vorzugsweise weist die Funktionskeramik eine spezifische elektrische Feldstärke Ev = 500 V / mm auf. Die Dielektrizitätkonstante epsilon der Funktionskeramik 2 ist hoch. Beispielsweise beträgt eps = 400.
Hingegen weist das Substrat 1 eine sehr niedrige Dielektrizitätskonstante epsilon auf. Beispielsweise ist die Dielektrizitätskonstante des Substrats kleiner 50, bevorzugt kleiner 10. Bevorzugt gilt eps = 7 oder eps = 7,5. Die niedrige Dielektrizitätskonstante des umgebenden Substrats 1 dient dazu die parasitäre Kapazität des Substrats 1 zu unterdrücken. Beispielsweise liegt die parasitäre Kapazität des Substrats 1 um 0,47 pF unter der parasitären Kapazität eines Standardträgersubstrats mit eps = 400 gemäß dem Stand der Technik.
Das Substrat 1 weist ferner die bereits in Zusammenhang mit 2 erwähnten Innenelektroden 4 auf. An den gegenüberliegenden Seitenflächen des Substrats 1 sind letztlich die Außenelektroden 5 angeordnet zur elektrischen Kontaktierung des Vielschichtbauelements 100.
Die Innenelektroden 4 dienen der elektrischen Kontaktierung der Funktionskeramik 2 und reichen bis an den Rand der Aussparung 6, um die Funktionskeramik 2 elektrisch zu kontaktieren. Je nach Ausgestaltung der Funktionskeramik kann die jeweilige Innenelektrode 4 unterschiedlich geformt sein (siehe hierzu die 4 und 5). Beispielsweise kann die jeweilige Innenelektrode 4 im Bereich der Zuführung an die Funktionskeramik eine Verengung 4b aufweisen (5). Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Funktionskeramik 2 kugelförmig ausgebildet ist. Insbesondere kann die jeweilige Innenelektrode 4 durch die Verengung 4b zielgerichtet und genau mit der Funktionskeramik 2 elektrisch verbunden werden. Alternativ dazu kann die jeweilige Innenelektrode 4 einen Steg 4a oder stegförmigen Anschlussbereich zur elektrischen Kontaktierung der Funktionskeramik 2 aufweisen (4). Dies ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn die Funktionskeramik 2 eine größere horizontale Ausdehnung hat, also beispielsweise ellipsenförmig ausgebildet. Jedoch sind auch andere Ausgestaltungen der Innenelektrode 4 zum Anschließen der Funktionskeramik 2 vorstellbar.
Die 6 zeigt eine Schnittdarstellung eines Vielschichtbauelements 100 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Insbesondere ist in 6 ein Vielschichtbauelement 100 in Gestalt eines LED Trägers mit integriertem ESD Schutz dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu den in Zusammenhang mit den 2 bis 5 beschriebenen Vielschichtbauelementen 100 beschrieben.
Das Vielschichtbauelement 100 weist eine Wärmequelle 10, beispielsweise eine LED, auf. Die Wärmequelle 10 ist über Kontaktflächen 9 an der Unterseite der Wärmequelle 10, beispielsweise einer elektrisch leitenden metallischen Schicht, elektrisch leitend mit den Außenkontaktierungen 5 des Substrats 1 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel ist die jeweilige Außenkontaktierung 5 an der Oberseite des Substrats 1 angeordnet und über eine Lotverbindung 8 mit der jeweiligen Kontaktfläche 9 verbunden.
Das Substrat 1 weist Vias oder Durchkontaktierungen 7 auf. Die jeweilige Durchkontaktierung 7 durchdringt das Substrat 1 in vertikaler Richtung vollständig. An der Oberseite des Substrats 1 ist die jeweilige Durchkontaktierung 7 mit jeweils einer Außenkontaktierung 5 elektrisch leitend verbunden. An der Unterseite des Substrats 1 sind weitere Außenelektroden 5 angeordnet, die elektrisch leitend mit der jeweiligen Durchkontaktierung 7 verbunden sind. Die Innenelektroden 4 reichen in diesem Ausführungsbeispiel nicht bis an die Seitenflächen des Substrats 1, sondern sind elektrisch leitend mit den Durchkontaktierungen 7 verbunden.
Das Substrat 1 kann ferner einen Wärmekontakt 11, beispielsweise für einen Temperatursensor, aufweisen. Der Wärmekontakt 11 kann beispielsweise ein mit Metall gefülltes Via aufweisen.
Die Funktionskeramik 2 ist beispielsweise kugelförmig ausgebildet, gesintert, und in die Aussparung 6 innerhalb des Substrats 1 eingebracht, so dass die Funktionskeramik 2 von allen Seiten vollständig durch das Material des Substrats 1 umgeben ist. Die Funktionskeramik 2 dient in diesem Ausführungsbeispiel als ESD-Schutzstruktur. Die Funktionskeramik 2 ist ein Varistor-Chip. Die Wärmequelle 10, welche gegen Überspannungen, wie sie z.B. durch einen ESD-Impuls ausgelöst sein kann, sehr empfindlich ist, wird mit Hilfe der Funktionskeramik 2 gegen diese Strom- oder Spannungsstöße wirksam geschützt.
Die 7 zeigt eine Schnittdarstellung eines Vielschichtbauelements 100 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Insbesondere ist in 7 ein Vielschichtbauelement 100 in Gestalt eines LED Trägers mit integriertem ESD Schutz und Temperatursensor dargestellt.
Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu dem in Zusammenhang mit 6 beschriebenen Vielschichtbauelement 100 beschrieben. Zusätzlich zu dem Vielschichtbauelement 100 aus 6 ist in dem Substrat 1 eine zweite Funktionskeramik 2 eingebettet. Die beiden Funktionskeramiken 2 sind räumlich voneinander separiert und jeweils vollständig von dem Material des Substrats 1 umgeben.
Eine erste Funktionskeramik 2, welche in 7 im unteren Bereich des Substrats 1 dargestellt ist, dient dabei als ESD-Struktur und schützt die Wärmequelle 10, beispielsweise eine LED, vor Überspannungen. Die erste Funktionskeramik 2 ist als Varistor-Chip ausgebildet.
Eine zweite Funktionskeramik 2, welche in 7 im oberen Bereich des Substrats 1 dargestellt ist, ist als Heißleiter (NTC-Thermistor) ausgebildet. Insbesondere ist die zweite Funktionskeramik 2 ein NTC Temperatursensor. Das Substrat 1 weist einen Wärmekontakt 11 auf. Der Wärmekontakt 11 ist leitend mit der zweiten Funktionskeramik 2 verbunden. Der Wärmekontakt 11 ist beispielsweise in Form eines Via / einer Durchkontaktierung ausgebildet. Die Durchkontaktierung reicht von der Oberseite des Substrats 1 bis zur zweiten Funktionskeramik 2.
Durch die vollständige Einbettung der Funktionskeramiken 2 in den inerten dielektrischen keramischen Träger (Substrat 1) können Funktionskeramiken 2 mit völlig unterschiedlichen Eigenschaften, wie beispielsweise Sintertemperatur und Ausdehnungskoeffizient, gemeinsam in das Substrat 1 integriert werden. Damit können äußert adaptive und flexibel einsetzbare Vielschichtbauelemente 100 realisiert werden.
Im Folgenden wird in Zusammenhang mit den 8a bis 8d ein Verfahren zur Herstellung eines Vielschichtbauelements 100 beschrieben. Alle Merkmale, die für die Vielschichtbauelemente 100 in Zusammenhang mit den 1 bis 7 erläutert wurden, finden auch für das Verfahren Anwendung und umgekehrt.
In einem ersten Schritt wird wenigstens eine Funktionskeramik 2 hergestellt. Vorzugsweise werden mehrere, verschiedene, Funktionskeramiken 2 hergestellt, abhängig von den spezifischen Anforderungen für das Vielschichtbauelement 100. Je nach Einsatzzweck der jeweiligen Funktionskeramik 2 kann deren Herstellung sehr verschieden sein. Allen Funktionskeramiken 2 ist gemeinsam, dass diese vor dem Einbringen in das Substrat 1 gesintert werden.
Beispielsweise wird für die Herstellung der Funktionskeramik 2 Keramikpulver zur Verfügung gestellt und mit Dotierstoffen, beispielsweise ZnO, dotiert. Anschließend wird das Pulver gesintert. Dies erfolgt bei Temperaturen von größer oder gleich 1000° C und kleiner oder gleich 1300° C, beispielsweise bei 1100° C. Durch diesen Prozess ergibt sich eine Funktionskeramik 2 in Form eines gesinterten Korns, welches beispielsweise als SMD Varistor Anwendung findet.
Soll als Funktionskeramik 2 ein Varistorchip ausgebildet werden, so wird für dessen Herstellung ein Granulat aus – wie oben beschrieben – gesinterten Körnern bereitgestellt, gesiebt und gepresst. Das gepresste Granulat wird anschließend gesintert (1000°C ≥ T ≤ 1300° C) und zu einem scheibenförmigen Varistorchip verarbeitet. Anschließend wird der Varistorchip mittels Sputtern oder Siebdruck metallisiert.
In einem nächsten Schritt werden LTCC Grünfolien zur Ausbildung des Substrats 1 bereitgestellt. Die Grünfolien enthalten beispielsweise ein Keramikpulver, ein Bindemittel und einen Glasanteil. Die Grünfolien 15 werden übereinander zu einem Stapel gestapelt. Durch Laserabtrag oder Stanzen wird wenigstens eine Aussparung 6 in die Grünschichten 15 eingebracht. Die Aussparung dient dazu die Funktionskeramik 2 in einem späteren Verfahrensschritt in den Grünstapel 16 einzubringen. Die Anzahl der Aussparungen 6, die in die Grünschichten 15 eingebracht werden, entspricht dabei der Anzahl der Funktionskeramiken 2 in dem fertigen Vielschichtbauelement 100.
In einem weiteren Schritt werden auf wenigstens einem Teil der Grünfolien 15 Metallstrukturen zur Ausbildung der Innenelektroden 4 bereitgestellt, beispielsweise aufgedruckt. Das Aufbringen der Metallstrukturen erfolgt dabei vorzugsweise bevor die bereit gestellten Grünfolien 15 zusammen gestapelt werden. Die Metallstrukturen weisen beispielsweise Ag, Cu, Pd oder eine Kombination davon auf. Die Metallstrukturen können insbesondere in einem Anschlussbereich zum Anschließen der Funktionskeramik 2 spezifisch ausgeformt sein, wie in Zusammenhang mit den 4 und 5 beschrieben wurde.
Anschließend wird die wenigstens einen Funktionskeramik 2 in die Aussparung 6 eingebracht (8a). Dabei wird die Aussparung 6 mit der Funktionskeramik 2 bestückt und diese wird anschließend eingerüttelt.
In einem weiteren Schritt werden keramische Deckfolien 13 im Grünzustand bereitgestellt (8a). Diese werden an der Oberseite und der Unterseite des Stapels aus Grünfolien 15 angeordnet. Die Deckfolien 13 sind frei von der Aussparung 6, so dass die Funktionskeramik 2 nun von allen Seiten von keramischen Material umgeben ist. Es folgt ein Laminieren und Verpressen der Grünfolien 13, 15 zu einem Grünstapel 16 (8b).
Durch Stanz- oder Laserprozesse werden weitere Aussparungen zur Erzeugung der Durchkontaktierungen 7 in die Grünfolien 13, 15 eingebracht. Diese Aussparungen durchdringen den Grünstapel 16 aus den Grünfolien 15 und den Deckfolien 13 vollständig. Zur Erzeugung der jeweiligen Durchkontaktierung 7 wird die Aussparung nach einem Sinterschritt mit einem Verbindungsmaterial gefüllt, beispielsweise durch Abscheiden eines Metalls aus einer Lösung. Vorzugsweise wird die Aussparung dabei vollständig befüllt. Das Metall enthält oder ist beispielsweise Kupfer, Silber und / oder Palladium.
In einem weiteren Schritt wird der Grünstapel 16 gesintert (8c). Der Grünstapel 16 wird bei einer Temperatur gesintert, welche unterhalb der Sintertemperatur der Funktionskeramik 2 liegt. Beispielsweise liegt die Sintertemperatur des Grünstapels 150° C unter der Sintertemperatur für die Funktionskeramik 2. Beispielsweise liegt die Sintertemperatur zwischen 750 °C und 900° C, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Vorzugsweise erfolgt das Sintern des Grünstapels 16 bei 800° C oder 850° C. Durch das Einbrennen der LTCC Keramik bei Temperaturen deutlich unter 1000° C wird das Korngefüge der Funktionskeramik 2 nicht mehr beeinflusst. Die Funktionalität der Funktionskeramik 2 kann durch geeignete Wahl der LTCC Keramik und der Sinterführung (Atmosphäre) damit weitgehend erhalten bleiben.
Durch das Sintern kommt es zu einem Schwund der Grünfolien 13, 15. Die geeignete Auswahl der LTCC Keramik mit definierten Schwund in z-Richtung und geringem Schwund in die x- und y-Richtung ermöglicht dabei das rissfreie Umschließen der Funktionskeramik 2.
In einem letzten Schritt werden die Außenkontakten 5 an Außenflächen des gesinterten Grünstapels 16 bereitgestellt. Beispielsweise wird dabei eine Silberpaste 14 auf zumindest einem Teilbereich der Außenflächen angeordnet (8d) und anschließend eingebrannt.
Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen – soweit technisch sinnvoll – beliebig miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

1: LTTC Keramik / Substrat
2: Funktionskeramik
3: Außenkontakt
4: Innenelektrode
4a: Steg
4b: Verengung
5: Außenelektrode
6: Aussparung
7: Via / Durchkontaktierung
8: Lotverbindung
9: Kontaktfläche
10: Wärmequelle
11: Wärmekontakt
13: Deckfolie
14: Silberpaste
15: Grünfolie
16: Grünstapel
100: Vielschichtbauelement

Claims

Vielschichtbauelement (100) aufweisend ein inertes keramisches Substrat (1) und wenigstens eine Funktionskeramik (2), wobei die Funktionskeramik (2) vollständig von dem keramischen Substrat (1) umschlossen ist.
Vielschichtbauelement (100) nach Anspruch 1, wobei das keramische Substrat (1) eine LTCC Keramik aufweist.
Vielschichtbauelement (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Vielschichtbauelement (100) eine Vielzahl von Funktionskeramiken (2) aufweist.
Vielschichtbauelement (100) nach Anspruch 3, wobei die Funktionskeramiken (2) unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten und / oder unterschiedliche Sintertemperaturen aufweisen.
Vielschichtbauelement (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Funktionskeramik (2) eine HTCC Keramik aufweist.
Vielschichtbauelement (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Funktionskeramik (2) einen Varistor, eine NTC Keramik, eine PTC Keramik oder ein Ferrit aufweist.
Vielschichtbauelement (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Funktionskeramik (2) als ESD-Schutzelement ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Vielschichtbauelements (100) aufweisend die folgenden Schritte: – Herstellung von wenigstens einer Funktionskeramik (2); – Bereitstellen von LTCC Grünfolien (15) aufweisend wenigstens eine Aussparung (6); – Bereitstellen von Elektrodenstrukturen auf wenigstens einem Teil der Grünfolien (15); – Einbringen der wenigstens einen Funktionskeramik (2) in den Aussparung (6); – Bereitstellen von Deckfolien (13) im Grünzustand; – Laminieren und Verpressen der Grünfolien (13, 15) zu einem Grünstapel (16); – Sintern des Grünstapels (16); – Bereitstellung von Außenkontakten (5) an Außenflächen des gesinterten Grünstapels (16).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die wenigstens eine Aussparung (6) durch Stanzen oder Lasern der Grünfolien (15) bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei zur Herstellung der Funktionskeramik (2) Sprühgranulat, Keramikpulver und / oder Grünschichten bereitgestellt werden und wobei das Sprühgranulat, das Keramikpulver und / oder die Grünschichten anschließend gesintert werden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Funktionskeramik (2) bei einer Temperatur von größer oder gleich 1000° C gesintert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der Grünstapel (16) bei einer Temperatur gesintert wird, die unterhalb der Sintertemperatur der Funktionskeramik (2) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei der Grünstapel (16) bei einer Temperatur von kleiner oder gleich 900°C und größer oder gleich 750° C gesintert wird.