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Keramischer Sperrschichtkondensator und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft im allgemeinen Sperrschichtkondensatoren und im besonderen deren metallische Belegungen.
Es sind Sperrschichtkondensatoren bekannt, die aus Bariumtitanat oder andern Stoffen bzw. Mischkristallen mitperowskitstruktur bestehen. Diese Sperrschichtkondensatoren werden hergestellt, indem zunächst in an sich bekannterweise das angegebene Material auf ke-amischem Wege gebrannt und gesintert wird. Danach wird zur Erzeugung einer guten Leitfähigkeit des resultierenden Körpers das Material beispielsweise in Wasserstoffatmosphäre reduziert. Diesem Arbeitsgang folgt eine oberflächliche Aufoxydation zur Herstellung von gewissermassen isolierenden Oberflächenbereichen. die nur von geringer Stärke sind und zusammen mit der hohen Dielektrizitätskonstante (DK) des Materials zu Kondensatoren mit sehr hohen Kapazitäten führen.
Es ist bereits bekannt, die aufoxydierten Oberflächenbereiche auch dadurch zu erzeugen, dass man ein Metall mit hoher Austrittsarbeit, wie z. B. Silber, auf den reduzierten Körper in Form einer Tinktur aufträgt und erst danach beim Einbrennen der Metallbelegungen die aufoxydierten Zwischenschichten zwischen halbleitendem Grundkörper und Metallbelegung herstellt. Dieser Vorgang wird vorzugsweise in oxydierender Atmosphäre vorgenommen ; zudem hat es sich gezeigt, dass insbesondere Silber besonders gut Sauerstoff überragend wirkt. Die Verlustfaktoren dieser Sperrschichtkondensatoren sind sehr hoch und betragen beispielsweise bei 500 kHz 0, 4 bis über 0, 5.
Der Verlustfaktor eines keramischen Sperrschichtkondensators setzt sich, wie Untersuchungen ergeben haben, im wesentlichen aus drei Anteilen zusammen :
1. aus den Verlusten der Ausgangskeramik,
2. aus den Verlusten auf Grund des Vorwiderstandes des halbleitenden Keramikkörpers,
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Zu den unter 1. genannten Verlusten ist zu sagen, dass ebenso wie die ferroelektrische Ausgangskeramik auch die als Dielektrikum wirkende, teilweise oder ganz wieder aufoxydierte Randschicht des Sperrschichtkondensators Hystereseverluste zeigt. Es handelt sich hiebei also um einen Beitrag zum Verlustfaktor, der in Höhe der Hystereseverluste des Ausgangsmaterials bei entsprechender Aussteuerung zu er-
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wurde durch eingehendeuntersuchung festgestellt, dass eine wesentliche Änderung des spezifischen Widerstandes der Keramikkörper während der Aufoxydation der Randschicht nicht eintritt.
Zu den unter 3. genannten Verlusten konnte festgestellt werden, dass die Aufoxydation der Keramikoberfläche eng verknüpft ist mit der Eigenschaft des Belegungsmetalls, insbesondere des Silbers, eine Oxydation katalytisch zu begünstigen bzw. als Sauerstoffübertrager zu wirken. Diese katalytischen Eigenschaften können durch Zusätze in denMetall-, vorzugsweiseSilbertinkturen, die normalerweise die Funktion von Haft- und Flussmitteln ausüben, begünstigt oder verschlechtert werden. Die Verwendung einer flussmittelfreien Silbertinktur liefert im Hinblick auf die Verringerung des Verlustfaktors keine brauchbaren Ergebnisse.
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Aufgebaut auf denErkenntnissen, die aus den Untersuchungen der einzelnen Verlustfaktoranteile her- vorgehen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Übergangswiderstände zwischen den metallischen Belegungen und den Sperrschichten und/oder zwischen den Sperrschichten und dem halbleitenden Keramikkörper so klein zu gestalten, dass der daraus resultierende Verlustfaktoranteil verschwindend klein ist gegenüber den Verlustfaktoranteilen, die aus dem Widerstand des Keramikgrundkörpers und den materialbedingten Verlusten der Keramik resultieren.
Es hat sich nämlich bei der Untersuchung des Verlustfaktors von Sperrschichtkondensatoren gezeigt, dass trotz Variation der Dicke der Keramikkörper und trotz unterschiedlich starker Reduktion selbst bei optimaler Gestaltung dieser Bedingungen stets noch ein erheblicher Verlustfaktoranteil verbleibt.
Die Lösung der oben geschilderten Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Metallbelegungsschicht einen gewissen Anteil eines niedrig schmelzenden Glases enthält. Nach den vorliegenden Versuchsergebnissen scheint diese Bedingung für das Erreichen des angestrebten Zieles im wesentlichen massgebend zu sein. Besonders gute Ergebnisse hinsichtlich der gestellten Aufgabe wurden erreicht, wenn als niedrigschmelzendes Glas ein hauptsächlich aus Silizium-, Blei- oder Boroxyden bestehendes, unter' 500 C schmelzendes Glas ausgewählt wurde. Demzufolge ist erfindungsgemäss ein keramischer Sperrschichtkondensator, der mit Belegungsschichten aus Metallen mit hoher Austrittsarbei, z. B. Silber, versehen ist und der bei Frequenzen von 1 kHz und darüber einen kleinen Verlustfaktor besitzt, z.
B. tan-8 gleich oder kleiner 0, 1, gemessen bei 1 MHz, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Belegungsschicht neben dem die Leitfähigkeit bedingenden metallischen Hauptbestandteil (z. B. Silber) ein hauptsächlich aussilizium-, Blei-undBoroxyden bestehendes, unter 500 C schmelzendesGlas enthält. DasErweichungsintervall der Glaskomponente soll etwa zwischen 300 und 4500C liegen. Der Anteil des Glases in der Belegungsschicht kann 0, 5-12 Gew.-%, vorzugsweise 5-7 Gew.-% betragen.
Es hat sich herausgestellt. dass eine weitere Verbesserung des Verlustfaktors erzielt wird, wenn die Dicke der Belegungsschicht mehr als 511, vorzugsweise 1511 beträgt.
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durch gekennzeichnet, dass zunächst in an sich bekannter Weise das keramische Material, z. B. Bariumtitanat, gebrannt, gesintert und zur Erzeugung der Leitfähigkeit reduziert wird, das dann auf die zu belegenden Teile einer Silbertinktur aufgetragen wird, die 40-60 Gew.-% Silber, 35-55 Gew.-'% organische Harze und Öle und 0, 5-5 Gew.-% des angegebenen Glases enthält, wobei die Tinktur gegebenenfalls in Wasser dispergiert ist, und schliesslich das Einbrennen der Belegungen in für die Herstellung von Sperrschichtkondensatoren an sich bekannter Weise erfolgt.
Der erfindungsgemäss ausgewäh1teGlaszusatz bringt neben der Verbesserung des Verlustfaktors, die aus nachstehender Tabelle ersichtlich ist, einerseits noch den Vorteil, dass die für die Aufoxydation und das Einbrennen notwendigeTemperatur um zirka 1000 tiefer liegt als bei Verwendung glasfreier oder mithochschmelzendem Glas versetzter Tinkturen. Es ist anzunehmen, dass durch den erfindungsgemässen Zusatz sowohl eine verstärkte katalytische Wirksamkeit als auch eine erhöhte Benetzung der Keramikoberfläche erzielt wird. Anderseits zeigen Kondensatoren, die unter Verwendung von Tinkturen mit dem erfindungsgemässen Glaszusatz hergestellt wurden, auch eine höhere Temperaturbeständigkeit als Kondensatoren, bei deren Herstellung der erfindungsgemässe Vorschlag nicht angewendet wurde.
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<tb>
<tb>
Kondensator <SEP> Tinktur <SEP> BInbrenntemperatur <SEP> tan <SEP> 6 <SEP> bei <SEP> 500 <SEP> kHz
<tb> 1. <SEP> Üblicher <SEP> Sperrschicht- <SEP> mit <SEP> glasfreier <SEP> über <SEP> 8000C <SEP> 50. <SEP> 10-2 <SEP>
<tb> kondensator <SEP> Silbertinktur
<tb> 2. <SEP> Sperrschichtkondensa- <SEP> mit <SEP> glasfreier <SEP> zirka <SEP> 8000C <SEP> 20. <SEP> 10-2 <SEP>
<tb> tor <SEP> mit <SEP> optimalen <SEP> Be-Silbertinktur
<tb> dingungen <SEP> hinsichtlich
<tb> Dicke <SEP> und <SEP> Leitfähigkeit <SEP> des <SEP> Keramikkör7
<tb> pers
<tb> 3. <SEP> Sperrschichtkondensa- <SEP> Silbertinktur <SEP> zirka <SEP> 7000C <SEP> 10. <SEP> 10'' <SEP>
<tb> tor <SEP> wie <SEP> 2. <SEP> mit <SEP> Glaszusatz <SEP> (Auftrag
<tb> unter <SEP> 5 <SEP> J.
<SEP> l) <SEP>
<tb>
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<tb>
<tb> Kondensator <SEP> Tinktur <SEP> Einbrenntemperatur <SEP> tan <SEP> 6 <SEP> bei <SEP> 500 <SEP> kHz
<tb> 4. <SEP> Sperrschichtkondensa-Silbertinktur <SEP> zirka <SEP> 700 C <SEP> 7, <SEP> 5. <SEP> 10' <SEP>
<tb> tor <SEP> wie <SEP> 2. <SEP> mit <SEP> Glaszusatz <SEP> (Auftrag
<tb> zirka <SEP> 7 <SEP> J. <SEP> l) <SEP>
<tb> 5. <SEP> Sperrschichtkondensa-Silbertinktur <SEP> zirka <SEP> 650 <SEP> - <SEP> 6900C <SEP> 4. <SEP> 10-2 <SEP> *) <SEP>
<tb> tor <SEP> wie <SEP> 2. <SEP> mit <SEP> Glaszusatz <SEP> (Auftrag
<tb> zirka <SEP> 15 <SEP> J. <SEP> l) <SEP>
<tb>
*) Anm. : Bei einer Frequenz von 10 MHz betrug der Verlustfaktor 0,2.
Im angegebenen Einbrenntemperaturbereich wurden Flächenkapazitäten zwischen 100 und 150 nF/cm2 erzielt, wobei der Isolationswiderstand der Sperrschicht mehr als 100 MOhm bei 10 V Messspannung be- trug.
Ein fertigungstechnischer Vorteil ergibt sich aus einer geringeren Abhängigkeit der Flächenkapazi- tät von der Einbrenntemperatur.
Die Zeichnung zeigt einen Sperrschichtkondensator nach der Erfindung, wobei der Keramikgrundkör- per mit 1, die aufoxydierten, kapazitiv wirksamen Schichten mit 2, die Belegungsschichten mit 3 und die Anschlusskontakte mit 4 bezeichnet sind. Die Belegungsschichten 3 bestehen aus Metall und dem angegebenen Glaszusatz.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Keramischer Sperrschichtkondensator, der mit Belegungsschichten aus Metallen mit hoher Aus- trittsarbeit, z. B. Silber, versehen ist und der bei Frequenzen von 1 kHz und darüber einen kleinen Ver-
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dass wenigstens eine Belegungsschicht neben dem die Leitfähigkeit bedingenden metallischen Hauptbestandteil, z. B. Silber, ein hauptsächlich aus Silizium-, Blei- und Boroxyden bestehendes, unter 5000C schmelzendes Glas enthält.