DE102014106919A1 - Glass ceramic capacitor for high voltage applications - Google Patents

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Abstract

Kondensator für Hochspannungsanwendungen mit einem Glaskeramikkörper (10) als Dielektrikum und Metallisierungsschichten (11, 13) als Elektroden. Ausgehend von einer Serie von Testkondensatoren werden die Parameterwerte eines zu entwerfenden Kondensators aufgrund von Formeln bestimmt.Capacitor for high voltage applications with a glass ceramic body (10) as a dielectric and metallization layers (11, 13) as electrodes. Starting from a series of test capacitors, the parameter values of a capacitor to be designed are determined on the basis of formulas.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Kondensatoren mit Glaskeramik als Dielektrikum, und im speziellen auf Glaskeramik-Kondensatoren für Hochspannungsanwendungen. The invention relates generally to capacitors with glass-ceramic as a dielectric, and more particularly to glass-ceramic capacitors for high voltage applications.

Kondensatoren mit Glaskeramik als Dielektrikum sind bekannt. So beschreibt die DE 1 951 624 ein Verfahren zur Herstellung von Stapelkondensatoren, die aus abwechselnden, durch Anwendung von Druck und Temperatur zu einer kompakten Einheit verbundenen Schichten eines Dielektrikums und von Metallschichten aufgebaut sind. Die dielektrischen Schichten werden aus einem kristallisierbaren Glas in einem organischen Bindemittel erzeugt, wobei die organischen Bestandteile durch Erhitzen ausgetrieben und das Glas zu einer Glaskeramik mittels Wärmebehandlung umgewandelt wird. In ähnlicher Weise werden die Metallschichten aus Aufschlämmungen von Metallpartikel während der Herstellung der Stapelkondensatoren gesintert. Herstellungsbedingt enthalten die Schichten somit reichlich Poren, was bei Hochspannungsanwendungen schädliche Auswirkungen hat. Capacitors with glass ceramic as a dielectric are known. That's how it describes DE 1 951 624 a method for the production of stacked capacitors, which are composed of alternating, by application of pressure and temperature to a compact unit connected layers of a dielectric and metal layers. The dielectric layers are formed from a crystallizable glass in an organic binder, wherein the organic components are driven off by heating and the glass is converted to a glass-ceramic by means of heat treatment. Similarly, the metal layers are sintered from slurries of metal particles during the manufacture of the stacked capacitors. As a result of the manufacturing process, the layers contain a large amount of pores, which has a detrimental effect on high-voltage applications.

Die WO 2005/095301 A1 beschreibt eine Glas-Keramik-Zusammensetzung mit mindestens einem Ferrit und mindestens einem Glasmaterial mit einem Gehalt an Wismutoxid in Anwendungen für passive elektrische Bauelemente. Die Glas-Keramik-Zusammensetzung liegt als Pulvermischung, auch mit einem organischen Binder vermengt, vor, und kann gesintert werden. Nachteilig ist der relativ hohe Porenanteil. The WO 2005/095301 A1 describes a glass-ceramic composition comprising at least one ferrite and at least one glass material containing bismuth oxide in passive electrical component applications. The glass-ceramic composition is present as a powder mixture, also mixed with an organic binder, and can be sintered. The disadvantage is the relatively high percentage of pores.

Die DE 10 2008 011 206 A1 beschreibt eine Glaskeramik, die ferroelektrische Kristallite mit einem maximalen Durchmesser von 20 bis 100 nm und mit einem Anteil an der Glaskeramik von über 50 Volumenprozent aufweist. Die Glaskeramik wird durch Keramisieren aus einem Ausgangsglas hergestellt und ist äußerst porenarm. Solche Glaskeramiken eignen sich als Bestandteil eines Kondensators oder eines Hochfrequenzfilters. The DE 10 2008 011 206 A1 describes a glass-ceramic which has ferroelectric crystallites with a maximum diameter of 20 to 100 nm and with a glass ceramic content of more than 50% by volume. The glass ceramic is produced by ceramizing from a starting glass and is extremely low in pores. Such glass ceramics are suitable as part of a capacitor or a high-frequency filter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, wie Glaskeramik-Kondensatoren ausreichend dünn gebaut und insgesamt bemessen werden sollen, und dennoch für Hochspannungsanwendungen geeignet sind. The invention is based on the object as glass-ceramic capacitors are to be built sufficiently thin and dimensioned overall, and yet are suitable for high-voltage applications.

Schwierigkeiten und Bedenken wie folgt sind zu überwinden:
Bisherige Glaskeramiken für Hochleistungskondensatoren enthalten Keramiken wie BST (Barium-Strontium-Titanat). Kondensatoren mit BaTiO3, einem ferroelektrischen Material, sind bisher nicht für Hochleistungselektronik verwendet worden, da die ferroelektrische Hysterese zu deutlichen, hohen dielektrischen Verlusten führt. Ferner müsste die Dicke der Glaskeramik sehr hoch sein, damit die dielektrische Feldstärke in der Glaskeramik 1 bis 3 KV/mm nicht übersteigt. Dies würde bei Anwendungen in einem Spannungsbereich oberhalb von 10 kV zu einer Dicke des glaskeramischen Dielektrikums im Bereich einiger cm führen, was für die praktische Anwendung unzumutbar ist.
Difficulties and concerns are as follows:
Previous glass ceramics for high-performance capacitors contain ceramics such as BST (barium strontium titanate). Capacitors with BaTiO 3 , a ferroelectric material, have not previously been used for high power electronics because the ferroelectric hysteresis leads to significant, high dielectric losses. Furthermore, the thickness of the glass ceramic would have to be very high, so that the dielectric field strength in the glass ceramic does not exceed 1 to 3 KV / mm. For applications in a voltage range above 10 kV, this would lead to a thickness of the glass-ceramic dielectric in the range of a few cm, which is unreasonable for practical use.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt aufgrund der Lehre des Anspruchs 1 und wird durch die Maßnahmen der abhängigen Ansprüche weiter entwickelt und ausgestaltet. The solution of the problem is achieved on the basis of the teaching of claim 1 and is further developed and designed by the measures of the dependent claims.

Die Erfindung geht von der Entdeckung aus, dass Glaskeramik mit einem Gehalt an ferroelektrischem Material dann für die Hochspannungsanwendungen bei Kondensatoren eingesetzt werden kann, wenn die Glaskeramik äußerst porenarm oder porenfrei ist und das ferroelektrische Material in Kristallit-Form der Größenordnung weniger Nanometer vorliegt. Ein Porenanteil im Volumen von kleiner als 0.03% gilt im Rahmen der Erfindung als „äußerst porenarm“. Die Kristallite des ferroelektrischen Materials sollen in der Größenordnung der ferroelektrischen Domänen liegen, dass heißt in Grenzen von 10 nm bis 100 nm bei der Glaskeramik BaTiO3 liegen. Dies bedeutet, dass die Glaskeramik aus der flüssigen Glasphase unter strengen Herstellungsbedingungen gewonnen werden muss, um ferroelektrisches Material zu erzeugen, das bei der Umpolung eine schmale Hysterese zeigt und damit eine erträgliche Verlustleistung erbringt, um für Hochspannungsanwendungen bei Kondensatoren brauchbar zu sein. The invention is based on the discovery that glass ceramic containing ferroelectric material can then be used for the high voltage applications in capacitors, when the glass ceramic is extremely porous or non-porous and the ferroelectric material is in crystallite form of the order of a few nanometers. A pore fraction in the volume of less than 0.03% is considered within the scope of the invention as "extremely low in pores". The crystallites of the ferroelectric material should be of the order of magnitude of the ferroelectric domains, that is to say lie within limits of 10 nm to 100 nm for the glass-ceramic BaTiO 3 . This means that the glass-ceramic glass-ceramic must be obtained under stringent manufacturing conditions to produce ferroelectric material which exhibits a narrow hysteresis at the pole reversal and thus provides a tolerable power dissipation to be useful for high voltage applications in capacitors.

Anstelle von ferroelektrischem Material kann auch paraelektrisches Material benutzt werden. Dabei können die paraelektrischen Kristallite in der Größenordnung von wenigen µm vorliegen. Dies bedeutet Kristallitgrößen im Bereich 0,1 µm bis 50 µm. Damit sind die Kristallite wesentlich kleiner als die Dicke der dielektrischen Glaskeramikkörper zur Herstellung der Kondensatoren. Instead of ferroelectric material and paraelectric material can be used. The paraelectric crystallites can be in the order of a few microns. This means crystallite sizes in the range 0.1 microns to 50 microns. Thus, the crystallites are substantially smaller than the thickness of the dielectric glass ceramic body for the production of the capacitors.

Der dielektrische Glaskeramikkörper bildet ein scheibenförmiges Substrat, dessen Substratdicke und Substratradius zusammen mit dem Radius von Metallisierungsschichten als Elektroden für einen zu entwerfenden Kondensator gemäß der Lehre der Erfindung bestimmbar sind. The dielectric glass ceramic body forms a disk-shaped substrate whose substrate thickness and substrate radius together with the radius of metallization layers can be determined as electrodes for a capacitor to be designed according to the teachings of the invention.

Die Erfinder nutzen die Tatsache, dass die Durchschlagspannung (die Spannung bis zum Durchschlag) eines Glaskeramik-Kondensators bei abnehmender Dicke der Glaskeramik-Schicht steigt. Dies ist eine große Hilfe bei der Konstruktion von Hochleistungskondensatoren kleiner Bauweise bei hoher Durchschlagsspannung. Bei der Bemessung der Glaskeramik-Kondensatoren muss schließlich berücksichtigt werden, dass Feldüberschläge an den Rändern der Glaskeramik verhindert oder zumindest in einem tolerierbaren Bereich gehalten werden müssen. The inventors take advantage of the fact that the breakdown voltage (voltage to breakdown) of a glass-ceramic capacitor increases as the thickness of the glass-ceramic layer decreases. This is a great help in designing high performance capacitors of small design with high breakdown voltage. When dimensioning the glass-ceramic capacitors, it must finally be taken into account that field flashovers at the edges of the glass-ceramic must be prevented or at least kept within a tolerable range.

Damit werden gemäß der Erfindung Glaskeramik-Kondensatoren zur Verfügung gestellt, die von räumlich geringer Dimension sind, bei denen aber Durchschläge des elektrischen Feldes nur in einem tolerierbaren Maß vorkommen oder praktisch ausgeschlossen werden können. Ferner können entsprechende Kondensatoren kostengünstig hergestellt werden. Thus, according to the invention, glass-ceramic capacitors are made available that are of spatially small dimension, but in which breakdowns of the electric field occur only to a tolerable level or can be virtually ruled out. Furthermore, corresponding capacitors can be produced inexpensively.

Erfindungsgemäß wird ein Kondensator für Anwendungen zwischen 3kV und 100kV, insbesondere zwischen 5kV und 60kV, bei hohen Durchschlagsfeldstärken bereitgestellt, der als Dielektrikum einen dielektrischen Glaskeramikkörper umfasst, der aus flüssiger Glasphase äußerst porenarm oder porenfrei unter einem Gehalt an ferroelektrischem Material in Kristallit-Form der Größenordnung weniger Nanometer oder an paraelektrischem Material in Kristallit-Form der Größenordnung bis wenige µm und mit einem Gehalt an Glasbildner erzeugt worden ist und ein scheibenförmiges Substrat bildet, das eine Substratdicke (d), einen Substratradius (r1) sowie eine Scheibenoberseite, eine Scheibenunterseite und einen Scheibenrand aufweist. Das Ausmaß der Porenfreiheit wird mittels der sogenannten Volumenfüllung angegeben. Letztere beträgt für den dielektrischen Glaskeramikkörper des erfindungsgemäßen Kondensators wenigstens 99,97%. In der Praxis wird eine Volumenfüllung von 99,9999% erreicht. According to the invention, a capacitor is provided for applications between 3 kV and 100 kV, in particular between 5 kV and 60 kV, at high breakdown field strengths, comprising as a dielectric a glass ceramic dielectric body of liquid glass phase extremely low pore or non-porous with a content of ferroelectric material in crystallite form of the order less nanometer or on paraelectric material in crystallite form of the order of a few microns and containing glass formers has been produced and forms a disk-shaped substrate having a substrate thickness (d), a substrate radius (r 1 ) and a wafer top, a disk underside and having a disk edge. The extent of the absence of pores is indicated by means of the so-called volume filling. The latter is at least 99.97% for the dielectric glass-ceramic body of the capacitor according to the invention. In practice, a volume filling of 99.9999% is achieved.

Als hohe Durchschlagsfeldstärke werden solche im Bereich von 10kv/mm bis 100kv/mm und darüber betrachtet. High breakdown field strengths are considered to be in the range of 10 kV / mm to 100 kV / mm and above.

Ferner umfasst der Kondensator als erste Elektrode eine erste Metallisationsschicht mit Metallisierungsradius (r2), welche die Scheibenoberseite unter Bildung einer ersten Metallisationskante und unter Freilassung eines oberen Scheibenrandbereiches bedeckt, sowie als zweite Elektrode eine zweite Metallisationsschicht mit Metallisierungsradius (r2), welche die Scheibenunterseite unter Bildung einer zweiten Metallisationskante und unter Freilassung eines unteren Scheibenrandbereiches bedeckt, wobei die erste Metallisationskante und die zweite Metallisationskante sich beidseitig des Glaskeramikkörpers gegenüberstehen, was die Stelle des größten Durchschlagsrisikos mit einem maximalen elektrischen Feld (Emax) bei einem homogenen Innenfeld (E0) im Raum zwischen erster und zweiter Metallisationsschicht bildet, wobei zur Bestimmung der elektrischen und geometrischen Werte eines zu entwerfenden Kondensators zunächst von einer Serie von Test-Kondensatoren mit vorbestimmter, definierter Geometrie ausgegangen wird, deren Durchschlagfestigkeiten für eine Weibullstatistik ausgemessen werden, wobei mit Werten wie folgt gearbeitet wird:

  • a) eine tolerable Durchschlagswahrscheinlichkeit (p),
  • b) ein Substratradius (r1n),
  • c) eine Substratdicke (dn),
  • d) ein Radius Metallisierungsschicht (r2n),
  • e) Weibull-Gütekennwerte (bn, E0n),
  • f) empirisch ermittelte Zahlenwerte (α = 0,189, β = 0,958, γ = 2/3), woraus
  • g) das maximale elektrische Feld (Emax, 0) der Serie von Test-Kondensatoren und eine Vergleichsdicke (d0) ermittelt werden, woraus wiederum
  • h) die maximal erlaubte Spannung (Û), das maximal erlaubte elektrische Feld (Ê0) und das maximale elektrische Feld (Emax) des zu entwerfenden Kondensators bei einer Kondensatorsubstratdicke (d), gemessen in mm, wie folgt berechnet werden:
Figure DE102014106919A1_0002
Further, the capacitor includes a first electrode, a first metalization layer having Metallisierungsradius (r 2) that the disc top side to form a first metallization edge and leaving an upper disc edge area covered, as well as a second electrode, a second metallization layer having Metallisierungsradius (r 2), which the disc lower side covered with the formation of a second metallization edge and leaving a lower edge area of the disc, the first metallization edge and the second metallization edge facing each other on both sides of the glass ceramic body, which is the point of greatest breakdown risk with a maximum electric field (E max ) for a homogeneous inner field (E 0 ). forms in the space between the first and second metallization, wherein for determining the electrical and geometric values of a capacitor to be designed first by a series of test capacitors with predetermined, definie geometry whose breakdown strengths are measured for a Weibull statistic, using values as follows:
  • a) a tolerable breakdown probability (p),
  • b) a substrate radius (r 1n ),
  • c) a substrate thickness (d n ),
  • d) a radius metallization layer (r 2n ),
  • e) Weibull quality characteristics (b n , E 0n ),
  • f) empirically determined numerical values (α = 0.189, β = 0.958, γ = 2/3), from which
  • g) the maximum electric field (E max , 0 ) of the series of test capacitors and a comparison thickness (d 0 ) are determined, which in turn
  • h) the maximum permissible voltage (Û), the maximum permissible electric field (Ê 0 ) and the maximum electric field (E max ) of the capacitor to be designed at a capacitor substrate thickness (d), measured in mm, are calculated as follows:
Figure DE102014106919A1_0002

Sofern für den Glaskeramikkörper des Kondensators ferroelektrisches Material in Kristallit-Form verwendet wird, weist der Glaskeramikkörper in einer bevorzugten Ausführungsform folgende Zusammensetzung in wt% auf: Komponente SiO2 B2O3 BaO CaO Al2O3 TiO2 CeO2 wt% 10,012 0,933 53,889 1,074 6,444 27,317 0,33 If ferroelectric material in crystallite form is used for the glass ceramic body of the capacitor, the glass ceramic body in a preferred embodiment has the following composition in wt%: component SiO 2 B 2 O 3 BaO CaO Al 2 O 3 TiO 2 CeO 2 wt% 10,012 0.933 53.889 1,074 6,444 27.317 0.33

Hierbei ist wenigstens BaTiO3 als eine auskristallisierte ferroelektrische Phase zugegen, wobei bei der Glasbildung sich der teilweise Ersatz von Ba durch Ce oder La ergibt. In this case, at least BaTiO 3 is present as a crystallized out ferroelectric phase, wherein the glass formation is the partial replacement of Ba by Ce or La results.

Sofern für den Glaskeramikkörper des Kondensators paraelektrisches Material in Kristallit-Form verwendet wird, weist der Glaskeramikkörper in einer bevorzugten Ausführungsform folgende Zusammensetzung in wt% auf: Komponente SiO2 Al2O3 BaO La2O3 TiO2 ZrO2 wt% 3,607 9,184 34,528 6,114 37,897 (8,671 If paraelectric material in crystallite form is used for the glass ceramic body of the capacitor, the glass ceramic body in a preferred embodiment has the following composition in wt%: component SiO 2 Al 2 O 3 BaO La 2 O 3 TiO 2 ZrO 2 wt% 3,607 9.184 34.528 6,114 37.897 (8,671

Hierbei ist wenigstens Ba4Al2Ti10O27 als eine auskristallisierte paraelektrische Phase zugegen, wobei bei der Glasbildung sich der teilweise Ersatz von Ba durch La und der teilweise Ersatz von Ti durch Zr ergibt. Here, at least Ba 4 Al 2 Ti 10 O 27 is present as a crystallized paraelectric phase, resulting in the glass formation of the partial replacement of Ba by La and the partial replacement of Ti by Zr.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Kondensator je eine ringförmige Zone mit erhöhtem spezifischem Widerstand im Vergleich zum spezifischen Widerstand der Metallisierungsschichten zwischen erster Metallisierungskante und oberem Scheibenrandbereich, beziehungsweise zwischen zweiter Metallisierungskante und unterem Scheibenrandbereich, auf. In a preferred embodiment, the capacitor according to the invention each has an annular zone with increased resistivity in comparison to the specific resistance of the metallization layers between the first metallization edge and the upper disk edge region, or between the second metallization edge and the lower disk edge region.

Die Geometrie des Kondensator wird durch das Verhältnis des Durchmessers (2r2) der Metallisierung zur Substratdicke (d) beschrieben. Dieses Verhältnis liegt in einem Bereich zwischen 10 und 300, bevorzugt in einem Bereich zwischen 15 und 200. The geometry of the capacitor is described by the ratio of the diameter (2r 2 ) of the metallization to the substrate thickness (d). This ratio is in a range between 10 and 300, preferably in a range between 15 and 200.

Das ferroelektrische Material des Kondensators weist eine relative Permittivität im Bereich zwischen 100 und 600, bevorzugt im Bereich zwischen 200 und 500 auf. The ferroelectric material of the capacitor has a relative permittivity in the range between 100 and 600, preferably in the range between 200 and 500.

Es sei darauf hingewiesen, dass "relative Permittivität" der Normbegriff für die Dielektrizitätszahl oder die dielektrische Konstante ist. Die relative Permittivität ist ein Maß für die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder. Sie ergibt sich als das Verhältnis der Permittivität des jeweiligen Materials zur elektrischen Feldkonstante. It should be noted that "relative permittivity" is the standard term for the dielectric constant or the dielectric constant. The relative permittivity is a measure of the permeability of a material for electric fields. It results as the ratio of the permittivity of the respective material to the electric field constant.

Das dielektrische Material des Kondensators weist eine relative Permittivität im Bereich zwischen 15 und 70, bevorzugt im Bereich zwischen 25 und 50 auf. The dielectric material of the capacitor has a relative permittivity in the range between 15 and 70, preferably in the range between 25 and 50.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kondensators ist die Dicke des Glaskeramikkörpers im Bereich der sich gegenüberstehenden Metallisierungskanten vergrößert. Hierdurch wird der Verlauf der elektrischen Feldlinien „verteilt“, das heißt die Dichte der Feldlinien nimmt an der kritischen Randstelle ab. Dadurch wird die Durchschlagsspannung erhöht. In a further preferred embodiment of the capacitor according to the invention, the thickness of the glass ceramic body in the region of the opposing metallization edges is increased. As a result, the course of the electric field lines is "distributed", that is, the density of the field lines decreases at the critical edge point. This increases the breakdown voltage.

Der Scheibenrand des Glaskeramikkörpers des Kondensators kann alternativ abgerundet sein, wodurch ebenfalls die Durchschlagsspannung erhöht wird. The wafer edge of the glass ceramic body of the capacitor may alternatively be rounded, which also increases the breakdown voltage.

In einer weiteren Ausführungsform weist der Kondensator einen Glaskeramikkörper auf, der aus einzelnen aufeinander gestapelten Scheiben als ein Scheibenpaket mit zusätzlichen inneren Metallisierungsschichten auf den einzelnen Scheiben aufgebaut ist. In a further embodiment, the capacitor has a glass ceramic body which is constructed from individual disks stacked on one another as a disk package with additional inner metallization layers on the individual disks.

Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kondensators kann dahingehend modifiziert werden, dass die inneren Metallisierungsschichten eine größere Fläche gegenüber der ersten oder zweiten Metallisierungsschicht einnehmen. Auf diese Weise wird ausgenutzt, dass die Durchschlagsspannung bei dünnen Glaskeramik-Schichten höher ist als bei dickeren Schichten. This embodiment of the capacitor according to the invention can be modified such that the inner metallization layers occupy a larger area than the first or second metallization layer. In this way it is exploited that the breakdown voltage is higher for thin glass ceramic layers than for thicker layers.

Ferner können die einzelnen Scheiben des Scheibenpakets des Kondensators eine zunehmende Scheibendicke zur Mitte des Scheibenpakets hin aufweisen. Furthermore, the individual disks of the disk package of the capacitor may have an increasing disk thickness toward the center of the disk package.

Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Teile beziehen. In the following, the invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to like parts.

Es zeigen: Show it:

1 einen perspektivischen Schnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung, 1 a perspective section through a first embodiment of the invention,

2 für die Ausführungsform gemäß 1 in einem Diagramm die Abhängigkeit der maximalen elektrischen Feldstärke bezogen auf die elektrische Feldstärke im Inneren vom Verhältnis des Metallisationsradius zur Substratdicke, 2 for the embodiment according to 1 in a diagram, the dependence of the maximum electric field strength with respect to the electric field strength in the interior of the ratio of the metallization radius to the substrate thickness,

3 einen perspektivischen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung, 3 a perspective section through a second embodiment of the invention,

4 in einem Diagramm die Abhängigkeit der maximalen elektrischen Feldstärke bezogen auf die elektrische Feldstärke im Inneren vom spezifischen Widerstand der zusätzlichen ringförmigen Zone des Ausführungsbeispiels gemäß 3 bei Anlegen einer Gleichspannung, 4 in a diagram, the dependence of the maximum electric field strength with respect to the electric field strength in the interior of the resistivity of the additional annular zone of the embodiment according to 3 when applying a DC voltage,

5 in einem Diagramm die Abhängigkeit der maximalen elektrischen Feldstärke bezogen auf die elektrische Feldstärke im Inneren vom spezifischen Widerstand der zusätzlichen ringförmigen Zone des Ausführungsbeispiels gemäß 3 bei Anlegen einer Wechselspannung, 5 in a diagram, the dependence of the maximum electric field strength with respect to the electric field strength in the interior of the resistivity of the additional annular zone of the embodiment according to 3 when applying an alternating voltage,

6 ein Ersatzschaltbild für die Ausführungsform der Erfindung gemäß 3, 6 an equivalent circuit diagram for the embodiment of the invention according to 3 .

7 einen perspektivischen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform der Erfindung, 7 a perspective section through a third embodiment of the invention,

8 einen perspektivischen Schnitt durch eine vierte Ausführungsform der Erfindung. 8th a perspective section through a fourth embodiment of the invention.

Unter Bezugnahme auf 1 wird nunmehr eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kondensators 1 beschrieben. 1 ist ein perspektivischer Schnitt durch einen solchen Kondensator 1. Dieser umfasst einen Glaskeramikkörper 10 als Dielektrikum. With reference to 1 Now, a first embodiment of a capacitor according to the invention 1 described. 1 is a perspective section through such a capacitor 1 , This comprises a glass ceramic body 10 as a dielectric.

Der dielektrische Glaskeramikkörper 10 bildet ein scheibenförmiges Substrat mit einer Substratdicke d, einem Substratradius r1, sowie einer Scheibenoberseite, einer Scheibenunterseite und einen Scheibenrand. The dielectric glass ceramic body 10 forms a disk-shaped substrate with a substrate thickness d, a substrate radius r 1 , as well as a disk top, a disk bottom and a disk edge.

Der Glaskeramikkörper 10 wurde äußerst porenarm oder porenfrei aus einer flüssigen Glasphase erzeugt. Der Grad der Porenfreiheit wird mittels der Volumenfüllung angegeben. Diese beträgt in der Praxis 99,9999 %. Der Porenanteil sollte jedenfalls 0.03% nicht übersteigen. Der Glaskeramikkörper hat einen Gehalt an ferroelektrischem Material in Kristallit-Form der Größenordnung weniger Nanometer (im Bereich von 10 nm bis 100 nm) oder an paraelektrischem Material in Kristallit-Form der Größenordnung bis wenige µm (im Bereich von 0,1 µm bis 50 µm). In der Praxis werden für die Glaskeramik BaTiO3 Kristallitgrößen im Bereich von 30 nm bis 50 nm gemessen. Damit liegt die Größenordnung der Kristallite im Größenordnungsbereich der ferroelektrischen Domänen dieser Glaskeramik von etwa 10 nm. Für die Glaskeramik Ba4Al2Ti10O27 sind Kristallitgrößen im Bereich 1 µm bis 10 µm gemessen worden. Die Dicke von Glaskeramikkörpern zu Zwecken der Erfindung beträgt etwa 1 mm. Damit sind die Kristallite wesentlich kleiner als die Dicke solcher Glaskeramikkörper für Kondensatoren und die Struktur der Kondensatoren erscheint nach außen mikroskopisch homogen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Glaskeramik 10 eine Restglasphase enthält, in welchem die Kristallite eingebettet sind. The glass ceramic body 10 was produced with extremely low pores or without pores from a liquid glass phase. The degree of freedom from pores is specified by means of the volume filling. This is in practice 99.9999%. The porosity should not exceed 0.03% in any case. The glass ceramic body has a content of ferroelectric material in crystallite form of the order of a few nanometers (in the range of 10 nm to 100 nm) or on paraelectric material in crystallite form of the order of magnitude of a few μm (in the range of 0.1 μm to 50 μm ). In practice, crystallite sizes in the range of 30 nm to 50 nm are measured for the glass-ceramic BaTiO 3 . Thus, the order of magnitude of the crystallites in the order of magnitude of the ferroelectric domains of this glass ceramic of about 10 nm. For the glass-ceramic Ba 4 Al 2 Ti 10 O 27 crystallite sizes have been measured in the range 1 .mu.m to 10 .mu.m. The thickness of glass ceramic bodies for purposes of the invention is about 1 mm. Thus, the crystallites are much smaller than the thickness of such glass ceramic body for capacitors and the structure of the capacitors appears microscopically homogeneous to the outside. It should be noted that the glass ceramic 10 contains a residual glass phase in which the crystallites are embedded.

Weist der Glaskeramikkörper 10 eine ferroelektrische Phase, wie zum Beispiel BaTiO3 auf, wird die folgende Zusammensetzung in wt% bevorzugt: Komponente SiO2 B2O3 BaO CaO Al2O3 TiO2 CeO2 wt% 10,012 0,933 53,889 1,074 6,444 27,317 0,33 Indicates the glass ceramic body 10 a ferroelectric phase, such as BaTiO 3 , the following composition in wt% is preferred: component SiO 2 B 2 O 3 BaO CaO Al 2 O 3 TiO 2 CeO 2 wt% 10,012 0.933 53.889 1,074 6,444 27.317 0.33

Bei der Glasbildung ergibt sich im Falle dieser Zusammensetzung der teilweise Ersatz von Ba durch Ce oder La. In the case of this composition, the glass formation results in the partial replacement of Ba by Ce or La.

Das ferroelektrische Material des Glaskeramikkörpers 10 weist eine relative Permittivität im Bereich zwischen 100 und 600, bevorzugt im Bereich zwischen 200 und 500 auf. The ferroelectric material of the glass ceramic body 10 has a relative permittivity in the range between 100 and 600, preferably in the range between 200 and 500.

Weist der Glaskeramikkörper paraelektrische Phasen wie zum Beispiel Ba4Al2Ti10O27, La4Ti2SiO9 oder La2Ti2SiO9 auf, wird die folgende Zusammensetzung in wt% bevorzugt: Komponente SiO2 Al2O3 BaO La2O3 TiO2 ZrO2 wt% 3,607 9,184 34,528 6,114 37,897 (8,671 , The glass-ceramic body paraelectric phase such as Ba 4 Al 2 Ti 10 O 27, La 4 Ti 9 SiO 2 or La 2 Ti 2 SiO 9, the following composition is preferred in wt%: component SiO 2 Al 2 O 3 BaO La 2 O 3 TiO 2 ZrO 2 wt% 3,607 9.184 34.528 6,114 37.897 (8,671

Bei der Glasbildung ergibt sich im Falle dieser Zusammensetzung der teilweise Ersatz von Ba durch La und der teilweise Ersatz von Ti durch Zr. Glass formation in the case of this composition results in partial replacement of Ba by La and partial replacement of Ti by Zr.

Das paraelektrische Material des Glaskeramikkörpers 10 weist eine relative Permittivität im Bereich zwischen 15 und 70, bevorzugt im Bereich zwischen 25 und 50 auf. The paraelectric material of the glass ceramic body 10 has a relative permittivity in the range between 15 and 70, preferably in the range between 25 and 50.

Auf der Oberseite des Glaskeramikkörpers ist eine erste Metallisationsschicht 11 aufgebracht. Diese Schicht bedeckt die Oberseite des Glaskeramikkörpers 10 derart, dass ein oberer Scheibenrandbereich 12 freigelassen wird. Die Grenze zwischen erster Metallisationsschicht 11 und oberem Scheibenrandbereich 12 wird durch eine Metallisationskante gebildet. Der erste Metallisationsbereich 11 weist einen Radius r2 auf. On top of the glass ceramic body is a first metallization layer 11 applied. This layer covers the top of the glass ceramic body 10 such that an upper disc edge area 12 is released. The boundary between the first metallization layer 11 and upper disk edge area 12 is formed by a metallization edge. The first metallization area 11 has a radius r 2 .

Spiegelbildlich zur Oberseite weist der Kondensator 1 auf seiner Unterseite einen zweiten Metallisationsbereich 13 mit einer zweiten Metallisationskante sowie einen unteren Scheibenrandbereich 14 auf. Der zweite Metallisationsbereich 13 hat ebenfalls einen Radius r2. Mirrored to the top, the capacitor 1 on its underside a second metallization area 13 with a second metallization edge and a lower edge of the disc 14 on. The second metallization area 13 also has a radius r 2 .

Zusammen bilden der erste Metallisationsbereich 11 und der zweite Metallisationsbereich 13 die beiden Elektroden des Kondensators 1. Together form the first metallization area 11 and the second metallization region 13 the two electrodes of the capacitor 1 ,

Die erste Metallisationskante auf der Oberseite des Glaskeramikkörpers 10 und die zweite Metallisationskante auf der Unterseite des Glaskeramikkörpers 10 stehen sich gegenüber. Die Stelle, an der sich die beiden Metallisationskanten gegenüber stehen, bildet die Stelle des größten Durchschlagsrisikos mit einem maximalen elektrischen Feld Emax bei einem homogenen elektrischen Feld der Feldstärke E0 in dem Raum zwischen erster und zweiter Metallisationsschicht. The first metallization edge on the top of the glass ceramic body 10 and the second metallization edge on the underside of the glass ceramic body 10 stand opposite each other. The point at which the two metallization edges face each other forms the point of highest breakdown risk with a maximum electric field E max for a homogeneous electric field of field strength E 0 in the space between the first and second metallization layers.

Die Abhängigkeit der auf die Feldstärke E0 bezogenen maximalen elektrischen Feldstärke Emax/E0, vom Verhältnis aus Radius r2 der beiden Metallisationsschichten 11, 13 und Substratdicke d wird in 2 gezeigt. Die untere Kurve zeigt diesen Verlauf für den Fall, dass an den Kondensator 1 eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 100 Hz angelegt wird, die obere Kurve den Fall einer angelegten Gleichspannung. Beide Kurven zeigen, dass das maximale elektrische Feld Emax mit zunehmendem Verhältnis r1/d abnimmt. Dies beinhaltet die überraschende Tatsache, dass der Feldanstieg, das maximale elektrische Feld Emax an der Stelle des größten Durchschlagrisikos abnimmt, je kleiner das Verhältnis r1/d oder r2/d ist, dass heißt je dünner der Glaskeramikkörper 10 ist. The dependence of the maximum electric field strength E max / E 0 on the field strength E 0 , on the ratio of radius r 2 of the two metallization layers 11 . 13 and substrate thickness d is in 2 shown. The lower curve shows this course in the event that to the capacitor 1 an AC voltage with a frequency of 100 Hz is applied, the upper curve is the case of an applied DC voltage. Both curves show that the maximum electric field E max decreases as the ratio r 1 / d increases. This implies the surprising fact that the field increase, the maximum electric field E max , decreases at the point of greatest strike-through risk, the smaller the ratio r 1 / d or r 2 / d, that is, the thinner the glass ceramic body 10 is.

Vor dem Hintergrund dieser Erkenntnis haben die Erfinder nunmehr eine Skalierungsregel zur Bestimmung der elektrischen und geometrischen Parameter eines zu entwerfenden, erfindungsgemäßen Kondensators 1 entwickelt. Against the background of this knowledge, the inventors now have a scaling rule for determining the electrical and geometric parameters of a capacitor according to the invention to be designed 1 developed.

Zunächst werden bestimmte Werte für eine Serie von Testkondensatoren mit Parameterwerten ähnlich zu dem zu entwerfenden Kondensator angenommen, jedoch mit einer bestimmten, definierten Geometrie. Für diese Serie werden die Durchschlagsfestigkeiten gemessen, um eine Weibullstatistik zu erstellen und das maximale elektrische Feld (Emax, 0) zu ermitteln. Dies stellt die Basis für die Designregeln des neuen, zu entwerfenden Kondensators dar, der geänderte Geometrien aufweisen kann. First, certain values are assumed for a series of test capacitors with parameter values similar to the capacitor to be designed, but with a certain, defined geometry. For this series, the breakdown strengths are measured to provide Weibull statistics and to determine the maximum electric field (E max, 0 ). This forms the basis for the design rules of the new condenser to be designed, which may have changed geometries.

Es wird darauf hingewiesen, dass die Durchschlagsfeldstärken stark von der Geometrie der Kondensatoren abhängig sind. Normalerweise treten Werte um 60kv/mm bis 80kV/mm auf. Bei sehr dünnen Glaskeramiken (Dicken kleiner 0,1 mm) werden Werte größer als 100kV/mm erwartet. Im Einzelnen wird mit folgenden Werten gearbeitet:

  • a) Eine tolerable Durchschlagswahrscheinlichkeit p,
  • b) einen Substratradius r1n in mm,
  • c) eine Substratdicke d in mm,
  • d) einen Radius r2n der beiden Metallisierungsschichten,
  • e) Weibull-Gütekennwerte bn, Eon für die Beschreibung der Verteilung der Ausfallwahrscheinlichkeit der Testkondensatoren und
  • f) empirisch ermittelte Zahlenwerte (α = 0,189, β = 0,958, γ = 2/3), die sich durch Fitten bei numerischen Simulationen ergeben.
It should be noted that the breakdown field strengths are highly dependent on the geometry of the capacitors. Normally values are around 60kv / mm to 80kV / mm. For very thin glass ceramics (thicknesses less than 0.1 mm), values greater than 100 kV / mm are expected. In detail, the following values are used:
  • a) A tolerable breakdown probability p,
  • b) a substrate radius r 1n in mm,
  • c) a substrate thickness d in mm,
  • d) a radius r 2n of the two metallization layers,
  • e) Weibull quality characteristics b n , E on for the description of the distribution of the probability of failure of the test capacitors and
  • f) empirically determined numerical values (α = 0.189, β = 0.958, γ = 2/3), which result from fits in numerical simulations.

Aus diesen Werten wird das maximale elektrische Feld Emax,0 der Testkondensatoren sowie eine Vergleichsdicke d0 in mm errechnet. From these values, the maximum electric field E max, 0 of the test capacitors and a comparison thickness d 0 in mm are calculated.

Auf Basis dieser Werte werden wiederum die maximal erlaubte Spannung Û sowie das maximale elektrische Feld Emax des zu entwerfenden Kondensators für den Fall einer gegebenen Substratdicke d in mm wie folgt errechnet.

Figure DE102014106919A1_0003
On the basis of these values, in turn, the maximum permissible voltage Û and the maximum electric field E max of the capacitor to be designed for the case of a given substrate thickness d in mm are calculated as follows.
Figure DE102014106919A1_0003

Unter nunmehriger Bezugnahme auf 3 wird im Folgenden ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kondensators beschrieben. 3 zeigt einen perspektivischen Schnitt durch ein solches zweites Ausführungsbeispiel. Gezeigt wird ein Kondensator 2 mit einem Glaskeramikkörper 10, für den hinsichtlich Geometrie und Zusammensetzung die entsprechenden Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 gelten. Auf der Oberseite des Glaskeramikkörpers 10 ist eine erste Metallisationsschicht 11 mit einer ersten Metallisationskante, auf der Unterseite eine zweite Metallisationsschicht 13 mit einer zweiten Metallisationskante angebracht. Der Kondensator 2 weist ebenfalls einen oberen Scheibenrandbereich 12 sowie einen unteren Scheibenrandbereich 14 auf. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist zwischen der ersten Metallisationskante und dem oberen Scheibenrandbereich 12 sowie zwischen der zweiten Metallisationskante und dem unteren Scheibenrandbereich 14 jeweils eine zusätzliche ringförmige Zone 21 mit einem spezifischen Widerstand auf den Glaskeramikkörper 10 durch Beschichtung aufgebracht. Der spezifische Widerstand dieser ringförmigen Zone 21 ist höher als der spezifische Widerstand der beiden Metallisierungsschichten. Referring now to 3 In the following, a second embodiment of a capacitor according to the invention will be described. 3 shows a perspective section through such a second embodiment. Shown is a capacitor 2 with a glass ceramic body 10 , for the geometry and composition of the corresponding statements to the first embodiment according to 1 be valid. On top of the glass ceramic body 10 is a first metallization layer 11 with a first metallization edge, on the underside a second metallization layer 13 attached with a second metallization edge. The capacitor 2 also has an upper disc rim area 12 and a lower disk edge area 14 on. In the embodiment according to 3 is between the first metallization edge and the upper disk edge area 12 and between the second metallization edge and the lower disk edge region 14 each an additional annular zone 21 with a specific resistance to the glass ceramic body 10 applied by coating. The specific resistance of this annular zone 21 is higher than the resistivity of the two metallization layers.

Wie bereits ausgeführt, tritt ohne eine solche ringförmige Zone 21 der Spitzenwert des elektrischen Feldes an der Metallisationskante auf. Wenn eine solche ringförmige Zone aufgebracht ist, dann entspricht dies im Falle eines gut leitenden Ringes lediglich einer Vergrößerung des Radius der Metallisationsschicht und führt dazu, dass der Spitzenwert des elektrischen Feldes näher an der äußeren Begrenzung des Glaskeramikkörpers auftritt, was nicht erwünscht ist. Bei hohem spezifischem Widerstand der Zone 21 bleibt es beim Spitzenwert des elektrischen Feldes an der ursprünglichen Metallisationskante. Durch Variation des spezifischen Widerstands der ringförmigen Zone ist also der Widerstandswert zu finden, für den der Spitzenwert des elektrischen Feldes bei gegebener Geometrie und Betriebsfrequenz minimal wird. Dabei verteilen sich die austretenden Rand-Feldlinien auf die Ringzone 21 und bleiben nicht an der Metallisierungskante konzentriert. As already stated, occurs without such an annular zone 21 the peak value of the electric field at the metallization edge. When such an annular zone is applied, in the case of a highly conductive ring, this corresponds only to an increase in the radius of the metallization layer and results in the peak electric field occurring closer to the perimeter of the glass ceramic body, which is undesirable. With high specific resistance of the zone 21 it remains at the peak of the electric field at the original metallization edge. By varying the specific resistance of the annular zone, it is thus possible to find the resistance value for which the peak value of the electric field is minimal for a given geometry and operating frequency. The exiting edge field lines are distributed over the ring zone 21 and do not stay focused on the metallization edge.

Die Ergebnisse entsprechender Untersuchungen werden in 4 dargestellt. 4 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit der maximalen elektrischen Feldstärke Emax bezogen auf die Feldstärke E0 des homogenen Feldes im Inneren des Kondensators 2 vom spezifischen Widerstand ρL[Ωm] der ringförmigen Zone 21 bei Anlegen einer Gleichspannung. Die Untersuchungen wurden aus Vergleichsgründen für einen erfindungsgemäßen Kondensator mit einem Glaskeramikkörper als Dielektrikum und für einen Kondensator gleicher Geometrie, aber mit Öl als Dielektrikum durchgeführt. Für beide betrachteten Dielektrika ergibt sich nahezu der gleiche günstige Wert für den spezifischen Widerstand der ringförmigen Zone 21 im Bereich 1 × 108 bis 1 × 1010 Ωm und einem Optimum bei 1 × 109 Ωm. The results of such investigations will be published in 4 shown. 4 shows in a diagram the dependence of the maximum electric field strength E max with respect to the field strength E 0 of the homogeneous field inside the capacitor 2 the resistivity ρ L [Ωm] of the annular zone 21 when applying a DC voltage. The investigations were carried out for comparison reasons for a capacitor according to the invention with a glass ceramic body as a dielectric and for a capacitor of the same geometry, but with oil as a dielectric. For both dielectrics considered, the result is almost the same favorable value for the specific resistance of the annular zone 21 in the range 1 × 10 8 to 1 × 10 10 Ωm and an optimum at 1 × 10 9 Ωm.

5 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit der maximalen elektrischen Feldstärke Emax bezogen auf die Feldstärke E0 des homogenen Feldes im Inneren des Kondensators 2 vom spezifischen Widerstand ρL[Ωm] der ringförmigen Zone 21 bei Anlegen einer Wechselspannung mit einer Frequenz von 100 Hz. Die Untersuchungen wurden aus Vergleichsgründen für einen erfindungsgemäßen Kondensator mit einem Glaskeramikkörper als Dielektrikum und für einen Kondensator gleicher Geometrie, aber mit Öl als Dielektrikum durchgeführt. Aus 5 folgt, dass es ein Optimum für den dielektrischen Verlust gibt, bei dem die Durchschlagsfestigkeit maximal ist. Jedoch muss im Design noch die Frequenzanforderung berücksichtigt werden(Ersatzschaltbild). 5 shows in a diagram the dependence of the maximum electric field strength E max with respect to the field strength E 0 of the homogeneous field inside the capacitor 2 the resistivity ρ L [Ωm] of the annular zone 21 when applying an alternating voltage with a frequency of 100 Hz. The investigations were carried out for comparison reasons for a capacitor according to the invention with a glass ceramic body as a dielectric and for a capacitor of the same geometry, but with oil as a dielectric. Out 5 it follows that there is an optimum for the dielectric loss at which the dielectric strength is maximum. However, the frequency requirement must still be considered in the design (equivalent circuit diagram).

6 ist ein Ersatzschaltbild für die Ausführungsform gemäß 3. Die ringförmige Zone bildet ein RC-Serienglied mit ohmschem Widerstand R2 und Kapazität C2 zusätzlich zu dem RC-Parallelglied mit ohmschen Widerstand R1 und Kapazität C1. Wenn ein Kondensator gemäß 3 entworfen ist, wird überprüft, ob die Soll-Grenzfrequenz oder Cutoff Frequenz fc nach bekannten Ingenieurregeln eingehalten wird. 6 is an equivalent circuit diagram for the embodiment according to 3 , The annular zone forms an RC series element with ohmic resistance R 2 and capacitance C 2 in addition to the RC parallel element with ohmic resistance R 1 and capacitance C 1 . If a capacitor according to 3 is designed, it is checked whether the target cutoff frequency or cutoff frequency f c is complied with in accordance with known engineering rules.

Beispiel example

Für den Erhalt einer Skalierungsregel für den spezifischen Widerstand einer ringförmigen Zone für einen Kondensator, der für Arbeitsfrequenzen unterhalb von 1 kHz vorgesehen ist, wurde ein Kondensator mit folgenden Werten festgelegt:
Nennkapazität: 5,5 nF
Nennspannung: 30 kV
To obtain a scaling rule for the resistivity of an annular zone for a capacitor intended for operating frequencies below 1 kHz, a capacitor was set with the following values:
Rated capacity: 5.5 nF
Rated voltage: 30 kV

Bei Verwendung von Glaskeramik mit einer relativen Permittivität ε des Dielektrikums von 220 wurden folgende Werte ermittelt:
Elektrische Feldkonstante: 8,85·10–12 As/Vm
Dicke des Dielektrikums: 1 mm
Radius r2 der Metallisationsschicht: 30 mm
Gesamtradius r3 von Metallisationsschicht und ringförmiger Zone: 34 mm
Kapazität der ringförmigen Zone C2: 1,56·10–9 F
Höhe oder Dicke der ringförmigen Zone h: 5·10–3 mm
elektrischer Widerstand R2 der ringförmigen Zone: 102 kΩ
Cutoff Frequenz fc: 1000 Hz
Spezifischer Widerstand ρ des Materials für die ringförmige Zone: 2 kΩm
When using glass-ceramic with a relative permittivity ε of the dielectric of 220, the following values were determined:
Electrical field constant: 8.85 x 10 -12 As / Vm
Thickness of the dielectric: 1 mm
Radius r 2 of the metallization layer: 30 mm
Total radius r 3 of metallization layer and annular zone: 34 mm
Capacity of the annular zone C 2 : 1.56 · 10 -9 F
Height or thickness of the annular zone h: 5 · 10 -3 mm
electrical resistance R 2 of the annular zone: 102 kΩ
Cutoff frequency f c : 1000 Hz
Specific resistance ρ of the material for the annular zone: 2 kΩm

Um eine Cutoff Frequenz fc von 1000 Hz zu erhalten, muss das Material der ringförmigen Zone passend gewählt werden, wobei gilt:

Figure DE102014106919A1_0004
In order to obtain a cutoff frequency f c of 1000 Hz, the material of the annular zone must be suitably chosen, where:
Figure DE102014106919A1_0004

Ein Material mit einem spezifischen Widerstand ρ von 2 kΩm in einer Dicke von 5µm erfüllt diese Bedingung und kann als Paste durch Beschichtung auf den Glaskeramikkörper aufgebracht werden. A material with a specific resistance ρ of 2 kΩm in a thickness of 5 microns fulfills this condition and can be applied as a paste by coating on the glass ceramic body.

Die Ausführungsbeispiele gemäß den 1 und 3 können auf zweierlei Weise variiert werden. The embodiments according to the 1 and 3 can be varied in two ways.

Zum Einen kann die Dicke des Glaskeramikkörpers im Bereich der sich spiegelbildlich gegenüber stehenden Metallisierungskanten erhöht werden. Die sich ergebende Form des Glaskeramikkörpers wird auch als Rogowski-Profil bezeichnet. On the one hand, the thickness of the glass-ceramic body can be increased in the region of the metallization edges which are in mirror image. The resulting shape of the glass ceramic body is also referred to as the Rogowski profile.

Zum Anderen kann der Scheibenrand des Glaskeramikkörpers abgerundet werden. On the other hand, the disc edge of the glass ceramic body can be rounded.

Diese beiden Weiterbildungen führen dazu, dass der Verlauf des elektrischen Feldes im Randbereich des Kondensators abgeflacht wird, was zu einer höheren Durchschlagsspannung führt, dass heißt der elektrische Durchbruch erfolgt erst bei einer höheren Spannung relativ zu dem Fall ohne die Weiterbildung. These two developments lead to the course of the electric field in the edge region of the capacitor is flattened, resulting in a higher breakdown voltage, that is, the electrical breakdown occurs only at a higher voltage relative to the case without the training.

Unter nunmehriger Bezugnahme auf 7 wird eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kondensators beschrieben. 7 ist ein perspektivischer Schnitt durch einen Kondensator 3, der an seiner Oberseite mit einer Metallisierungsschicht 11 versehen ist. Diese Schicht 11 deckt nicht die gesamte Oberfläche ab, sondern lässt einen Randbereich 12 übrig. Statt des Glaskeramikkörpers 10 der beiden zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele weist der Kondensator 3 einen Glaskeramikkörper 30 auf, der aus einzelnen Glaskeramikscheiben 30a mit zwischen ihnen befindlichen Metallisierungsschichten 31 besteht. Der Kondensator 3 ist somit als ein Scheibenpaket aufgebaut. Der Kondensator 3 besteht also aus hintereinander geschalteten Einzel-Kondensatoren, wodurch die Gesamtspannung des Kondensators 3 gegenüber den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 oder 3 erhöht wird. Gleichzeitig steigt die Durchschlagsfestigkeit erheblich, wenn der Kondensator bei gleicher Fläche dünner wird. Bei 7 sind mehrere Einzelkondensatoren in Reihe geschaltet, somit kann die hohe Durchschlagfestigkeit für hohe Spannungen nutzbar gemacht werden. Referring now to 7 a third embodiment of the capacitor according to the invention will be described. 7 is a perspective section through a capacitor 3 standing at its top with a metallization layer 11 is provided. This layer 11 does not cover the entire surface, but leaves a border area 12 left. Instead of the glass ceramic body 10 of the two embodiments described above, the capacitor 3 a glass ceramic body 30 on, made of individual glass ceramic panes 30a with metallization layers between them 31 consists. The capacitor 3 is thus constructed as a disk package. The capacitor 3 consists of series-connected single capacitors, whereby the total voltage of the capacitor 3 compared to the embodiments according to the 1 or 3 is increased. At the same time, the dielectric strength increases significantly as the capacitor becomes thinner for the same area. at 7 If several individual capacitors are connected in series, the high dielectric strength can be harnessed for high voltages.

Wird eine ungerade Anzahl von Metallisierungsschichten 31 geplant, so kann die mittlere Schicht aus Symmetriegründen entfallen, wie in 8 dargestellt. Will be an odd number of metallization layers 31 planned, the middle layer can be omitted for symmetry reasons, as in 8th shown.

In einer nicht dargestellten Weiterbildung des Ausführungsbeispiels gemäß 7 oder 8 nehmen die Metallisierungsschichten im Inneren des Glaskeramikkörpers 30 eine größere Fläche ein (haben einen etwas größeren Radius), als die erste und die zweite Metallisierungsschicht auf der obere- bzw. der Unterseite des Glaskeramikkörpers. Um einen nennenswerten Effekt auf die Feldverteilung an der kritischen Stelle, der Randkante der Metallisierungsschicht zu erlangen, muss das Maß der Vergrößerung der Metallisierungsschichten 31 im Inneren des Glaskeramikkörpers in der Größenordnung der Dicken der einzelnen Glaskeramikscheiben 30a sein. Wenn solche Glaskeramikscheiben 1 mm dick sind, sollten die inneren Metallisierungsschichten 31 einen um etwa 1 mm größeren Radius aufweisen als die erste oder zweite Metallisierungsschicht 11, 13. In a not shown embodiment of the embodiment according to 7 or 8th take the metallization layers inside the glass ceramic body 30 a larger area (have a slightly larger radius), as the first and the second metallization layer on the top and the bottom of the glass ceramic body. In order to obtain a significant effect on the field distribution at the critical location, the marginal edge of the metallization layer, the degree of enlargement of the metallization layers must be increased 31 in the interior of the glass ceramic body in the order of the thicknesses of the individual glass ceramic panes 30a be. If such glass ceramic discs are 1 mm thick, the inner metallization layers should 31 have a radius larger by about 1 mm than the first or second metallization layer 11 . 13 ,

Unter nunmehriger Bezugnahme auf 8 wird eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kondensators beschrieben. 8 ist ein perspektivischer Schnitt durch einen Kondensator 4, der hinsichtlich der Schichtenfolge aus Glaskeramikscheiben und Metallisierungsschichten gleich aufgebaut ist wie der Kondensator 3 in 7. Allerdings weisen die einzelnen Scheiben eine zur Mitte des Scheibenpakets hin zunehmende Dicke auf. Referring now to 8th a fourth embodiment of the capacitor according to the invention will be described. 8th is a perspective section through a capacitor 4 , which is the same structure with respect to the layer sequence of glass ceramic discs and metallization layers as the capacitor 3 in 7 , However, the individual disks have a thickness increasing toward the middle of the disk package.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1
Kondensator capacitor
2 2
Kondensator capacitor
3 3
Kondensator capacitor
4 4
Kondensator capacitor
10 10
Glaskeramikkörper Ceramic body
11 11
erste Metallisationsschicht first metallization layer
12 12
oberer Scheibenrandbereich upper disk edge area
13 13
zweite Metallisationsschicht second metallization layer
14 14
unterer Scheibenrandbereich lower pane edge area
21 21
ringförmige Zone annular zone
30 30
Glaskeramikkörper Ceramic body
30a30a
Glaskeramikscheiben  Ceramic discs
31 31
Metallisierungsschichten metallization
40 40
Glaskeramikkörper Ceramic body

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 1951624 [0002] DE 1951624 [0002]
  • WO 2005/095301 A1 [0003] WO 2005/095301 A1 [0003]
  • DE 102008011206 A1 [0004] DE 102008011206 A1 [0004]

Claims (12)

Kondensator für Hochspannungsanwendungen zwischen 3kV und 100kV, umfassend: – einen dielektrischen Glaskeramikkörper (10), der aus flüssiger Glasphase äußerst porenarm oder porenfrei unter einem Gehalt an ferroelektrischem Material in Kristallit-Form der Größenordnung weniger Nanometer oder an paraelektrischem Material in Kristallit-Form der Größenordnung bis wenige µm und mit einem Gehalt an Glasbildner erzeugt worden ist und ein scheibenförmiges Substrat bildet, das eine Substratdicke (d), einen Substratradius (r1) sowie eine Scheibenoberseite, eine Scheibenunterseite und einen Scheibenrand aufweist, – eine erste Metallisationsschicht (11) mit Metallisierungsradius (r2), welche die Scheibenoberseite unter Bildung einer ersten Metallisationskante und unter Freilassung eines oberen Scheibenrandbereiches (12) bedeckt, – eine zweite Metallisationsschicht mit Metallisierungsradius (r2), welche die Scheibenunterseite unter Bildung einer zweiten Metallisationskante und unter Freilassung eines unteren Scheibenrandbereiches (14) bedeckt, – wobei die erste Metallisationskante und die zweite Metallisationskante sich beidseitig des Glaskeramikkörpers (10) gegenüberstehen, was die Stelle des größten Durchschlagsrisikos mit einem maximalen elektrischen Feld (Emax) bei einem homogenen Innenfeld (E0) im Raum zwischen erster und zweiter Metallisationsschicht bildet, – wobei zur Bestimmung der elektrischen und geometrischen Werte eines zu entwerfenden Kondensators zunächst von einer Serie von Test-Kondensatoren mit vorbestimmter, definierter Geometrie ausgegangen wird, deren Durchschlagsfestigkeiten für eine Weibullstatistik ausgemessen werden, wobei mit Werten wie folgt gearbeitet wird: a) eine tolerable Durchschlagswahrscheinlichkeit (p), b) ein Substratradius (r1n), c) eine Substratdicke (dn), d) ein Radius der Metallisierungsschicht (r2n), e) Weibull-Gütekennwerte (bn, E0n), f) empirisch ermittelte Zahlenwerte (α = 0,189, β = 0,958, γ = 2/3), woraus g) das maximale elektrische Feld (Emax, 0) der Serie von Test-Kondensatoren und eine Vergleichsdicke (d0) ermittelt werden, woraus wiederum h) die maximal erlaubte Spannung (Û), das maximal erlaubte elektrische Feld (Ê0) und das maximale elektrische Feld (Emax) des zu entwerfenden Kondensators bei einer Kondensatorsubstratdicke (d) in mm wie folgt berechnet werden:
Figure DE102014106919A1_0005
Capacitor for high voltage applications between 3kV and 100kV, comprising: - a dielectric glass ceramic body ( 10 ), which has been produced from liquid glass phase with extremely low pores or without pores under a content of ferroelectric material in crystallite form of the order of a few nanometers or paraelectric material in crystallite form of the order of a few μm and containing glass former, and a disk-shaped substrate having a substrate thickness (d), a substrate radius (r 1 ) and a wafer top, a wafer bottom and a wafer edge, - a first metallization layer ( 11 metallization radius (r 2 ), which forms the wafer top to form a first metallization edge and leaving an upper wafer edge region ( 12 ), a second metallization layer having a metallization radius (r 2 ), which forms the underside of the disk to form a second metallization edge and leaving a lower edge area of the disk ( 14 ), wherein the first metallization edge and the second metallization edge extend on both sides of the glass ceramic body ( 10 ), which forms the site of the greatest breakdown risk with a maximum electric field (E max ) for a homogeneous inner field (E 0 ) in the space between the first and second metallization layer, - wherein for determining the electrical and geometric values of a capacitor to be designed first of a series of test capacitors having a predetermined, defined geometry is used, the breakdown strengths of which are measured for a Weibull statistic using values as follows: a) a tolerable breakdown probability (p), b) a substrate radius (r 1n ), c) a substrate thickness (d n ), d) a radius of the metallization layer (r 2n ), e) Weibull quality characteristics (b n , E 0n ), f) empirically determined numerical values (α = 0.189, β = 0.958, γ = 2/3 ), from which g) the maximum electric field (E max , 0 ) of the series of test capacitors and a comparison thickness (d 0 ) are determined, from which in turn h) the maximum permissible bte voltage (Û), the maximum permissible electric field (Ê 0 ) and the maximum electric field (E max ) of the capacitor to be designed at a capacitor substrate thickness (d) in mm are calculated as follows:
Figure DE102014106919A1_0005
Kondensator (1) nach Anspruch 1, wobei der Glaskeramikkörper (10) folgende Zusammensetzung in wt% aufweist: Komponente SiO2 B2O3 BaO CaO Al2O3 TiO2 CeO2 wt% 10,012 0,933 53,889 1,074 6,444 27,317 0,33
und wenigstens BaTiO3 als eine auskristallisierte ferroelektrische Phase zugegen ist, wobei bei der Glasbildung sich der teilweise Ersatz von Ba durch Ce oder La ergibt.
Capacitor ( 1 ) according to claim 1, wherein the glass ceramic body ( 10 ) has the following composition in wt%: component SiO 2 B 2 O 3 BaO CaO Al 2 O 3 TiO 2 CeO 2 wt% 10,012 0.933 53.889 1,074 6,444 27.317 0.33
and at least BaTiO 3 is present as a crystallized ferroelectric phase, wherein the glass formation results in the partial replacement of Ba by Ce or La.
Kondensator (1) nach Anspruch 1, wobei der Glaskeramikkörper (10) folgende Zusammensetzung in wt% aufweist: Komponente SiO2 Al2O3 BaO La2O3 TiO2 ZrO2 wt% 3,607 9,184 34,528 6,114 37,897 (8,671
und wenigstens Ba4Al2Ti10O27 als eine auskristallisierte paraelektrische Phase zugegen ist, wobei bei der Glasbildung sich der teilweise Ersatz von Ba durch La und der teilweise Ersatz von Ti durch Zr ergibt.
Capacitor ( 1 ) according to claim 1, wherein the glass ceramic body ( 10 ) has the following composition in wt%: component SiO 2 Al 2 O 3 BaO La 2 O 3 TiO 2 ZrO 2 wt% 3,607 9.184 34.528 6,114 37.897 (8,671
and at least Ba 4 Al 2 Ti 10 O 27 is present as a crystallized paraelectric phase, the glass formation resulting in the partial replacement of Ba by La and the partial replacement of Ti by Zr.
Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei je eine ringförmige Zone (21) mit erhöhtem spezifischem Widerstand im Vergleich zum spezifischen Widerstand der Metallisierungsschichten zwischen erster Metallisierungskante und oberem Scheibenrandbereich (12), beziehungsweise zwischen zweiter Metallisierungskante und unterem Scheibenrandbereich, angebracht sind. A capacitor according to any one of claims 1 to 3, wherein each one annular zone ( 21 ) with increased specific resistance in comparison to the specific resistance of the metallization layers between the first metallization edge and the upper edge region ( 12 ), or between the second metallization edge and the lower edge area of the disc, are mounted. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verhältnis des Durchmessers (2r2) der Metallisierung (11) zur Substratdicke (d) in einem Bereich zwischen 10 und 300, bevorzugt in einem Bereich zwischen 15 und 200 liegt. A capacitor according to any one of claims 1 to 4, wherein the ratio of the diameter (2r 2 ) of the metallization ( 11 ) to the substrate thickness (d) in a range between 10 and 300, preferably in a range between 15 and 200. Kondensator nach einem der Anspruche 1, 2 und 4, 5, wobei das ferroelektrische Material eine relative Permittivität im Bereich zwischen 100 und 600, bevorzugt im Bereich zwischen 200 und 500 aufweist.  A capacitor according to any one of claims 1, 2 and 4, 5, wherein the ferroelectric material has a relative permittivity in the range between 100 and 600, preferably in the range between 200 and 500. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 5, wobei das dielektrische Material eine relative Permittivität im Bereich zwischen 15 und 70, bevorzugt im Bereich zwischen 25 und 50 aufweist.  A capacitor according to any one of claims 1 and 3 to 5, wherein the dielectric material has a relative permittivity in the range between 15 and 70, preferably in the range between 25 and 50. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Dicke des Glaskeramikkörpers im Bereich der sich gegenüberstehenden Metallisierungskanten vergrößert ist.  Capacitor according to one of claims 1 to 7, wherein the thickness of the glass ceramic body is increased in the region of the opposing metallization edges. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Scheibenrand des Glaskeramikkörpers (10) abgerundet ist. Capacitor according to one of claims 1 to 8, wherein the disk edge of the glass ceramic body ( 10 ) is rounded. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Glaskeramikkörper (30) aus einzelnen aufeinander gestapelten Scheiben (30a) als ein Scheibenpaket mit zusätzlich inneren Metallisierungsschichten (31) auf den einzelnen Scheiben (30a) aufgebaut ist. A capacitor according to any one of claims 1 to 9, wherein the glass ceramic body ( 30 ) of individual disks ( 30a ) as a disk package with additional inner metallization layers ( 31 ) on the individual discs ( 30a ) is constructed. Kondensator nach Anspruch 10, wobei die inneren Metallisierungsschichten eine größere Fläche gegenüber der ersten oder zweiten Metallisierungsschicht (11, 13) einnehmen. The capacitor of claim 10, wherein the inner metallization layers have a larger area than the first or second metallization layer (10). 11 . 13 ). Kondensator nach Anspruch 10 oder 11, wobei die einzelnen Scheiben des Scheibenpakets zunehmende Scheibendicke zur Mitte des Scheibenpakets hin aufweisen.  A capacitor according to claim 10 or 11, wherein the individual disks of the disk package have increasing disk thickness towards the center of the disk package.
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