CN104781894A - 多层电容器和用于制造多层电容器的方法 - Google Patents

多层电容器和用于制造多层电容器的方法 Download PDF

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Abstract

提出包括绝缘层(2)和其中布置的电极层(3，4，5)的多层电容器(1)，其中多层电容器(1)包括多个彼此相连的片段(11，12)并且其中在片段(11，12)之间设置至少一个释放区域(18，19，20)。此外提供用于制造这种多层电容器(1)的方法。

Description

多层电容器和用于制造多层电容器的方法
技术领域
提出多层电容器，尤其是陶瓷多层电容器。电容器例如作为中间回路电容器使用。尤其是具有快速半导体的电容器可置入到换流器中。
发明内容
任务在于，提出具有改善特性的多层电容器和用于制造该多层电容器的方法。
提出多层电容器，该多层电容器具有绝缘层和其间布置的电极层。多层电容器具有多个彼此相连的片段，其中在片段之间布置至少一个释放区域。优选地在释放区域中弱化或中断片段的连接。
优选地多层电容器构造成整体的。尤其是多层电容器具有整体的基体。基体包括绝缘层和电极层。优选地绝缘层和电极层共同烧结。尤其是片段可以共同烧结。
通过释放区域优选地机械应力在多层电容器中保持为较小。在此片段的厚度优选地如此小，使得在片段中机械应力不导致在电容器中的断裂的产生。通过弱化或中断片段的连接机械应力可以不如此增加，使得在电容器中产生断裂。
多层电容器的绝缘层优选地是陶瓷层。绝缘层可以具有在对电容器接上电压时的压电或电致伸缩的行为，使得绝缘层的膨胀出现。尤其是在绝缘层的不均匀膨胀的情况下机械应力可以在电容器中出现。由于释放区域还可以使用具有高膨胀值的材料用于具有高电容值的整体多层电容器。尤其是多层电容器可以具有大厚度，而不产生关键的机械应力。因此可以形成多层电容器，其在厚度中并因此在其电容值中不受限制。
在实施方式中绝缘层具有反铁电材料。例如绝缘层具有铅-镧-锆石钛酸盐(PLZT)。在备选实施方式中绝缘层具有铁电的材料，例如基于钡钛酸盐的铁电的陶瓷。
优选地多层电容器具有至少一个外接触部用于接触至少一个电极层。例如多层电容器具有用于接触至少一个第一和第二电极层的两个外接触部。外接触部可以布置在基体的相对的外侧上。
例如第一和第二电极层不重叠。第一和第二电极层可以布置在共同平面中。
优选地多层电容器具有不由外接触部接触的至少一个第三电极层。这种电极还可以称为“浮动”电极，德语称为“schwebende（浮荡）”电极。第三电极层可以与第一和/或第二电极层重叠。优选地第三电极层与第一和第二电极层重叠。
优选地多层电容器和尤其是多层电容器的每个片段具有多个第一电极层，多个第二电极层和多个第三电极层。
在实施方式中电容器具有两个电容的至少一个串联电路。尤其是第一电容可以通过重叠至少一个第一电极层与至少一个第三电极层形成和第二电容通过重叠至少一个第二电极层与至少一个第三电极层形成。
优选地释放区域至少部分布置在堆叠的不活跃区中。在堆叠的不活跃区中不出现电极层与对电极的重叠。因此不活跃区不有助于多层电容器的电容。
例如在不活跃区中在堆叠方向上看仅存在一种类的电极层，例如仅第一电极层，仅第二电极层或仅第三电极层。备选不活跃区还可以完全与电极层分离。优选地释放区域遮盖所有不活跃区。
在实施方式中至少一个释放区域至少部分布置在电容器的区域中，在该区域中第三电极层既不与第一又不与第二电极层重叠。因此在这个区域中仅布置第三电极层。例如释放区域位于在两个第三电极层中。对此附加或备选地至少一个释放区域至少部分布置在区域中，在该区域中仅布置第一或第二电极层。对此附加或备选地至少一个释放区域可至少部分布置在区域中，该区域中与电极层分离。尤其是这个区域在堆叠方向上看与电极层分离。
释放区域还可以延伸进入区域，在该区域中出现不同种类的电极层的重叠，尤其是电极层与对电极的重叠。这种区域称为活跃区，因为其有助于电容器的电容。例如在第一活跃区中重叠第一和第三电极层和在第二活跃区中重叠第二和第三电极层。释放区域优选地延伸到如此远到活跃区中如在活跃区中在接上电压时出现不均匀的膨胀。在其中出现均匀膨胀的区域中，片段优选地固定地彼此相连，尤其是固定地彼此烧结。优选地释放区域至少布置在两个片段之间的区域中，在该区域中出现绝缘层的不均匀的膨胀。
在实施方式中结构化释放区域。尤其是释放区域可具有至少一个留空（Aussparung）。例如在留空中形成其中片段固定地彼此相连，尤其是固定地彼此烧结的连接区域。
在实施方式中释放区域在平行于电极层的平面中至少在与外侧相邻的基体的所有区域中布置。释放区域可以包围连接区域，连接区域完全布置在基体的内部中并且因此不抵达到外侧。
在实施方式中在两个彼此相连的片段之间布置至少三个释放区域。尤其是释放区域可以位于共同的平面上。优选地释放区域布置在每个不活跃区中。释放区域还可以彼此相连。布置在一个平面中的多个释放区域还可以看作单个，结构化的释放区域。
在实施方式中设置至少一个释放区域，其不与外接触部相邻。例如释放区域至少部分布置在不与外接触部相邻的不活跃区中。对此附加或备选地至少一个释放区域可以与外接触部之一相邻。
释放区域可以设计作为片段之间的间隙。尤其是不同片段的绝缘层在释放区域中可以彼此间隔。绝缘层还可以在释放区域中彼此邻近并且不或仅部分地或仅以减少的粘附强度彼此相连。
此外提出用于制造这种多层电容器的方法。在此提供绿膜，尤其是陶瓷绿膜，用于形成绝缘层。在至少一个绿膜上施加例如压印包括有机材料的膏。在另外的绿膜上压印优选地电极材料的膏。膏优选地仅在其上设置释放区域的位置上涂抹。绿膜布置成烧结的堆叠。优选地如此形成膏，使得在在其上涂抹膏的位置上完全或部分地避免绝缘层的共同烧结，使得在此形成释放区域。
附图说明
在下面根据示意并且并非按比例的实施例更详细地解释在此所述的主题。
其中:
图1示出多层电容器的示意的断面图，
图2示出图1的多层电容器的截面，
图3以韦伯分布示出在包括释放区域的多层电容器的情况下突破电压。
优选地在下面附图中相同附图标记引用不同实施方式的功能或结构对应的部分。
具体实施方式
图1示出多层电容器1的示意断面图。多层电容器1具有具有彼此之上堆叠的绝缘层2和其间布置的电极层3，4，5的基体6。基体6是整体的烧结体。
绝缘层2优选地设计成陶瓷层。尤其是绝缘层2可以具有反铁电材料。例如绝缘层2具有铅-镧-锆石-钛酸盐(PLZT)。备选地绝缘层2还可以具有铁电的材料，例如基于钡钛酸盐的铁电的材料。绝缘层2可以具有压电或电致伸缩的行为，使得在施加电压到多层电容器1的情况下出现压电层2的膨胀。
电极层3，4，5包括与外接触部(未绘出)电连接的第一和第二电极层3，4。外接触部在基体6的第一或者第二外侧7，8上。第一和第二电极层3，4在堆叠方向S看来不重叠。
此外电极层3，4，5包括第三电极层5，第三电极层不与外接触部相连。第三电极层5与第一和第二电极层3，4重叠。通过这个布置形成两个电容9，10的串联电路。在第一电容9的情况下第三电极层5形成对于第一电极层3的对电极，在第二电容10的情况下第三电极层5形成对于第二电极层4的对电极。
其中在堆叠方向S上看来出现电极层3，4与对电极的重叠的多层电容器1的区域称为活跃区13，14。其中不出现电极层3，4与对电极的重叠的区域称为不活跃区15，16，17。第一和第二不活跃区15，16分别与外侧7，8相邻，外接触部布置在该外侧上。第三不活跃区17在第一和第二电容9，10之间布置并且不与外接触部相邻。
多层电容器1具有两个相叠地布置的片段11，12。片段11，12可具有电极层3，4，5的相同布置。第一片段11的最上的电极层3，4具有与第二片段12的位于其最下的电极层3，4相同极性。在片段11，12之间不布置第三电极层5。因此在片段之间的区域不有助于多层电容器1的电容。
在片段11，12之间设置释放区域18，19，20。在释放区域18，19，20中片段11，12不或仅以减少的粘附强度相邻。释放区域18，19，20设置在不活跃区15，16，17中并且一块向远延伸进入到相邻活跃区13，14中。此外在片段11，12之间设置连接区域21，22，连接区域布置在释放区域18，19，20中。在连接区域21，22中，片段11，12固定地彼此连接，尤其是一起烧结。尤其是在连接区域21，22中片段11，12的彼此相邻的压电层2直接彼此相连。
通过形成释放区域18，19，20可减小多层电容器1中的机械应力。这种电压在具有电场中的压电膨胀的绝缘层2的情况下，在活跃区13，14和不活跃区15，16，17之间的过渡区域中出现。尤其是在活跃区13，14中电场的结构的情况下机械拉力可在过渡区域中出现。在这个机械应力超过临界极限时，在过渡区域中产生断裂，断裂可在活跃区13，14和不活跃区15，16，17中蔓延，使得尤其是不同极性的电极与断裂相连。在施加高电压的情况下沿着这个断裂可实现电突破，该电突破可导致多层电容器1的损坏。
由于释放区域18，19，20多层电容器1如此划分为单独片段11，12，使得机械应力保持在对于断裂产生临界的电压下。
尤其是片段11，12具有在堆叠方向上充分小的厚度d1，d2，使得机械应力不导致断裂的产生。厚度d1，d2分别位于例如在1.0mm和1.6mm之间，例如1.3mm左右。多层电容器1的总厚度在两个片段的情况下是单独片段11，12的双重厚度，例如总厚度为2.6mm左右。
在另外的实施方式中还可以相叠地布置超过两个片段。在片段之间优选地分别布置释放区域。尤其是释放区域可沿着堆叠方向S位于在不同位置上。
释放区域18，19，20优选地与在活跃区13，14中一样远地延伸进入活跃区13，14中在施加电压时出现不均匀膨胀。在此作为经验规律适合的是，释放区域18，19，20关于不活跃区15，16，17的宽度（也就是不活跃区沿着外接触部之间的连接线的延伸）延伸进入活跃区13，14中。在两个电容9，10划分不活跃区17的情况下，足够的是，释放区域20分别关于不活跃区17的半个宽度延伸进入相邻的活跃区13，14中。
释放区域18，19，20可以作为间隙构造。在释放区域18，19，20中片段11，12可以完全不相连或仅部分地彼此相连。
为了形成释放区域18，19，20包含陶瓷材料并且由其形成绝缘层2的绿膜可以局部地用包含有机材料的膏遮盖。为了压印可以使用丝网印刷方法。膏可以完全由有机材料形成。膏还可以具有有机材料和较少数量的陶瓷。例如涂抹具有从0.5到10μm优选地在1和3μm之间的厚度的膏的层。因此在具有接下来的注浆的层压过程的情况下在绿膜中包含的陶瓷材料不紧密地在彼此上压制。尤其是可以避免，相邻绿膜的陶瓷部分碰到。在解除过程中烧灼陶瓷材料，使得保持陶瓷部分之间的间隙。在接下来的烧结过程中陶瓷部分在此仅不够地或根本不相连。尤其是完全或部分地防止陶瓷部分的共同烧结。因此在烧结的部件中释放区域18，19，20适当地安装在确定的位置中。
图2示出在释放区域18，19，20的平面中并且因此在平行于电极层3，4，5的平面中的截面的图1的多层电容器。
布置在截面平面的第一和第二电极层3，4虚线表征。第一电极层3与第一外侧7相邻并且第二电极层4与第二外侧8相邻。两个电极层3，4与其中不布置外接触部的第三和第四外侧23，24间隔开。因此多层电容器1具有其中在堆叠方向上看不设置电极层的第四和第五不活跃区25，26。在这个不活跃区25，26中布置延伸进入相邻活跃区域中的第四和第五释放区域27，28。第四和第五释放区域27，28因此沿着第三和第四外侧23，24延展。所有释放区域15，16，17，27，28彼此相连。
释放区域15，16，17，27，28还可以看作阴影表示的单个结构化的释放区域29。因此结构化的释放区域29布置在所有不活跃区15，16，17，25，26中。连接区域21，22形成结构化的释放区域29中的两个留空。结构化的释放区域29与垂直于电极层3，4延展的所有外侧7，8，23，24相邻。尤其是结构化的释放区域29在释放区域29的平面中完全遮盖基体6的所有与外侧7，8，23，24相邻的区域。因此不设置与外侧7，8，23，24之一相邻的连接区域21，22。连接区域21，22完全由结构化的释放区域29包围。
图3以韦伯分布示出在根据图1的多层电容器1的情况下的突破电压。尤其是描绘相对以伏特为单位的施加的电压U的以%为单位的失灵率F。对于韦伯分布选择95%的置信区间。
在具有小释放区域18，19，20，27，28的多层电容器的情况下，特征的突破电压位于大约750V(未示出)。从分布中可明显认识到，在包括释放区域18，19，20，27，28的多层电容器1情况下特征突破电压为明显更高的值上。
由此多层电容器1尤其是在其中多层电容器1与快速半导体在换流器中互相配合的使用范围中具有对于负载或还有故障有关的超电压的必要的健壮性。用于操作或者中间回路电压的半导体的耐压强度位于400V左右通常在600到650伏特上。在此这在过载或者故障的情况下一般关闭，使得电容器上的电压升高。在不利的情况下这可以是例如高达750伏特，使得位于明显更高值的电容器的突破电压是有利的。
附图标记列表
1 多层电容器
2 绝缘层
3 第一电极层
4 第二电极层
5 第三电极层
6 基体
7 第一外侧
8 第二外侧
9 第一电容
10     第二电容
11     第一片段
12     第二片段
13     第一活跃区
14     第二活跃区
15     第一不活跃区
16     第二不活跃区
17     第三不活跃区
18     第一释放区域
19     第二释放区域
20     第三释放区域
21     第一连接区域
22     第二连接区域
23     第三外侧
24     第四外侧
25     第四不活跃区
26     第五不活跃区
27     第四释放区域
28     第五释放区域
29     结构化的释放区域
d1     第一片段的厚度
d2     第二片段的厚度
S 堆叠方向
F 失灵率
U  电压

Claims (14)

1. 多层电容器，
包括绝缘层(2)和在所述绝缘层之间布置的电极层(3，4，5)，其中所述多层电容器(1)具有多个彼此相连的片段(11，12)，其中在所述片段(11，12)之间设置至少一个释放区域(18，19，20，27，28，29)。
2. 如权利要求1所述的多层电容器
包括至少一个第一和第二电极层(3，4)和用于接触所述第一和第二电极层(3，4)的外接触部，其中所述多层电容器具有至少一个不由外接触部接触的第三电极层(5)。
3. 如权利要求2所述的多层电容器
其中所述第三电极层(5)与第一和第二电极层(3，4)重叠。
4. 如权利要求2或3所述的多层电容器，
其中至少一个释放区域(18，19，20，27，28，29)至少部分在第三电极层(5)既不与第一电极层（3）也不与第二电极层(4)重叠的区域中布置。
5. 如权利要求1到4中任一项所述的多层电容器，
其中所述释放区域(18，19，20，27，28，29)至少部分延伸进入其中不同种类的电极层(3，4，5)重叠的区域中。
6. 如权利要求1到5中任一项所述的多层电容器，
其中至少三个释放区域(18，19，20，27，28)设置在两个片段(11，12)之间。
7. 如权利要求1到6中任一项所述的多层电容器，
包括用于接触电极层(3，4)的至少一个的外接触部，其中至少一个释放区域(20)不与外接触部相邻。
8. 如权利要求1到7中任一项所述的多层部件，其中所述释放区域(29)在平行于电极层(3，4，5)的平面中至少在所有与外侧(7，8，23，24)相邻的区域中布置。
9. 如权利要求1到8中任一项所述的多层电容器，其设计成整体的。
10. 如权利要求1到9中任一项所述的多层电容器，其中所述释放区域(18，19，20)设计成片段(11，12)之间的间隙。
11. 如权利要求1到10中任一项所述的多层电容器，
其中所述绝缘层(2)具有反铁电材料。
12. 如权利要求11所述的多层电容器，
其中所述绝缘层(2)具有铅-镧-锆石-钛酸盐。
13. 一种制造如权利要求1到12中任一项所述的多层电容器的方法，包括步骤：
A)提供绿膜用于形成绝缘层(2)，
B)施加包括有机材料的膏到绿膜的至少一个上，
C)将绿膜布置成堆叠，
D)烧结堆叠。
14. 如权利要求13所述的方法，
其中所述膏如此形成，使得在在步骤B)中涂抹膏的位置上，完全或部分地避免绝缘层(2)的共同烧结。
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