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STAND DER TECHNIK
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Keramikkondensator gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1, der erste und zweite Schichten von Elektroden abwechselnd und jeweils durch Schichten von Dielektrikum elektrisch von einander isoliert angeordnet aufweist, und wobei die Elektroden jeweils mit ersten und zweiten Elektrodenkontaktierungen, welche Anschlusselemente und/oder Anschlusselemente bildende Abschnitte aufweisen, elektrisch leitend verbunden sind.
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Derartige Keramikkondensatoren sind derzeit sowohl als oberflächenmontierbare (SMD = Surface Mounted Device) als auch als bedrahtete Bauteile in vielen unterschiedlichen Ausführungen für diverse Verwendungsbereiche erhältlich.
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In bestimmten Kapazitätsbereichen werden in bestimmten Anwendungen sowohl Keramikkondensatoren als auch Elektrolytkondensatoren eingesetzt. Je nach der Anwendung werden Elektrolytkondensatoren auf Grund ihrer elektrischen Eigenschaften als so genannte Siebkondensatoren bevorzugt. So ist dieses Kriterium in einem Anwendungsfall, zum Beispiel bei üblichen Schaltreglerapplikationen, der Ersatzserienwiderstand (ESR = Equivalent Series Resistance), welcher von der Kapazität, der Frequenz und von Widerstandseigenschaften der Leitwege und -materialien eines Kondensators in seinem Inneren abhängt. Bei diesen Schaltreglerapplikationen wird ein Ersatzserienwiderstand von einigen hundert Milliohm benötigt, den die Elektrolytkondensatoren bauartbedingt aufweisen, die Keramikkondensatoren mit einem Ersatzserienwiderstand von nur einigen Milliohm jedoch nicht. Bei einer Verwendung von derartigen Keramikkondensatoren mit einem um einen Faktor von ungefähr 100 geringeren Ersatzserienwiderstand kann ein solcher Schaltregler instabil werden und schwingen.
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Als Elektrolytkondensatoren werden solche mit Werkstoffen wie zum Beispiel Tantal, Niob, Aluminium verwendet. Hierbei ist beispielsweise Tantal ein sehr seltenes Metall, für welches eine Liefersicherheit nicht immer gegeben ist. Ebenfalls schwanken die Preise in Abhängigkeit von der Nachfrage für dieses Metall stark. Deshalb wird zunehmend versucht, sämtliche Tantalkondensatoren durch Keramikkondensatoren zu ersetzen.
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Da Keramikkondensatoren mit vergleichbarer Kapazität einen wesentlich geringeren Ersatzserienwiderstandswert mit wenigen Milliohm aufweisen, muss bei Ersatz der Elektrolytkondensatoren durch die Keramikkondensatoren diesen ein externer Widerstand vorgeschaltet werden, um den Ersatzserienwiderstand künstlich anzuheben. Dieser externe Widerstand benötigt Platz, stellt eine zusätzliche Fehlerquelle durch Bauteilausfall dar, erhöht die Anzahl der Bauteile und die Kosten der Applikation.
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Die Druckschrift US 2004/ 0 042 155 A1 offenbart einen keramischer Vielschichtkondensator, mit geringen Induktivitäten sowie einem kontrollierten, äquivalenten Reihenwiderstand (ESR). Die Terminierungen des keramischen Vielschichtkondensators weisen mehrere Schichten auf, unter denen eine resistive Schicht ausgebildet sein kann, insbesondere um eine erhöhte Impedanzkontrolle des Kondensators zu erreichen. Es wird die Verwendung eines verlustbehafteten dielektrischen Materials zwischen den Elektroden des Kondensators vorgeschlagen, wobei der Widerstand des Elektronstroms im Dielektrium reduziert und dabei der Dissipationsfaktor des Kondensators erhöht wird, welches zu einer erhöhten Impedanz des Kondensators führt.
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Die Druckschrift
US 6124769 A offenbart eine Vorrichtung mit elektronischen Bauelementen, wie Widerständen, Isolatoren sowie Halbleiterbauelementen. Die elektronischen Bauelemente der Vorrichtung weisen eine Dünnschichtstruktur auf, insbesondere eine Oxid-Zwischenschicht zwischen zwei Metallschichten.
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VORTEILE DER ERFINDUNG
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Der erfindungsgemäße elektrische Kondensator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist gegenüber üblichen Ausführungen zur künstlichen Anpassung des Ersatzserienwiderstandes (ESR) den Vorteil auf, dass er einen solchen Aufbau besitzt, mit welchem sein Ersatzserienwiderstand (ESR) im Bereich von einigen hundert Milliohm liegt und er somit diese üblichen Ausführungen für einen Elektrolytkondensator, zum Beispiel einen Tantalkondensator, ersetzen kann.
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Die vorliegende Erfindung offenbart einen Keramikkondensator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Dabei beruht die Erfindung im Wesentlichen darauf, dass in den internen Aufbau des Keramikkondensators mindestens ein Widerstandselement eingebracht wird, welches in einer Reihenschaltung mit den Anschlusselementen und den Elektroden des Kondensators elektrisch verbunden ist.
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Der erfindungsgemäße elektrische Keramikkondensator weist erste und zweite Schichten von Elektroden abwechselnd und jeweils durch Schichten von Dielektrikum elektrisch von einander isoliert angeordnet auf, wobei die Elektroden jeweils mit ersten und zweiten Elektrodenkontaktierungen, welche Anschlusselemente und/oder Anschlusselemente bildende Abschnitte aufweisen, elektrisch leitend verbunden sind. Der Kondensator weist ferner mindestens ein in seinem inneren Aufbau integriertes Widerstandselement auf, welches in einer Reihenschaltung eine elektrische Verbindung des jeweiligen Anschlusselements mit der zugehörigen Elektrodenkontaktierung oder direkt mit den zugehörigen Elektroden bildet.
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Des Weiteren ist das mindestens eine Widerstandselement innerhalb der Elektrodenkontaktierungen angeordnet, wobei das mindestens eine Widerstandselement mit einer ersten bzw. zweiten Kontaktierung, welche jeweils mit einem Anschlusselement elektrisch leitend verbunden ist oder jeweils mit einem Abschnitt ein Anschlusselement bildet, und der dazugehörigen ersten bzw. zweiten Elektrodenkontaktierung elektrisch leitend verbunden ist. Somit wird die Ausbildung des Widerstandselements vorteilhaft in den Fertigungsprozess der Elektrodenkontaktierung mit einbezogen.
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Ferner ist sowohl die erste und zweite Kontaktierung als auch die erste und zweite Elektrodenkontaktierung jeweils mit mindestens einem Anschlusselement versehen. Daraus ergibt sich, dass der Kondensator immer mit Widerstandselementen hergestellt wird und bei Bedarf durch externes Verbinden der Anschlüsse des Widerstandselements dieses überbrückt werden kann. Hierdurch ist eine vorteilhafte Einstellung des Ersatzserienwiderstands möglich. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Einsatzbereich dieses Keramikkondensators dadurch vorteilhaft erweitert wird.
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In bevorzugter Ausführung ist die elektrische Verbindung des mindestens einen Widerstandselements mit dem jeweiligen Anschlusselement und der jeweiligen Elektrodenkontaktierung großflächig ausgebildet. Eine großflächige Kontaktierung bietet den Vorteil einer größeren Strombelastung im Gegensatz zu einem punktförmigen Kontakt.
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Besonders vorteilhaft ist es, dass das mindestens eine Widerstandselement in Form einer Widerstandsschicht innerhalb der Elektrodenkontaktierungen ausgebildet ist. Es sind auch Kombinationen mit weiteren inneren Bauelementen möglich, die ganz oder teilweise als Widerstandsschichten ausgebildet sind. Dieses Widerstandselement kann somit als Widerstandsschicht bei der Herstellung des Kondensators mit hergestellt werden, so dass ein nachträgliches Aufbringen von zum Beispiel zusätzlichen diskreten Widerständen mit unterschiedlichen Kontaktierungsarten nicht erforderlich ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist mindestens eine Elektrodenkontaktierung als Widerstandsschicht ausgebildet. Somit ist eine Einbeziehung der Ausbildung des Widerstandselements in den Herstellungsprozess vorteilhaft einfach.
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In einer weiteren Ausführung sind die ersten und/oder zweiten Elektroden als Widerstandsschichten ausgebildet. Dieses hat den Vorteil, dass hiermit einerseits im Herstellungsprozess des Kondensators dieser einfach mit einem größeren Ersatzserienwiderstand erstellt werden kann. Außerdem kann hiermit als zusätzliche Maßnahme zu den anderen Ausgestaltungen der Ersatzserienwiderstand weiter erhöht werden.
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Somit ergibt sich mit der erfindungsgemäßen Einbauvorrichtung vorteilhaft, dass ein Keramikkondensator mit einem solchen Ersatzserienwiderstand geschaffen wird, der es ermöglicht, den Keramikkondensator an Stelle eines Elektrolytkondensators, insbesondere eines Tantalkondensators, mit gleicher Kapazität zu verwenden. Im Vergleich zum Stand der Technik entfällt vorteilhaft ein zusätzlicher externer Widerstand und die dazugehörige Verdrahtung, was weitere Platzvorteile bietet. Die Zuverlässigkeit der Applikation wird vorteilhaft erhöht, da einerseits das externe Bauteil entfällt und der Keramikkondensator vollständig nach Fertigung mit seinem internen Widerstandselement geprüft wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in den Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigt dabei:
- 1 eine beispielhafte schematische Schnittdarstellung eines elektrischen Kondensators gemäß bekanntem Stand der Technik;
- 2 ein Ersatzschaltbild des Kondensators nach 1 gemäß bekanntem Stand der Technik;
- 3 eine schematische Schnittdarstellung einer beispielhaften Ausführung eines erfindungsgemäßen elektrischen Kondensators; und
- 4 ein Ersatzschaltbild des Kondensators nach 3.
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BESCHREIBUNG DES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Elektrische Keramikkondensatoren werden in vielen unterschiedlichen Bauformen hergestellt. 1 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines elektrischen Kondensators 1 gemäß bekanntem Stand der Technik in einer schematischen Schnittdarstellung.
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Der Kondensator 1 besteht aus ersten Elektroden 2 und zweiten Elektroden 3, welche in dieser Ausführung abwechselnd übereinander angeordnet sind. Sie sind hierbei als Schichten ausgebildet. Es sind nur jeweils drei Schichten dargestellt, wobei in der realen Ausführung wesentlich mehr Schichten vorhanden sind.
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Die Elektroden 2, 3 werden durch ein Dielektrikum 4 voneinander beabstandet und elektrisch isoliert. Das Dielektrikum 4 ist in diesem Beispiel ein Keramiksubstrat, welches ebenfalls hier in Schichten zwischen den Elektroden 2, 3 angeordnet ist.
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Die ersten Elektroden 2 sind elektrisch mit einer ersten Elektrodenkontaktierung 5 und die zweiten Elektroden 3 elektrisch leitend mit einer zweiten Elektrodenkontaktierung 6 verbunden. Die Elektrodenkontaktierungen 5, 6 sind seitlich an dem aus Dielektrikum 4 und Elektroden 2, 3 gebildeten vorzugsweise würfel- oder quaderförmigen Kondensator 1 angebracht.
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Die erste Elektrodenkontaktierung 5 ist mit einem Anschlusselement A und die zweite Elektrodenkontaktierung 6 mit einem Anschlusselement B elektrisch leitend verbunden. Die Anschlusselemente A, B bilden die elektrischen Anschlüsse des Kondensators 1. Bei einer so genannten bedrahteten Ausführung des Kondensators 1 sind die Anschlusselemente A, B als Anschlussdrähte ausgebildet, während sie bei einer Ausführung des Kondensators 1 als einem so genannten SMD-Bauteil (Surface Mounted Device) als Abschnitte der Elektrodenkontaktierungen 5, 6 ausgebildet sind. Die Darstellung der Anschlusselemente A, B in den Figuren ist daher nur schematisch.
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Der Kondensator 1 gemäß bekanntem Stand der Technik wird in der 2 in Gestalt eines elektrischen Ersatzschaltbildes mit entsprechenden Schaltzeichen dargestellt. Der Kondensator 1 ist hier mit dem Schaltzeichen eines Kondensators und dem üblichen Bezugszeichen für eine Kapazität C gezeigt. Die Kapazität des Kondensators 1 ist eine Funktion der Fläche der Elektroden 2, 3, ihres Abstands und des Dielektrikums 4, wobei ihre bekannte Berechnung nicht weiter erläutert wird.
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Das Dielektrikum 4 ist in diesem Ersatzschaltbild in 2 mit einem Widerstand R3 als Isolationswiderstand zwischen den Elektroden 2, 3 angegeben, welcher parallel zur Kondensatorkapazität C liegt. Die links und rechts mit dem Widerstand R3 verbundenen weiteren Widerstände R1, R2, R4 und R5 symbolisieren die elektrischen Widerstände der Leitwege der inneren Verdrahtung des Kondensators 1. So symbolisieren die Widerstände R1 und R5 die Kontaktierungswiderstände der Anschlusselemente A, B inklusive Zuleitungen. Die Widerstände R2 und R4 symbolisieren die Widerstände der Elektrodenkontaktierungen 5, 6 und der Elektroden 2, 3. Weitere Aufteilungen sind möglich, aber nicht dargestellt. Ebenfalls nicht dargestellt sind die induktiven Anteile.
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Der Widerstand R3 ist gegenüber den anderen Widerständen R1, R2, R4, R5 sehr groß und wird für die weitere Betrachtung nicht mehr herangezogen. Die Summe der Widerstandswerte der Widerstände R1, R2, R4, R5 ergibt den so genannten Ersatzserienwiderstand (ESR = Equivalent Series Resistance). Dieser Ersatzserienwiderstand ist auch noch von der Kapazität des Kondensators 1 und der Frequenz abhängig, mit der der Kondensator 1 beaufschlagt wird. Hier soll aber nur der ohmsche Anteil des Ersatzserienwiderstands behandelt werden.
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Der Ersatzserienwiderstand liegt bei Keramikkondensatoren in dem Größenbereich von einigen Milliohm. Um einen Elektrolytkondensator mit gleichem Kapazitätswert zu ersetzen, der einen Ersatzserienwiderstand von einigen Hundert Milliohm aufweist, ist der Kondensator 1 in der herkömmlichen Ausführung bei bestimmten Anwendungen, die diesen Ersatzserienwiderstand von einigen Hundert Milliohm erfordern, nicht geeignet.
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In der 3 ist eine schematische Schnittdarstellung einer beispielhaften Ausführung eines erfindungsgemäßen elektrischen Kondensators 1 mit erhöhtem Ersatzserienwiderstand gezeigt.
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Die Elektroden 2, 3 sind jeweils mit der ersten und zweiten Elektrodenkontaktierung 5, 6 elektrisch leitend verbunden. Auf der jeweiligen Elektrodenkontaktierung 5, 6 ist jeweils ein Widerstandselement 9, 10 angeordnet, welches einerseits mit der jeweiligen Elektrodenkontaktierung 5, 6 und andererseits mit einer ersten und zweiten Kontaktierung 7, 8 elektrisch leitend verbunden ist. Das Widerstandselement 9, 10 ist vorzugsweise als eine Widerstandsschicht ausgebildet, die sich in vorteilhaft einfacher Weise mit den Elektrodenkontaktierungen 5, 6 und den ersten und zweiten Kontaktierungen 7, 8 verbinden lässt. Beispielsweise kann diese Widerstandsschicht aus dem Material der Elektrodenkontaktierungen 5, 6 und dem der ersten und zweiten Kontaktierungen 7, 8, jedoch mit einer geringeren Leitfähigkeit, ausgebildet sein. Dieses Aufbringen einer Widerstandsschicht ist vorteilhaft einfach, da es sich um fast ähnliches Material handelt. Die geringere Leitfähigkeit kann durch die Bestandteile der Zusammensetzung dieses Werkstoffs in bekannter Weise erhalten werden.
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Die ersten und zweiten Kontaktierungen 7, 8 sind jeweils mit den Anschlusselementen A, B elektrisch leitend verbunden. Die Anschlusselemente A, B können auch Abschnitte der ersten und zweiten Kontaktierungen 7, 8 sein, wie zum Beispiel im Fall von SMD-Kondensatoren.
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Somit ist zwischen den Anschlusselementen A, B und den Elektroden 2, 3 ein Widerstandselement 9, 10 elektrisch in Reihe geschaltet, welches den Ersatzserienwiderstand des Kondensators 1 erhöht.
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Der Aufbau nach 3 ist in einem Ersatzschaltbild in 4 dargestellt. In der 4 ist das Ersatzschaltbild der 2 gezeigt, wobei die Widerstände R2 und R4 aufgeteilt sind in Widerstände R2 und R2' sowie R4 und R4'. Zwischen diesen ist jeweils das Widerstandselement 9, 10 angeordnet und mit ihnen elektrisch in Reihe geschaltet. Die Widerstände R2' und R4' symbolisieren hier die Widerstände der ersten und zweiten Elektrodenkontaktierung 5, 6 und der Elektroden, während die Widerstände R2 und R4 hier die Widerstände der ersten und zweiten Kontaktierung 7, 8 symbolisieren.
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Der Ersatzserienwiderstand ist somit um den Widerstandswert der beiden Widerstandselemente 9 und 10 erhöht.
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An der Verbindungsstelle zwischen dem Widerstandselement 9 und dem Widerstand R2' und an der Verbindungsstelle zwischen dem Widerstandselement 10 und dem Widerstand R4' ist jeweils ein Anschlusselement A', B' angeordnet. Hiermit kann beispielsweise separat jedes Widerstandselement 9, 10 überbrückt werden, wenn die Anschlüsse A und A' und/oder B und B' elektrisch verbunden werden, beispielsweise mittels eines entsprechenden Leiterplattenlayouts. Somit kann der Ersatzserienwiderstand des Kondensators 1 in gewissen Grenzen eingestellt werden, um den Einsatzbereich dieses Kondensators 1 vorteilhaft anzupassen und somit zu erweitern.
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Durch das Aufbringen einer Widerstandsschicht als Widerstandselement 9, 10 wird dieses großflächig mit den Kontaktierungen elektrisch verbunden. Das bedeutet, dass eine große Fläche für den Stromübergang zur Verfügung steht, was im Vergleich zu punktförmigen Drahtverbindungen von Vorteil ist.
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Es ist denkbar, dass die Elektrodenkontaktierungen 5, 6 aus einer Widerstandsschicht gebildet werden, wodurch sich die Fertigung des erfindungsgemäßen Kondensators 1 mit hohem Ersatzserienwiderstand vereinfachen lässt.
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Auch ist es denkbar, dass die Schichten der Elektroden 2, 3 aus Widerstandsschichten gebildet werden. Dieses kann dann von Vorteil sein, wenn die Höhe des erforderlichen Ersatzserienwiderstands durch die Widerstandselemente 9, 10 nicht ausreicht. Somit sind Kombinationen möglich.
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Ebenfalls kann eine andere Zusammensetzung des Dielektrikums mit höheren Verlusten dazu beitragen, den Ersatzserienwiderstand des Kondensators 1 zu erhöhen, wobei jedoch zu beachten ist, dass die Verluste des Dielektrikums frequenzabhängig sind.
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Ein Einbringen eines SMD-Widerstandes in den Aufbau des Kondensators 1 ist auch möglich, jedoch ist ein Bauteil mit geeigneten Abmessungen und großflächiger Kontaktierung bei geeigneten Abmessungen des Kondensators 1 auszuwählen.
