DE102013110978A1

DE102013110978A1 - Keramischer Vielschichtkondensator

Info

Publication number: DE102013110978A1
Application number: DE201310110978
Authority: DE
Inventors: Andrea Testino; Michael Schossmann; Markus Koini; Dr. Ortner Markus; Günter Engel; Christian Hoffmann
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2013-10-02
Filing date: 2013-10-02
Publication date: 2015-04-16
Also published as: US20160203912A1; US9583268B2; WO2015049081A1; JP2018170517A; JP2016537807A; EP3053174A1

Abstract

Es wird ein keramischer Vielschichtkondensator mit einem Grundkörper (1) mit keramischen Schichten (2) und dazwischen angeordneten ersten und zweiten Elektrodenschichten (3, 4) angegeben, wobei die keramischen Schichten (2) ein Keramikmaterial auf Basis von BaTi1-yZryO3 mit 0 ≤ y ≤ 1 aufweisen, das eine temperaturabhängige Kapazitätsanomalie aufweist.

Description

Es wird ein keramischer Vielschichtkondensator angegeben, der vorzugsweise für Hochleistungsanwendungen geeignet ist. Der Vielschichtkondensator kann beispielsweise als Filterelement bei einem AC/DC- oder DC/DC-Wandler mit hoher Leistungsdichte eingesetzt werden.
Es ist eine zu lösende Aufgabe zumindest einiger Ausführungsformen, einen keramischen Vielschichtkondensator anzugeben, der im Vergleich zu bekannten Vielschichtkondensatoren verbesserte Eigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegenstands sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein keramischer Vielschichtkondensator einen Grundkörper auf. Vorzugsweise weist der Grundkörper eine Quaderform auf. Der Grundkörper umfasst dielektrische Schichten, die entlang einer Stapelrichtung zu einem Stapel angeordnet sind. Die dielektrischen Schichten sind vorzugsweise als keramische Schichten ausgebildet. Weiterhin weist der Grundkörper erste und zweite Elektrodenschichten auf, die zwischen den keramischen Schichten angeordnet sind. Beispielsweise kann jeweils eine erste und eine zweite Elektrodenschicht in einer gleichen Schichtebene voneinander beabstandet angeordnet sein. Weiterhin können die ersten und zweiten Elektrodenschichten jeweils in verschiedenen Schichtebenen des Stapels angeordnet sein. Die keramischen Schichten und die Elektrodenschichten sind somit entlang der Stapelrichtung angeordnet, wobei zwischen jeweils zwei unmittelbar in Stapelrichtung benachbarten ersten bzw. zweiten Elektrodenschichten zumindest eine keramische Schicht angeordnet ist. Bevorzugt bilden die keramischen Schichten und die dazwischen angeordneten Elektrodenschichten einen Sinterkörper, der durch Versinterung von keramischen Grünfolien hergestellt werden kann, auf die die Elektrodenschichten in Form von Pasten aufbracht werden und die vor dem Versintern übereinander gestapelt werden.
In Stapelrichtung wird der Grundkörper durch Außenflächen begrenzt, die eine Unterseite und eine Oberseite des Grundkörpers bilden und deren Abstand zueinander eine Höhe des Grundkörpers definiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Grundkörper zwei einander gegenüber liegende Außenseiten auf, die die Oberseite und die Unterseite des Grundkörpers miteinander verbinden. Der Abstand zwischen den Außenseiten definiert eine Länge des Grundkörpers.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Grundkörper auf der ersten Außenseite eine erste Kontaktschicht auf, die mit den ersten Elektrodenschichten in elektrischem Kontakt steht, während auf der zweiten Außenseite eine zweite Kontaktschicht aufgebracht ist, die mit den zweiten Elektrodenschichten in elektrischem Kontakt steht. Insbesondere werden die ersten Elektrodenschichten durch die erste Kontaktschicht elektrisch kontaktiert, während die zweiten Elektrodenschichten durch die zweite Kontaktschicht auf der der ersten Außenseite gegenüber liegenden zweiten Außenseite elektrisch kontaktiert werden. Die ersten Elektrodenschichten grenzen somit direkt an die erste Kontaktschicht an und sind unmittelbar mit der ersten Kontaktschicht verbunden, während die zweiten Elektrodenschichten direkt an die zweite Kontaktschicht angrenzen und unmittelbar mit der zweiten Kontaktschicht verbunden sind. Die ersten Elektrodenschichten reichen daher bis zur ersten Außenseite und sind bevorzugt von der zweiten Außenseite beabstandet, während die zweiten Elektrodenschichten bis zur zweiten Außenseite reichen und bevorzugt von der ersten Außenseite beabstandet sind.
Die erste und zweite Kontaktschicht können eine oder mehrere Einzelschichten, beispielsweise eine oder mehrere Metallschichten, die zum Beispiel Chrom, Kupfer, Gold und/oder Silber aufweisen können, umfassen. Die Kontaktschichten können beispielsweise mittels Sputtern auf den Außenseiten des Grundkörpers aufgebracht sein. Beispielsweise weisen die erste und die zweite Kontaktschicht jeweils zumindest eine erste Sputterschicht auf, wobei die erste Sputterschicht jeweils in direktem Kontakt mit den ersten bzw. zweiten Elektrodenschichten steht. Vorzugsweise weisen die ersten Sputterschichten Chrom auf oder bestehen aus Chrom. Weiterhin können die erste und die zweite Kontaktschicht jeweils eine zweite Sputterschicht aufweisen, wobei die zweiten Sputterschichten vorzugsweise direkt auf den ersten Sputterschichten aufgebracht sind. Die zweiten Sputterschichten weisen vorzugsweise Kupfer auf oder bestehen aus Kupfer. Weiterhin können die erste und die zweite Kontaktschicht jeweils eine dritte Sputterschicht aufweisen, wobei die dritten Sputterschichten vorzugsweise direkt auf den zweiten Sputterschichten aufgebracht sind. Die dritten Sputterschichten weisen vorzugsweise Gold auf oder bestehen aus Gold. Alternativ können die dritten Sputterschichten auch Silber aufweisen oder aus Silber bestehen. Die Sputterschichten können beispielsweise eine Schichtdicke zwischen 0,1 μm und 1,5 μm aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Grundkörper von den Außenseiten, der Oberseite und der Unterseite verschiedene Seitenflächen auf, die die Oberseite und die Unterseite sowie die Außenseiten miteinander verbinden. Der Abstand zwischen den Seitenflächen definiert eine Breite des Grundkörpers.
Die Elektrodenschichten weisen jeweils eine Länge entlang der Länge des Grundkörpers, eine Breite entlang der Breite des Grundkörpers und eine Dicke entlang der Höhe des Grundkörpers auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der keramische Vielschichtkondensator eine ausgeprägte Anomalie der Kapazität in Abhängigkeit von der Temperatur auf. Als temperaturabhängige Kapazitätsanomalie wird hier und im Folgenden die Eigenschaft des keramischen Materials des Grundkörpers bezeichnet, dass die Kapazität in einem bestimmten Temperaturbereich ein Maximum aufweist. Die Kapazitätsanomalie und damit das Kapazitätsmaximum liegt bevorzugt im Bereich der Betriebstemperatur des keramischen Vielschichtkondensators, also etwa im Bereich von größer oder gleich 25°C und kleiner oder gleich 150°C. Besonders bevorzugt liegt die Kapazitätsanomalie und damit das Kapazitätsmaximum im Bereich von größer oder gleich 60°C und kleiner oder gleich 120°C.
Um die Kapazitätsanomalie auszunutzen und den keramischen Vielschichtkondensator bei einer Temperatur zu betreiben, die möglichst nahe bei der Temperatur liegt, bei der die Kapazität ihr Maximum aufweist, kann die Betriebstemperatur des keramischen Vielschichtkondensators beispielsweise durch einen externen Temperaturkontroller überwacht und eingestellt werden. Weiterhin kann es beispielsweise auch möglich sein, den keramischen Vielschichtkondensator nahe eines anderen elektrischen oder elektronischen Bauteils zu betreiben, das bei einer definierten Temperatur betrieben wird, die der gewünschten Betriebstemperatur des keramischen Vielschichtkondensators entspricht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die keramische Schichten ein Keramikmaterial auf Basis von BaTi_1-yZr_yO₃ mit 0 ≤ y ≤ 1 auf. Es hat sich gezeigt, dass ein solches Material eine vorab beschriebene temperaturabhängige Kapazitätsanomalie im gewünschten Temperaturbereich aufweisen kann. Das Keramikmaterial kann weiterhin beispielsweise auch aus dem genannten Material bestehen, also aus BaTi_1-yZr_yO₃ mit 0 ≤ y ≤ 1. Mit anderen Worten wird als Keramikmaterial für die keramischen Schichten in diesem Fall nur reines BaTi_1-yZr_yO₃ verwendet. Weiterhin kann es auch möglich sein, dass das Keramikmaterial BaTi_1-yZr_yO₃ mit 0 < y < 1 und bevorzugt mit 0 < y < 0,3 aufweist oder daraus besteht.
Zusätzlich kann das Keramikmaterial der keramischen Schichten einen oder mehrere Zusatzstoffe, beispielsweise in Form von Dotierungen, aufweisen. Derartige Zusatzstoffe können vorzugsweise geeignet sein, die Kapazitätsanomalie und damit das Kapazitätsmaximum zu höheren oder niedrigeren Temperaturen zu verschieben. Beispielsweise kann das Keramikmaterial eines oder mehrere Metalle ausgewählt aus Pb, Ca, Sn, Sr, Bi, Hf und Nb aufweisen. Derartige Metalle können insbesondere als Dotierung im BaTi_1-yZr_yO₃ enthalten sein und eine Temperaturverschiebung der Kapazitätsanomalie bewirken.
Weiterhin kann das Keramikmaterial der keramischen Schichten eines oder mehrere Metalle ausgewählt aus Ni, Al, Mg, Fe, Cr und Mn aufweisen. Insbesondere können diese Metalle als Dotierung im BaTi_1-yZr_yO₃-basierten Keramikmaterial vorliegen und insbesondere eine Verbesserung des Verlustfaktors bewirken.
Weiterhin kann das Keramikmaterial eines oder mehrere Metalle ausgewählt aus Si, Al, B, Cu und Zn aufweisen. Auch diese Metalle können insbesondere als Dotierung im BaTi_1-yZr_yO₃ vorliegen und können zu einer Verbesserung der Dichte und/oder zu einer Modifikation der Sintertemperatur, des Schrumpfverhaltens und/oder des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der keramischen Schichten führen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Keramikmaterial eine feste Lösung oder eine Mischung verschiedener keramischen Phasen zusätzlich mit einem oder mehreren der folgenden Materialien auf:

– Zirkonate, Silikate, Titanate, Aluminate, Stannate, Niobate, Tantalate,
– Oxide der Seltenen Erden, insbesondere mit einem oder mehreren ausgewählt aus Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd,
– Gruppe-1A-Metalloxide, Gruppe-2A-Metalloxide
– feuerfeste Oxide, insbesondere feuerfeste Metalloxide, beispielsweise mit Ti, V, Cr, Mn, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W,
– Metalloxide mit Al, Si, Sn, Pb, Bi.

Zusätzlich zur Wahl eines geeigneten Keramikmaterials gemäß der vorherigen Beschreibung kann sich die Wahl einer geeigneten Elektrodenschichtenkonfiguration als vorteilhaft für den keramischen Vielschichtkondensator erweisen. Insbesondere können Konfigurationen der Elektrodenschichten vorteilhaft sein, wie sie für keramische Vielschichtkondensatoren (MLCC: „multilayer ceramic capacitor“) oder keramische Vielschichtserienkondensatoren (MLSC: „multilayer serial capacitor“) bekannt sind.
Beispielsweise können die ersten und zweiten Elektrodenschichten abwechselnd übereinander im Grundkörper angeordnet sein. Bevorzugt können die ersten und zweiten Elektrodenschichten hierbei die einzigen Elektrodenschichten im Grundkörper sein. Als besonders vorteilhaft hat sich ein sogenanntes „Hammer-Design“ erwiesen, bei dem die Elektrodenschichten im Bereich der jeweils kontaktierten Kontaktschicht eine größere Breite aufweisen als in einem weiter von der jeweils kontierten Kontaktschichten entfernten Bereich. Insbesondere kann sich die Breite der Elektrodenschichten hierbei beidseitig in einer Stufe symmetrisch verjüngen, so dass die Elektrodenschichten in einer Aufsicht entlang der Stapelrichtung des Grundkörpers eine Hammer-artige bzw. T-artige Form aufweisen, wobei der breitere Teil der Elektrodenschichten die jeweilige Kontaktschicht kontaktiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der keramische Vielschichtkondensator im Grundkörper eine Mehrzahl von dritten Elektrodenschichten auf, die von keiner Kontaktschicht kontaktiert werden. Derartige Elektroden werden auch als "floating" Elektroden bezeichnet, auf Deutsch "schwebende" Elektroden. Die dritten Elektrodenschichten können mit den ersten und/oder den zweiten Elektrodenschichten überlappen. Vorzugsweise überlappen die dritten Elektrodenschichten mit den ersten und den zweiten Elektrodenschichten. „Überlappen“ bedeutet hierbei, dass die dritten Elektrodenschichten jeweils zumindest einen Teilbereich aufweisen, der bei einer gedanklichen Projektion in Stapelrichtung des Grundkörpers mit zumindest einem Teilbereich der ersten Elektrodenschichten und/oder der zweiten Elektrodenschichten zur Deckung gebracht werden könnte.
In einer weiteren Ausführungsform sind die ersten und zweiten Elektrodenschichten jeweils paarweise in einer Ebene angeordnet. Zwischen den Ebenen mit jeweils einer ersten und einer zweiten Elektrodenschicht sind dritte Elektrodenschicht im Grundkörper vorhanden, die nicht von außen kontaktiert sind und die von den Außenseiten und Seitenflächen beanstandet und damit „floating“ sind. Hierbei können auch die ersten und zweiten Elektrodenschichten beanstandet von den Seitenflächen des Grundkörpers sein. Mit andern Worten sind in dieser Ausführungsform alle Elektrodenschichten schmäler als der Grundkörper ausgebildet. Alternativ hierzu kann es auch möglich sein, dass die dritten Elektrodenschichten eine größere Breite als die ersten und zweiten Elektrodenschichten aufweisen. Insbesondere können die dritten Elektrodenschichten hierbei bis zu den Seitenflächen reichen, während die ersten und zweiten Elektrodenschichten von den Seitenflächen des Grundkörpers beabstandet sind. Mit andern Worten weisen hierbei die ersten und zweiten Elektrodenschichten eine geringere Breite als der Grundkörper auf, während die dritten Elektrodenschichten genauso breit wie der Grundkörper sind. Eine solche Elektrodenschichtenkonfiguration kann vorteilhaft sein bei der Verwendung von Elektrodenmaterialien mit oder aus unedlen Metallen, da die an den Seitenflächen nach außen exponierten Elektrodenschichten eine bessere Reoxidation erlauben, die sich in einem höheren Isolationswiderstand äußert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die keramischen Schichten eine Schichtdicke von größer oder gleich 1 µm oder größer oder gleich 5 µm oder größer oder gleich 10 µm oder größer oder gleich 20 µm und von kleiner oder gleich 200 µm oder kleiner oder gleich 100 oder kleiner oder gleich 50 µm auf. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die keramischen Schichten eine Schichtdicke zwischen 10 µm und 50 µm auf. Besonders bevorzugt weisen die keramischen Schichten eine Schichtdicke von in etwa 25 µm auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Elektrodenschichten eine Schichtdicke von größer oder gleich 0,5 µm und kleiner oder gleich 2 µm auf. Die Elektrodenschichten zwischen den keramischen Schichten können beispielsweise ein unedles Metall aufweisen oder daraus sein. Beispielsweise können die Elektrodenschichten ein Ni- und/oder Cu-basiertes Metall aufweisen, also aus Ni oder Cu oder einer Legierung mit Ni und/oder mit Cu bestehen oder zumindest einen wesentlichen Anteil an Ni und/oder Cu aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Grundkörper zumindest 100 oder zumindest 1000 keramische Schichten mit dazwischen angeordneten Elektrodenschichten auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Grundkörper ein Volumen von größer oder gleich 1 cm³ oder größer oder gleich 2 cm³ oder größer oder gleich 5 cm³ oder größer oder gleich 10 cm³ auf. Insbesondere kann der Grundkörper ein Volumen von einigen Kubikzentimetern oder von einigen 10 Kubikzentimetern aufweisen. Darüber hinaus kann der keramische Vielschichtkondensator auch eine Mehrzahl von Grundkörpern aufweisen, die in Serie und/oder parallel zueinander verschaltet sind.
Ein hier beschriebener keramischer Vielschichtkondensator kann sich insbesondere durch eine Kombination einer hohen Kapazität, einer hohen Energiedichte, einer hohen Durchbruchspannung, eines geringen ESR-Werts und eines geringen ESL-Werts auszeichnen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen des keramischen Vielschichtkondensators ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsformen.
Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht eines keramischen Vielschichtkondensators gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 bis 4 schematische dreidimensionale Darstellungen von Elektrodenschichtenkonfigurationen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen und
5 und 6 elektrische Eigenschaften eines keramischen Vielschichtkondensator gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
In 1 ist ein keramischer Vielschichtkondensator 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt.
Der keramische Vielschichtkondensator 100 weist einen Grundkörper 1 mit keramischen Schichten 2 und dazwischen angeordneten ersten und zweiten Elektrodenschichten 3, 4 auf. Die keramischen Schichten 2 sind im oberen Teilbereich des Grundkörpers 1 mit Hilfe der gestrichelten Linien angedeutet. Der Grundkörper 1 bildet einen Sinterkörper, bei dem die keramischen Schichten 2 vor dem Sintern in Form von Grünfolien mit den Elektrodenschichten 3, 4 bedruckt und übereinander gestapelt werden. Die gezeigte Elektrodenschichtenkonfiguration entspricht der eines üblichen Vielschichtkondensators mit abwechselnd übereinander geschichteten ersten und zweiten Elektrodenschichten 3, 4, die sich bevorzugt, wie im 1 gezeigt ist, überlappen.
Auf einer ersten Außenseite 11 des Grundkörpers 1 weist der keramische Vielschichtkondensator 100 eine erste Kontaktschicht 5 auf, die in elektrischem Kontakt mit den ersten Elektrodenschichten 3 steht, so dass die ersten Elektrodenschichten 3 durch die erste Kontaktschicht 5 von außen elektrisch kontaktiert werden können. Entsprechend ist auf einer der ersten Außenseite 5 gegenüber liegenden zweiten Außenseite 12 eine zweite Kontaktschicht 6 aufgebracht, die die zweiten Elektrodenschichten 4 elektrisch kontaktiert. Entlang der Stapelrichtung der keramischen Schichten 2 und der Elektrodenschichten 3, 4 wird der Grundkörper 1 durch eine Unterseite 13 und eine Oberseite 14 begrenzt, die durch die Außenseiten 11, 12 miteinander verbunden sind.
Der Grundkörper 1 weist eine Quaderform mit einer Länge, einer Breite und einer Höhe auf. Die Länge ist durch den Abstand der ersten zur zweiten Außenseite 11, 12 gegeben, die Höhe durch den Abstand der Unterseite 13 zur Oberseite 14 und die Breite durch den Abstand von sich gegenüberliegenden Seitenflächen des Grundkörpers 1, die die Außenseiten 11, 12 sowie die Oberseite 14 und die Unterseite 13 des Grundkörpers 1 verbinden und die in der gezeigten Darstellung parallel zur Zeichenebene liegen.
Die keramische Schichten 2 weisen ein Keramikmaterial auf Basis von BaTi_1-yZr_yO₃ mit 0 ≤ y ≤ 1, bevorzugt mit 0 < y < 1 und besonders bevorzugt mit 0 < y < 0,3 auf. Ein solches Material kann eine ausgeprägte Kapazitätsanomalie in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur des keramischen Vielschichtkondensators 100 aufweisen. Insbesondere kann die Kapazitätsanomalie in einem Temperaturbereich von größer oder gleich 25°C und kleiner oder gleich 150°C und bevorzugt von größer oder gleich 60°C und kleiner oder gleich 120°C liegen. Um den keramischen Vielschichtkondensator 100 mit einer möglichst hohen Kapazität betreiben zu können, wird die Betriebstemperatur des Vielschichtkondensators 100 entsprechend auf einen Wert eingestellt, bei die Kapazitätsanomalie möglichst ausgeprägt ist, bei dem also die temperaturabhängige Kapazität des keramischen Materials im Bereich eines Maximums liegt oder sogar ein Maximum aufweist. Zur Einstellung der Temperatur des keramischen Vielschichtkondensators kann die Betriebstemperatur beispielsweise mit Hilfe eines externen Temperaturkontrollers geregelt werden. Es ist auch möglich, den Vielschichtkondensator 100 beispielsweise in der Nähe oder nahe eines anderen Bauteils zu montieren, das bei einer geeigneten Temperatur arbeitet.
Das Keramikmaterial BaTi_1-yZr_yO₃ kann in den keramischen Schichten rein, d.h. möglichst ohne Verunreinigung und insbesondere auch ohne Dotierstoffe, oder dotiert mit weiteren Elementen vorliegen. Insbesondere kann somit das Keramikmaterial der keramischen Schichten aus BaTi_1-yZr_yO₃ mit 0 ≤ y ≤ 1 bestehen, wobei vorzugsweise auch 0 < y < 1 und besonders bevorzugt 0 < y < 0,3 gelten kann.
Weiterhin kann das Keramikmaterial Materialien, insbesondere Metalle, aufweisen, die die Kapazitätsanomalie, also das Kapazitätsmaximum, in Richtung höhere oder niedrige Temperaturen verschieben können, wie beispielsweise Pb, Ca, Sn, Sr, Bi, Hf, Nb oder ähnliche oder Kombinationen hiermit. Darüber hinaus kann das Keramikmaterial auch Elementen enthalten, die den Verlustfaktor verbessern können, wie beispielsweise Ni, Al, Mg, Fe, Cr, Mn oder ähnliche oder Kombinationen hieraus. Um die Dichte der keramischen Schichten zu verbessern und/oder um die Sintertemperatur, das Schrumpfverhalten und/oder den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu modifizieren, kann das Keramikmaterial auch Elemente wie beispielsweise Si, Al, B, Cu, Zn oder ähnliche oder Kombinationen hieraus aufweisen. Die genannten Materialien können insbesondere in Form von Dotierstoffen im Keramikmaterial der keramischen Schichten vorliegen.
Weiterhin kann das keramische Material der keramischen Schichten 2 eine feste Lösung („solid solution“) oder eine Mischung verschiedener keramischer Phasen mit einem oder mehreren der folgenden Materialien aufweisen:

– Zirkonate, Silikate, Titanate, Aluminate, Stannate, Niobate, Tantalate,
– Oxide der Seltenen Erden, insbesondere mit Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd,
– Gruppe-1A-Metalloxide, Gruppe-2A-Metalloxide,
– feuerfeste Oxide, beispielsweise feuerfeste Metalloxide, insbesondere mit Ti, V, Cr, Mn, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W,
– Metalloxide mit Al, Si, Sn, Pb, Bi.

Die Elektrodenschichten 3, 4 weisen Ni-basierte und/oder Cu-basierte Metalle auf sowie eine Dicke im Bereich von größer oder gleich 0,5 µm und kleiner oder gleich 2 µm. Die keramischen Schichten 2 weisen bevorzugt eine Dicke im Bereich von größer oder gleich 1 µm und kleiner oder gleich 2 µm auf. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der keramische Vielschichtkondensator 100 als Grundkörper 1 zumindest 100 und bevorzugt zumindest 1000 keramische Schichten 2 mit dazwischen angeordneten Elektrodenschichten aufweist. Insbesondere kann der keramische Vielschichtkondensator 100 einen Grundkörper 1 aufweisen, der ein Volumen von einigen Kubikzentimetern aufweist. Es kann auch möglich sein, dass der keramische Vielschichtkondensator 100 eine Mehrzahl der beschriebenen Grundkörper 1 aufweist, die in Serie oder parallel oder einer Kombination heraus miteinander verschaltet sind.
Bei der in 1 gezeigten Elektrodenschichtenkonfiguration mit abwechselnd übereinander angeordneten, miteinander überlappenden ersten und zweiten Elektrodenschichten 3 und 4 ist insbesondere ein sogenanntes Hammer-Design vorteilhaft, wie es in 2 in einer dreidimensionalen Schemazeichnung gezeigt ist. Die ersten Elektrodenschichten 3 weisen hierbei einen breiten Teil in Kontakt mit der ersten Außenseite 11 und damit mit der nicht gezeigten ersten Kontaktschicht 5 auf wobei sich die Breite in einer von der ersten Kontaktschicht 5 weggerichteten Richtung in einer Stufe symmetrisch verjüngt. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn der breite Teil der ersten Elektrodenschichten 3 die Breite des Grundkörpers 1 aufweist und somit an die Seitenflächen 15, 16 des Grundkörpers 1 angrenzt. Die zweiten Elektrodenschichten 4 sind entsprechend ausgebildet und weisen einen breiten Teil in Kontakt mit der zweiten Außenseite 12 und damit in Kontakt mit der nichtgezeigten zweiten Kontaktschicht 6 auf, während sich die Breite in einer von der zweiten Kontaktschicht 6 weggerichteten Richtung in einer Stufe symmetrisch verjüngt.
Alternativ zu einer solchen Elektrodenschichtenkonfiguration kann der keramische Vielschichtkondensator 100 auch eine Elektrodenschichtenkonfiguration aufweisen, die aus keramischen Vielschichtserienkondensatoren bekannt ist und die vergrabene dritte Elektrodenschichten 7 innerhalb des Grundkörpers 1 aufweist, die eine serielle Verbindung zwischen einzeln Einheiten mit ersten und zweiten Elektrodenschichten 3, 4 bilden. Derartige Konfigurationen sind in 3 und 4 gezeigt.
In 3 ist eine Konfiguration gezeigt, bei der die ersten und zweiten Elektrodenschichten 3, 4 jeweils paarweise in einer Ebene angeordnet sind, während zwischen den Ebenen dritte Elektrodenschichten 7 im Grundkörper vorhanden sind, die nicht von außen kontaktiert sind und die von den Außenseiten 11, 12 und den Seitenflächen 15, 16 beabstandet sind. Die dritten Elektrodenschichten 7 sind somit als „floating“ Elektroden ausgebildet. Weiterhin können auch die ersten und zweiten Elektrodenschichten 3, 4 von den Seitenflächen 15, 16 beabstandet sein.
Alternativ hierzu kann es auch vorteilhaft sein, wenn die dritten Elektrodenschichten 7 eine größere Breite als die ersten und zweiten Elektrodenschichten 3, 4 aufweisen und insbesondere im Vergleich zu dem ersten und zweiten Elektrodenschichten 3, 4, die von den Seitenflächen 15, 16 beabstandet sind, bis zu den Seitenflächen 15, 16 reichen. Insbesondere in Verbindung mit Elektrodenschichtmaterialien auf Basis unedler Metalle kann eine solche Elektrodenschichtenkonfiguration eine bessere Reoxidierung erlauben, die sich in einem höheren Isolationswiderstand äußert.
In den 5 und 6 sind elektrische Eigenschaften eines keramischen Vielschichtkondensators gemäß der vorherigen Beschreibung gezeigt, der eine Größe von 6 × 32 × 36 mm³ aufweist. Die keramischen Schichten weisen hierbei eine Dickte von 26 µm auf. Der Grundkörper ist aus 1200 keramischen Schichten und dazwischen angeordneten Nickel-Elektrodenschichten gebildet. Die Kontaktschichten, die die externen Elektroden des Vielschichtkondensators bilden, sind wie im allgemeinen Teil beschrieben mittels Sputtern aufgebracht. In 5 ist die Kapazität C in F in Abhängigkeit von der Temperatur T in °C gezeigt. Die Kapazität wurde bei einer Spannung von 0,1 V und einer Frequenz von 100 Hz gemessen. Es ist leicht erkennbar, dass die Kapazität C eine ausgeprägte Kapazitätsanomalie mit einem Kapazitätsmaximum im Bereich von 80 °C aufweist. Damit beträgt die bevorzugte Betriebstemperatur des Vielschichtkondensators in etwa 80 °C. In 6 ist die Impedanz des Vielschichtkondensators in Abhängigkeit von der Frequenz F in Hz abgebildet, wobei der Betrag des komplexen Widerstands Z sowie der Realteil R jeweils in Ω gezeigt sind. Weiterhin weist der beschriebene Vielschichtkondensator bei Raumtemperatur die vorliegenden elektrischen Eigenschaften auf:
ESR: 1,11 mΩ
ESL: 3,5 nH
R, min: 0,12 mΩ
C (bei 1 kHz): 26,0 µF
Verlustfaktor (bei 1 kHz): 0,07 %
Durchbruchspannung: 1,2 kV
Energiedichte (bei 500 V und 80°C): 0,7 J cm^–3
Kapazitätsdichte (bei 80 °C): 13,4 µF cm^–3
Somit weist der hier beschriebene keramische Vielschichtkondensator ausgezeichnete Eigenschaften aufgrund einer Kombination einer hohen Kapazität und hohen Energiedichte, einer hohen Durchbruchsspannung, geringem ESR und geringem ESL auf.
Die in Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele können alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen, auch wenn diese nicht explizit in Verbindung mit den Figuren beschrieben sind.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Keramischer Vielschichtkondensator mit einem Grundkörper (1) mit keramischen Schichten (2) und dazwischen angeordneten ersten und zweiten Elektrodenschichten (3, 4), wobei die keramischen Schichten (2) ein Keramikmaterial auf Basis von BaTi_1-yZr_yO₃ mit 0 ≤ y ≤ 1 aufweisen, das eine temperaturabhängige Kapazitätsanomalie aufweist.
Vielschichtkondensator nach Anspruch 1, wobei das Keramikmaterial BaTi_1-yZr_yO₃ mit 0 < y < 1 aufweist.
Vielschichtkondensator nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Keramikmaterial BaTi_1-yZr_yO₃ mit 0 < y < 0,3 aufweist.
Vielschichtkondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Keramikmaterial eines oder mehrere Metalle ausgewählt aus Pb, Ca, Sn, Sr, Bi, Hf und Nb aufweist.
Vielschichtkondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Keramikmaterial eines oder mehrere Metalle ausgewählt aus Ni, Al, Mg, Fe, Cr und Mn aufweist.
Vielschichtkondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Keramikmaterial eines oder mehrere Metalle ausgewählt aus Si, Al, B, Cu und Zn aufweist.
Vielschichtkondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Keramikmaterial eine feste Lösung oder eine Mischung verschiedener keramischen Phasen zusätzlich mit einem oder mehreren der folgenden Materialien aufweist: – Zirkonate, Silikate, Titanate, Aluminate, Stannate, Niobate, Tantalate, – Oxide der Seltenen Erden, insbesondere mit Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, – Gruppe-1A-Metalloxide, Gruppe-2A-Metalloxide, – feuerfeste Metalloxide, insbesondere mit Ti, V, Cr, Mn, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, – Metalloxide mit Al, Si, Sn, Pb, Bi.
Vielschichtkondensator nach Anspruch 1, wobei das Keramikmaterial aus BaTi_1-yZr_yO₃ mit 0 ≤ y ≤ 1 besteht.
Vielschichtkondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kapazitätsanomalie in einem Temperaturbereich von größer oder gleich 25°C und kleiner oder gleich 150°C und bevorzugt von größer oder gleich 60°C und kleiner oder gleich 120°C liegt.
Vielschichtkondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Elektrodenschichten (3, 4, 7) ein unedles Metall aufweisen.
Vielschichtkondensator nach Anspruch 10, wobei die Elektrodenschichten (3, 4, 7) ein Ni-basiertes oder ein Cu-basiertes Metall aufweisen.
Vielschichtkondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Grundkörper (1) ein Volumen von größer oder gleich 1 cm³ aufweist.
Vielschichtkondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die keramischen Schichten (2) eine Dicke von größer oder gleich 1 µm und kleiner oder gleich 200 µm aufweisen.
Vielschichtkondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Elektrodenschichten (3, 4, 7) eine Dicke von größer oder gleich 0,5 µm und kleiner oder gleich 2 µm aufweisen.
Vielschichtkondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Grundkörper (1) zumindest 1000 keramische Schichten (2) mit dazwischen angeordneten Elektrodenschichten (3, 4, 7) aufweist.
Vielschichtkondensator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die ersten Elektrodenschichten (3) durch eine erste Kontaktschicht (5) auf einer ersten Außenseite (11) des Grundkörpers (1) und die zweiten Elektrodenschichten (4) durch eine zweite Kontaktschicht (6) auf einer zweiten, der ersten Außenseite (11) gegenüber liegenden Außenseite (12) des Grundkörpers (1) elektrisch kontaktiert werden, wobei der Grundkörper (1) eine Länge, eine Breite und eine Höhe aufweist und die Länge durch den Abstand der ersten zur zweiten Außenseite (11, 12) gegeben ist, die Höhe durch den Abstand einer Unterseite (13) des Grundkörpers (1) zu einer Oberseite (14) des Grundkörpers (1) entlang einer Stapelrichtung der keramischen Schichten (2) und der Elektrodenschichten (3, 4, 7) gegeben ist und die Breite durch den Abstand von sich gegenüber liegenden Seitenflächen (15, 16) des Grundkörpers (1) gegeben ist, die die Außenseiten (11, 12) sowie die Oberseite (14) und die Unterseite (13) des Grundkörpers (1) verbinden.
Vielschichtkondensator nach Anspruch 15, wobei die ersten und zweiten Elektrodenschichten (3, 4) abwechselnd übereinander im Grundkörper (1) angeordnet sind und jeweils eine Breite aufweisen, die sich in einer von der jeweiligen Kontaktschicht (5, 6) weggerichteten Richtung in einer Stufe symmetrisch verjüngt.
Vielschichtkondensator nach Anspruch 16, wobei die ersten und zweiten Elektrodenschichten (3, 4) jeweils paarweise in einer Ebene angeordnet sind und zwischen den Ebenen dritte Elektrodenschichten (7) im Grundkörper (1) vorhanden sind, die nicht von außen kontaktierbar sind und die von den Außenseiten (11, 12) und Seitenflächen (15, 16) jeweils beabstandet sind.
Vielschichtkondensator nach Anspruch 16, wobei die ersten und zweiten Elektrodenschichten (3, 4) jeweils paarweise in einer Ebene angeordnet sind und zwischen den Ebenen dritte Elektrodenschichten (7) im Grundkörper (1) vorhanden sind, die nicht von außen kontaktierbar sind, die von den Außenseiten (11, 12) beabstandet sind und die eine größere Breite als die ersten und zweiten Elektrodenschichten (3, 4) aufweisen.
Vielschichtkondensator nach Anspruch 19, wobei die ersten und zweiten Elektrodenschichten (3, 4) von den Seitenflächen (15, 16) beabstandet sind und die dritten Elektrodenschichten (7) bis zu den Seitenflächen (15, 16) reichen.