DE102016110742A1

DE102016110742A1 - Filterbauelement zur Filterung eines Störsignals

Info

Publication number: DE102016110742A1
Application number: DE102016110742.5A
Authority: DE
Inventors: Fabian Beck; Florian Böhm; Jürgen Konrad; Markus Koini
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2016-06-10
Filing date: 2016-06-10
Publication date: 2017-12-14
Also published as: US20190267193A1; US20200266002A1; WO2017212070A1; US10692655B2; JP2019525522A; DE112017002895A5; CN109478464A

Abstract

Ein Filterbauelement zur Filterung eines Störsignals weist wenigstens einen keramischen Vielschichtkondensator (2, 3, 5) mit einem Grundkörper (6) auf, in dem eine Vielzahl von keramischen Schichten (9) und Innenelektroden (10, 11, 12) übereinander gestapelt sind, und wobei am Grundkörper (6) Anschlusskontakte (7, 8) angeordnet sind. Die keramischen Schichten (9) weisen beispielsweise eine Blei-Lanthan-Zirkonat-Titanat-Keramik auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Filterbauelement zur Filterung eines Störsignals, insbesondere ein EMI(Elektromagnetische Interferenz)-Filterbauelement. Derartige Filter sind beispielsweise für den Einsatz im Automotive-Bereich, insbesondere bei Hybrid- und Elektro-Fahrzeugen (xEV), ausgebildet. Ein Filterbauelement ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2013 101 323 B4 bekannt.
In einer Hochtemperatur-Umgebung, wie z. B. in einer xEV-Anwendung, ist eine hohe thermische Stabilität der Filterkomponenten, insbesondere der Kondensatoren, erforderlich. Das Filterbauelement sollte insbesondere für einen Einsatz bei Temperaturen von 150 °C und höher geeignet sein. Zudem sollten die Kondensatoren eine hohe Robustheit gegenüber Feuchtigkeit, relativ hohe Kapazitätswerte und eine geringe Einbaugröße aufweisen.
Diese Eigenschaften sind mit Filmkondensatoren, die häufig für Hochvolt-EMI-Filter eingesetzt werden, nur schwer zu erreichen. Oftmals weisen Filmkondensatoren eine große Einbaugröße auf oder erfordern eine Kühlung, um die Temperatur auf einem akzeptablen Niveau zu halten. Auch die meisten keramischen Kondensatoren weisen nicht die für den Einsatz in EMI-Filtern gewünschten Eigenschaften wie hohe thermische Stabilität, gutes Filtervermögen und mechanische Robustheit bei den gleichzeitig benötigten Kapazitätswerten auf.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Filterbauelement mit verbesserten Eigenschaften anzugeben.
Das erfindungsgemäße Filterbauelement weist wenigstens einen keramischen Vielschichtkondensator (MLCC, multi layer ceramic capacitor) auf. Der Vielschichtkondensator weist einen Grundkörper auf, in dem eine Vielzahl von keramischen Schichten und Innenelektroden übereinander gestapelt sind. Am Grundkörper, insbesondere an gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers, sind Anschlusskontakte angeordnet.
Der Grundkörper kann auch aus mehreren Teilkörpern zusammengesetzt sein, die beispielsweise parallel miteinander verschaltet sind. Die Teilkörper sind beispielsweise zwischen zwei gemeinsamen Anschlusskontakten angeordnet.
In einer Ausführungsform weisen die keramischen Schichten eine modifizierte Blei-Zirkonat-Titanat(PZT)-Keramik auf. Beispielsweise können die keramischen Schichten eine Blei-Lanthan-Zirkonat-Titanat(PLZT)-Keramik aufweisen.
Die Zusammensetzung der Keramik ist insbesondere derart gewählt, dass die Keramik ein anti-ferroelektrisches Verhalten aufweist. Bei einem anti-ferroelektrischen Verhalten steigt die dielektrische Konstante mit zunehmender elektrischer Feldstärke an. Die dielektrische Konstante nimmt insbesondere ein Maximum bei einem Wert der elektrischen Feldstärke größer Null an und fällt danach bei zunehmender elektrischer Feldstärke wieder ab. Entsprechend steigt die elektrische Kapazität des Vielschichtkondensators in einem Spannungsbereich größer Null bei zunehmender elektrischer Spannung an.
Beispielsweise steigt die Kapazität zumindest in einem Bereich von 200 Volt bis 300 Volt an. Die Kapazität nimmt beispielsweise ein Maximum in einem Bereich zwischen 300 V und 1000 V an und fällt danach wieder ab.
Derartige Kondensatoren wurden bereits für den Einsatz in DC-Link- und Snubber-Anwendungen entwickelt. In diesen Anwendungen ist die Stromtragfähigkeit von übergeordneter Bedeutung. Es hat sich nun überraschenderweise herausgestellt, dass ein derartiger Kondensator auch besonders vorteilhafte Eigenschaften für einen Einsatz in einem EMI-Filter aufweist. In diesem Anwendungsbereich ist weniger eine hohe Stromtragfähigkeit, sondern eine hohe Spannungsfestigkeit, insbesondere bei hohen Temperaturen, gefordert.
In einer Ausführungsform weist der Kondensator wenigstens eine Außenelektrode auf, die auf einer Außenseite des Grundkörpers angeordnet ist und an der der Anschlusskontakt befestigt ist. Beispielsweise weist die Außenelektrode wenigstens eine gesputterte Schicht auf. Die Außenelektrode kann direkt auf der Keramik aufgebracht sein. In einer Ausführungsform weist die Außenelektrode einen mehrschichtigen Aufbau auf. Bei einem mehrschichtigen Aufbau können die einzelnen Schichten hinsichtlich ihrer Haftfestigkeit an der Keramik, ihrer Eigenschaft als Diffusionssperre und hinsichtlich der Anbringung einer Weiterkontaktierung optimiert sein. Beispielsweise weist die gesputterte Außenelektrode einen Cr/Ni/Ag-Schichtaufbau auf.
In einer Ausführungsform ist wenigstens einer der Anschlusskontakte aus einem Blech gebildet. Insbesondere kann es sich um einen Leadframe handeln. Die Anschlusskontakte können Anschlussbereiche aufweisen, die zur elektrischen und/oder mechanischen Verbindung des Kondensators mit einem Träger, beispielsweise einer Leiterplatte, ausgebildet sind. Die Anschlusskontakte weisen beispielsweise eine gebogene Form auf. Insbesondere sind die Anschlussbereiche nach innen oder nach außen bezüglich einer Aufsicht auf den Grundkörper gebogen.
In einer Ausführungsform können die Anschlusskontakte eine unterbrochene Struktur aufweisen. Beispielsweise können die Anschlusskontakte mäanderförmig ausgebildet sein. Die Anschlusskontakte können auch Bereiche in Form von Kontaktfingern aufweisen.
In einer Ausführungsform weist wenigstens einer der Anschlusskontakte ein Material mit einem geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, beispielsweise Invar, auf. Der Anschlusskontakt kann auch einen mehrschichtigen Aufbau aufweisen. Beispielsweise weist der Anschlusskontakt einen CIC(Kupfer-Invar-Kupfer)-Schichtaufbau auf.
In einer Ausführungsform ist wenigstens einer der Anschlusskontakte durch ein gesintertes Verbindungsmaterial am Grundkörper befestigt. Dazu wird das Verbindungsmaterial als Paste auf den Grundkörper und/oder den Anschlusskontakt aufgetragen. Die Paste enthält beispielsweise Silber. Danach wird der Anschlusskontakt am Grundkörper angeordnet und die Anordnung erhitzt. Insbesondere wird ein Niedertemperatur-Sinterprozess durchgeführt, bei dem die Temperatur beispielsweise zwischen 150 °C und 350 °C liegt.
In einer Ausführungsform weist der Vielschichtkondensator erste Innenelektroden, die mit einem ersten Anschlusskontakt verbunden sind, zweite Innenelektroden, die mit einem zweiten Anschlusskontakt verbunden sind, und dritte Innenelektroden, die mit keinem Anschlusskontakt verbunden sind, auf.
Ein derartiger innerer Aufbau des Kondensators entspricht einer Serienschaltung zweier Kondensatoren. Der Kondensator kann deshalb auch aus serieller Kondensator (MLSC, Multi Layer Serial Ceramic Capacitor) bezeichnet werden.
In einer Ausführungsform ist im Grundkörper wenigstens ein Entlastungsbereich zur mechanischen Entlastung des Vielschichtkondensators ausgebildet. Die keramischen Schichten sind im Entlastungsbereich beispielsweise nicht oder nur mit geringer Festigkeit miteinander verbunden. Der Entlastungsbereich kann als Spalt zwischen den Schichten ausgebildet sein.
Der Vielschichtkondensator ist beispielsweise an einer Leiterplatte befestigt. Beispielsweise können die Anschlusskontakte mit der Leiterplatte durch ein gesintertes Verbindungsmaterial oder durch ein Lotmaterial verbunden sein.
In einer Ausführungsform weist das Filterbauelement wenigstens eine Stromschiene auf. Die Stromschiene kann zwei Endabschnitte aufweisen, die aus einem Gehäuse des Filterbauelements herausragen. Ein mittlerer Abschnitt der Stromschiene ist beispielsweise im Gehäuse angeordnet. Insbesondere weist das Filterbauelement wenigstens zwei derartige Stromschienen auf.
Zum Anschließen des Filterbauelements an elektrische Leiter weisen die Stromschienen beispielsweise Anschlüsse an ihren Endabschnitten auf. Mit den Anschlüssen kann die Stromschiene beispielsweise an eine Versorgungsspannung, zum Beispiel an eine Batterie, und eine Last angeschlossen sein.
Beispielsweise ist eine Leiterplatte, auf der der Vielschichtkondensator angeordnet ist, an der Stromschiene befestigt. Insbesondere kann die Leiterplatte mit der Stromschiene verschraubt sein.
In einer Ausführungsform weist das Filterbauelement ein Gehäuse, insbesondere ein Metallgehäuse, auf. Die elektrischen Komponenten des Filterbauelements sind innerhalb des Gehäuses angeordnet. Das Gehäuse dient insbesondere zur elektromagnetischen Abschirmung.
Das Filterbauelement kann ein oder mehrere der vorgehend beschriebenen Vielschichtkondensatoren aufweisen. Der Vielschichtkondensator ist beispielsweise in einer LC-Stufe verschaltet. Der Vielschichtkondensator kann zur Masse hin verschaltet sein und/oder zwischen Anschlüssen an eine Spannungsversorgung und Anschlüssen an eine Last verschaltet sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Verwendung eines keramischen Vielschichtkondensators in einem Filterbauelement zur Filterung eines Störsignals angegeben. Der Vielschichtkondensator und das Filterbauelement können wie vorgehend beschrieben ausgebildet sein. Insbesondere weist der Vielschichtkondensator einen Grundkörper auf, in dem eine Vielzahl von keramischen Schichten und Innenelektroden übereinander gestapelt sind und wobei am Grundkörper Anschlusskontakte angeordnet sind. Beispielsweise weisen die keramischen Schichten eine Blei-Lanthan-Zirkonat-Titanat-Keramik auf.
In der vorliegenden Offenbarung sind mehrere Aspekte einer Erfindung beschrieben. Alle Eigenschaften, die in Bezug auf das Filterbauelement und die Verwendung eines Vielschichtkondensators offenbart sind, sind auch entsprechend in Bezug auf die anderen Aspekte offenbart, auch wenn die jeweilige Eigenschaft nicht explizit im Kontext der anderen Aspekte erwähnt wird. Zudem ist die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen, soweit technisch sinnvoll, miteinander kombiniert werden.
Im Folgenden werden die hier beschriebenen Gegenstände anhand von schematischen Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Beispiel-Schaltbild eines EMI-Filters,
2 ein keramischer Vielschichtkondensator für einen EMI-Filter in perspektivischer Ansicht,
3 ein weiterer keramischer Vielschichtkondensator für einen EMI-Filter in perspektivischer Ansicht,
4 ein Grundkörper eines keramischen Vielschichtkondensators für einen EMI-Filter in Schnittansicht,
5 einen Anbindung eines Anschlusskontakts an einen Grundkörper eines keramischen Vielschichtkondensators für einen EMI-Filter in Schnittansicht,
6 eine Anbindung eines Anschlusskontakts eines keramischen Vielschichtkondensators für einen EMI-Filter an eine Leiterplatte und eine Stromschiene in Schnittansicht,
7 ein Kapazität-Spannungs-Diagramm eines keramischen Vielschichtkondensators für einen EMI-Filter,
8 eine Störspannungskurve einer Leistungselektronik gefiltert mit einem EMI-Filter aufweisend einen keramischen Vielschichtkondensator.
Vorzugsweise verweisen in den folgenden Figuren gleiche Bezugszeichen auf funktionell oder strukturell entsprechende Teile der verschiedenen Ausführungsformen.
1 zeigt ein beispielhaftes Schaltbild eines EMI-Filters 1, insbesondere eines Gleichstrom-EMI-Filters. Ein derartiger Filter 1 kann auch als EMV(Elektromagnetische Verträglichkeit)- oder EMC(Electromagnetic Compatibility)-Filter bezeichnet werden. Der Filter 1 dient zur Filterung eines Störsignals, das zusammen mit einem Nutzsignal auf einer elektrischen Leitung übertragen wird. Es kann sich insbesondere um einen Hochvolt-Filter handeln. Beispielsweise ist der Filter 1 für den Einsatz im Automotive-Bereich, insbesondere bei Hybrid- und Elektro-Fahrzeugen (xEV), ausgebildet. Der Filter 1 kann auch als Filterbauelement 1 bezeichnet werden.
Der Filter 1 weist Anschlüsse L+ und L– an eine Spannungsversorgung (LINE) und Anschlüsse L+´ und L–´ an eine Last (LOAD) auf. Bei der Spannungsversorgung handelt es sich beispielsweise um eine Hochvolt-Batterie. Beispielsweise liegt die erforderliche Spannung bei 400 bis 100 VDC. Bei der Last handelt es sich beispielsweise um die Antriebseinheit eines Fahrzeuges. Weiterhin weist der Filter 1 einen Anschluss PE an eine Schutzleitung bzw. Erde oder Gehäuse auf.
Der Filter 1 weist mehrere erste und zweite Kondensatoren 2, 3 auf. Die ersten Kondensatoren 2 sind zwischen den Anschlüssen L+, L–, L+´ und L–´ verschaltet. Die zweiten Kondensatoren 3 sind zur Masse hin verschaltet. Zudem weist der Filter 1 mehrere Induktivitäten 4 mit Magnetkernen auf.
Die elektrischen Komponenten des Filters 1, insbesondere Kondensatoren 2, 3 und Induktivitäten 4, können zur Abschirmung in einem Gehäuse angeordnet sein.
In einer Hochtemperatur-Umgebung, wie z. B. in einer xEV-Anwendung, ist eine hohe thermische Stabilität des Filters 1 erforderlich. Die Komponenten, insbesondere die Kondensatoren 2, 3, sollten bei Temperaturen größer 85 °C noch zuverlässig einsetzbar sein. Beispielsweise sollten die Komponenten mindestens bis zu einer Temperatur von 125 °C, vorzugsweise mindestens bis zu 150 °C einsetzbar sein.
Erforderliche Kapazitätswerte für die ersten Kondensatoren 2 liegen beispielsweise bei 100 nF bis einige µF und für die zweiten Kondensatoren 3 bei einigen nF bis 1 µF, insbesondere bei 4,7 nF.
2 zeigt eine Ausführungsform eines keramischen Vielschichtkondensators 5, der zum Einsatz in einem Hochtemperatur-EMI-Filter geeignet ist. Beispielsweise sind ein oder mehrere der Kondensatoren 2, 3 im EMI-Filter 1 aus 1 als ein derartiger keramischer Vielschichtkondensator 5 ausgebildet.
Der Vielschichtkondensator 5 weist einen Grundkörper 6 auf. Der Grundkörper 6 ist als keramischer Chip ausgebildet. Der Grundkörper 6 weist ein keramisches Material auf.
Beispielsweise wird ein Keramikmaterial der folgenden Formel verwendet: Pb_{(1-1,5a-0,5b+1,5d+e+0,5f)}A_aB_b(Zr_1-xTi_x)_(1-c-d-e-f)Li_dC_eFe_fSi_cO₃ + y·PbO, wobei A aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus La, Nd, Y, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er und Yb besteht; B aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Na, K und Ag besteht; C aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Ni, Cu, Co und Mn besteht; und wobei gilt 0 < a < 0,12; 0,05 ≤ x ≤ 0,3; 0 ≤ b < 0,12; 0 ≤ c < 0,12; 0 ≤ d < 0,12; 0 ≤ e < 0,12; 0 ≤ f < 0,12; 0 ≤ y < 1, wobei b + d + e + f > 0.
Beispielsweise gilt für die Zusammensetzung wenigstens eine der folgenden Beziehungen: 0,1 < x < 0,2; 0,001 < b < 0,12; und vorzugsweise d = e = f = 0; 0,001 < e < 0,12; und vorzugsweise b = d = f = 0.
Insbesondere kann eine PLZT(Blei-Lanthan-Zirkonat-Titanat)-Keramik verwendet werden. In diesem Fall gilt somit in der obigen Formel A = La. Zudem kann für B = Na gelten. Beispielsweise weist das Material die folgende Zusammensetzung auf: Pb_0,87La_0,07Na_0,05Zr_0,86Ti_0,14O₃.
Die Zusammensetzung der Keramik ist insbesondere derart gewählt, dass die Keramik ein anti-ferroelektrisches Verhalten aufweist. Das anti-ferroelektrische Verhalten ist in Zusammenhang mit 7 näher beschrieben.
Darüber hinaus weist das Keramikmaterial eine hohe Isolationsfähigkeit bei hoher Temperatur auf. Beispielsweise gilt für das Produkt aus Isolationswiderstand R_is und Kapazität C: R_is × C > 1 × 10⁴ ΩF bei 150 °C.
Der Vielschichtkondensator 5 weist zwei Anschlusskontakte 7, 8 auf, die an gegenüberliegenden Seitenflächen des Grundkörpers 6 angeordnet sind. Die Anschlusskontakte 7, 8 sind jeweils in Form von gebogenen Kontaktblechen (lead frames) ausgebildet. Die Anschlusskontakte 7, 8 sind nach außen, d.h., in einer Richtung vom Grundkörper 6 weg, gebogen. Diese Form der Anschlusskontakte 7, 8 wird auch als L-Form bezeichnet.
Die Anschlusskontakte 7, 8 weisen Anschlussbereiche 24, 25 auf. Die Anschlussbereiche 24, 25 sind in der Aufsicht seitlich vom Grundkörper 6 angeordnet.
Die Anschlusskontakte 7, 8 sind beispielsweise zur SMD-Montage ausgebildet. Beispielsweise werden die Anschlusskontakte 7, 8, insbesondere die Anschlussbereiche 24, 25, durch Lötung mit einer Leiterplatte verbunden. Die Anschlussbereiche 24, 25 sind in Höhenrichtung von einer Unterseite des Grundkörpers 6 beabstandet angeordnet, so dass zwischen dem Grundkörper 6 und der Leiterplatte ein Freiraum gebildet ist. Dies ermöglicht eine verbesserte Wärmeabfuhr.
Die Leiterplatte ist beispielsweise mit einer Stromschiene des EMI-Filters verbunden, insbesondere verschraubt. Die Anschlusskontakte 7, 8 weisen beispielsweise Kupfer und/oder einen mehrschichtigen Metallverbund auf.
Der Grundkörper 6 weist eine Länge L, eine Höhe H und eine Breite B auf. Die Länge L ist die Erstreckung des Grundkörpers 6 von einem Anschlusskontakt 7 zum gegenüberliegenden Anschlusskontakt 8, die Höhe H ist die Erstreckung senkrecht zu einer Leiterplatte und die Breite B die Erstreckung in einer Richtung senkrecht zur Höhe H und senkrecht zur Länge L. Beispielsweise ist die Höhe H wesentlich geringer als die Breite B und die Länge L. Beispielsweise liegt die Länge L im Bereich von 6,0 mm bis 8,0 mm. Insbesondere kann die Länge L bei 7 mm liegen. Beispielsweise liegt die Breite B im Bereich von 7,0 mm bis 9,0 mm. Insbesondere kann die Breite B bei 8 mm liegen. Beispielsweise liegt die Höhe H im Bereich von 2,0 und 4,0 mm. Insbesondere kann die Höhe H bei 3,0 mm liegen.
Die Kondensatoren 2, 3 aus 1 können auch jeweils mehrere miteinander verschaltete keramische Körper aufweisen. Dazu sind beispielsweise mehrere Grundkörper zwischen zwei Anschlusskontakten (lead frames) angeordnet und zu einer Kondensatoreinheit verschaltet.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines keramischen Vielschichtkondensators 5 für einen EMI-Filter, bei dem im Unterschied zum Vielschichtkondensator aus 2 die Anschlusskontakte 7, 8 nach innen gebogen sind. Die Anschlussbereiche 24, 25 befinden sich in Aufsicht unterhalb des Grundkörpers 6. Die Anschlussbereiche 24, 25 sind in Höhenrichtung vom Grundkörper 6 beabstandet. Diese Form der Anschlusskontakte 7, 8 kann als J-Form bezeichnet werden.
4 zeigt den Grundkörper 6 in einer Schnittansicht. Der Grundkörper 6 weist eine Vielzahl von keramischen Schichten 9 und Innenelektroden 10, 11, 12 auf. Vorzugsweise sind alle keramischen Schichten 9 und Innenelektroden 10, 11, 12 gemeinsam gesintert. Die keramischen Schichten 9 weisen die oben beschriebene Zusammensetzung auf. Die Innenelektroden 10, 11, 12 weisen Kupfer auf oder bestehen mit hohem Reinheitsgrad aus Kupfer.
Die ersten Innenelektroden 10 sind bis zu einer Seitenfläche des Grundkörpers 6 geführt und dort mit dem ersten Anschlusskontakt 7 elektrisch verbunden. Die zweiten Innenelektroden 11 sind bis zu einer gegenüberliegenden Seitenfläche des Grundkörpers 6 geführt und mit dem zweiten Anschlusskontakt 8 elektrisch verbunden.
Die ersten Innenelektroden 10 sind jeweils mit einer zweiten Innenelektrode 11 auf einer gemeinsamen keramischen Schicht 9 angeordnet. Somit sind eine erste Innenelektrode 10 und eine zweite Innenelektrode 11 jeweils auf derselben Höhe des Grundkörpers 6 angeordnet. Die ersten Innenelektroden 10 und die zweiten Innenelektroden 11 überlappen sich nicht in orthogonaler Projektion.
Die dritten Innenelektroden 12 sind als sogenannte schwebende Elektroden („floating electrodes“) ausgebildet. Die dritten Innenelektroden 12 sind mit keinem der Anschlusskontakte 7, 8 elektrisch verbunden. Die dritten Innenelektroden 12 überlappen sich in orthogonaler Projektion mit den ersten und zweiten Innenelektroden 10, 11. Die dritten Innenelektroden 12 sind in Stapelrichtung abwechselnd mit den auf einer gemeinsamen Schicht 9 befindlichen ersten und zweiten Innenelektroden 10, 11 angeordnet.
Die Innenelektroden 10, 11 gegenpoliger Polarität sind nicht bis zu einer gemeinsamen Seitenfläche des Grundkörpers 6 geführt.
Die Anordnung der Innenelektroden 10, 11, 12 und insbesondere die Ausbildung der schwebenden Innenelektroden 12 ermöglicht eine besonders hohe Kapazitätsdichte des Vielschichtkondensators 5. Somit können bei einer geringen Baugröße hohe Kapazitätswerte erreicht werden. Beispielsweise können bei 400 V_DC Betriebsspannung Kapazitäten von bis zu 1 µF erreicht werden. Weiterhin kann durch dieses Design die Spannungsfestigkeit erhöht werden. Aufgrund des Designs können die keramischen Schichten 9 eine geringere Dicke aufweisen und es kann eine höhere Durchbruchsfestigkeit erreicht werden.
Der Grundkörper 6 weist ein oder mehrere Entlastungsbereiche 13 auf, in denen die keramischen Schichten 9 nicht miteinander verbunden sind. Die Entlastungsbereiche 13 dienen der mechanischen Entlastung des Vielschichtkondensators 5 und tragen somit zur Erhöhung der mechanischen Stabilität bei. Insbesondere können durch die Entlastungsbereiche 13 mechanische Spannungen reduziert werden. Die Entlastungsbereiche 13 können umlaufend entlang den Seitenflächen des Grundkörpers 6 ausgebildet sein.
5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 2 bzw. 3, in dem die Befestigung des ersten Anschlusskontakts 7 am Grundkörper 6 und der Aufbau des Anschlusskontakts 7 im Detail zu sehen ist.
Der Anschlusskontakt 7 weist einen mehrschichtigen Aufbau auf. Eine erste Schicht 14 weist ein erstes Material mit einer besonders guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit auf. Beispielsweise handelt es sich dabei um Kupfer. Der Anschlusskontakt weist eine zweite Schicht 15 aus einem zweiten Material auf. Das zweite Material weist einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Weiterhin gewährleistet die zweite Schicht 15 beispielsweise die mechanische Festigkeit des Anschlusskontakts 7. Beispielsweise handelt es sich beim zweiten Material um Invar, eine spezifische Eisen-Nickel-Legierung.
Der Anschlusskontakt 7 kann zudem eine dritte Schicht 16 aufweisen. Die dritte Schicht 16 kann das gleiche Material wie die erste Schicht 14 aufweisen. Durch die dritte Schicht 16 kann ein Bimetall-Verhalten des Anschlusskontakts 7 verhindert werden.
Insbesondere kann der Anschlusskontakt 7 einen CIC(Kupfer-Invar-Kupfer)-Schichtaufbau aufweisen.
Die zweite Schicht 15 ist beispielsweise wesentlich dicker als die erste Schicht 14 und die dritte Schicht 16. Beispielsweise weist die dritte Schicht 16 die gleiche Dicke wie die erste Schicht 14 auf. Beispielsweise weist die zweite Schicht 15 eine Dicke von 90 µm, die erste Schicht 14 eine Dicke von 30 µm und die dritte Schicht 16 eine Dicke von 30 µm auf.
Der Anschlusskontakt 7 kann darüber hinaus ein oder mehrere weitere Schichten 17, 18 aufweisen. Die weiteren Schichten 17, 18 bilden beispielsweise die Außenseiten des Anschlusskontakts 7. Beispielsweise handelt es sich um Galvanikschichten, insbesondere um Silberschichten. Die Galvanikschichten weisen beispielsweise jeweils eine Dicke im Bereich von 5 µm bis 10 µm auf. Die weiteren Schichten 17, 18 dienen beispielsweise zur Passivierung für die erste bzw. die dritte Schicht 14, 16. Insbesondere können diese Schichten einen Anlaufschutz bieten. Weiterhin können diese Schichten lötbare Oberflächen bereitstellen oder die Verbindung zu einem Sintermaterial verbessern.
Zur Herstellung eines Anschlusskontakts 7 wird beispielsweise die zweite Schicht 15 bereitgestellt und anschließend darauf die erste Schicht 14 und gegebenenfalls die dritte Schicht 16 angeordnet. Die zweite Schicht 15 wird insbesondere als Blech bereitgestellt. Beispielsweise werden die erste und dritte Schicht 14, 16 auf die zweite Schicht 15 aufgewalzt. Anschließend werden beispielsweise beidseitig die Galvanikschichten 17, 18 aufgebracht. Aus dem mehrschichten Blech wird dann beispielsweise ein Stück herausgestanzt und in eine gewünschte Form gebogen.
Der Anschlusskontakt 7 ist vorzugsweise an einer Außenelektrode 19 des Grundkörpers 6 befestigt. Die Außenelektrode 19 grenzt direkt an die Keramik des Grundkörpers 9 an. Die Außenelektrode 19 weist beispielsweise wenigstens eine gesputterte Schicht auf. Die Außenelektrode 19 kann mehrere über einander angeordnete Schichten, insbesondere mehrere gesputterte Schichten aufweisen. Es kann sich beispielsweise um einen Cr/Ni/Ag-Schichtaufbau handeln.
Beispielsweise weist die Außenelektrode 19 eine Dicke im Bereich von 1 µm auf.
Der Anschlusskontakt 7 ist durch ein Verbindungsmaterial 20 mit der Außenelektrode 19 verbunden. Das Verbindungsmaterial 20 sollte eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweisen. Weiterhin sollte das Verbindungsmaterial 20 eine hohe Robustheit gegenüber Temperaturwechsellasten und eine hohe Haftkraft aufweisen. Beispielsweise weist das Verbindungsmaterial 20 ein Sintermaterial, insbesondere Sintersilber, auf. Der Anschlusskontakt 7 wird dann mit dem Grundkörper 6 durch Sintern, insbesondere Niedertemperatur-Sintern, des Verbindungsmaterials 20 befestigt. Unter Sintern wird dabei das Verbinden unter Umgehung der flüssigen Phase des Verbindungsmaterials 20 verstanden. Das Sintern erfolgt somit als Diffusionsprozess.
Beispielsweise erfolgt das Sintern bei einer Temperatur zwischen 150 °C und 350 °C, insbesondere zwischen 200 °C und 300 °C. Beispielsweise weist das Verbindungsmaterial 20 eine Dicke im Bereich von 20 µm auf.
6 zeigt einen Ausschnitt einer Befestigung eines Anschlusskontakts 7 eines Vielschichtkondensators 5 (2 und 3) an einer Leiterplatte 21 und einer Stromschiene 26. Der Anschlusskontakt 7 ist beispielsweise wie in 5 ausgebildet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nicht alle möglichen Schichten des Anschlusskontakts 7 dargestellt.
Die Leiterplatte 21 ist beispielsweise als FR4- oder keramisches Substrat ausgebildet. Die Leiterplatte 21 ist beispielsweise mittels einer Schraube 27 mit einer Stromschiene 26 des EMI-Filters verbunden. Die Stromschiene 26 ist beispielsweise als Metallblech ausgebildet.
Die Leiterplatte 21 weist einen Kontaktbereich 22 auf, an dem der Anschlusskontakt 7 befestigt ist. Beispielsweise handelt es sich bei dem Kontaktbereich 22 um einen Lötpad, einen Cu-Kontakt oder einen Ni-Au-Kontakt. Der Anschlusskontakt 7 ist mit dem Kontaktbereich 22 über ein Verbindungsmaterial 23 versintert oder verlötet. Als Verbindungsmaterial 23 wird beispielsweise Sintersilber oder ein SAC-Lot verwendet.
Insgesamt weist der oben beschriebene Vielschichtkondensator 5 aufgrund seines strukturellen Aufbaus und seines Materials eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine hohe Robustheit gegenüber Feuchtigkeit auf. Es ist keine zusätzliche Versiegelung des Kondensators 5 notwendig, was zur geringen Einbaugröße beiträgt.
7 zeigt einen Verlauf der Kapazität C in Abhängigkeit von einer Gleichspannung V_DC für einen Vielschichtkondensator für einen EMI-Filter, beispielsweise gemäß den 3 bzw. 4. Die Messungen wurden bei unterschiedlichen Schichtdicken A, B, C des Dielektrikums durchgeführt. Die durchgezogenen Linien sind dabei die Messergebnisse bei quasistatischer Hysterese-Messung und die gestrichelten Linien bei 1kHz, 0.5 V_RMS.
Die Vielschichtkondensatoren weisen ein anti-ferroelektrisches Verhalten auf. Bei einer Erhöhung der Spannung steigt die Kapazität an. Die Kapazität erreicht ein Maximum und singt danach wieder ab. Entsprechend verhält sich für das Keramikmaterial die dielektrische Konstante in Abhängigkeit vom elektrischen Feld. Bei einem ferroelektrischen Verhalten nimmt die Kapazität beginnend bei V = 0 ab.
Das Ansteigen der Kapazität bei zunehmender Spannung findet beispielsweise mindestens in einem Spannungsbereich zwischen 200 V und 300 V statt. Bei allen Schichtdicken A, B, C erreicht die Kapazität bei weiter zunehmender Spannung ein Maximum und nimmt danach wieder ab. Die Maxima der Kapazitäten bilden sich für alle Schichtdicken A, B, C bei der gleichen elektrischen Feldstärke, jedoch bei unterschiedlichen Spannungen aus.
8 zeigt eine Störspannungskurve eines EMI-Filters aufweisend den oben beschriebenen Vielschichtkondensator 5. Der EMI-Filter weist den Aufbau aus 1 auf. Der EMI-Filter kann alternativ auch nur als eine LC-Stufe mit einer Induktivität 4 und zweiten Kondensatoren 3 ausgebildet sein.
Die Messungen wurden gemäß dem CISPR 25-Standard durchgeführt. Es wurde eine Peak-(Pk), eine Quasipeak (QP) und eine Mittelwert(AV)-Messung durchgeführt. Aufgetragen ist die Störspannung U in dBµV gegen die Frequenz f in Hz. Zudem sind die jeweiligen Grenzwerte Pk_L, AV_L und QP_L eingezeichnet.
Wie im Diagramm zu sehen ist, weist der EMI-Filter im gesamten Frequenzbereich, d.h., vom Langwellenbereich bis zum UKW-Bereich, gute Filtereigenschaften auf.
Es hat sich gezeigt, dass sich insbesondere der unter der Produktbezeichnung „CeraLink“ vertriebene Kondensator der EPCOS AG für den Einsatz in einem DC-EMI-Filter eignet. Beispielsweise kann hier ein CeraLink-Kondensator der LP-Serie (siehe beispielsweise Produkt-Datenblatt mit Stand vom 08.02.2016) zum Einsatz kommen. Dieser Kondensator wurde ursprünglich für DC-Link- oder Snubber-Anwendungen entwickelt, so dass der Kondensator für hohe Kondensatorströme optimiert ist.
Es hat sich nun überraschenderweise herausgestellt, dass ein derartiger Kondensator auch für den Einsatz in DC-EMI-Filtern geeignet ist und auch für diese Anwendungsgebiet besonders vorteilhafte Eigenschaften aufweist. Bei einem Einsatz in einem EMI-Filter ist die Stromtragfähigkeit eher von untergeordneter Bedeutung. Vielmehr sollte der Kondensator eine hohe Spannungsfestigkeit, insbesondere auch bei hohen Temperaturen, aufweisen. Dies ist beim CeraLink-Kondensator der Fall.
Bezugszeichenliste

1: Filter/Filterbauelement
2: erster Kondensator
3: zweiter Kondensator
4: Induktivität
5: Vielschichtkondensator
6: Grundkörper
7: erster Anschlusskontakt
8: zweiter Anschlusskontakt
9: keramische Schicht
10: erste Innenelektrode
11: zweite Innenelektrode
12: schwebende Innenelektrode
13: Entlastungsbereich
14: erste Schicht
15: zweite Schicht
16: dritte Schicht
17: weitere Schicht
18: weitere Schicht
19: Außenelektrode
20: Verbindungsmaterial
21: Leiterplatte
22: Kontaktbereich
23: Verbindungsmaterial
24: erster Anschlussbereich
25: zweiter Anschlussbereich
26: Stromschiene
27: Schraube
L+: Anschluss an Spannungsversorgung
L–: Anschluss an Spannungsversorgung
L+´: Anschluss an Last
L–´: Anschluss an Last
PE: Anschluss an Schutzleitung
Pk: Peak
QP: Quasipeak
AV: Mittelwert
Pk_L: Grenzwert für Pk
QP_L: Grenzwert für QP
AV_L: Grenzwert für AV

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013101323 B4 [0001]

Claims

Filterbauelement zur Filterung eines Störsignals, aufweisend wenigstens einen keramischen Vielschichtkondensator (2, 3, 5) mit einem Grundkörper (6), in dem eine Vielzahl von keramischen Schichten (9) und Innenelektroden (10, 11, 12) übereinander gestapelt sind, wobei am Grundkörper (6) Anschlusskontakte (7, 8) angeordnet sind.
Filter nach Anspruch 1, bei dem die elektrische Kapazität des Vielschichtkondensators (2, 3, 5) in einem Spannungsbereich größer Null bei zunehmender elektrischer Spannung ansteigt.
Filter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die keramischen Schichten (9) eine Blei-Lanthan-Zirkonat-Titanat-Keramik aufweisen.
Filterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens einer der Anschlusskontakte (7, 8) Invar aufweist.
Filterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens einer der Anschlusskontakte (7, 8) aus einem Blech gebildet ist.
Filterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens einer der Anschlusskontakte (7, 8) durch ein gesintertes Verbindungsmaterial (20) am Grundkörper (6) befestigt ist.
Filterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem auf wenigstens einer Außenseite des Grundkörpers (6) eine Außenelektrode (19) angeordnet ist, wobei die Außenelektrode (19) wenigstens eine gesputterte Schicht aufweist.
Filterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Vielschichtkondensator (2, 3, 5) erste Innenelektroden (10) aufweist, die mit einem ersten Anschlusskontakt (7) elektrisch verbunden sind, zweite Innenelektroden (11) aufweist, die mit einem zweiten Anschlusskontakt (8) verbunden sind, und dritte Innenelektroden (12) aufweist, die mit keinem der Anschlusskontakte (7, 8) verbunden sind.
Filterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Grundkörper (6) wenigstens ein Entlastungsbereich (13) zur mechanischen Entlastung ausgebildet ist.
Filterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend eine Leiterplatte (21), wobei die Anschlusskontakte (7, 8) mit der Leiterplatte (21) durch ein gesintertes Verbindungsmaterial (23) verbunden sind.
Filterbauelement nach Anspruch 10, aufweisend eine Stromschiene (26), wobei die Leiterplatte (21) mit der Stromschiene verschraubt ist.
Filterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Vielschichtkondensator (3, 5) zur Masse hin verschaltet ist.
Filterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der keramische Vielschichtkondensator (2, 5) zwischen Anschlüssen (L+, L–) an eine Spannungsversorgung (LINE) und Anschlüssen (L+´, L–´) an eine Last (LOAD) verschaltet ist.
Verwendung eines keramischen Vielschichtkondensators (2, 3, 5) in einem Filterbauelement zur Filterung eines Störsignals, wobei der Vielschichtkondensator (2, 3, 5) einen Grundkörper (6) aufweist, in dem eine Vielzahl von keramischen Schichten (9) und Innenelektroden (10, 11, 12) übereinander gestapelt sind, wobei am Grundkörper (6) Anschlusskontakte (7, 8) angeordnet sind und wobei die keramischen Schichten (9) eine Blei-Lanthan-Zirkonat-Titanat-Keramik aufweisen.