DE10132798C1

DE10132798C1 - Keramikmaterial, keramisches Vielschichtbauelement und Verfahren zur Herstellung des Bauelements

Info

Publication number: DE10132798C1
Application number: DE2001132798
Authority: DE
Inventors: Christl Mead; Guenther Pfeiler
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2003-01-16
Anticipated expiration: 2021-07-07
Also published as: TW559841B; WO2003004436A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Keramikmaterial auf der Basis von BaTi¶4¶O¶9¶, das zusätzlich noh 0,1-0,5 Gewichtsprozent Mn¶2¶O¶3¶ und Nd¶2¶O¶3¶ enthält. Ferner betrifft die Erfindung ein keramisches Vielschicht-Bauelement mit dem erfindungsgemäßen Keramikmaterial sowie ein Verfahren zur Herstellung des Vielschicht-Bauelements. Durch die Zugabe von Mn¶2¶O¶3¶ zum Bariumtitanat kann erreicht werden, daß das Keramikmaterial eine kleine Dielektrizitätskonstante aufweist, was die Herstellung von Vielschicht-Kondensatoren mit kleinen Kapazitäten erleichtert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Keramikmaterial, das Bariumtitanat enthält. Ferner betrifft die Erfindung ein keramisches Vielschichtbauelement mit dem Keramikmaterial. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements.

Es sind Keramikmaterialien bekannt, die zur Herstellung von Vielschichtkondensatoren geeignet sind und die eine Dielektrizitätskonstante ε von etwa 50 oder mehr aufweisen. Diese Keramikmaterialien haben den Nachteil, daß die Herstellung von Vielschicht-Kondensatoren mit sehr kleinen Kapazitätswerten aufgrund der relativ großen Dielektrizitätskonstante erschwert ist.

Aus der Quelle JP 2000 313 660 A ist ein Keramikmaterial auf der Basis von BaTi₄O₉ mit ε ≅ 60 bekannt, das zusätzlich einen Anteil von Nd₂O₃ enthält. Dieses Material läßt sich bei einer niedrigen Sintertemperatur von 950°C bis 1000°C sintern. DE 691 13 214 T2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Materials mit Bariumtitanat als Hauptkomponente uns einem Sinterhilfsstoff unter Verwedung eines eines Wismutglases bei niedrigeren Temperaturen als 1150°C.

Aus der Druckschrift Mhaisalkar, S. G.; Readey, D. W.; Akbar, S. A.; Microwave Dielectric Properties of Doped BaTi₄O₉. J. Am. Ceram. Soc. 74[8] (1991) 1894-1898 sind darüber hinaus Keramikmaterialien bekannt, die eine niedrige Dielektrizitätskonstante ε = 35 aufweisen und die neben BaTi₄O₉ noch MnO₂ beziehungsweise BaCO₃ enthalten. Diese Keramikmaterialien haben den Nachteil, daß sie bei relativ hohen Sintertemperaturen größer als 1200°C gesintert werden müssen und daher den Einsatz von Innenelektroden mit einem hohen Silberanteil aufgrund des Schmelzpunkts von reinem Silber von 1083°C nicht erlauben. Daher entstehen beim Herstellen von Vielschicht-Kondensatoren mit diesen bekannten Keramikmaterialien hohe Materialkosten für die Innenelektroden, die üblicherweise eine Mischung aus Silber und Platin darstellen, wobei das Mischungsverhältnis Ag/Pd 50/50 beträgt. Platin ist jedoch teuer in der Beschaffung, wodurch hohe Kosten entstehen.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Keramikma terial anzugeben, das eine relativ niedrige Dielektrizitäts konstante aufweist.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch ein Keramikmaterial nach Patentanspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, ein keramisches Vielschichtbauelement mit dem erfindungsgemäßen Keramikmaterial und ein Verfahren zur Her stellung des Bauelements sind den weiteren Patentansprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung gibt ein Keramikmaterial an, das Bariumtitanat (BaTi₄O₉) und zusätzlich 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent Mn₂O₃ enthält.

Durch die Zugabe von Mn₂O₃ erhält das auf Bariumtitanat ba sierende Keramikmaterial eine niedrige Dielektrizitätskon stante, die zwischen 35 und 38 liegt. Dadurch wird es er leichtert, bei der Herstellung eines Vielschicht-Kondensators kleine Kapazitätswerte einzustellen, ohne eine sehr genaue Maßhaltigkeit der verwendeten Schichten, sowohl bezüglich de ren Dicke (wirksam als Dielektrikum) als auch deren Fläche (bestimmt die wirksame Kondensatorplattenfläche) einhalten zu müssen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält das Keramikmaterial zusätzlich einen Anteil von Nd₂O₃, der 0,2 Gewichtsprozent nicht überschreitet.

Durch die Zugabe von Nd₂O₃ wird der Vorteil erzielt, daß das erfindungsgemäße Keramikmaterial die sogenannte "COG- Charakteristik" aufweist.

Dementsprechend gibt die Erfindung auch ein keramisches Viel schicht-Bauelement an, das einen Schichtstapel aus abwech selnd übereinander liegenden Elektrodenschichten und Dielek trikumschichten aufweist und bei dem die Dielektrikumschichten das erfindungsgemäße Keramikmaterial enthalten. Ein sol ches keramisches Vielschicht-Bauelement kann beispielsweise ein Vielschicht-Kondensator sein, wobei die Dielektrikum schichten das Dielektrikum bilden. Die Elektrodenschichten entsprechen den Kondensatorplatten. Durch eine geeignete An ordnung von Außenelektroden, die mit den Elektrodenschichten kontaktiert sind, kann die Parallelschaltung vieler Einzel kondensatoren realisiert werden.

Es ist darüber hinaus vorteilhaft, wenn das Keramikmaterial einen Anteil von 0,2 bis 1,5 Gewichtsprozent von Ag₂O ent hält. Durch die dadurch erzielt Dotierung des Keramikmateri als mit Silber kann das Eindiffundieren von Silber aus den Elektrodenschichten des erfindungsgemäßen Vielschicht- Bauelements verringert werden. Dadurch wird die Verwendung von Silber als Material für die Elektrodenschichten eines er findungsgemäßen keramischen Vielschicht-Bauelements ermög licht. Ohne die durch die Zugabe von Ag₂O erzielte Dotierung des erfindungsgemäßen Keramikmaterials würde das in den Elek trodenschichten vorhandene Silber verstärkt in die Keramik diffundieren, was zu einer Instabilität der Elektrodenschich ten führen würde.

Die verminderte Diffusion von Elektrodenmetall erlaubt die Herstellung von Kondensatoren, bei denen bei einer Dielektri kumschichtdicke zwischen 5 und 60 µm eine Elektrodenschicht dicke von maximal 1,5 µm ausreicht, um auch nach dem Sintern eine homogene, durchgehende Elektrodenschicht zu behalten.

Diese dünnen Elektrodenschichten haben den Vorteil, daß neben einem verringerten Verbrauch an Metallmaterial, der insbeson dere bei Verwendung von Edelmetallen wie Silber oder Palladi um eine Rolle spielt, eine reduzierte Delamination aufgrund eines verringerten Unterschieds im Schwindungsverhalten von Elektroden- und Dielektrikumschicht beobachtet wird. Zudem hat eine Elektrodenschicht geringer Dicke den Vorteil einer höheren Ausnutzung des Volumens bei gleichbleibender Kapazi tät des Kondensators.

Desweiteren ist es vorteilhaft, wenn das Keramikmaterial 1 bis 10 Gewichtsprozent von Bi₄Ti₃O₁₂ enthält. Das Wismuthti tanat hat dabei die Funktion eines Sinterhilfsmittels. Aus der Zugabe eines Sinterhilfsmittels zum Keramikmaterial re sultiert der Vorteil, daß die Sintertemperatur, bei der das Keramikmaterial zu sintern ist, auf eine Temperatur zwischen 1000 und 1200°C abgesenkt werden kann, was wiederum einen ho hen Silberanteil in den Elektrodenschichten erlaubt.

Dementsprechend ist auch ein Vielschicht-Bauelement besonders vorteilhaft, bei dem die Elektrodenschichten eine Mischung aus Silber und Palladium im Gewichtsverhältnis Ag/Pb = 80/20 enthält. Dieser relativ hohe Silberanteil in der Elektroden schicht wird ermöglicht durch die Dotierung des Keramikmate rials durch Ag₂O sowie durch die Herabsetzung der Sintertem peratur mittels des Sinterhilfsmittels. Ohne eine Herabset zung der Sintertemperatur müßte der Palladiumanteil höher liegen, da Palladium bei einer höheren Temperatur schmilzt als Silber. Ein höherer Palladiumanteil verursacht aber auch höhere Kosten für die Herstellung eines Bauelements.

Ein Verfahren zur Herstellung des Keramikmaterials kann zum Beispiel folgende Schritte aufweisen:

a) Herstellen einer Mischung von geeignete Ausgangsstoffen.
b) Umsetzen der Mischung bei einer Temperatur zwischen 1000 und 1150°C für eine Dauer von 1-5 Stunden.
c) Mahlen der umgesetzten Mischung.

Folgende zusätzliche Schritte sind möglich:

a) Herstellen eines Schlickers aus der umgesetzten Mischung
b) Zugabe von Ba₄Ti₃O₁₂ und AgO₂ zum Schlicker.

Darüber hinaus gibt die Erfindung ein Verfahren zur Herstel lung eines keramischen Vielschicht-Bauelements an, wobei ein Stapel von übereinander liegenden keramischen Grünfolien ent haltend BaTi₄O₉ mit einem Anteil von 1 bis 10 Gew.-% Bi₄Ti₃O₁₂ und Elektrodenschichten gesintert wird und wobei die Sinterung bei einer Temperatur von 1000 und 1150°C er folgt.

Dieses erfindungsgemäße Verfahren wird ermöglicht durch die Zugabe des Sinterhilfsmittels. Es hat den Vorteil, daß die Sintertemperatur so niedrig gehalten werden kann, daß Elek trodenschichten verwendet werden können, die neben Palladium auch einen beträchtlichen Silberanteil enthalten. Insbesonde re ist es möglich, Elektrodenschichten zu verwenden, die Ag/Pd-Verhältnis zwischen 70/30 und 80/20 aufweisen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei spiels und den dazu gehörigen Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt beispielhaft ein erfindungsgemäßes keramisches Vielschicht-Bauelement im schematischen Querschnitt.

Fig. 2 zeigt das Temperaturverhalten der Kapazität eines er findungsgemäßen Bauelements.

Fig. 1 zeigt einen Kondensator als SMD-fähiges Bauelement mit übereinander liegenden Elektrodenschichten 1, die ein Elektrodenmetall aufweisen und die durch Dielektrikumschich ten 2 aus Keramikmaterial voneinander getrennt sind. Auf den Stirnseiten des Kondensators sind Metallisierungen 3 angeord net, wobei jede Elektrodenschicht 1 mit genau einer dieser Metallisierungen 3 elektrisch verbunden ist. Die Metallisie rung 3 kann beispielsweise ein Schichtstapel aus Silber, Nic kel und Zinn sein, der besonders leicht lötbar ist. Dabei ist die Zinnschicht die äußerste Schicht, die galvanisch auf der Nickelschicht abgeschieden wird.

Das erfindungsgemäße Keramikmaterial ist insbesondere geeig net zur Herstellung von Vielschicht-Kondensatoren mit geome trischen Abmessungen von 0,6 mm in der Länge, 0,8 mm in der Breite und 1,2 ± 0,1 mm in der Höhe und mit einer Kapazität von 0,5-100 pF.

Die Dielektrikumschichten sind dabei hergestellt aus einem Keramikmaterial, das Bariumtitanat und 0,2 Gewichtsprozent Mn₃O₄ enthält.

Es wurde ausgehend von Bariumtitanat ein Vielschichtkondensa tor mit fünf Innenelektroden und dazwischenliegenden Keramik schichten aus einer erfindungsgemäßen Keramikzusammensetzung mit einem Gehalt von 0,2 Gew.-% an Mn₂O₃ und einem Gehalt von 0,1 Gew.-% an Nd₂O₃ hergestellt und verschiedene elektrische Kenndaten gemessen. Die folgende Tabelle zeigt die elektri schen Kenndaten wie Kapazität C, Verlustwinkel tan δ die Die lektrizitätskonstante ∈ und die relative Änderung der Kapazi tät bezogen auf die Kapazität bei 25°C (TKC), einmal bei - 55°C und einmal bei 125°C.

Tabelle

Elektrische Kenndaten eines Kondensators beziehungs weise der erfindungsgemäßen Keramik

Die Tabelle zeigt, daß das erfindungsgemäße Keramikmaterial eine Dielektrizitätskonstante von 38,6 aufweist.

Fig. 2 zeigt die relative Änderung der Kapazität des Konden sators aus der Tabelle in Abhängigkeit von der Temperatur. Der Kondensator erfüllt die Vorgaben gemäß der C0G- Charakteristik.

Claims

1. Keramikmaterial auf der Basis von BaTi₄O₉, das zusätz lich 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent Mn₂O₃ und bis zu 0,2 Ge wichtsprozent Nd₂O₃ enthält.

2. Keramikmaterial nach Anspruch 1, das zusätzlich bis zu 2 Gewichtsprozent Ag₂O enthält.

3. Keramikmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das zusätzlich als Sinterhilfsmittel zwischen 1 und 10 Gewichts prozent Bi₄Ti₃O₁₂ enthält.

4. Keramisches Vielschicht-Bauelement mit einem Schichtsta pel aus abwechselnd übereinander liegenden Elektrodenschich ten (1) und Dielektrikumschichten (2), bei dem die Dielektri kumschichten (2) ein Keramikmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3 enthalten.

5. Bauelement nach Anspruch 4, bei dem die Elektroden schichten (1) eine Mischung aus Silber und Palladium im Ge wichtsverhältnis Ag/Pd zwischen 70/30 und 80/20 enthalten.

6. Bauelement nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei dem die Elektrodenschichten mit einer Metallisierung (3) an der Außenseite des Schichtstapels kontaktiert sind, bei dem be nachbarte Elektrodenschichten (1) mit verschiedenen Metalli sierungen (3) kontaktiert sind und bei dem die zwi schen den Metallisierungen (3) gemessene Kapazität 100 pF nicht überschreitet.

7. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Vielschicht- Bauelements, wobei ein Stapel aus übereinander liegenden ke ramischen Grünfolien, die BaTi₄O₉ und 1 bis 10 Gewichtspro zent Bi₄Ti₃O₁₂ als Sinterhilfsmittel enthalten, und zwischen deren Elektrodenschichten (1) angeordnet sind, gesintert wird und wobei die Sinterung bei einer Temperatur zwischen 1000 und 1150°C erfolgt.