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Kondensator und Verfahren zur Herstellung desselben
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Kondensator und insbesondere auf einen hermetisch abgeschlossenen Kondensator mit einem Dielektrikum aus semikristallinem Material sowie auf ein Verfahren zur Herstellung solcher Kondensatoren.
Es sind bereits Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren bekannt, bei welchen als dielektrisches Material Glasstreifen verwendet werden, die mit Metallfolien in abwechselnder Folge unter Bildung eines Stapels angeordnet sind ; diese Anordnung ist zwischen Glasumhüllungen eingeschlossen, die bei entsprechender Temperatur und unter Druckanwendung mit den Zuleitungen und untereinander verschweisst werden, so dass ein hermetisch abgeschlossener Kondensator entsteht. Ein derartiges Verfahren istbeispielsweise in der USA-Patentschrift Nr. 2, 696, 577 beschrieben.
Die Entwicklungstendenz bei elektrischen Bauteilen verläuft immer mehr in Richtung einer Verbesserung der Umhüllung und damit einer weiteren Verkleinerung der einzelnen Bauelemente. Das bedeutet aber für die Herstellung von Kondensatoren, dass das Dielektrikum zwischen denMetallfolien in immer dünneren Schichten erzeugt werden muss. Dies ist jedoch nur möglich, wenn es gelingt, Materialien mit besseren Dielektrizitätskonstanten und dielektrischen Festigkeiten zu verwenden. Es ist bekannt, dass bestimmte keramische Produkte diese Bedingungen erfüllen. Die Anwendung keramischer Körper in der bekannten Form bei der Herstellung von Kondensatoren bringt jedoch keinen Fortschritt mit sich, weil diese Körper bisher durch Sintern und Brennen erzeugt werden.
Bei diesen Herstellungsverfahren erfordert die angestrebte hohe Gleichförmigkeit und Homogenität sowie eine niedrige Porosität des Produktes einen ganz beträchtlichen Zeitaufwand zur Regulierung der Teilchengrösse durch wiederholtes Vermahlen des Gemisches. Ausserdem brauchen die geformten Körper Brenntemperaturen von 1100 bis 1300 C, so dass die Verwendung der gebräuchlichen Silber-und Kupferelektroden in denselben nicht möglich ist, sondern nur teure Platin- oder Palladiumelektroden an den Körpern in ungebranntem Zustand angebracht werden können.
Die Erfindung vermeidet alle diese Nachteile und ermöglicht es nun, für den Aufbau von Kondensatoren anStelle der bekannten keramischen Körper semikristalline Körper einzusetzen, wie sie in der nicht vorveröffentlichten österr. Patentschrift Nr. 234 867 beschrieben sind. Diese semikristallinen Körper haben eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante und geben gleichzeitig die Möglichkeit, den bei der Erzeugung von Glaskondensatoren bekannten hermetischen Abschluss auch hier zu erzielen. Auf diese Weise kann man Schichtkondensatoren mit einer grossen Anzahl von dielektrischen Schichten zur Erzielung einer hohen Kapazität je Volumseinheit herstellen.
Der aus mehreren elektrisch leitenden Schichten aufgebaute Kondensator gemäss der Erfindung ist somit dadurch gekennzeichnet, dass diese Schichten voneinander durch ein semikristallines Dielektrikum aus einem keramischen Körper getrennt sind, welcher, auf Oxydbasis bezogen, 30-90 Kation-Mol-o der Oxydbestandteile von mindestens einer ferroelektrischen Verbindung der Sauerstoff-Oktaeder-Familie ent- hält, und dass mindestens 30Kation-Mol-'%) dieses Körpers die ferroelektrische Verbindung als eine in einer andernPhase gleichförmig dispergierten Kristallphase enthalten, wobei die Kristallphase aus einem dieselbe Oxydzusammensetzung wie der Körper aufweisenden und mindestens ein glasbildendes Oxyd enthaltenden homogenen Glas in situ kristallisiert ist.
Als glasbildendes Oxyd kann in dem semikristallinen keramischen Körper vorzugsweise mindestens
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eines der Oxyde SiO, B Og und POg vorhanden sein. Als ferroelektrische Kristallphase kann vorteilhaft eineverbindung der Perowskittype, der Pyrochlortype oder deren Gemischen dienen, wobei Bariumtitanat BaTiO3 bevorzugt wird. Ausser den Oxydbestandteilen der ferroelektrischen Verbindungen und Sitz, B203 und POg können mindestens 3 Kation-Mol-% eines Metalloxyds enthalten sein. Gemäss einer besonderen Ausführungsform können als Metalloxyd 3-30 Kation-Mol-% AlO 5 enthalten sein.
Es wurde gefunden, dass man aus dem beschriebenen semikristallinen keramischen Material Platten bis zu einerDicke von etwa 12, 7 mm pressen kann, die als Glas abgekühlt und der darauffolgenden Wärmebehandlung unterworfen werden können. Es wurde gefunden, dass die Viskositäten im geschmolzenen Zustand so niedrig, nämlich etwa im Bereich von 1 bis 10 Poise bei 1350-14000C liegen, dass die Massen ganz besonders gut für den Schleuderguss oder zur Herstellung dünner Glasplatten durch W alzen geeignet sind.
Solche dünne Glasplatten eignen sich vorzüglich als dielektrische Schichten für Kondensatoren der in der Fig. 2 der Zeichnung gezeigten Art.Für diesen Verwendungszweck können in an sich bekannter Weise zwischen die dünnen Glasplatten Streifen aus Metallfolie eingelegt oder die Platten vor dem Schichtaufbau mit einem elektrisch leitenden Überzug versehen werden. Die Glasschichten werden dann, wie in der USA-Patentschrift Nr. 2, 405, 529 beschrieben, unter Druck durch Erhitzen auf etwa 7000C miteinander verbunden, um die Metallschichten dazwischen einzuschliessen, worauf das Glas durch die vorstehend beschriebene Wärmebehandlung in den semikristallinen Zustand übergeführt wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren besteht nun im wesentlichen darin, dass beim Aufbau eines Kondensators dünneGlasstreifen und vorgeformteGlasteile der in der vorgenannten österr.Patentschrift Nr.234 867 beschriebenen Zusammensetzung für die dielektrische Zwischenschicht und für die äussere Umhüllung verwendet werden und die aus den Bestandteilen des Kondensators zusammengesetzte Anordnung auf eine Temperatur gebracht wird, bei welcher das Glas erweicht, die Teile der Umhüllung miteinander, mit den Verbindungsdrähten und vorzugsweise auch mit den dielektrischen Zwischenschichten verschmelzen, wonach durch eihe anschliessende Wärmebehandlung, die von der Zusammensetzung des verwendeten Glases abhängt, das Glas in den semikristallinen Zustand übergeführt wird.
Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zunächst in abwechselnder Folge Schichten eines elektrisch leitenden Materials und der zur Bildung des semikristallinenKörpers dienenden Masse angeordnet werden, dass jede zweite derleitenden Schichten an eine metallische Zuleitung und die übrigen leitenden Schichten an eine zweite metallischezuleitung angeschlossen werden, worauf dieAnordnunggeniigendhoch über denErweichungspunkt der den semikristallinenKörper bildenden Masse erhitzt wild, um sie zu erweichen, die Kanten der Masseschichten miteinander zu verschmelzen und mit den metallischen Zuleitungen dicht zu verbinden, dass die Anordnung hierauf einer zwischen der Spitzentemperatur der Kristallisation der ferroelektrischen Verbindung und einer Temperatur etwa 500C unter dem tiefsten Wert der ersten,
durch Schmelzen verursachten Einsenkung der DTA-Kurve des Glases liegenden Temperatur während eines Zeitraumes von mindestens einer Stunde bei der niedrigeren dieser Temperaturen bis zu mindestens einer halben Minute bei der höheren dieser Temperaturen ausgesetzt wird, um die ferroelektrische Verbindung zu kristallisieren, und dass sodann die Anordnung abgekühlt wird. Der Ausdruck DTA bedeutet differenzierte thermische Analyse. Bei diesem Verfahren wird vorzugsweise ein Glas verwendet, das als glasbildendes Oxyd mindestens eines der Oxyde Sitz. Bis und P2O5 enthält.
Die Erfindung ist in der Zeichnung näher erläutert. Darin veranschaulicht Fig. 1 die einzelnen Teile eines erfindungsgemässen Kondensators vor dem Verschweissen, während Fig. 2 einen erfindungsgemässen Kondensator nach dem Verschweissen und der zur Überführung des Glases in den semikristallinen Zustand dienenden Wärmebehandlung zeigt.
Wie Fig. 1 erkennen lässt, ist die Anordnung der Schichten 10, 13, 13 aus dielektrischem Material, vonLeiterstreifen 11 und Zuleitungen 12 grundsätzlich dieselbe wie im fertigen Kondensator gemäss Fig. 2, jedoch vor dem endgültigen Zusammenbau und Verschweissen der Schichten vom erfindungsgemä- ssen Kondensator. Dieser besitzt dann, wie Fig. 2 zeigt, eine dünne Schicht aus einem semikristallinen dielektrischen Material 10, einen dünnen Streifen oder Film aus einem Metall oder einem andern elektrisch leitenden oder halbleitenden Material 11 in enger Berührung mit den sicn gegenüberliegenden Flächen der Schicht 10 sowie band-oder drahtförmige Zuleitungen 12, diemitdeneinandergegen- überliegenden Kanten der Leiterstreifen 11 in festem elektrischemKontakt stehen.
Eine äussere Schicht aus semikristallinem dielektrischem Material 13 umgibt die Leiterstreifen 11 und die dielektrische Schicht 10 und schliesst dieselben ein ; die Aussenschicht 13 ist mit den Zuleitungen 12 durch Schmelzen dicht verbunden. Es ist klar, dass diese neuartige Anordnung nur durch einen Aufbau möglich wird, bei welchem die dielektrische Schicht 10 und die äussere Umhüllung 13 im Zeitpunkt des Zu- sammenbaues aus Glas bestehen, das in der Folge erweicht und mit den Zuleitungen 12 verbunden
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wird, worauf erst das Glas gemäss der weiter oben beschriebenen Wärmebehandlung in den semikristallinen Zustand übergeführt wird.
Selbstverständlich ist ein auf solche Weise hergestellter Kondensator nicht auf ein einzelnes Paai Leitcrstreifen 11 beschränkt, sondern kann aus einer Vielzahl von abwechselnd angeordneten Leiterstrcifen mit entsprechend angeschlossenen einzelnen Zuleitungen bestehen. Jeder dieser Streifen wird hiebei durch die dazwischengeschichteten dielektrischen Lagen und durch die äussere, mit den dielektrischen Lagen in Verbindung stehende und einen Teil derselben ausmachende dielektrische Umhüllung isoliert und von dieser Umhüllung umgeben. In diesem Falle sind die Eingangs-und Ausgangsklemmen mit zwei der zahlreichen elektrisch leitenden Schichten verbunden ; die übrigen leitenden Schichten können in an sich bekannter Weise verbunden werden, so dass man eine Parallel-, Reihen-oder eine kombinierte Parallel- und Reihenschaltung erhält.
Die Umhüllung kann mit den dielektrischen Zwischenschichten beim Zusammenpressen in der Wärme verschmelzen und einen Teil dieser Schichten bilden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kondensator mit mehreren elektrisch leitenden Schichten, dadurch gekennzeichnet, dass diese Schichten voneinander durch ein semikristallines Dielektrikum aus einem keramischen Körper getrennt sind, welcher, auf Oxydbasis bezogen, 30-90 Kation-Mol-% der Oxydbestandteile von mindestens einer ferroelektrischen Verbindung der Sauerstoff-Oktaeder-Familie enthält und dass mindestens
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Verbindungförmig dispergierte Kristallphase enthalten, wobei die Kristallphase aus einem, dieselbe Oxydzusammensetzung wie der Körper aufweisenden und mindestens ein glasbildendes Oxyd enthaltenden homogenen Glas in situ kristallisiert ist.
2. Kondensator mit mehreren elektrischleitendenSchichtennachAnspruch l, dadurch gekennzeichnet, dafssdassemikristallinekeramischeDielektrikumausserdenOxydbestandteilenderferroelek-
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zur Bildung des semikristallinen Körpers dienenden Masse angeordnet werden, dass jede zweite der leitenden Schichten an eine metallische Zuleitung und die übrigen leitenden Schichten an eine zweite me-
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seschichten miteinander zu verschmelzen und mit den metallischen Zuleitungen dicht zu verbinden, dass die Anordnung hierauf einer zwischen der Spitzentemperatur der Kristallisation der ferroelektrischen Verbindung und einer Temperatur etwa 500C unter dem tiefsten Wert der ersten,
durch Schmelzen verursachtenEinsenkung der DTA-Kurve des Glases liegenden Temperatur während eines Zeitraumes von mindestens einer Stunde bei der niedrigeren dieser Temperaturen bis zu mindestens einer halben Minute bei der höheren dieser Temperaturen ausgesetzt wird, um die ferroelektrische Verbindung zu kristallisieren, und dass sodann die Anordnung abgekühlt wird.
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Capacitor and method of making the same
The invention relates to an electrical capacitor and in particular to a hermetically sealed capacitor with a dielectric made of semicrystalline material and to a method for producing such capacitors.
Processes for the production of capacitors are already known in which glass strips are used as the dielectric material, which are arranged with metal foils in an alternating sequence to form a stack; this arrangement is enclosed between glass envelopes, which are welded to the supply lines and to one another at the appropriate temperature and under the application of pressure, so that a hermetically sealed capacitor is created. Such a method is described in U.S. Patent No. 2,696,577, for example.
The development trend in electrical components is increasingly in the direction of an improvement in the casing and thus a further reduction in the size of the individual components. For the production of capacitors, however, this means that the dielectric between the metal foils must be produced in ever thinner layers. However, this is only possible if it is possible to use materials with better dielectric constants and dielectric strengths. It is known that certain ceramic products meet these requirements. However, the use of ceramic bodies in the known form in the production of capacitors does not bring any progress with it, because these bodies have hitherto been produced by sintering and firing.
In these production processes, the desired high uniformity and homogeneity as well as a low porosity of the product require a considerable amount of time to regulate the particle size by repeatedly grinding the mixture. In addition, the shaped bodies need firing temperatures of 1100 to 1300 C, so that the common silver and copper electrodes cannot be used in them, but only expensive platinum or palladium electrodes can be attached to the bodies in the unfired state.
The invention avoids all of these disadvantages and now makes it possible to use semicrystalline bodies for the construction of capacitors instead of the known ceramic bodies, as are described in the unpublished Austrian patent specification No. 234 867. These semicrystalline bodies have a very high dielectric constant and at the same time allow the hermetic seal known from the production of glass capacitors to be achieved here as well. In this way, film capacitors can be produced with a large number of dielectric layers in order to achieve a high capacitance per unit volume.
The capacitor made up of several electrically conductive layers according to the invention is thus characterized in that these layers are separated from one another by a semicrystalline dielectric made of a ceramic body which, based on oxide, contains 30-90 cation moles of the oxide components of at least one ferroelectric compound of the oxygen octahedron family, and that at least 30 cation mole%) of this body contain the ferroelectric compound as a crystal phase uniformly dispersed in another phase, the crystal phase being composed of an oxide composition having the same oxide composition as the body and at least a homogeneous glass containing glass-forming oxide is crystallized in situ.
As a glass-forming oxide in the semicrystalline ceramic body preferably at least
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one of the oxides SiO, B Og and POg may be present. A compound of the perovskite type, the pyrochloride type or mixtures thereof can advantageously serve as the ferroelectric crystal phase, barium titanate BaTiO3 being preferred. In addition to the oxide components of the ferroelectric compounds and Sitz, B203 and POg, at least 3 cation mol% of a metal oxide can be included. According to a particular embodiment, 3-30 cation mol% AlO 5 can be present as the metal oxide.
It has been found that the semicrystalline ceramic material described can be used to press plates up to a thickness of about 12.7 mm, which can be cooled as glass and subjected to the subsequent heat treatment. It has been found that the viscosities in the molten state are so low, namely in the range from 1 to 10 poise at 1350-14000C, that the compounds are particularly suitable for centrifugal casting or for producing thin glass plates by rolling.
Such thin glass plates are particularly suitable as dielectric layers for capacitors of the type shown in FIG be provided. The glass layers are then, as described in US Pat. No. 2,405,529, bonded together under pressure by heating to about 7000 ° C. in order to enclose the metal layers therebetween, whereupon the glass is converted into the semi-crystalline state by the heat treatment described above .
The method according to the invention now essentially consists in using thin glass strips and preformed glass parts of the composition described in the aforementioned Austrian Patent No. 234 867 for the dielectric intermediate layer and for the outer covering and the arrangement made up of the components of the capacitor is brought to a temperature at which the glass softens, the parts of the cladding fuse with each other, with the connecting wires and preferably also with the dielectric intermediate layers, after which the glass is semicrystalline by subsequent heat treatment, which depends on the composition of the glass used State is transferred.
This method is characterized in that layers of an electrically conductive material and the compound used to form the semicrystalline body are initially arranged in an alternating sequence, that every second of the conductive layers is connected to a metallic lead and the remaining conductive layers are connected to a second metallic lead, whereupon the arrangement is sufficiently high The mass forming the semicrystalline body is heated wildly above the softening point in order to soften it, to fuse the edges of the mass layers together and to connect them tightly to the metal leads, so that the arrangement is between the peak temperature of the crystallization of the ferroelectric compound and a temperature about 500C below the lowest value of the first,
by melting caused lowering of the DTA curve of the glass lying temperature is exposed for a period of at least one hour at the lower of these temperatures up to at least half a minute at the higher of these temperatures in order to crystallize the ferroelectric compound, and that then the assembly is cooled. The term DTA means differentiated thermal analysis. In this process, a glass is preferably used which contains at least one of the oxides Sitz. Bis and P2O5 as glass-forming oxide.
The invention is explained in more detail in the drawing. 1 shows the individual parts of a capacitor according to the invention before welding, while FIG. 2 shows a capacitor according to the invention after welding and the heat treatment used to convert the glass into the semicrystalline state.
As FIG. 1 shows, the arrangement of the layers 10, 13, 13 made of dielectric material, of conductor strips 11 and leads 12 is basically the same as in the finished capacitor according to FIG. 2, but before the final assembly and welding of the layers according to the invention Capacitor. This then has, as Fig. 2 shows, a thin layer of a semicrystalline dielectric material 10, a thin strip or film of a metal or other electrically conductive or semiconducting material 11 in close contact with the opposite surfaces of the layer 10 and tape - or wire-shaped leads 12, which are in firm electrical contact with the mutually opposite edges of the conductor strips 11.
An outer layer of semicrystalline dielectric material 13 surrounds the conductor strips 11 and the dielectric layer 10 and encloses the same; the outer layer 13 is tightly connected to the supply lines 12 by melting. It is clear that this novel arrangement is only possible through a structure in which the dielectric layer 10 and the outer casing 13 consist of glass at the time of assembly, which then softens and is connected to the supply lines 12
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whereupon the glass is converted into the semicrystalline state in accordance with the heat treatment described above.
Of course, a capacitor produced in this way is not limited to a single pair of conductor strips 11, but can consist of a large number of alternately arranged conductor strips with correspondingly connected individual supply lines. Each of these strips is insulated by the interlayered dielectric layers and by the outer dielectric sheath which is connected to the dielectric layers and makes up part of the same and is surrounded by this sheath. In this case the input and output terminals are connected to two of the numerous electrically conductive layers; the other conductive layers can be connected in a manner known per se, so that a parallel, series or combined parallel and series connection is obtained.
The casing can fuse with the dielectric intermediate layers when pressed together in the heat and form part of these layers.
PATENT CLAIMS:
1. Capacitor with several electrically conductive layers, characterized in that these layers are separated from one another by a semicrystalline dielectric made of a ceramic body which, based on oxide, contains 30-90 mol% of the oxide components of at least one ferroelectric compound of oxygen -Octahedron family contains and that at least
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Contain compound-like dispersed crystal phase, wherein the crystal phase is crystallized in situ from a homogeneous glass having the same oxide composition as the body and containing at least one glass-forming oxide.
2. Capacitor with several electrically conductive layers according to claim 1, characterized in that the microcrystalline ceramic dielectric as well as the oxide components of the ferroelectric
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to form the semicrystalline body serving mass are arranged that every second of the conductive layers to a metallic lead and the remaining conductive layers to a second metal
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layers to fuse with each other and to connect tightly with the metallic leads, that the arrangement on it a between the peak temperature of the crystallization of the ferroelectric compound and a temperature about 500C below the lowest value of the first
The temperature in the DTA curve caused by melting is exposed for a period of at least one hour at the lower of these temperatures to at least half a minute at the higher of these temperatures in order to crystallize the ferroelectric compound, and that the assembly is then cooled becomes.
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