DE3900787A1 - Verfahren zur herstellung eines keramischen elektrischen bauelementes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines kera­ mischen elektrischen Bauelementes, insbesondere eines PTC-Wider­ standes, welches zumindest auf Teilbereichen seiner Oberfläche für jede Elektrode mindestens zwei elektrisch leitende Metall­ schichten aufweist, und bei dem zunächst die zu metallisierende Oberfläche zumindest teilweise mit einer ersten, mittels Sieb­ drucktechnik hergestellten Schicht versehen wird.

Ein derartiges Bauelement ist aus der US 42 32 214 bekannt.

Keramische Bauelemente im Sinne der Erfindung verfügen über einen elektrisch aktiven, scheibchen- oder stabförmigen oder rechteckigen Grundkörper aus Keramik. Es kann sich um PTC- bzw. NTC-Widerstände, d.h. um Widerstände mit positivem bzw. nega­ tivem Temperaturkoeffizienten der Widerstandswerte handeln (Kalt- bzw. Heißleiter), aber auch um keramische Kondensatoren oder Varistoren (spannungsabhängige Widerstände).

In allen genannten Fällen und bei anderen keramischen elektri­ schen Bauelementen, auf die sich die Erfindung bezieht, müssen die der Stromzuführung dienenden Metallbelegungen bestimmten An­ forderungen genügen. Zu den üblichen Forderungen nach einfacher Lötbarkeit bzw. Kontaktierbarkeit der Metallschichten und nach mechanischer Festigkeit der Lötverbindungen kommen je nach Bau­ art und Anwendung noch weitere Forderungen hinzu. Zum einen können die elektrische Querleitfähigkeit des Metallbelages und seine Strombelastbarkeit von Bedeutung sein. Zum anderen stellt sich häufig die Frage nach der Langzeitstabilität hinsichtlich der Klimabelastbarkeit (Feuchtigkeit, Temperatur) der Metalli­ sierung von keramischen Bauelementen.

Im Falle eines PTC-Heizelementes mit wabenartiger Struktur ist es aus der US-PS 42 32 214 bekannt, die elektrischen und chemi­ schen Eigenschaften von Metallelektroden durch einen mehrschich­ tigen Aufbau unter Verwendung unterschiedlicher Metallisierungs­ methoden zu verbessern. In der genannten Schrift geht es vor allem darum, ein Abbrennen der Metallelektrode durch Funkenbil­ dung zu verhindern, ohne die Dicke der Metallschicht auf unbe­ quem hohe Werte erhöhen zu müssen. Gleichzeitig soll aber auch die Korrosion der üblichen Aluminium- oder Silberschichten ver­ mindert und das bekannte Problem der Silberwanderung (Migration) gelöst werden.

Hierzu ist in der US-PS 42 32 214 vorgesehen, zunächst einen ersten Belag, dessen wesentlicher Bestandteil Silber ist, mit­ tels Siebdrucktechnik aufzutragen und darüber elektrolytisch einen zweiten, gleichgroßen Belag aus Nickel, Zink oder Chrom aufzutragen. In der Patentschrift wird vorgeschlagen, gegebenen­ falls zwischen den genannten Schichten noch eine dritte Schicht aus Silber, Gold oder Kupfer ebenfalls elektrolytisch aufzutra­ gen.

Da die oben angeführten zwei bzw. drei Metallschichten sich alle gleichweit bis zum Rand des Keramikkörpers erstrecken, ist die unterste Schicht aus Silber jedenfalls nicht vollständig gegen den Kontakt mit Feuchtigkeit und damit gegen die Gefahr der Kor­ rosion geschützt. Aus der Patentschrift ergibt sich außerdem, daß die dort vorgeschlagene konkrete Wahl des Materials und der immer noch relativ hohen Dicke der Metallschichten ziemlich einseitig unter dem Aspekt der Vermeidung des Abbrennens der Elektrode durch Funkenbildung getroffen wurde. Wie einleitend festgestellt wurde, sieht man sich jedoch in der Praxis mit einem ganzen Bündel von Anforderungen konfrontiert, die es mög­ lichst alle gleichermaßen zu befriedigen gilt. Vor allem aber ist der vorgeschlagene Weg der elektrolytischen Aufbringung der oberen Metallschichten nach aller praktischen Erfahrung immer mit erheblichem Aufwand verbunden und umständlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art zu schaffen, mit dessen Hilfe es auf einfache Weise möglich ist, eine gut lötbare Me­ tallisierung keramischer elektrischer Bauelemente zu erzeugen, die korrosionsfest ist und eine hohe Strombelastbarkeit er­ möglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Ver­ fahren der eingangs genannten Art vor, daß die zweite und ge­ gebenenfalls weitere Metallschichten mittels Sputter- oder Auf­ dampftechnik auf das Bauelement aufgebracht werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich durch einen speziellen Schichtaufbau der Metallelektrode eine über­ raschende Kombination der Vorteile der Methoden der Dickschicht­ metallisierung (Siebdruck) und der Dünnschichtmetallisierung (z.B. Sputtern oder Bedampfen) erzielen läßt.

Es hatte sich gezeigt, daß die an sich bewährte Sputtermethode bei elektrisch hoch belastbaren Kaltleitern, z.B. Schalt-Kalt­ leitern, zu Problemen führt, da die sehr dünnen gesputterten Schichten der elektrischen Belastung nicht standhielten. Die mit den gesputterten Mehrschichtsystemen erzielbare Langzeitstabi­ lität der Metallisierung ist jedoch angesichts der von den Kun­ den gestellten Anforderungen unverzichtbar.

Der Erfindung gelingt es, einen Schichtaufbau anzugeben, der eine Optimierung der gewünschten Eigenschaften der Metallisie­ rung in Richtung auf eine besonders vorteilhafte universelle Anwendbarkeit der hergestellten Kaltleiter leistet.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aus­ geführt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung erge­ ben sich aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen, die nach dem Gegenstand der Erfindung hergestellte Metallisierungen be­ schreiben.

In der dazugehörenden Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen seitlichen Schnitt einer Ausführungsform,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die gleiche Ausführungsform,

Fig. 3 die Draufsicht auf eine andere Ausführungsform,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform,

Fig. 5 einen seitlichen Schnitt durch eine weitere Ausführungs­ form und

Fig. 6 eine Draufsicht auf die Ausführungsform nach Fig. 5.

Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Kaltleiter, dessen aktiver elektrischer Grund­ körper 5 aus Keramik auf der Basis von durch Dotierung halblei­ tend gemachtem Bariumtitanat besteht. Dieser Grundkörper 5 ist etwa 4 cm lang, 3 cm breit und 0,3 cm dick. Obwohl der Kaltlei­ ter auf Ober- und Unterseite mit zur Stromzuführung dienenden Belegen versehen wird, ist zur Vereinfachung der Figur nur die Oberseite detailliert dargestellt. Im Mittenbereich der Ober­ seite des Grundkörpers 5 ist eine 10 µm dicke Metallschicht 1 auf der Basis von Indium-Gallium-Silber vorhanden. Die Schicht 1 wird mit Hilfe eines Siebdruckverfahrens auf den Grundkörper 5 in Form einer Einbrennpaste aufgebracht und anschließend einge­ brannt, wobei die organischen Lösungsmittel der Paste verdampfen und die mit dem Grundkörper 5 verbundene leitende Metallschicht 1 entsteht. Die Metallschicht 1 zeichnet sich durch hohe Quer­ leitfähigkeit und Strombelastbarkeit aus. Um eine Veränderung insbesondere des Widerstandswertes des kontaktierten Kaltleiters zu verhindern, muß die Silberschicht 1 gegen schädliche Umwelt­ einflüsse, insbesondere Luftfeuchtigkeit, geschützt werden. Die besten Erfolge erzielt man, wenn über die Silberschicht 1 mit­ tels Sputtertechnik eine nur wenige Zehntel µm dicke Chrom­ schicht 2 aufgetragen wird, darüber auf dieselbe Weise eine ebenso dünne Schicht 3 aus Nickel und schließlich eine minde­ stens 0,1 µm dicke Deckschicht 4 aus einem einfach lötbares Ma­ terial, z.B. Silber.

Es ist wichtig, bei Schicht 2 in Abstimmung mit Schicht 1 Mate­ rialien zu verwenden, die eine sperrschichtfreie Kontaktierung ermöglichen. Bei einer Schicht 1 deren Hauptbestandteil Alumi­ nium ist, bietet es sich beispielsweie an, dasselbe Material auch für Schicht 2 zu verwenden.

Die Nickelschicht 3 dient als Diffusionssperre und hat eine Schutzfunktion für die darunter befindlichen Schichten. In der Fig. erkennt man außerdem den auf der Deckschicht 4 haftenden Löt­ tropfen 6 und den durch ihn festgelegten Stromzuführungsdraht 7.

In der Fig. 2 ist die gesamte große Oberfläche eines keramischen elektrischen Bauelementes mit den oberen Schichten 2, 3 und 4 belegt. Der mittig liegende, flächenmäßig kleinere Bereich, in dem die Grundschicht 1 aufgebracht wurde, wird von den oberen Schichten 2, 3 und 4 vollständig überdeckt. Die vollständige Überdeckung hat den Vorteil, den Schutz der Grundschicht gegen klimatische Einflüsse durch die oberen Schichten noch zu er­ höhen.

Die Fig. 3 und 4 stellen Ausführungsformen dar, in denen zum einen neben der schon erwähnten Überdeckung ein Freirand 9 zwi­ schen dem äußeren Rand der obersten Schicht 4 und dem äußeren Rand des Bauelementes vorgesehen wurde. Zum anderen wurde die erste Schicht 1 aber auch nur selektiv (in Fig. 3 beispielsweise in Form eines konzentrischen Ringes) an solchen Stellen aufge­ bracht, die für eine spätere Außenkontaktierung oder das An­ bringen von Lötanschlüssen vorgesehen sind. Dies bringt den Vorteil einer erheblichen Material- und damit Kosteneinsparung mit sich.

Fig. 5 und 6 zeigen als Beispiel für die vorteilhafte Freiheit in der Gestaltung der Geometrie der einzelnen Schichten eine weite­ re Ausführungsform. Wieder ist die erste Schicht 1 auf den Zen­ tralbereich der großen Oberfläche des Grundkörpers 5 begrenzt, während die zweite Schicht 2 und die dritte Schicht 3 die Ober­ fläche bis auf einen schmalen Freirand 9 vollständig bedecken. Die vierte Schicht 4, an der ein Klemmkontakt 8 anliegt, ist jedoch nur über einen Bereich aufgetragen, der den der Ausdeh­ nung der ersten Schicht 1 nur wenig überdeckt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines keramischen elektrischen Bauelementes, insbesondere eines PTC-Widerstandes, welches zu­ mindest auf Teilbereichen seiner Oberfläche für jede Elektro­ de mindestens zwei elektrisch leitende Metallschichten aufweist, und bei dem zunächst die zu metallisierende Oberfläche zumindest teilweise mit einer ersten, mittels Siebdrucktechnik hergestell­ ten Schicht (1) versehen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite (2) und gegebenenfalls weitere Metallschichten mittels Sputter- oder Aufdampftechnik auf das Bauelement auf­ gebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die erste Schicht (1) eine Einbrennpaste auf der Basis einer Mischung von Indium-Gallium-Silber, für die zweite Schicht (2) Chrom, für eine dritte Schicht (3) Nickel und für eine vierte Schicht (4) Silber, Kupfer, Blei, Zinn oder eine Mischung dieser Elemente verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die erste Schicht (1) eine Einbrennpaste auf der Basis einer Mischung von Indium-Gallium-Aluminium, für die zweite Schicht (2) Chrom, für eine dritte Schicht (3) Nickel und für eine vierte Schicht (4) Silber, Kupfer, Blei, Zinn oder eine Mischung dieser Elemente verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) mit einer Dicke von größer oder gleich 10 µm , die zweite (2) und dritte (3) Schicht jeweils mit einer Dicke kleiner oder gleich 2 µm, und die vierte Schicht (4) mit einer Dicke größer oder gleich 0,1 µm hergestellt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) in einem flächenmäßig kleineren Be­ reich als die weiteren Schichten (2, 3, 4) aufgebracht und von diesen abgedeckt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) selektiv nur an solchen Stellen aufge­ bracht wird, die für eine spätere Außenkontaktierung oder das Anbringen von Lötanschlüssen vorgesehen sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Schicht (4) selektiv nur an solchen Stellen aufgebracht wird, die für eine spätere Außenkontaktierung oder das Anbringen von Lötanschlüssen vorgesehen sind.