DE10325008A1 - Elektrisches Bauelement und dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung gibt ein elektrisches Bauelement an, das einen Grundkörper (1) aufweist, der ein keramisches Material mit der Formel (Bi¶2¶O¶3¶)¶1-x¶(Nb¶2¶O¶5¶)¶x¶ mit 0,19 < x < 0,3 aufweist. Weiterhin ist zumindest eine elektrisch leitfähige Kontaktschicht (2, 3) zur Kontaktierung des Bauelements auf der Oberfläche des Grundkörpers angeordnet. Die elektrischen Eigenschaften eines derartigen Bauelements mit dem keramischen Material lassen sich besonders einfach variieren.

Description

  • Zur Herstellung von elektrokeramischen Bauelementen sind eine ganze Reihe von keramischen Materialien, beispielsweise Kondensator- oder Varistorkeramiken bekannt. Dabei werden häufig komplexe keramische Systeme, beispielsweise auf der Grundlage von Barium-Neodym-Titanaten eingesetzt. Die Sinterung dieser keramischen Materialien erfolgt häufig bei Temperaturen um etwa 1200°C, wobei zur Herstellung eines dichten Sinterkörpers auch Sintertemperaturen von etwa 1400°C benötigt werden. Zur Absenkung der Sintertemperatur auf etwa 1100°C werden deshalb häufig Sinterhilfsmittel den keramischen Materialien zugesetzt.
  • Eine Erniedrigung der Sintertemperatur ist allerdings wünschenswert, da so beispielsweise auch relativ niedrig schmelzende günstige Metalle, beispielsweise Silber anstelle von teureren Silber-Palladium-Legierungen, als Bestandteile von Innenelektroden verwendet werden können (Schmelztemperatur des Silbers 960°C).
  • Aus der Druckschrift DE 100 35 172 A1 ist eine phasenheterogene Keramik auf der Basis von Barium-Neodym-Titanaten bekannt, der zur Absenkung der Sintertemperatur auf etwa 1000°C Sinterhilfsmittel in Form von einer Glasfritte, die Zinkoxid, Boroxid und Siliziumdioxid enthält, zugesetzt sind. Aufgrund der zahlreichen Einzelkomponenten dieser phasenheterogenen Keramik ergibt sich eine komplizierte, schwer beherrschbare Phasenmischung der Keramik. Dies hat zur Folge, daß gleichzeitig mehrere keramische Phasen im keramischen Material auftreten, die zum Teil stark unterschiedliche elektrische Eigenschaften, beispielsweise unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten aufweisen, so daß sich gewünschte elektrische Eigenschaften nur sehr schwer einstellen lassen.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektrisches Bauelement anzugeben, das die oben genannten Nachteile vermeidet.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein elektrisches Bauelement nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Bauelements und Verfahren zu seiner Herstellung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
  • Die Erfindung beschreibt ein elektrisches Bauelement, bei dem ein Grundkörper vorhanden ist, der ein keramisches Material der Formel (Bi2O3)1–x(Nb2O5)x enthält, wobei 0.19 < x < 0.3 ist. Weiterhin ist zumindest eine elektrisch leitfähige Kontaktschicht zur Kontaktierung des Bauelements auf der Oberfläche des Grundkörpers angeordnet.
  • Der Vorteil des genannten Bauelementes besteht darin, daß dessen Grundkörper schon bereits bei Temperaturen von unter etwa 930°C gesintert werden kann, ohne daß Sinterhilfsmittel zugesetzt werden müssen. Dies hat den Vorteil, daß im Gegensatz zu herkömmlichen Keramiken auf der Basis von Barium-Neodym-Titanaten keine schwer beherrschbare heterogene Phasenmischung der Keramik mit unterschiedlichen keramischen Verbindungen vorliegt, so daß sich die elektrischen Eigenschaften von erfindungsgemäßen elektrischen Bauelementen im Gegensatz zu herkömmlichen Bauelementen besonders einfach einstellen lassen.
  • Günstigerweise umfaßt ein erfindungsgemäßes Bauelement einen Grundkörper mit einem keramischen Material, bei dem der Parameter x zwischen 0,25 und 0,26 liegt. Ein derartiges erfindungsgemäßes elektrisches Bauelement weist aufgrund des keramischen Materials besonders gute Dielektrizitätskonstanten und Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante auf (siehe Tabelle für die elektrischen Eigenschaften eines keramischen Materials mit dem Parameter x = 0,25), die es beispielsweise für einen Kondensator besonders gut geeignet machen.
  • Vorteilhafterweise ist im Grundkörper eines erfindungsgemäßen Bauelements sowohl eine kubische als auch eine tetragonale Modifikation des keramischen Materials (Bi2O3)1–x(Nb2O5)x vorhanden. Dabei handelt es sich um zwei unterschiedliche Modifikationen eines keramischen Materials gleicher chemischer Zusammensetzung, die sich im Aufbau ihres Kristallgitters unterscheiden. Da die beiden Modifikationen unterschiedliche elektrische Eigenschaften aufweisen ist es dann besonders einfach, durch Variation der Anteile beider Phasen die elektrischen Eigenschaften des Bauelements einzustellen.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn das keramische Material des Grundkörpers eines erfindungsgemäßen Bauelements ausschließlich aus der kubischen und tetragonalen Modifikation von (Bi2O3)1–x(Nb2O5)x besteht. Ein derartiger Grundkörper weist somit ausschließlich die zwei unterschiedlichen Modifikationen der keramischen Verbindung auf, so daß eine besonders einfache Phasenmischung aus lediglich zwei verschiedenen Phasen vorliegt. Dies hat zur Folge, daß die elektrischen Eigenschaften besonders einfach aufgrund der Variation der Phasenzusammensetzung geändert werden können. Besonders vorteilhaft sind die kubische und die tetragonale Modifikation jeweils zu etwa 50 mol-% vorhanden.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch ein keramischer Kondensator, der eine der vorhergenannten Keramikmaterialien im Grundkörper umfaßt und bei dem zusätzlich zwei elektrisch leitfähige Kontaktschichten auf sich gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Grundkörpers angeordnet sind (siehe beispielsweise 1). Aufgrund seiner vorteilhaften elektrischen Eigenschaften, beispielsweise der Dielektrizitätskon stante und der Temperaturabhängigkeit dieser Dielektrizitätskonstante, eignen sich die oben genannten keramischen Materialien besonders gut als Kondensator-Materialien auch mit hoher Temperaturstabilität.
  • In einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelements können im Grundkörper elektrisch leitfähige Elektrodenflächen angeordnet sein. Diese Elektrodenflächen können dabei je nach der Geometrie der Elektrodenflächen eine Variation der elektrischen Eigenschaften des Bauelements bedingen. Vorteilhafterweise sind die Elektrodenflächen mit der zumindest einen Kontaktfläche auf der Oberfläche des Grundkörpers elektrisch leitend verbunden.
  • Weiterhin bestehen die Elektrodenflächen günstigerweise aus Silber. Aufgrund des erfindungsgemäßen keramischen Materials (Bi2O3)1–x(Nb2O5)x des Grundkörpers ist eine Sinterung des keramischen Grundkörpers bei Temperaturen zwischen 790°C und 930°C möglich. Dieser Temperaturbereich liegt unterhalb des Schmelzpunktes von Silber (960°C), so daß es ohne größere Probleme möglich ist, Silber als Material für die Elektrodenflächen zu verwenden. Bei herkömmlichen Keramikmaterialien war es bislang nötig, entweder Sinterhilfsmittel zuzugeben, die zwar eine Reduzierung der Sintertemperatur ermöglichten, aber zu einer schwer beherrschbaren Phasenzusammensetzung der Keramik führten, oder im anderen Fall hochschmelzende und teure Silber-Palladium-Legierungen als Material für die Elektrodenflächen zu verwenden.
  • Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bauelements mit den Verfahrensschritten:
    • A) Bereitstellen eines keramischen Materials der Formel (Bi2O3)1–x(Nb2O5)x mit 0,19 < x < 0,3 und Erzeugen eines keramischen Grundkörpers aus diesem Material. Danach wird in einem Verfahrensschritt B) eine elektrisch leitfähige Kontaktschicht auf dem Grundkörper erzeugt.
  • Vorteilhafterweise wird im Verfahrensschritt A) eine Mischung von zwei verschiedenen Modifikationen von (Bi2O3)1–x(Nb2O5)x erzeugt, wobei besonders vorteilhaft eine kubische und eine tetragonale Modifikation dieses keramischen Materials erzeugt werden.
  • Im Verfahrensschritt A) läßt sich die Zusammensetzung und die relativen Verhältnisse der kubischen und tetragonalen Modifikation zueinander besonders dadurch gut einstellen, daß eine Bi-haltige Komponente und eine Nb-haltige Komponente bei Temperaturen zwischen 790°C und 840°C oder bei Temperaturen zwischen 880°C und 930°C gesintert werden. Bei diesen Temperaturen lassen sich besonders gut die zwei verschiedenen Modifikationen des keramischen Materials nebeneinander mittels Sinterung herstellen (siehe beispielsweise 2).
  • Als Bi-haltige Komponente wird vorteilhafterweise Bi2O3 und als Nb-haltige Komponente Nb2O5 verwendet. Die Bi-haltige Komponente und die Nb-haltige Komponente können dabei zwischen 1 und 10 Stunden gesintert werden. Bei diesen Sinterzeiten und den oben genannten Sintertemperaturen lassen sich besonders einfach die beiden Modifikationen des keramischen Materials herstellen.
  • Vorteilhaft ist weiterhin ein Verfahren, bei dem der Verfahrensschritt A) zusätzlich folgende Schritte umfaßt:
    • A1) Vorreaktion einer Bi-haltigen und einer Nb-haltigen Komponente bei etwa 700°C und
    • A2) anschließendes Sintern der vorreagierten Mischung aus der Bi-haltigen und der Nb-haltigen Komponente bei Temperatu ren zwischen 790°C und 840°C oder bei Temperaturen zwischen 880°C und 930°C.
  • Der Vorteil dieser Variation eines erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß aufgrund der Vorreaktion im Verfahrensschritt A1) nur wenig flüchtige Niob-Bismut-Verbindungen gebildet werden, so daß sich dann das Bismut beim anschließenden Sintern im Verfahrensschritt A2) nicht so leicht verflüchtigt wie in einem Verfahren ohne Vorreaktion (Verfahrensschritt A1).
  • Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren, bei dem im Verfahrensschritt A) im Grundkörper zusätzlich elektrisch leitende Elektrodenflächen erzeugt werden und bei dem anschließend der Grundkörper gemeinsam mit den Elektrodenflächen gesintert wird. Ein gemeinsames Erzeugen des Grundkörpers und der elektrisch leitenden Elektrodenflächen ist beispielsweise dadurch möglich, daß keramische Grünfolien, die das oben genannte keramische Material enthalten, übereinandergestapelt werden und beispielsweise auf bestimmten keramischen Grünfolien z.B. mittels Siebdruck Elektrodenflächen erzeugt werden. Vorteilhafterweise werden die Elektrodenflächen aus Silber erzeugt. Dies ist wie bereits oben genannt möglich, da das erfindungsgemäß verwendete keramische Material besonders niedrige Sintertemperaturen aufweist.
    •
  • Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und schematischen Figuren noch näher erläutert werden.
  • 1 zeigt ein als Kondensator ausgebildetes erfindungsgemäßes elektrisches Bauelement.
  • 2 zeigt die Phasenzusammensetzung zwischen tetragonaler und kubischer Phase des erfindungsgemäß verwendeten Keramikmaterials (Bi2O3)1–x(Nb2O5)x in Abhängigkeit von der Sintertemperatur.
  • 1 zeigt eine Variation eines erfindungsgemäßen Kondensators mit einem Grundkörper 1, der das oben genannte keramische Material umfaßt. Auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers 1 sind zwei Kontaktflächen 2 und 3 aufgebracht, die jeweils elektrisch leitend mit Elektrodenflächen 4 im Grundkörper verbunden sind. Elektrodenflächen 4, die jeweils die gleiche Kontaktschicht 2 oder 3 kontaktieren, bilden zusammen ein Elektrodenbündel, wobei beide Elektrodenbündel kammartig ineinandergeschoben sind. Die Elektrodenflächen können dabei vorteilhafterweise aus Silber bestehen. Aufgrund der Beschaffenheit des keramischen Materials lassen sich die elektrischen Eigenschaften dieses erfindungsgemäßen Kondensators besonders einfach einstellen, wobei die Elektrodenflächen aus Silber gemeinsam mit dem keramischen Grundkörper gesintert werden können.
  • In 2 ist ein Diagramm dargestellt, das das Verhältnis der kubischen und tetragonalen Modifikation des Keramikmaterials (Bi2O3)1–x(Nb2O5)x für x = 0, 25 in Abhängigkeit von der Sintertemperatur angibt. Die mit 20 bezeichnete Linie gibt den Anteil an tetragonaler Modifikation an, die mit 5 bezeichnete Linie den Anteil der kubischen Modifikation. Die mit 15 bezeichnete y-Achse gibt den Anteil der beiden Phasen in Prozent an, während die x-Achse 10 die Sintertemperatur in Grad Celsius angibt. Deutlich ist zu erkennen, daß für zwei Temperaturbereiche beim Sintern, nämlich etwa 790°C bis 840°C und 880°C bis 930°C sowohl die tetragonale als auch die kubische Modifikation nebeneinander gebildet werden. Da die elektrischen Eigenschaften des Keramikmaterials durch die Zusammensetzung bzw. das Verhältnis der tetragonalen und der kubischen Phase zueinander bestimmt werden, ist es besonders einfach möglich, aufgrund einer Variation der Sintertemperatur die elektrischen Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Bauelements mit diesem Keramikmaterial zu bestimmen.
  • Die Tabelle gibt beispielhaft die elektrischen Eigenschaften von zwei Keramiken (Bi2O3)1–x(Nb2O5)x an: Tabelle: Elektrische Eigenschaften von Keramikproben aus (Bi2O3)1–x(Nb2O5)x (gesinterte Scheiben)
    Figure 00080001
  • TKC bezeichnet dabei den Temperaturkoeffizienten der Kapazität und ∊ die Dielektrizitätskonstante. Es ist zu erkennen, daß beide Materialien in Abhängigkeit von der Sintertemperatur unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten und entweder einen positiven oder leicht negativen Temperaturkoeffizienten der Kapazität aufweisen. Diese Eigenschaften lassen sich durch je nach Sintertemperatur unterschiedliche Anteile der kubischen und tetragonalen Modifikation von (Bi2O3)1–x(Nb2O5)x einstellen. Eine genaue Einstellung dieser Eigenschaften ist besonders wichtig für keramische Kondensatoren mit hoher Kapazität und hoher Temperaturstabilität der Kapazität.
  • Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele. Variationen sind vor allen Dingen noch im Hinblick auf die Bauformen der verschiedenen mit dem erfindungsgemäßen Keramikmaterial ausgestatteten Bauelemente möglich.

Claims (17)

  1. Elektrisches Bauelement mit den Merkmalen: – ein Grundkörper (1) ist vorhanden, der ein keramisches Material der folgenden Formel umfaßt (Bi2O3)1–x(Nb2O5)x wobei 0.19 < x < 0.3 ist, – zumindest eine elektrisch leitfähige Kontaktschicht (2, 3) zur Kontaktierung des Bauelements ist auf der Oberfläche des Grundkörpers angeordnet.
  2. Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, – bei dem für das keramische Material gilt: 0.25 < x < 0.26.
  3. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei dem das keramische Material (Bi2O3)1–x(Nb2O5)x des Grundkörpers eine kubische und eine tetragonale Modifikation aufweist.
  4. Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, – bei dem das keramische Material des Grundkörpers ausschließlich aus der kubischen und tetragonalen Modifikation von (Bi2O3)1–x(Nb2O5)x besteht.
  5. Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, – bei dem die kubische und tetragonale Modifikation jeweils zu etwa 50 mol% vorhanden sind.
  6. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ausgebildet als Kondensator, – bei dem zwei elektrisch leitfähige Kontaktschichten (2, 3) auf sich gegenüberliegenden Stirnseiten des Grundkörpers (1) angeordnet sind.
  7. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei dem im Grundkörper elektrisch leitfähige Elektrodenflächen (4) angeordnet sind.
  8. Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, – bei dem die Elektrodenflächen (4) mit der zumindest einen Kontaktfläche (2, 3) elektrisch leitend verbunden sind.
  9. Bauelement nach einen der vorhergehenden Ansprüche 7 oder 8, – bei dem die Elektrodenflächen (4) aus Silber bestehen.
  10. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bauelements mit den Verfahrenschritten: A) Bereitstellen eines keramischen Materials der Formel (Bi2O3)1–x(Nb2O5)x mit 0,19 < x < 0,3 und Erzeugen eines keramischen Grundkörpers aus diesem Material, B) Erzeugen von zumindest einer elektrisch leitfähigen Kontaktschicht auf dem Grundkörper.
  11. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, – bei dem im Verfahrensschritt A) eine Mischung von zwei verschiedenen Modifikationen von (Bi2O3)1–x(Nb2O5)x erzeugt wird.
  12. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, – bei dem im Verfahrensschritt A) eine Bi-haltige Komponente und eine Nb-haltige Komponente bei Temperaturen zwischen 790°C und 840°C oder bei Temperaturen zwischen 880°C und 930°C gesintert werden.
  13. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, – bei als Bi-haltige Komponente Bi2O3 und als Nb-haltige Komponente Nb2O5 verwendet werden.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 oder 13, – bei dem die Bi-haltige Komponente und die Nb-haltige Komponente zwischen 1h und 10h gesintert werden.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 14, – bei dem der Verfahrensschritt A) folgende Schritte umfaßt: A1) Vorreaktion einer Bi-haltigen und einer Nb-haltigen Komponente bei etwa 700°C, und A2) anschließendes Sintern der vorreagierten Mischung aus der Bi-haltigen und der Nb-haltigen Komponente bei Temperaturen zwischen 790°C und 840°C oder bei Temperaturen zwischen 880°C und 930°C.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 15, – bei dem im Verfahrensschritt A) im Grundkörper zusätzlich elektrisch leitende Elektrodenflächen erzeugt werden – bei dem anschließend der Grundkörper gemeinsam mit dem Elektrodenflächen gesintert wird.
  17. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, – bei dem die Elektrodenflächen aus Silber erzeugt werden.
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