DE69735378T2

DE69735378T2 - Verfahren zur herstellung eines bauelements mit mehrfacher schutzfunktion

Info

Publication number: DE69735378T2
Application number: DE69735378T
Authority: DE
Inventors: Zoran Zivic
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-11-11
Filing date: 1997-11-10
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2017-11-11
Also published as: EP1632959A2; EP1632959A3; US6395605B1; EP0875067A1; KR19990077149A; ATE319174T1; EP0875067B1; SI9600330A; DE69735378D1; WO1998021731A1; US6328176B1

Description

Gebiet der Erfindung
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft das Gebiet von Elektronikbauelementen mit Schutzfunktion, verwendet beim Absichern von anderen elektronischen Bauelementen und Bauteilen gegen Spannungs- und Stromschläge und gegen hoch- und niederfrequente Störungen.
Technische Problemstellung
Eine Miniaturisierung und eine Zunahme der Komplexität von gegenwärtigen elektronischen Bauteilen und Systemen sowie deren zunehmend breitere Anwendung erhöhen gleichzeitig deren Anfälligkeit gegen elektronische Entladung (ESD), Überspannung und Schläge und Frequenzstörungen. Diese Phänomene können ein normales Funktionieren von getrennten Komponenten ausschließen, deren Stabilität und Zuverlässigkeit herabsetzen, und sie können diese sogar zerstören. Auf diese Art und Weise gefährden die obigen Phänomene ein normales Funktionieren von sehr komplexen und teuren elektronischen Systemen. Die Quellen solcher Phänomene können verschiedener Art sein. Zum Beispiel liegt die größte Quelle von elektrostatischer Entladung beim Menschen selbst während des Vorgangs des Hantierens mit elektronischen Vorrichtungen. Die typischste Quelle von Spannungsschlägen ist Blitzschlag, welcher Ladung in elektrische und Telekommunikationsleitungen einbringt, wobei diese Ladung durch die Leitungen zu den elektronischen Elementen übertragen wird. Und einige der elektronischen Elemente selbst (z.B. Elektromotor, Relais) bringen Störungen von verschiedenen Frequenzen ein und senden sie in ihre nächste Umgebung aus. Daher sollte jede separate elektronische Komponente und deren Teil mit speziellen Komponenten geschützt werden, welche einen solchen Schutz vorsehen. Dies bedeutet andererseits, dass eine Störaussendung an der Quelle vermieden werden soll.
Nur eine Verwendung von Komponenten mit folgenden Eigenschaften kann einen Schutz gegen ESD und Spannungsschläge bieten: nicht-lineare I-U-Charakteristik, kurze Ansprechzeit und Fähigkeit, größere Mengen von Energie zu absorbieren. Solche Charakteristika sind verfügbar in einigen Elementen wie Zenerdiode, Vielschicht-ZnO-Polykristallindiode (Varicon), Varistor und Kondensatoren mit Varistor-Charakteristik oder selbstbegrenztem Durchbruch.
Die einfachsten Elemente zum Schutz gegen Frequenzstörungen sind Kondensatoren mit einer Kapazität bis zu 100 nF für hohe Frequenzen und im Fall von niedrigen oder Funkfrequenzen mit einer Kapazität bis zu 2000 nF.
Folglich ist es klar, dass, um gegen alle erwähnten unerwünschten Phänomene zu schützen, eine solche Schutzkomponente alle erforderlichen Eigenschaften haben sollte: nicht-lineare I-U-Charakteristik, kurze Ansprechzeit, Fähigkeit eine größere Menge an Energie zu absorbieren, und einstellbare Kapazität im Bereich von 10 bis 2000 nF. Daneben soll sie kleiner sein als jegliche existierende Lösung und sie soll eine Oberflächenmontageoption mit Anschlussdrähten bieten.
Ein Gegenstand dieser Erfindung, eine multifunktionale Komponente, weist genau solche Eigenschaften auf.
Stand der Technik
Neben der teuersten Lösung, nämlich einer Verwendung von zwei diskreten Elementen in paralleler elektrischer Verbindung, z.B. Kombinationen von Zenerdiode – Kondensator oder Varistor-Kondensator, gibt es einige andere gegenwärtige Lösungen, von denen eine ein Kondensator mit Varistor-Eigenschaften, wie im europäischen Patent 418394 A beschrieben, ist. Der erwähnte Kondensator basiert auf SrTiO₃, was einen hohen Wert der Dielektrizitätskonstanten bietet (ε > 20000). Eine Vielschicht-Herstellungstechnologie bietet einen weiten Bereich von Kapazität (10–2000 nF) bei verhältnismäßig kleinen Abmessungen. Jedoch liegt deren schlechteste Seite in einer schlechten Varistor-Charakteristik und einem niedrigen Wert eines Nicht-Linearitätskoeffizienten, eines weichen Knie- und auch hohen Verluststroms, eines hohen Werts eines Durchbruchspannungstemperaturkoeffizienten und eines sehr schmalen Bereichs einer Betriebsspannung. Des Weiteren sind Materialien zur Herstellung solcher Elemente und Produktionstechnologie sehr teuer. In dem US-Patent US 5,146,200 ist eine Hybridverbindung zwischen einem Multischicht-Chip-Varistor und einem Multischicht-Chip-Kondensator offenbart. Eine physikalische Verbindung dieser zwei Elemente wird erreicht durch Verkleben, und eine parallele elektrische Verbindung wird erreicht durch Verlöten.
Komponenten als selbst-limitierender Multischichtkondensator, wie gezeigt in US-Patent Nr. 4,729,058, und Multischicht-ZnO-Polykristallindiode (Varicon-Diode) weisen eine sehr nicht-lineare I-U-Charakteristik und eine hohe Selbstkapazität auf, welche innerhalb realistischer Abmessungen bis zu 100 nF betragen kann. Auf diese Art und Weise bieten diese zwei erwähnten Komponenten einen Schutz gegen ESD und Spannungsschläge, und sie filtern wirksam hohe Frequenzstörungen aus, aber nicht Störungen niederer Frequenzen.
JP 03071614 offenbart eine Komponente, welche oberflächenmontierbar ist, welche aus einer Kapazität vom Chip-Typ besteht und aus einem Varistor vom Chip-Typ, übereinander gestapelt, und welche gemeinsame äußere Elektroden aufweist.
Beschreibung der Erfindung
Das neue multifunktionale Bauelement basiert auf den folgenden Fakten:
selbst-limitierender Multischichtkondensator und Varicon-Diode haben solche Eigenschaften, welche einen wirksamen Schutz gegen ESD und Spannungsstöße im Spannungsbereich von 4 bis 150 V vorsehen,
momentan kommerziell verfügbare Chip-Kondensatoren haben eine sehr hohe Kapazität, wohingegen ihre Dimensionen klein sind,
beide Komponenten haben eine ähnliche Form und ähnliche Abmessungen.
Die vorliegende Erfindung, wie durch Anspruch 1 definiert, beweist, dass Ansengen bei niedriger Temperatur eine Möglichkeit bietet, um ein monolithisches Bauelement aus zwei einzelnen Bauelementen zu erzeugen, wobei das neu erzeugte Bauelement alle Funktionen der beiden einzelnen Elemente unverändert beibehält, welche gegenseitig elektrisch parallel in dem neuen Bauelement verbunden sind.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind durch die abhängigen Ansprüche definiert.
Wie oben erwähnt, werden zwei diskrete bzw. einzelne Bauelemente verwendet, um diese neue Komponente herzustellen. Eines von ihnen muß einen guten ESD-Schutz vorsehen und einen guten Schutz gegen Spannungsschläge. Um diese Anforderungen zu erfüllen, kann ein selbst-limitierender Kondensator oder eine Varicon-Diode verwendet werden, beide weisen exzellente Eigenschaften eines Schutzbauelements auf.
Die zweite Komponente komplettiert nur eine bereits hohe Selbstkapazität der Varicon-Diode oder des selbst-limitierenden Kondensators bis zu einem bevorzugten Wert, welcher nötig ist zum erfolgreichen Schutz gegen Störungen von hoher oder niedriger Frequenz. Zu diesem Zweck ist die Verwendung eines Multischicht-Keramikkondensators bevorzugt. Ein Keramikkondensator bietet die gewünschte Kapazität, sogar bis zu 2000 nF, und er wird in ähnlichen Formen und Abmessungen wie die Varicon-Diode oder der selbst-limitierende Kondensator hergestellt.
Beide Elemente, welche verbunden werden sollen, sollen gleiche planare Abmessungen (Breite und Länge) aufweisen, und deren längste Seiten müssen fluchten.
1 zeigt, jeden getrennt voneinander, einen Varicon-Diodenchip (1) und einen Kondensatorchip (2). Wie in 1 gezeigt, weisen beide Komponenten eine gleiche Form, gleiche planare Abmessungen und an deren kürzesten Seiten äußere Silberelektroden (3) in (4) auf, welche bereits ausgeformt sind, um einen elektrischen Test der zwei getrennten Bauteile zu ermöglichen. Eine physikalische Verbindung zwischen den zwei Chips wird auf solche Art und Weise hergestellt, dass eine dünne Schicht einer Lösung auf nur eine der zwei größten Flächen der Varicon-Diode oder des Kondensators aufgebracht wird, derart, dass eine gesamte Fläche des Chips zwischen zwei Elektroden (5) überdeckt ist. Die Suspension ist zusammengesetzt aus Staub von Glas von niedriger Temperatur mit hohem Widerstand (Frite), mit einer Glasübergangstemperatur zwischen 500° und 800°C, Bindemittel und Lösungsmittel, welche es gestatten, dass das Glas (Frite) auf der Chipoberfläche durch Bedrucken, Pinseln oder irgendeine andere Art und Weise platziert wird. Die Dicke der Suspensionsschicht, welche auf die Chipoberfläche aufgebracht wird, liegt zwischen 10 und 500 μm. Unmittelbar nachdem die Suspension platziert ist, wird der zweite nicht-beschichtete Chip mit seiner größeren Seite auf der beschichteten Seite des ersten Chips in solch einer Art und Weise platziert, dass alle Kanten fluchten und deren äußere Elektroden (3) in (4) aufeinanderfallen und eine über der anderen auf beiden Seiten der Chips liegt, wie in 2 gezeigt. Beide Chips mit einer Glaszwischenschicht bilden eine Sandwich-Struktur. Die so platzieren Chips werden dann angesengt bei einer Temperatur zwischen 500° und 800°C. Das Bindemittel und das Lösungsmittel verdampfen bei niedrigeren Temperaturen, so dass nur das Glas zwischen den Chips (1) in (2) verbleibt. Bei einer bestimmten Temperatur verflüssigt sich das Glas und diffundiert in die Körper der beiden Komponenten. Eine Tiefe der Diffusion kann gesteuert werden über Glasübergangsparameter (Zeit und Temperatur), um sicherzustellen, dass das Glas nicht in die Tiefe innerer Elektroden diffundiert. In einem bestimmten Temperaturbereich verwandelt sich Glas in eine dünne amorphe Schicht mit guten mechanischen, Wärme- und Isolationseigenschaften nach Abkühlen. Die Glasschicht ist sehr gut mit beiden Chips verbunden aufgrund einer Diffusion in beide Chipkörper. Auf diese Art und Weise wird mit der Glasschicht eine sehr gute mechanische Verbindung zwischen beiden Bauelementen erreicht, und die Oberfläche zwischen beiden Bauelementen weist keine Porosität auf. Somit kann man sagen, dass mit Glas ein monolithisches Element, zusammengesetzt aus zwei einzelnen Elementen, aus zwei einzelnen Elementen erzeugt wird.
Ungeachtet der Tatsache, dass die äußeren Elektroden der beiden Chips in physikalischem Kontakt sind, kann man immer noch nicht behaupten, dass eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen ihnen erzielt ist. Daher wird der so gebildete Zusammensetzungsmonolith wiederholt mit Ag- oder AgPd-Paste metallisiert, auf solch eine Art und Weise, dass die beiden kleineren Seiten bis zu einer bestimmten Tiefe in die Ag- oder AgPd-Paste getaucht werden, und nicht-unterbrochene äußere Elektroden (6) der neuen Komponente erzeugt werden, wobei beide zur gleichen Zeit in Kontakt mit beiden äußeren Elektroden von beiden Chips an der inneren Seite sind. Nachdem diese Paste bei einer Temperatur von 550° bis 850°C angesengt ist, bestehen ein zuverlässiger elektrischer Kontakt und eine parallele elektrische Verbindung zwischen der Varicon-Diode und dem keramischen Kondensator.
Wenn AgPd als zweite Elektrodenpaste verwendet wird, ist ein neuer Chip (z.B. ein Bauelement mit mehrfacher Schutzfunktion) zur Oberflächenmontage geeignet.
Falls eine Komponente mit Anschlussdrähten gewünscht wird, wird eine zweite Metallisation durchgeführt mit einer Ag-Paste. Eine so erzielte Komponente wird zwischen Anschlussdrähten platziert, welche letztlich metallurgisch und elektrisch mit äußeren Elektroden in einem Lötvorgang verbunden werden. Zusätzliches Vergießen in Epoxidharze bietet Standardformen von Komponenten mit Anschlussdrähten.
Beispiel
Unter Verwendung selbst-limitierender Kondensatoren und Varicon-Dioden auf der einen Seite und Multischicht-Kondensatoren auf der anderen Seite wurden verschiedene Bauelemente mit mehrfacher Schutzfunktion hergestellt unter Verwendung der oben beschriebenen Technik. Einige der Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1

Un: – Durchbruchsspannung 1 mA
α: – Nicht-Linearitätskoeffizient
I_max: – Höherer Impulsstrom, ohne Konsequenzen für das Bauteil
C: – Kapazität, gemessen bei einem Wert von 1 kHz

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauelements mit mehrfacher Schutzfunktion, um einen gleichzeitigen Schutz gegen Strom, Spannungsschwankungen und Frequenzstörungen zu bieten, aufweisend die Schritte: a) Vorsehen zweier Bausteine (1, 2); wobei die zwei Bausteine (1, 2) im Wesentlichen die gleichen Abmessungen aufweisen, und wobei jeder der zwei Bausteine (1, 2) zwei große Seiten und vier kleinere Seiten aufweist; wobei der erste Baustein entweder ein Multischicht-ZnO-polykristalliner Diodenbaustein oder ein Multischichtselbstlimitierender kapazitiver Baustein ist; wobei der zweite Baustein ein kapazitiver Multischicht-Keramikbaustein ist; wobei der erste Baustein (1) mit zwei äußeren Elektroden (3) an zwei gegenüberliegenden kleineren Seiten versehen ist; wobei der zweite Baustein (2) auch mit zwei äußeren Elektroden (4) an zwei gegenüberliegenden kleineren Seiten versehen ist, entsprechend den zwei gegenüberliegenden kleineren Seiten des ersten Bausteins (1), welche mit den äußeren Elektroden (3) versehen sind; b) Vorsehen einer Lösung, welche eine Mischung von Glaspulver, Bindemittel und Lösungsmittel aufweist; c) Ablagern der Lösung auf einer der großen Seiten des einen der zwei Bausteine (1, 2), um die gesamte Fläche (5) zwischen den äußeren Elektroden dieses Bausteins abzudecken; d) Ausbilden einer Sandwich-Struktur durch Anordnen des anderen der zwei Bausteine (1, 2) mit einer seiner großen Seiten auf der Seite des einen der zwei Bausteine (1, 2), auf welchem die Lösung abgelagert ist, so dass die äußeren Elektroden (3) des ersten Bausteins (1) in Kon takt mit den entsprechenden äußeren Elektroden (4) des zweiten Bausteins (2) sind; e) Ansengen der Sandwich-Struktur, um eine physikalische Verbindung zwischen den zwei Bausteinen (1, 2) zu erhalten; f) Eintauchen der Sandwich-Struktur mit der ersten und mit der zweiten Seite, an welchen die Elektroden (3, 4) der zwei Bausteine (1, 2) vorgesehen sind, in eine Paste, welche Ag oder AgPd enthält; g) Ansengen der Sandwich-Struktur, um gemeinsame äußere Elektroden (6) an der Sandwich-Struktur auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Lösung auf einem der Bausteine zu einer Dicke zwischen 10 und 500 Mikrometer abgelagert wird, und wobei der Ablagerungsschritt erreicht wird durch entweder Bedrucken oder Ablagerung durch Auftragen der Lösung (5), und wobei die Lösung (5) eine Niedrigtemperatur-Glasurmasse einschließt.
Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, weiter aufweisend den Schritt des Entfernens des Bindemittels und des Lösungsmittels von der Lösung (5), und wobei nach dem Schritt des Entfernens der Ansengschritt der Sandwich-Struktur bei einer Temperatur zwischen 500° und 850°C auftritt.
Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ansengen entweder der Ag-Paste oder der AgPd-Paste bei einer Temperatur zwischen 550° und 850°C auftritt, um eine parallele elektrische Verbindung zwischen beiden Bausteinen (1, 2) vorzusehen.