DD281329A7

DD281329A7 - Belaganordnung fuer keramische kondensatoren

Info

Publication number: DD281329A7
Application number: DD30145487A
Authority: DD
Inventors: Hartmut Uhlemann; Klaus Hielscher; Sigrid Clauss
Original assignee: Gera Elektronik Veb
Priority date: 1987-04-03
Filing date: 1987-04-03
Publication date: 1990-08-08

Abstract

Die Erfindung betrifft Anordnungen mehrschichtiger, edelmetallfreier Belaege fuer Elektroden und Anschluesse keramischer Kondensatoren, vorzugsweise mit veraenderbarer Kapazitaet, die bis in den UHF-Bereich einsetzbar sind. Erfindungsgemaesz sind mindestens 4schichtige Anordnungen aus mindestens zwei verschiedenen Metallen oder deren Legierungen geeignet, auch im UHF-Bereich gut leitfaehige Belaege, deren hohe Haftfestigkeit auf dem Dielektrikum, deren gute Loetbarkeit bei der Kondensatorenherstellung, hohe Spannungs- und Klimafestigkeit und hohe Zuverlaessigkeit der Kondensatoren sowie ausreichende Abriebfestigkeit dieser Belaege in Trimmerkondensatoren zu gewaehren, wenn die aus bekannten Materialien bestehenden 2-Schichtanordnungen durch mindestens eine korrosionsbestaendige und abriebfeste Schicht, die Zwischenschicht, und mindestens eine Schicht aus gut loetbarem Material ergaenzt werden.{Keramikkondensatoren, veraenderbare und feste; Belaege, edelmetallfrei; UHF-tauglich}

Description

Hierzu 1 Seite Tabelle

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektrischen Kondensatoren und betrifft die Anordnung mehrschichtiger Beläge aus unedlen Metallen oder deren Legierungen als Elektroden und Anschlüsse für Keramikkondensatoren, vorzugsweise solche mit veränderbarer Kapazität, die zum Einsatz bis in den UHF-Bereich geeignet sind.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Elektrodenbeläge bei Keramikkondensatoren, die oft gleichzeitig zur Anbringung von Anschlußelementen wie Drähten oder anderen durch Weichlöten geeignet sein sollen, müssen folgenden allgemeinen Anforderungen genügen:

• Hohe elektrische Leitfähigkeit, so daß ihr Flächenwiderstand die Erfüllung der Bauelementedaten hinsichtlich der dielektrischen Verluste bei Standardmeßbedingungen und den speziellen Einsatzfrequenzen zuläßt.

• Hohe Haftfestigkeit auf dem Dielektrikum, um den thermischen und mechanischen Belastungen beim Einbau in die Schaltung als anschlußlose Bauelemente oder bei der Komplettierung zu armierten Bauelementen zu widerstehen.

• Gute Lötbarkeit mit den in der Gerätetechnik üblichen Blei-Zinn-Löien ohne die Verwendung aggressiver Flußmittel, zumindest bei anschlußlosen Kondensatoren.

• Hohe Oxidations- bzw. Korrosionsbeständigkeit, so daß sie insbesondere langeinwirkenden erhöhten Temperaturen und feuchtem Klima bei Beibehaltung aller o.g. Eigenschaften widerstehen.

Hinzu kommt bei Kondensatoren, bei denen Teile des keramischen Dielektrikums zwecks Kapazitätseinstellung auf aer Belagfläche gleiten, wie z. B. bei Scheibentrimmern, eine hohe Abriebfestigkeit des Belages, Darüber hinaus wird für alle Anwendungen angestrebt, daß sich die Belaganordnungen aus möglichst billigem, d.h.

edelmetallfreiem Material, und mit bekannten Verfahren herstellen lassen.

Von den bekannten Lösungen sind folgende nachteilige Eigenschaften bekannt:

• Alle Beläge auf der Basis von Silber oder anderen Edelmetallen sind zu teuer.

• Die kostengünstigeren Belaganordnungen auf der Basis unedler Metallschichten, zumeist aus einer Kombination einer Haftschicht aus CrNi, FeNiCr oder anderer Legierungen mit Schichtdicken zwischen 20 und 200nm und einer Lötschicht, der eigentlichen Elektrodenschicht, aus Cu, CuNi mit hohem Cu-Anteil oder anderen gut lötbaren unedlen Metallen oder deren Legierungen mit Schichtdicken zwischen 50 und 2 000 nm sind nicht oxidationsbeständig (DD-PS 132 090, DD-PS219 325) bzw. ihre Oxidationsbeständigkeit wird nur durch eine sie überdeckende zusätzliche 3. Belagschicht aus einem Lot erzielt, die gleichzeitig die hohe elektrische Leitfähigkeit, wie sie bei Kondensatoren der Klasse 1 nach IEC erforderlich ist, gewährleistet (DD-PS 155 710). Ohne oder auch mit zusätzlicher Lötschicht sind die genannten Lösungen wegen ihrer mangelhaften Abriebfestigkeit bzw. der auftretenden „Verschmierung" der Belagkontureii für Trimmer ungeeignet.

• Die Lösung nach DD-PS 223 286, die entsprechend ihrer Anwendung bei Trimmern als Elektrodenschicht eine abriebfestere CuNi-Schicht größerer Dicke mit einem höheren Ni-Anteil (30-60%) angibt, weist bei höheren Frequenzen, wie bei ihrem Einsatz im UHF-Bereich, nicht hinnehmbar hohe Verlustfaktoren auf.

Der gleiche Nachteil verbietet auch einen universelleren Einsatz für keramische Festkondensatoren der Klasse 1 allgemein sowie die erforderlichen etwas aggressiven Flußmittel darüber hinaus ihre Nutzung bei anschlußlosen Kondensatoren im allgemeinen ausschließt.

Ein weiterer Nachteil dieser Lösung, bei Jer für das Aufbringen der Belaganordnung außer der chemischen Abscheidung wie bei allen genannten edelmetallfreien Belaganordnungen vor allem das Verfahren der Hochratezerstäubung {.Sputtering") genutzt wird, ist die relativ geringe anwendbare Sputterrate beim Aufbringen der CuNi-Schxht aufgrund ihrer niedrigen Wärmeleitfähigkeit.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine kostengünstige edelmetallfreie Belaganordnung für Elektroden und Anschlüsse von Keramikkondensatoren, vorzugsweise von solchen mit veränderbarer Kapazität zu finden, die einen Einsatz bei hohen Frequenzen ohne zusätzliche Lötschicht zuläßt und die einer· universellen Einsatz mit bekannten, höchstens zu modifizierenden, großtechnisch anwendbaren Verfahren gestattet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine edelmetallfreie Belaganordnung für Keramikkondensatoren, vorzugsweise solche mit veränderbarer Kapazität, mit einer für den Einsatz bei höheren Frequenzen ausreichend guten elektrischen Leitfähigkeit, mit hoher Haftfestigkeit auf dem keramischen Dielektrikum, mit guter Lötbarkeit ohne Verwendung aggressiver Flußmittel, mit hoher Oxidationsbeständigkeit und vorteilhaften Langzeiteigenschaften und mit hoher Abriebfestigkeit zu finden, für deren Aufbringung auf das Dielektrikum bekannte, höchstens zu modifizierende Verfahren und Ausrüstungen verwendbar sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine mehrschichtige, zumindest 4-schichtige Belaganordnung aus mindestens zwei verschiedenen unedlen Metallen oder Legierungen daraus gelöst, wobei die Oberflächen der aneinanderstoßenden Schichten frei ν er. '.'„. „. .,cir'aungen, insbesondere von Sauerstofffremdatomen sind und die Schichten auf dem Dielektrikum wie folgt angeordnet sind:

Unmittelbar auf dem von Verunreinigungen jeglicher Art freiem Dielektrikum ist eine Haftschicht irr> üblichen Dickenbereich zwischen 20 und 60nm aus FeNiCr, CrNi, Cr, Ti, Al angeordnet.

Darauf befindet sich eine Schicht aus Cu oder einem anderen elektrisch gut leitenden, unedlen Metall oder entsprechenden Legierungen, die Leitschicht, deren Dicken bekannterweise von der Anwendung der Belaganordnung in einem Kondensator veränderbarer oder fester Kapazität, in einem Kondensator der Klasse 1 oder 2 nach IEC, von der maximalen En'' jrnung von Teilen der Elektrodenfläche zur Anschlußzuführung und bei Scheibentrimmern zusätzlich von der Oberflächenrauhigkeit abhängt.

Ihr folgt eine Zwischenschicht mit einer Dicke von etwa 50 bis 200 nm aus einem korrosionsbeständigen und abriebfesten unedlen Metall oder einer Legierung daraus, welches bzw. welche einen relativ hohen spezifischen Widerstand aufweisen kann, wie z. B. Ti, Cr, CrNi, FeNiCr und somit das bereits für die Haftschicht verwendete Material sein kann.

Die letzte, äußerste Schicht der Belaganordnung mit einer Dicke von mindestens 100nm besteht wieder aus Kupfer oder einem anderen gut lötbaren unedlen Metall oder aus Legierungen, die eine gute Lötbarkeit aufweisen.

Bei dieser Belaganordnung sorgen die beiden ersten Schichten auf bekannte Weise für die Haftfestigkeit auf dem keramischen Dielektrikum und die entsprechende Leitfähigkeit. Die Zwischenschicht gewährt eine auch für die Anwendung in Trimmerkondensatoren ausreichende Abriebfestigkeit, die Oxidationsfestigkeit der unteren 3 Schichten selbst bei partiellem Abtrag der äußersten Schicht, wie das z. B. bei Scheibentrimmern im Verlaufe vieler Einstellbetä gungen geschieht, und damit die Aufrechterhaltung der guten Eigenschaften der Belaganordnung außer der Löibarkeit über I jnge Zeit. Darüber hinaus verhindert sie das Ablegieren der darunter befindlichen Leitschicht bei Nutzung dieser Belaganr rdnung für anschlußlose, direkt einlötbare Kondensatoren, das sonst aufgrund der Löslichkeit des Kupfers in den üblichen Blei-Zinn-Loten auftritt.

Die gute Lötbarkeit, die im Herstellungsprozeß für das Anbringen der Anschlüsse bei Trimmerkondensatoren und Festkondensatoren benötigt wird, liefert die äußerste Schicht, hierin als Lötschicht bezeichnet. Um sie für anschlußlose Kondensatoren, wie z.B. Trapezkondensatoren bis zum Einbau i'i die Schaltung zu erhalten, ia? eine sehr dünne, mit verschiedenen bekannten Verfahren aufgebrachte Lötschicht ooer auch eine lötbare Lackbedeckung ausreichend.

Als besonders vorteilhaft für die Herstellung solcher Belaganordnungen hat sich das Hochratezerstäubungsverfahren („Sputtering") erwiesen, wenn beim Beschichtungsprozeß dünner keramischer Teile darauf geachtet wird, daß beim Aufbringen, insbesondere von dicken Leitschichten über 500nm, wie sie der spezielle Anwendungsfall erfordern kann, in Vakuumfolge in mehreren (mindestens 2) ßeschichtungsfolgen mit dazwischenliegenden Kühlintervallen gearbeitet wird und daß auch vor dem Aufbringen der erfindungsr.emäßen Zwischenschicht in Vakuumfolge für eine ausreichende Zwischenkühlung gesorgt wird, so daß die Temperaturen auf den Schichtoberflächen 200⁰C nicht übersteigen.

Ausführungsbeispiele

Die folgenden Ausführungsbeispiele stellen 3 verschiedene zweckmäßige Realisierungen der erfindungsgemäßen Lösung vor:

lfd. Nr.	Anwendung	Haftschicht	Leitschicht	Zwischenschicht	Lotschicht
1	Trimmerkondensator
	10 mm Durchmesser,	50 nm
	Stator	FeNiCr"	1500nmCu	100 nm FeNiCr"	200nmCu
2	Trimmerkondensator
	10 mm Durchmesser	50 nm
	Rotor	FeNiCr"	750nmCu	100 nm FeNiCr"	lOOnmCu
3	Trapezkondensator²¹	50 nm
		FeNiCr"	750nmCu	100 nm FeNiCr"	lOOnmCu

¹ X 8 CrNiTi 18 10 nach TGL 10022.

¹ zusätzliche Schutzschicht zur Konservierung der Löteigenschaften.

Das angegebene Schichtsystem der Belaganordnung wurde in allen 3 Anwendungsfällen durch Hochratezerstäviben in Vakuumfolge strukturiert auf die keramischen Teile aufgebracht. Genutzt wurde eine handelsübliche Durchlauf-Hochratezerstäubungsanlage mit geeigneten Masken für die Positionierung der strukturierten Beläge. Im Falle des Trimmerstators wurde die Leitschicht in 2 Beschichtungsintervallen mit einer Rate von 250nm/min und entsprechenden Kühlintervallen bei einem Restgasdruck von 10"³Pa herstellt. Diezum Trimmer gehörenden Rcisre wurden unter sonst gleichen Bedingungen in 2 halb so langen Beschichtungsintervallen für die Leitschicht und bei halber Beschichtungsdauer für die Lötschicht metallisiert.

Die Beschichtung derTrapezkondensatoron erfolgte unter gleichen Bedingungen wie die der Rotoren. Zur Aufrechterhaltung der Lctbarkeit wurden die Kondensatoren durch Tauchen in einer alkoholischen Kolophoniumlösung „kolophoniert". Die in den Ausführungsbeispielen gewählte Belaganordnung ist deshalb besonders vorteilhaft, weil sie mit nur 2 verschiedenen Materialion auskommt. Für Haftschicht und Zwischenschicht wurde X 8 CrNiTi 18.10 nach TGL10022 verwendet, und sowohl die Leitschicht als auch die Lötschicht besteht aus Cu. Dadurch ist es möglich, mit einer Hochratezerstäubungsanlage mit nur

2 Beschichtungsstationen auszukommen, indem die zu beschichteten Teile nach dem Aufbringen der Leitschicht zum Aufbringen der Zwischenschicht nochmals in die erste Beschichtungsstation zurückgeführt werden.

Die im Ausführungsheispiel angegebsne Belaganordnung für Trapezkondensatoren ist für alle anschlußlosen, d.h. direkt einlötbaren, Keramikkondensatoren geeignet. Die angegebene Belaganordnung für Rotore von Trimmerkondensatoren ist geeignet für alle Keramikkondensatoren mit Anschlußdrähten, sie sollte jedoch bei Anwendung einer Flächenbelotung auf der Belaganordnung durch eine wesentlich dünnere Leitschicht optimiert werden. Bei Kondensatoren dieser Art mit keramischen Dielektrikum der Klasse 2 nach IEC, die wegen der geringeren Temperaturwechselbeständigkeit der Keramik bekanntermaßen nur punktuelle oder linienförmige Lötstellen zwischen Belag und Anschlußdraht aufweisen, kann die Leitschicht ganz entfallen. Mit solchen Balaganordnungen auf Rotoren und Statoren hergestellte Trimmerkondensatoren mit Nenndurchmesser 10mm erfüllten alle Forderungen der Standards TGL 200-8493 und TGL 31281 wie Trimmer mit Befaganordnungen aus Silber, einschließlich der Einstellbeständigkeit. Darüber hinaus waren die Prüfergebnisse bez. Dauerspannungsfestigkeit, Feuchtebelastung und Zuverlässigkeit von Trimmern mit erfindungsgemäßen Bolaganordnungen denen von Trimmern mit Silberbelägen überlegen.

Die beiliegende Abbildung, die die Abhängigkeit des Verlustfaktors von der Frequenz bei Scheibentrimmern mit 10 mm Nenndurchmesser darstellt, zeigt die vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen Belaganordnung gegenüber der bisher bekannten edelmetallfreien Lösung nach DD-PS 223 "56 bei Anwendungen im UHF-Bereich. Sie zeigt auch die diesbezügliche Überlegenheit gegenüber der für Keramikfestkondensatoren vorgesehenen Lösung nach DD-PS155 710 und die nur unwesentliche und hinnehmbare Erhöhung der Verlustfaktoren bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung gegenüber Belaganordnungen aus Edelmetallen.

Die mit erfindungsgemäßen Belaganordnungen hergestellten Trapezkondensatoren, deren Oberflächen „kolophoniert" waren, entsprachen den genormten Anforderungen und zeichneten sich darüber hinaus durch den dargestellten ßünstigen Frequenzgang des Verlustfaktors gegenüber anderen edelmetallfreien, nicht zusätzlich beloteten Ausführungen aus. Kostenseitig ist die wesentliche Einsparung an Leitschichtmaterial bei Anvendung der erfindungsgemäßen Lösung und die entsprechende Zeit zum Aufbringen der entsprechenden Schichtdicken von z. B. 6000 nm Cu zu erwähnen.

Claims

1. Mehrschichtige Belaganordnung für keramische Kondensatoren aus unedlen Metallen und/oder deren Legierungen auf der Basis einer Haftschicht aus FeNiCr oder CrNi oder Ti oder Al und einer Leitschicht aus Cu oder einem anderen elektrisch gut leitenden, unedlen Metall oder entsprechenden Legierungen, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus mindestens 4 Schichten aus mindestens zwei verschiedenen Metallen oder deren Legierungen besteht, wobei sich auf der

.chicht mindestens eine Schicht, hierin als Zwischenschicht bezeichnet, aus einem ki.,, jionsbeständigen und abriebfesten unedlen Metall oder entsprechenden Legierungen daraus bef^: det und auf dieser mindestens eine Schicht, die Lötschicht, aus Kupfer oder einem anderen gut tötbaren unedlen Metall oder aus Legierungen, die eine gute Lötbarkeit aufweisen.

2. Beiaganordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschichten wahlweise aus Ti.. Cr, CrNi, FeNiCr oder Kombinationen daraus bestehen können und etwa 50 bis 200 nm dick sind und daß die Lötschichten mindestens 100nm dick sind.

3. Belaganordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschichten bis auf Al aus dem gleichen Material wie die Haftschicht und die Lötschichten aus dem gleichen Material wie die Leitschicht bestehen können.