專利名稱：多層電氣元件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種多層電氣元件，它具有一個復層體，該復層體有重疊排列的且包含一陶瓷材料的介電層以及位于它們之間的且能導電的電極層。本發(fā)明還涉及多層元件的制造方法。
從文獻DE 19719 174 A1中公開一種上述類型的元件，其中介電層的電阻具有正的溫度系數(shù)，而且電極層由鋁制成。為了制造這樣的多層正溫度系數(shù)熱敏電阻，必需以廉金屬為電極層，這是因為只有這樣的金屬才能在其表面上形成一個對正溫度系數(shù)(PTC)元件的功能來說是必需的氧化層，它對電極層和介電層之間的阻擋層分解來說是必要的。
已知元件的缺點在于，所用的鋁在對正溫度系數(shù)熱敏電阻來說是典型的超過1300℃的燒結(jié)溫度下是不穩(wěn)定的并且被氧化。因而，電極層在燒結(jié)后具有高的歐姆電阻，這對于多層正溫度系數(shù)熱敏電阻來說是不希望的。
已知的PTC元件還有以下缺點鋁在超過1000℃的燒結(jié)高溫下易滲入陶瓷內(nèi)并將影響PTC陶瓷的所希望的性能。
此外，從文獻DE 19916 380 A1中公開了上述類型的元件，其中介電層是由一壓電材料中選出來的。該電極層由銀鈀混合物制成。
這些已知元件的缺點在于，銀和鈀比較昂貴。更方便且更廉價地可供使用的材料如銅則要求很高昂的工藝技術成本，以使銅不氧化。
因而，本發(fā)明的目的是提出一種多層電氣元件，它允許用在電極層中的金屬不會在高溫和含氧的氛圍中被氧化。
根據(jù)本發(fā)明，通過一個如權利要求1所述的多層元件來實現(xiàn)該目的。本發(fā)明的其它技術方案和本發(fā)明的制造方法見其它權利要求。
本發(fā)明提出一種多層電氣元件，它包括一個具有重疊排列的介電層的復層體。這些介電層包含一種陶瓷材料并通過布置在介電層之間的且能導電的電極層相互分開。至少一個電極層包含一個被保護層覆蓋的基體。該基體含有一種金屬。保護層的任務是阻止或延緩基體氧化。作為保護層，考慮這樣的金屬，即它有比基體里的金屬且尤其是貴金屬更高的標準電極電位。但保護層也可以是每個其它適合的化合物如含硼或含硅的玻璃。
作為本發(fā)明的多層元件，尤其考慮使用電容器、熱敏電阻、壓敏電阻和壓電元件。
本發(fā)明的多層元件的優(yōu)點在于，該保護層由于其中含有保護材料而保護基體不會被不希望地氧化。尤其是，本發(fā)明可以以廉金屬為基體的金屬。廉金屬的優(yōu)點是，它們可以廉價且方便地提供使用。所謂的廉金屬就是在標準氫電極在25℃測得的標準電極電位為正的所有金屬。
此外，按本發(fā)明的元件也允許使用一些工藝步驟，在這些步驟中，元件在制造期間內(nèi)和之后被置于一種氧氣氛圍中。由于有保護層，所以與沒有保護層的多層元件相比，可以在元件上利用較高的氧氣分壓或較高的溫度或者兩者條件，而不會使電極層完全氧化。若多層元件通過燒結(jié)工藝制成，則這是特別有利的。當在電極層里應用廉金屬時，在燒結(jié)時還要很仔細地注意到相對空氣而言減小的氧氣分壓。利用本發(fā)明的元件，可以在比較高的氧氣分壓下進行燒結(jié)。因而，可以簡化工藝并節(jié)省加工成本。
本發(fā)明的元件可以特別有利地通過共燒結(jié)陶瓷生膜和導電層來制成。因而，將許多層重疊起來并在一個唯一的工藝步驟里組合成一個單片元件，這可以在一個簡單實施的作業(yè)中實現(xiàn)。陶瓷生膜和電極層的共燒結(jié)尤其可以用來制造有很多電極層的元件，這例如對電容器來說可被用于大電容，對多層熱敏電阻來說可被用于低電阻以及對壓電元件來說可被用于大的機械偏移。
此外，在一個有利的實施形式中，可以在本發(fā)明元件的外表面上設置外電極，這些外電極與電極層接通。因而，可以制成適于表面安裝技術的多層元件。適當?shù)耐怆姌O例如是可以成蓋罩狀布置在復層體的兩個對置的側(cè)面上的電極，它們可以馬上按照表面安裝技術與一塊電路板的印刷電路釬焊連接。
本發(fā)明的另一個有利的實施形式在于使相鄰電極層與不同的外電極接通。因而，可以將電極層布置成相互嵌合的梳狀結(jié)構。這樣一來，尤其是對電容器來說，可通過并聯(lián)各個不同的分電容來獲得高電容，對多層熱敏電阻來說，可通過并聯(lián)多個分電阻來降低基本電阻，對壓電元件來說，可以獲得更大的機械偏移。
為了在溫度＞800℃時滿足某些燒結(jié)作業(yè)的要求，有利地如此選擇保護材料，即，即便燒結(jié)溫度＞800℃，也延緩了物體的氧化。因而，可以實現(xiàn)在電極層里使用廉金屬的陶瓷多層元件，如果沒有保護層的話，這些金屬在上述燒結(jié)溫度下就已經(jīng)氧化了。這樣一些陶瓷元件例如是壓電執(zhí)行元件或者也可以是多層熱敏電阻。
對基體金屬來說，特別考慮使用廉金屬，而對于保護材料來說，最好使用貴金屬，它們在空氣中燒結(jié)時具有所謂的溫度穩(wěn)定性。作為用于保護材料的貴金屬，特別考慮銀、金、鉑或鈀。但也可以用其它材料，例如含硼或含硅的化合物。
適用于基體的金屬例如有鎢、銅、鎳、鉻、鋁或鈦。金屬鎢例如也適用作添加劑來制造多層熱敏電阻。這同樣也適合于鉻和鋅。銅特別適用于制造壓電執(zhí)行元件，而金屬鎳與一個本發(fā)明的保護層一起被更有利地用在電容器上，這樣，由于由此可在空氣中燒結(jié)代替了在含氧量降低時的燒結(jié)，所以可以簡化此工藝過程。
為實現(xiàn)一種陶瓷的多層正溫度系數(shù)熱敏電阻，介電層的歐姆電阻具有正溫度系數(shù)是特別有利的。這例如可以通過應用正溫度系數(shù)熱敏電阻陶瓷達到。一種適合的正溫度系數(shù)熱敏電阻例如是具有普通成分(Ba，Ca，Br，Pb)TiO3的鈦酸鋇陶瓷，該陶瓷添加了施主和/或受主如錳和釔。
在使用這樣的陶瓷時，為了減小阻擋層，最好在電極層里使用廉金屬添加物，如鋁、鉻或鋅。但鎢尤其適用作電極層的金屬。所謂的阻擋層分解就是指，使電極/陶瓷的界層上的廉金屬氧化并且因此增高在位于電極層和介電層之間的邊緣層里的載流子濃度(增強邊緣層)。因此，構成了一個對多層正溫度系數(shù)熱敏電阻的功能來說是必要的歐姆接觸。但是，在空氣中燒結(jié)而又沒有保護層時，這正如簡單實現(xiàn)多層元件所需要的那樣，所列舉的金屬就在熱敏電阻陶瓷通常的燒結(jié)溫度下完全氧化。因此，這些電極層和陶瓷也就不可使用了，因為氧化的電極成分就會從電極/陶瓷的分界層擴散滲入陶瓷里。必須在一種含氧氛圍里進行燒結(jié)，以便在燒結(jié)后的冷卻時建立起正溫度系數(shù)熱敏電阻陶瓷的晶界活性層。但借助該保護層，保證了必要的燒結(jié)條件，而不會使電極層或電極添加物完全氧化。
為防止使元件或組件通過大電流而應用了多層正溫度系數(shù)熱敏電阻。當電流突然增高時，這種多層熱敏電阻的電阻很快增大，這樣就能有效地保護串聯(lián)于多層熱敏電阻上的元件或電路，以防止過電流。在排除引起大電流的故障狀態(tài)之后，多層熱敏電阻就變冷并又達到一個低電阻。多層陶瓷熱敏電阻由于許多單個電阻采用了并聯(lián)，因而其優(yōu)點為它在低溫時具有很小的元件阻抗，這種阻抗即使在流過熱敏電阻的電流多次升高和降低之后也能反復地可靠達到。
當本發(fā)明元件以多層正溫度系數(shù)熱敏電阻形式實現(xiàn)時，尤其也考慮了成鎢的化合物形式的基體用材料。特別考慮了碳化鎢以及氧化鎢。這種鎢的混合物或者鎢的化合物的優(yōu)點是阻礙但并不完全阻止鎢的氧化，因而就能如上所述地發(fā)生所需的阻擋層分解，而盡管如此，仍在電極層內(nèi)確保了強導電性。
在本發(fā)明的第一個實施形式中，電極層可以包含一個層狀基體，在基體的上面和下面各布置了一個保護層。
在本發(fā)明的另一個實施形式中，這些布置在電極層里的基體也可以是由一個保護層包住的顆粒。本發(fā)明的這種實施形式可以使用含有許多這樣的顆粒的粉末來制造電極層，這樣就可以應用眾所周知的絲網(wǎng)印刷方法。由此帶來的優(yōu)點是對于將電極層涂覆到陶瓷生膜上或?qū)τ谄渌募庸碚f，都不需要開發(fā)新的技術。
此外，當在多層熱敏電阻的電極層里使用包住的顆粒時，如果電極層除了含有這些顆粒外還含有一種貴金屬如銀者鈀，則這是有利的，這樣，即使在顆粒芯里的對阻擋層分解負責的電極成分發(fā)生了部分氧化，也保證了電極層內(nèi)的強導電性。多層正溫度系數(shù)熱敏電阻的一個電極層例如可以由10重量％的涂層鎢粉和90重量％的由銀和鈀組成的混合物構成。
另外，該保護層可以有至少兩個分層，它們含有各種不同的材料。例如考慮應用一種用于電極層的粉末，其芯中的顆粒主要由鎢組成，其中顆粒的芯由一個銀層包裹住。含銀的包裹層又由第二殼層包起來，該殼層含有鉑。這樣一種設計成雙層的保護層的優(yōu)點在于在加熱燒結(jié)由銀和鉑組成的元件時，可以生成一種合金，這種合金的熔化溫度比銀高(銀的熔化溫度約為960℃)，這樣一來，就能阻止局部的保護層分解。因而，保護層就不允許太多的氧氣接觸到顆粒芯里的鎢。
適用在本發(fā)明多層元件里的粉末例如可以通過用一種貴金屬包住一種適合的金屬顆粒而借助物理方法制成。作為用于制造其顆粒被包住的粉末的物理方法，例如可以考慮濺射法或者汽相擴散滲鍍法。但是，必須注意到粉末顆粒在汽相滲鍍或濺射時必須要運動，從而使它們各個面都被涂覆上。
作為保護材料的含硼或含硅的玻璃可以以保護層的形式并通過化學方法如PVD(物理噴鍍)或CVD(化學噴鍍)被涂在一粉末上。
當本發(fā)明的多層元件被用作壓電執(zhí)行元件或電容器時，若保護層致密地封住基體，則這是有利的。在這些情況下，不希望基體發(fā)生氧化。通過用保護層致密地封住基體，可以盡可能地減少氧氣接近，除了借助擴散的氧氣輸送外。
在制造其顆粒被包住的粉末的方法中，形成了保護層，它們都有孔隙。這些孔隙可以按照比較有利的方式允許氧氣接近顆粒芯并因而用于在多層正溫度系數(shù)熱敏電阻中分解阻擋層。然而，一方面為了阻止太多氧氣接近基體，可以有利地這樣來選擇保護層厚度，即孔隙數(shù)量減小并因此使氧氣進入減小到對阻擋層分解來說所必需的程度。保護層的合適厚度即使就所要使用的絲網(wǎng)印刷法而言也至少小于5μm。
還有利的是在被用在用于制造電極層的一膏劑里的粉末中含有的顆粒具有一般為＜5μm伸長尺寸。同時，有利的是，保護層的厚度也通常為＜5μm。這樣的顆粒尺寸的優(yōu)點是常用于絲網(wǎng)印刷法的絲網(wǎng)可被用于將電極層涂在陶瓷生膜上。這些常用的絲網(wǎng)具有一般小于5μm的網(wǎng)眼尺寸。
但也可以考慮在顆粒和保護層之間有其它的尺寸比例。
本發(fā)明還指出了一種多層電氣元件的制造方法，其中層的燒結(jié)是在一般高于800℃的溫度下進行的。
這樣的方法的優(yōu)點是可以達到對許多應用場合或?qū)μ沾刹牧蟻碚f是必需的燒結(jié)溫度。此外，基于本發(fā)明的保護層，考慮將廉價金屬用于基體的金屬。
此外，這樣的多層元件的制造方法是有利的，其中復層體的燒結(jié)在一種超過基體金屬/基體金屬氧化物平衡的氧氣平衡分壓的氛圍中進行。這種方法的優(yōu)點是隨著氧氣壓力增高，例如空氣就可以作為燒結(jié)時的工作氣體，從而大大簡化了元件制造過程。例如當以鎢為基體金屬時，可在超過鎢/鎢氧化物的平衡分壓的氧氣氛圍中進行加工。
因而，可以將對許多陶瓷來說是必要的高氧含量供給燒結(jié)氛圍，其中保護層有效地保護了廉金屬如鎢，使其免受高氧氣分壓作用。
以下，根據(jù)實施例和附圖對本發(fā)明進行詳細的敘述。


圖1舉例表示本發(fā)明多層元件的主視圖。
圖2A以橫截面示意圖表示可用于制造本發(fā)明元件的電極層的一種粉末的顆粒，；圖2B表示如圖2A所示的一種顆粒，其保護層具有孔隙；圖3以橫截面示意圖舉例表示本發(fā)明元件的一個電極層的構造。
圖1以透視圖表示一個元件。它通過燒結(jié)一組重疊的生膜和電極層制成。為此，在一個生膜表面的規(guī)定用于電極的部位上涂上一電極膏劑。為此適用的方式是一系列的特別是厚涂層法并最好是印刷，如借助絲網(wǎng)印刷。至少在生膜的棱邊部位或只是在生膜的邊角部位上，還留有一個未被電極膏劑蓋住的表面區(qū)。也可以不以平面層形式來涂覆電極，而是使其結(jié)構化，必要時，使電極成斷續(xù)的圖形。
絲網(wǎng)印刷膏劑例如具有包括金屬鎢或者鎢化合物并用于產(chǎn)生所需的導電性能的金屬顆粒和必要時還包括能燒結(jié)的且用于使電極膏劑的衰落性適應于陶瓷衰落性的陶瓷顆粒和一種可燒盡的有機粘合劑，以保證陶瓷體的可成形性或生材融合。在這里，可以使用由純鎢組成的顆粒、由鎢合金、鎢化合物組成的顆粒或者由鎢和其它金屬組成的混合顆粒。這些顆粒由一種按本發(fā)明的保護層包封起來(見圖2A、2B)。對于只承受小機械負荷的陶瓷多層元件來說，電極膏劑也可以完全沒有陶瓷成分。
接著，使印好的生膜以所希望的數(shù)量上下層疊成一個薄膜復層體，結(jié)果，(生)陶瓷層和電極層交替地重疊。
接著，因有粘合劑而仍然有彈性形狀的薄膜復層體通過擠壓和必要時通過裁切被制成所需外形。然后，燒結(jié)陶瓷，這可以牽涉到一個多級燒結(jié)過程。在最終的燒結(jié)時，陶瓷被燒結(jié)到完全的或所希望的致密程度，最終燒結(jié)的溫度一般在800℃-1500℃之間。
在燒結(jié)之后，由這些單個的生膜層形成了一個單塊的陶瓷多層復層體1，它在各個由陶瓷層形成的介電層2之間有著牢固接合。在連接點即陶瓷/電極/陶瓷上，也存在這種牢固接合。在多層復層體1里，介電層2和電極層3是交替重疊布置的。在元件基體的兩個對置側(cè)上，產(chǎn)生了外電極6，它們分別與每第二個電極層3處于電接觸。為此，可以例如先在陶瓷上產(chǎn)生一個金屬化層，通常是由銀組成的金屬化層，例如通過無電流沉積。緊接著，可以用電鍍來加強，例如涂上一個涂層系列Ag/Ni/Sn。因而，改善了在線路板上的釬焊性能。但另外一些使電極層6金屬化或產(chǎn)生電極層的可行方法也是適用的。
通過與一正溫度系數(shù)熱敏電阻陶瓷有關地使用含有如圖2所示的被包住的鎢顆粒的電極層，獲得了以下優(yōu)點a.減少氧化，因而減小體積膨脹；b.改善與陶瓷的附著強度；c.由于氧化少而改善了導電性能；d.由烘焙銀膏制成的外金屬化層在電極層上有較好的粘接性能；e.由于氧化少而改善了均質(zhì)性，這使層內(nèi)電荷分布變得均勻；f.由于鎢與正溫度系數(shù)熱敏電阻陶瓷相結(jié)合實現(xiàn)了阻擋層分解，從而形成歐姆接觸。
但本發(fā)明并不局限于具有含鎢電極層的正溫度系數(shù)熱敏電阻陶瓷，而是也可以用在其它種類的陶瓷電氣元件上，例如用于電容器或壓電元件，其中最好是使用鈣鈦陶瓷，或者也可用于與尖晶石陶瓷有關的熱敏電阻。此外，作為本發(fā)明的元件，也可以考慮這樣的元件，其中陶瓷層含有氧化鋅陶瓷并因而適用作壓敏電阻。此外，當在介電層中使用了具有添加物鋇、鈦、鈣、鍶或鉛或其它摻雜元素的鈦酸鋇陶瓷，則本發(fā)明的元件也可被用作熱敏電阻。
圖2A表示一個成顆粒狀的基體4，它由一個保護層5包圍著，該保護層將顆粒緊密包裹起來。為了獲得用于多層熱敏電阻所必需的部分氧化，可以形成多孔隙的保護層，或者可以使層厚適應于允許使少量氧氣接近基體4保護層。圖2B表示這樣的顆粒，即其保護層5具有孔隙7?；w4例如可由鎢制成，而保護層5由作為保護材料的鈀組成。
圖3表示一個電極層3，其中基體4成層狀，該基體層在上、下表面上用一個保護層5覆蓋住。保護層5例如可由鈀構成，而基件4可以含有鎢。
本發(fā)明并不限于所示實施例，其最一般的形式由權利要求1限定。
權利要求
1.一種多層電氣元件，它具有-一個有上下重疊的介電層(2)的復層體(1)，這些介電層包含有一種陶瓷材料；-位于它們之間的能導電的電極層(3)；-其中，至少一個電極層(3)含有一個由一保護層(5)覆蓋住的基體(4)；-該基體(4)含有一種金屬；-該保護層(5)含有一種保護材料，該保護材料可以延緩該基體金屬的氧化。
2.按權利要求1所述的元件，該元件通過陶瓷生膜和電極層(3)的共燒結(jié)而制成。
3.按權利要求1或2所述的元件，其中，如此選擇該保護材料，即它在高于800℃的燒結(jié)時能延緩該基體金屬的氧化。
4.按權利要求1至3中之一所述的元件，其中，該基體金屬是一種廉金屬。
5.按權利要求1至4中之一所述的元件，其中，該保護層是一種貴金屬。
6.按權利要求1至5中之一所述的元件，其中，該基體金屬是鎢、銅、鎳、鋁、鈦或鉻。
7.按權利要求1至6中之一所述的元件，其中，該保護材料是金、銀、鉑或鈀。
8.按權利要求1至7中之一所述的元件，其中，所述介電層(2)的歐姆電阻具有正溫度系數(shù)。
9.按權利要求1至8中之一所述的元件，其中，所述電極層(3)含有碳化鎢或氮化鎢。
10.按權利要求1至9中之一所述的元件，其中，該基體(4)是一個層，它在至少一面上被一個保護層(5)覆蓋住。
11.按權利要求1至9中之一所述的元件，其中，該基體(4)是一個由保護層(5)包圍住的顆粒。
12.按權利要求1至11中之一所述的元件，其中，該保護層(5)具有至少兩個含有不同材料的分層。
13.按權利要求11或12所述的元件，其中，該電極層(3)由一種粉末制成，所述粉末的顆粒通過一種化學方法或物理方法被一保護材料包裹起來。
14.按權利要求12或13所述的元件，其中，該保護層(5)緊密包裹著基體(4)。
15.按權利要求11至13中任意一項所述的元件，其中，該保護層(5)具有孔隙(7)。
16.按權利要求11至15中任意一項所述的元件，其中，所述顆粒具有最大為5μm的伸長尺寸，該保護層(5)的厚度最大為5μm。
17.按權利要求1至16中任意一項所述的元件，其中，在該復層體(1)的外表面上設有外電極(6)，所述外電極與電極層(3)接通。
18.按權利要求17所述的元件，其中，相鄰的電極層(3)與不同的外電極(6)接通。
19.一種制造如權利要求2至18中任意一項所述的多層電氣元件的制造方法，其中，生膜和電極層(3)的燒結(jié)是在大于800℃的溫度下進行的。
20.按權利要求19所述的方法，其中，所述燒結(jié)是在一種氧氣氛圍里進行的，其中超過了金屬/金屬氧化物平衡的氧氣平衡分壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多層電氣元件，它有一個帶有重疊布置的介電層(2)的復層體(1)，這些介電層包含有一種陶瓷材料，還有在介電層之間的能導電的電極層(3)，其中至少一個電極層(3)包含一基體(4)，它由一個保護層(3)覆蓋著，該基體(4)含有一種金屬，該保護層(5)含有一種延緩該金屬氧化的保護材料。本發(fā)明還涉及一種制造該元件的方法，其中在高溫時可以進行燒結(jié)處理。通過所給出的發(fā)明，可以制造出具有成本低廉的電極以及簡化的制造工藝過程的陶瓷多層元件。
文檔編號H01L41/083GK1636253SQ02808992
公開日2005年7月6日 申請日期2002年4月11日 優(yōu)先權日2001年4月26日
發(fā)明者L·科斯滕 申請人:埃普科斯股份有限公司