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Querverweis auf verwandte Anmeldungen
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Die Anmeldung beansprucht die Priorität der anhängigen vorläufigen US Patentanmeldung Nummer 61/615,487, eingereicht am 26. März 2012, die hierin unter Bezugnahme eingeschlossen ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft verbesserte mehrschichtige Keramikkondensatoren (MLCCs). Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung mehrschichtige Keramikkondensatoren, die wenigstens zwei aktive überlappende Regionen bzw. Überlappungsregionen mit Schilden bzw. Abschirmungen umfassen, die nicht mit aktiven Elektroden ausgerichtet sind.
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In jedem Bauteil, das zwei Elektroden mit entgegengesetzter Polarität umfasst, gibt es bei einer gegebenen angelegten Spannung eine Tendenz zu Funken- bzw. Lichtbogenbildung. Viele Faktoren können die Spannung beeinflussen, bei der die Lichtbogenbildung auftritt, wobei die Entfernung, die die Elektroden trennt, ein Schlüsselfaktor ist. Die Tendenz zur Oberflächenlichtbogenbildung in Luft wurde ausgenutzt, um Energie an Masse abzuleiten, wie beispielhaft in
US Patent Nummer 5,915,757 erklärt ist, wobei die Beziehung zwischen der Lückengröße und Bogenspannung in Luft beschrieben ist. Jedoch, in elektronischen Bauteilen, wie etwa Kondensatoren, falls eine Lichtbogenbildung auftritt, kann dies einen elektronischen Störfall verursachen, der andere Bauteile unterbrechen oder zerstören kann, die mit dem Kondensator verbunden sind, und damit die gesamte Schaltung gefährden. Bei den meisten Anwendungen begrenzt die Oberflächenlichtbogenbildung die Spannung, bei der der Kondensator verwendet werden kann.
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Es ist im Stand der Technik bekannt entweder an dem Kondensator oder der Schaltung nach der Montage Beschichtungen anzubringen, um Lichtbogenbildung zu verhindern. Zusätzlich zu den Kosten, die mit den zusätzlichen Beschichtungen verbunden sind, kann jeder mechanische Schaden an der Beschichtung die Leistung gefährden.
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Abschirmelektroden wurden in Niederspannungsmehrschichtkondensatoren bei Betriebsspannungen bzw. Nennspannungen von weniger als 2500 V angewendet. MLCC mit hoher Nennspannung (≥ 500 V) werden bekanntermaßen mit Seriendesigns bzw. Reihendesigns und Schilddesigns bzw. Abschirmungsdesigns produziert. Reihendesigns haben 2 oder mehr Kondensatoren in Reihe innerhalb des Bauteils, wobei eine gerade Anzahl an von Kondensatoren verwendet wird, was die Verwendung eines symmetrischen Elektrodendruckmusters während der Herstellung ermöglicht. Die Spannung wird zwischen den Reihenkondensatoren geteilt, was in einer hohen Spannungsleistungsfähigkeit bzw. Spannungsfestigkeit bei geringerer Kapazität resultiert. Für jede gegebene Anzahl an Kondensatoren in Reihe (N), wird die wirkende Spannung an jedem Kondensator durch den Kehrwert der Anzahl an Kondensatoren (1/N) reduziert aber die effektive Gesamtkapazität wird gemäß folgender Gleichung reduziert: 1/CEff = Σ1/CN.
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Reihendesigns wurden in MLCCs über viele Jahre verwendet. Typischerweise sind eine gerade Anzahl von in der gleichen Ebene liegenden bzw. komplanaren, aktiven Elektroden zwischen massefreien bzw. potentialfreien Elektroden angeordnet, so dass innerhalb einer gegebenen Elektrodendruckebene komplanare aktive Elektroden gegensätzlicher Polarität mit Anschlüssen mit entgegengesetzter Polarität in Kontakt stehen und die potentialfreien Elektroden sind parallel zu den aktiven Elektroden und von den aktiven Elektroden durch ein Dielektrikum getrennt. Die potentialfreien Elektroden stehen nicht in Kontakt mit einem Anschluss. Diese Anordnungen von Elektroden resultieren in einer geraden Anzahl von Kondensatorstapeln in Reihe innerhalb jedes MLCC. Die Reihendesigns zeigen einen sehr großen Spannungsstörfall bzw. eine sehr hohe Überschlagspannung bzw. Spannungsüberschlag in inertem Fluid aber in Luft ist die Überschlagspannung deutlich geringer. Das inerte Fluid verhindert Lichtbogenbildung, so dass der geringere Spannungsüberschlag, die in Luft beobachtet wird, auf die Oberflächenlichtbogenbildung zurückzuführen ist.
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Um Oberflächenlichtbogenbildung zu vermeiden, sind MLCCs, die mit Spannungen über 2000 V betrieben werden, beispielsweise mit einem X7R-Dielektrikum beschichtet, wodurch eine Lichtbodenbildungsverhalten in Luft verhindert wird, was näher an der Lichtbogenbildung in inertem Fluid ist. Jedoch weisen Beschichtungen innewohnende Nachteile auf. Beschichtungen sind teuer für den MLCC oder für die Schaltung nach der Montage, da sie zusätzliche Verarbeitungsschritte und zusätzliche Materialien benötigt. Beschichtete MLCCs oder beschichtete Schaltungsplatinen sind nicht mit allen Arten von nachfolgenden Montageprozessen kompatibel, was die Anwendung einschränkt. Unbeschichtete Teile werden bei Spannungen > 2 kV nicht einfach abgeschirmt. Mechanischer Schaden an der Beschichtung kann das Verhalten bzw. die Leistung gefährden.
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Hochspannungs-MLCCs mit hoher Kapazität, wie etwa 22.000 pF, wurden mit einer Abschirmelektrode und einem Einzelelektrodenüberlappungsbereich beschrieben. Die interne Überschlagspannung wird auf die Fähigkeit des aktiven Bereichs zwischen den Elektroden begrenzt eine hohe Spannung für ausgedehnte Perioden zu erhalten ohne zu versagen. Die aktive Dicke zu erhöhen, erhöht die Überschlagspannung, allerdings auf Kosten verringerter Kapazität. In der Praxis weisen die Abschirmungsartdesigns daher eine Vorteil bezüglich des Erreichens höherer Kapazitäten auf, wie etwa < 2 kV X7R MLCC mit X7R-Dielektrikum.
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Angesichts der fortschreitenden Bemühungen haben Fachleute immer noch keine geeignete Option für Hochspannungs-MLCCs mit hoher Kapazität, die nicht anfällig für Lichtbodenbildung bei geringen Spannungen sind. Solch ein MLCC wird hierin bereitgestellt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen verbesserten MLCC bereitzustellen.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen MLCC bereitzustellen, der bei hohen Spannungen betrieben werden kann, wobei der MLCC nicht anfällig für Lichtbodenbildung bei geringen Spannungen in Luft ist.
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Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit den verbesserten MLCC unter Verwendung von Standardherstellungspraktiken herzustellen.
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Solche und andere Vorteile, wenn sie realisiert werden, werden in einem mehrschichtigen Keramikkondensator bereitgestellt. Der Kondensator weist einen aktiven Bereich auf, der erste Schichten und zweite Schichten in abwechselnder paralleler Anordnung mit einem Dielektrikum dazwischen umfasst. Die erste Schicht umfasst eine erste aktive Elektrode und eine erste potentialfreie Elektrode in einer gemeinsamen Ebene und die zweite Schicht umfasst eine zweite aktive Elektrode und eine zweite potentialfreie Elektrode in einer zweiten gemeinsamen Ebene. Wenigstens eine Schildschicht bzw. Abschirmschicht ist benachbart zu einer äußersten ersten Schicht der ersten Schichten ist, wobei die Abschirmschicht einen ersten Überstand bzw. Vorsprung aufweist und die ersten Schichten einen zweiten Vorsprung aufweisen, wobei der erste Vorsprung und der zweite Vorsprung unterschiedlich sind.
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Eine weitere Ausführungsform wird in einem Verfahren zur Bildung eines mehrschichtigen Keramikkondensators bereitgestellt, umfassend:
Bilden überlappender bzw. verschachtelter erster Schichten und zweiter Schichten mit einem Dielektrikum dazwischen, wobei die ersten Schichten erste Elektrodenmuster umfassen und die zweiten Schichten zweite Elektrodenmuster umfassen und, wobei die ersten Elektrodenmuster und die zweiten Elektrodenmuster in ihrer Projektion bzw. in einem Vorsprung überlappen, um wenigstens zwei aktive Überlappungsregionen zu bilden; und
Bilden wenigstens einer Abschirmschicht, die benachbart zu einer äußersten ersten Schicht der ersten Schichten ist, wobei die Abschirmschicht einen Vorsprung des Elektrodenmusters aufweist, die sich von einem Vorsprung des ersten Elektrodenmusters unterscheidet und sich von einem Vorsprung des zweiten Elektrodenmusters unterscheidet.
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Zeichnungen
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1 ist eine schematische Seitendarstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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2 ist eine schematische Seitendarstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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3 zeigt grafisch eine Oberflächenlichtbogenbildungsspannung als eine Funktion einer Lückenlänge ohne Elektroden.
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4 zeigt einen Kondensator mit Endabschlüssen zu Testzwecken.
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5 zeigt grafisch eine Oberflächenlichtbogenbildungsspannung als eine Funktion von Abdeckschichtdicke.
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6–8 sind Querschnittsbilder eines Abtastelektronenmikroskops von MLCCs.
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9–12 zeigen grafisch höchste Überschlagsspannung.
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13 ist eine schematische Seitendarstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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14 ist ein Querschnittsbild eines Abtastelektronenmikroskops von einem MLCC.
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15–18 zeigen grafisch höchste Überschlagsspannung.
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Beschreibung
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Die gegenwärtige Erfindung ist auf MLCC Kondensatoren spezifiziert, die für die Verwendung mit hoher Spannung geeignet sind, wobei die MLCCs Elektrodenmuster für Abschirmungen verwenden, die relativ zu den aktiven Elektroden asymmetrisch sind oder, die nicht vorspringen bzw. überstehen, mit den inneren Elektroden des innersten Elektrodenmusters, das die Hauptkapazität des Kondensators bildet. Das aktive Volumen, das die Hauptkapazität bildet, enthält zumindest 2 Kondensatoren in Reihe. Das asymmetrische Design erhöht die Mindestspannung, bei welcher Versagen auftritt, das auf Oberflächenlichtbogenbildung zurückzuführen ist, wodurch Kondensatoren ermöglicht wird für die Verwendung bei höheren Spannungen geeignet zu sein. Die MLCCs können ohne zusätzliche Beschichtung auf sowohl dem Bauteil oder der elektronischen Schaltung, die das Bauteil umfasst, hergestellt werden. Sie erlauben auch mehr Designflexibilität, um die gewünschte Spannungsleistungsfähigkeit und Kapazität innerhalb einer gegebenen Dicke des Dielektrikums zu erreichen. Die hohe Überschlagspannung dieser Kondensatoren in Luft, ohne das Auftreten von Versagen bei geringeren Spannungen aufgrund von Lichtbogenbildung, ermöglicht die Realisierung von verlässlichen Hochspannungskondensatoren. Die Kombination aus Abschirmelektroden und Reihendesign ermöglicht diesen Bauteilen bei höheren Spannungen betrieben zu werden, wie etwa oberhalb von 2000 V, was höher ist als bei momentan im Stand der Technik bekannten Abschirmungsdesigns, während Lichtbogenbildungsversagen in Luft unterbunden wird, das mit Reihendesigns auftreten kann, die keine Abschirmelektroden enthalten, wie sie in dieser Erfindung beschrieben sind.
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Die Erfindung wird mit Bezug auf die verschiedenen Figuren beschrieben, die integrale, nicht begrenzende Teile dieser Offenbarung bilden. Durchgehend werden in der Offenbarung ähnliche Elemente demgemäß nummeriert.
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Die asymmetrischen MLCCs umfassen Abschirmelektroden oberhalb und unterhalb des aktiven Überlappungsvolumens. Die Abschirmelektroden sind asymmetrisch bezüglich der aktiven Elektroden, die das aktive Volumen bilden, repräsentiert durch zwei oder mehr Kondensatoren in Reihen innerhalb eines gemeinsamen Bauteils.
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Zum Zwecke der vorliegenden Erfindung ist ein asymmetrischer MLCC ein MLCC mit einer Abschirmelektrode, wobei der Vorsprung der Abschirmelektrode, wie aus einer senkrechten Sicht auf die größte Fläche der Abschirmelektrode, nicht der gleiche Vorsprung ist wie die aktiven Elektroden, wenn aus der gleichen Sicht betrachtet.
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Zum Zwecke der vorliegenden Erfindung ist eine Abschirmelektrode eine äußerste Elektrode, die auf die gleiche Art angeschlossen ist, wie eine benachbarte aktive Elektrode und daher die gleiche Polarität wie die benachbarte aktive Elektrode aufweist. Eine Abschirmschicht umfasst eine Abschirmelektrode und, optional, wenigstens eine potentialfreie Elektrode.
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Zum Zwecke der vorliegenden Erfindung ist eine potentialfreie Elektrode eine Elektrode, die parallel zu einer aktiven Elektrode ist und eine Dielektrikum dazwischen aufweist, wobei die potentialfreie Elektrode nicht angeschlossen ist.
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Zum Zwecke der vorliegenden Erfindung ist eine aktive Elektrode eine Elektrode, die angeschlossen ist, ausgenommen Abschirmelektroden.
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Eine aktive Überlappungsregion ist ein Kondensator innerhalb eines MLCC und ist ein Bereich, in dem benachbarte Elektroden, ausgenommen Abschirmelektroden, in einem Vorsprung überlappen, wenn aus einer senkrechten Sicht auf die große Fläche der Elektroden betrachtet. Die aktiven Überlappungsregionen sind Kondensatoren in Reihe.
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Die vorliegende Erfindung stellt zumindest zwei aktive Bereiche bereit, wobei die Anzahl durch den Raum und Herstellungseinschränkungen eingeschränkt ist. Innerhalb des gleichen Bauteils kann eine gerade oder eine ungerade Anzahl an Kondensatoren in Reihe gebildet sein.
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In einem Aspekt dieser Erfindung ist ein Elektrodenmuster vom Reihentyp mit einem oberen und einer unteren Abschirmung kombiniert, um Oberflächenlichtbogenbildung zu verhindern, während ein sehr hoher Spannungsüberschlag in Luft beibehalten wird ohne die Verwendung von Conformal Coatings bzw. Schutzbeschichtungen oder die zuvor erwähnten Nachteile des Standes der Technik. Ein Diagramm einer Ausführungsform der Erfindung wird durch die Elektrodendrucke, die schematisch in 1 dargestellt sind, repräsentiert.
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Ohne darauf einzuschränken, wird der Querschnitt, der in 1 dargestellt ist, für eine 1812 Gehäusegröße mit ungebrannter Bauteillänge (CL) gezeigt, vor der Singulation bzw. Vereinzelung, gezeigt bei 5,3 mm (0,21'') mit einer Elektrodendrucklänge (PL) von 2,8 mm (0,11''). Dort gibt es 3 aktive Überlappungsbereiche mit Querschnittslänge von (1,0 mm) 0,04'' getrennt von Lücken von (0,76 mm) 0,03'', so dass dies ein 3-Reihen-Aktiv ist. Anders als bei einem Standardreihendesign ist in einer gegebenen Elektrodendruckschicht nur eine aktive Elektrode in jeder gegebenen Elektrodenebene angeschlossen, die bei einer gezeigten Schnittlänge durch Schneiden entlang der Schnittlinien 15 gebildet ist; daher ist dies ein asymmetrisches Muster. Es sei angemerkt, dass die Schnittlinie den Ort des externen Anschlusses repräsentiert, der an der freiliegenden Oberfläche gebildet ist. Wie in diesem Diagramm demonstriert ist, wird nur ein Muster benötigt, um die Abschirmung 12 und die aktiven Schichten 16 zu bilden, die beschattete aktive Bereiche 10 bilden. In der Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, wechseln die Abschirmschichten zwischen einem kleinen Elektrodendruck 12, die jeden Anschluss mit einer großen potentialfreien Elektrode 12'' kontaktiert, und zwischen diesen in einem Schnittmuster und dem benachbarten Schnittmuster 2 große Abschirmungen 12''', die den Anschluss ohne potentialfreie Elektrode kontaktieren. Obwohl ein einzelnes Elektrodenmuster vorteilhaft bezüglich der Herstellung des MLCC ist, ist es möglich ein sekundäres Druckmuster zu verwenden, um ein Einzelabschirmungsmuster an der Oberseite und der Unterseite aller Teile innerhalb eines Batchs bzw. eines Bündels zu bilden. Es sei angemerkt, dass es eine große Anzahl an aktiven Elektroden gibt, die nicht einfach schematisch dargestellt werden können.
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Die Verwendung eines ähnlichen Musters von Elektroden ist möglich, um eine größere, ungerade Anzahl an Kondensatoren in Reihe innerhalb des aktiven Bereichs zu erreichen. Der Vorteil der Verwendung von 5, 7, 9 oder mehr Überlappungsbereichen, die dieses Design verwenden, ist, dass angelegte Spannung zwischen mehreren Kondensatoren geteilt wird, so dass, obwohl die Kapazität reduziert ist, wie bereit zuvor für Reihendesigns erklärt, die Spannungsleitungsfestigkeit mit der Anzahl in Reihe erhöht ist. In der Produktion für ein gegebenes Dielektrikum gibt es eine begrenzte Anzahl von hergestellten Bandstärken, was die aktive Dicke von jedem gegebenen MLCC-Design beschränkt. Die Fähigkeit eine ungerade Anzahl von Kondensatoren in Reihe innerhalb des MLCC zu machen, ist insbesondere nützlich zur Maximierung der Kapazität für einen gegebenen Teil und Nennspannung durch ermöglichen kleiner Einstellungen in angewendetem Spannungsstress bzw. angewendeter Aufschlagsspannung, die ansonsten Änderungen in der Dielektrikumsschichtdicke erforderlich machen würden. Die oberen und unteren Abschirmschichten sind nicht notwendig, um diesen Vorteil zu realisieren.
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Ein bevorzugtes Design ist schematisch in 2 gezeigt. In 2 sind 2 Elektrodendrucke mit unterschiedlicher Länge als A und B in dieser Figur gezeigt. Auf diese Art kann eine konsistente Abschirmschicht 12 in jedem Teil beherbergt werden während 3 Hauptüberlappungsbereiche 10 gebildet werden. Jede integrale Anzahl von Überlappungsbereichen kann erreicht werden, wobei 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9 bevorzugt sind. Es ist bevorzugt nicht mehr als 10 Überlappungsbereiche innerhalb eines einzelnen Bauteils zu haben.
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In einer Ausführungsform erstreckt sich die Abschirmelektrode über den Vorsprung des ersten aktiven Bereichs hinaus, wie in 1 und 2 dargestellt ist. In einer Ausführungsform erstreckt sich eine Abschirmelektrode, die angeschlossen ist, über den ersten aktiven Bereich und hängt über wenigstens einen Abschnitt eines zweiten aktiven Bereichs, wie genauer in 13 und 14 dargestellt ist.
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Der Spannungsüberschlag von Kondensatoren vom Reihentyp ist in Luft typischerweise signifikant reduziert verglichen mit inertem Fluid. Einige Beispiele davon sind für Reihen-MLCC für den momentanen Stand der Technik im Folgenden gezeigt.
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Um die Tendenz für Oberflächenlichtbogenbildung in Luft zwischen den Anschlüssen von Keramikkondensatoren zu beurteilen bzw. abzuschätzen, wurde Standardkondensatorgehäusegrößen, die keine integralen Elektroden enthalten, mit unterschiedlichen Keramiken gemacht, wobei die Trennungen zwischen des Anschlusselektroden beachtet wurden. Die Lichtbogenbildungsresultate sind in 3 gezeigt.
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Die Lichtbogenbildung wurde für 25 Stücke bei jeder Standardlückengröße bei einer Spannungsanstiegsrate von 300 V/sek bestimmt. Das X7R-Dielektrikumsmaterial in diesem Fall war im Wesentlichen Bariumtitanat, eine ferroelektrische Keramik, und das C0G-Dielektrikum was im Wesentlichen Kalziumzirkonat, ein paraelektrisches Material. Obwohl diese Materialien in ihrer Natur sehr unterschiedlich sind, besteht innerhalb der Varianz der Lückenmessung kein signifikanter Unterschied in der durchschnittlichen Oberflächenlichtbogenbildung. Jedoch gab es in diesen Proben keine präsenten internen Elektroden. Um zu bestimmen wie die Präsenz von internen Elektroden, in diesem Fall Nickel, die Oberflächenlichtbogenbildung verändern kann, wurden MLCCs mit Gehäusegröße 1206 mit Elektroden nahe der Oberfläche gemacht. Die Standardlücke zwischen Anschlüssen war circa 2,29 mm (0,09'') und Teile mit unterschiedlichen Abdeckschichtentfernungen wurden abgeschätzt, um den Effekt der Nähe zu der Oberfläche zu bestimmen, wie in 4 gezeigt. MLCCs wurden mit Entfernung „a” von ca. 0,406 mm (0,016'') und verschiedener Abdeckschichtdicke hergestellt. Die Oberflächenlichtbogenbildungsspannung ist in 5 mit der Abdeckschichtdicke verglichen. Die Resultate, die in 5 gezeigt sind, zeigen klar, dass die Präsenz von internen Elektroden einen tiefgreifenden Effekt auf die Oberflächenlichtbogenbildungsspannung hat, da das Auftreten bei einer signifikant tieferen Spannung ist als in den Proben ohne interne Elektroden gemessen wurde. Außerdem, wenn interne Elektroden präsent sind, kann das Dielektrikumsmaterial die Lichtbogenbildungsspannung beeinflussen. Drittens ist die Abdeckschichtdicke ein wichtiger Designfaktor in dem Fall von C0G, wenn die Dicke > 0,203 mm (0,008'') ist, scheint sich die Oberflächenlichtbogenbildungsspannung zu stabilisieren aber > 0,254 mm (0,010'') für X7R wird benötigt. Da die Präsenz von internen Elektroden die Oberflächenlichtbogenbildung in Mehrschichtkeramikkondensatoren signifikant beeinflusst, wird ihre Präsenz die Überschlagspannung des Kondensators beeinflussen. Es ist bevorzugt, dass der MLCC eine Abdeckschicht von wenigstens 0,18 mm (0,0070'') über der Abschirmschicht aufweist, um weiterhin gegen Oberflächenlichtbogenbildung zu schützen.
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Obwohl Reihendesigns des momentanen Standes der Technik eine sehr hohe Überschlagspannung zeigen, ist ihre Volumeneffizienz gering, aufgrund des zuvor erwähnten Verlusts von effektiver Gesamtkapazität.
US Patent Nummer 7,336,475 B2 offenbart die Verwendung von oberen und unteren Abschirmelektroden, die mit Seitenabschirmelektroden gekoppelt sind, um hohe Spannungsleistungsfähigkeit in Luft zu erreichen ohne den Bedarf 2 oder mehr Kondensatoren in Reihe innerhalb des MLCC anzuordnen, wodurch eine höhere Kapazität erreicht wird.
US Patent Nummer 2011 0002082 A1 offenbart MLCC-Designs ohne Seitenabschirmungen und unter Verwendung gemusterter Elektroden, um einen hohen Spannungsüberschlag zu erhalten mit hohem Elektrodenüberlappungsbereich für höhere Kapazität.
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Abschirmungs-MLCCs verwenden ein Design mit einem teilweisen faradayschen Käfig, um Lichtbogenbildung an der Oberfläche von Teilen zu verhindern, während eine hoher Überlappungsbereich zwischen Elektroden entgegengesetzter Polarität erhalten bleibt. Da die Oberflächenlichtbogenbildung unterbunden wird, ist der Spannungsüberschlag in Fluid dem in Luft sehr ähnlich. Die Spannungsüberschlagsresultate für all diese MLCCs ist in Tabelle 1 zusammengefasst. Tabelle 1
| Gehäusegröße | 1206 | 1812 | 1206 |
| Kapazität | 1000 pF | 4700 pF | 22000 pF |
| Betriebsspannung | 1000 Vdc | 3000 Vdc | 1000 Vdc |
| Design | 2 Reihen | 4 Reihen | Abschirmung |
| Test | Luft | Flüssigkeit | Luft | Flüssigkeit | Luft | Flüssigkeit |
| Durchschnitt | 4458 | 7396 | 3586 | 10890 | 2472 | 2516 |
| Std. Abweichung | 809 | 1595 | 475 | 1035 | 207 | 313 |
| Min | 2940 | 4230 | 2439 | 9160 | 2160 | 1540 |
| Max | 5270 | 9680 | 4290 | 12000* | 2910 | 2940 |
* Testvorrichtungsgrenze
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Um die Vorteile des asymmetrischen Hochspannungskondensatordesigns zu quantifizieren, wurden 3 unterschiedliche MLCC-Designs in einer 1812 Gehäusegröße hergestellt, ein 4 Reihen, ein 3 Reihen ohne Abschirmung und ein 3 Reihen mit Abschirmung unter Verwendung einer Struktur, die der in 2 dargestellten für Teile vor der Vereinzelung ähnelt. Das gleiche X7R Elektrikum, innere Elektroden aus Nickel und Anschlüsse wurden in alles drei Fällen verwendet. Querschnitte dieser unterschiedlichen MLCC-Designs sind jeweils in 6, 7 und 8 gezeigt.
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Die Designs und ihre gemessenen Kapazität und Verlustfaktoren (dissipation factors) sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Tabelle 2
| Beschreibung | Anzahl der Aktiven | Anzahl der Abschirmungen | Dielektrikumsdicke (Inch) | Abdeckungs-Dicke (Inch) | MLCC Dicke (Inch) | Kapazität (nF) | Kapazität Std. Abweichung | DF (%) |
| 4 Reihen | 38 | 0 | 0,002 | 0,009 | 0,098 | 5,22 | 0,045 | 0,85 |
| 3 Reihen/ohne Abschirmung | 26 | 0 | 0,003 | 0,010 | 0,101 | 4,65 | 0,046 | 0,83 |
| 3 Reihen mit Abschirmung | 25 | 2 | 0,003 | 0,009 | 0,102 | 4,60 | 0,051 | 0,79 |
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Der 4 Reihen MLCC weist mehr und dünnere aktive Schichten auf und erreicht eine höhere Kapazität, obwohl alle 3 Kondensatortypen in dem Bereich von 4,7 nF +/– 20% sind. Das 4 Reihendesign ist repräsentativ für momentane Produktionen, wobei die 3 Reihen MLCCs eine Abweichung davon sind und in beiden Fällen signifikant weniger Elektroden aufweisen, die wünschenswert sind, um die Kosten zur Herstellung zu reduzieren. Jedoch ist die wichtigste Eigenschaft der höchste Spannungsüberschlag (UVBD). Proben von wenigstens 29 Stück von jedem MLCC wurden bezüglich des höchsten Spannungsüberschlag gemessen, sowohl in Luft als auch Fluid, wie jeweils in 9, 10 und 11 für 4 Reihen, 3 Reihen/ohne Abschirmung und 3 Reihen mit Abschirmung gezeigt.
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Durch Vergleichen der Spannungsüberschlagsresultate der 3 MLCCs wird klar, dass die Lücke zwischen den Verteilungen zwischen Fluid und Luft für den asymmetrischen 3 Reihen MLCC mit Abschirmung am engsten ist. Die Verteilungen für die 3 unterschiedlichen MLCCs in Luft demonstriert, dass der 3 Reihen MLCC mit Abschirmung den höchsten Spannungsüberschlag aufweist, wie in 12 dargestellt ist.
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Das geringste Versagen in Luft des asymmetrischen 3 Reihen MLCC mit Abschirmung ist größer als 4000 V und oberhalb der anderen beiden Beispiele und der durchschnittliche Spannungsüberschlag ist ebenfalls höher. Der asymmetrische 3 Reihen MLCC mit Abschirmung repräsentiert das effektivste Design für hohe Leistung in Luft während eine ausreichende Kapazität mit geringster möglicher Anzahl an aktiven Schichten beibehalten wird.
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Die vorliegende Erfindung stellt einen verbesserten Kondensator mit einer Mindestdurchschlagsspannung bzw. Mindestüberschlagsspannung in Luft von zumindest 2500 V bereit.
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Der Vorteil des asymmetrischen Hochspannungskondensatordesigns wird klar demonstriert. Jedoch, um die Leistungsfähigkeit von 4 Reihen MLCC-Designs weiterhin zu erhöhen wurde eine Langabschirmung oberhalb und unterhalb des aktiven Bereichs hinzugefügt. Das setzt voraus, dass ein anderes Elektrodenmuster verwendet wird. Ein Diagramm davon ist mit Schnittlinien in 13 gezeigt und ein Querschnitt des grünen Teils ist in 14 gezeigt.
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MLCCs wurden unter Verwendung des asymmetrischen 4 Reihen Langabschirmungsdesigns hergestellt jeweils mit Abdeckschichtdicke von 0,20 mm (0,008'') und 0,40 mm (0,016'') und vergleichen, um Designs mit ähnlicher Abdeckschichtdicke zu kontrollieren bzw. zu steuern. Die Designs und ihre gemessene Kapazität und Verlustfaktoren (dissipation factors) sind in Tabelle 3 zusammengefasst. Tabelle 3
| Beschreibung | Anzahl der Aktiven | Anzahl der Abschirmungen | Dielektrikumsdicke (Inch) | Abdeckungs-Dicke (Inch) | MLCC Dicke (Inch) | Kapazität (nF) | Kapazität Std. Abweichung | DF (%) |
| 4 Reihen mit Abschirmung | 37 | 2 | 0,002 | 0,008 | 0,099 | 5,02 | 0,048 | 0,94 |
| 4 Reihen/ohne Abschirmung | 36 | 0 | 0,002 | 0,008 | 0,099 | 4,45 | 0,018 | 0,89 |
| 4 Reihen mit Abschirmung | 29 | 2 | 0,002 | 0,016 | 0,098 | 4,07 | 0,017 | 0,95 |
| 4 Reihen/ohne Abschirmung | 28 | 0 | 0,002 | 0,016 | 0,098 | 3,5 | 0,025 | 0,95 |
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Proben von wenigstens 30 Stück von jedem MLCC wurden bezüglich der höchsten Überschlagsspannung (UVBD) gemessen, sowohl in Luft als auch Fluid, wie in 9, 15, 16, 17 und 18 gezeigt wird.
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Die Durchschlagsspannungsleistung ist in Luft und in Fluid für die erfinderischen Designs sehr ähnlich, wobei die Kontrollen in Fluid einen viel höheren Spannungsüberschlag aufweist als die, die in Luft beobachtet wurde. Da Fluidtesten Oberflächenlichtbogenbildung verhindert, zeigen diese Resultate für Kontroll-MLCC an, dass Beschichtung die Überschlagsspannung signifikant für diese Teile erhöht aber im Fall der MLCC mit Abschirmung keine Vorteile haben wird. Jedoch, wenn eine ähnliche Leistung in dem höchsten Spannungsüberschlag zwischen Luft und Fluid gesehen wird, ist es möglich diese MLCCs nahe dem minimalen Spannungsdurchschlag zu verwenden. Außerdem gibt es in Kontroll-MLCCs ohne Abschirmung eine Tendenz zu geringerem Spannungsüberschlagauftreten, aufgrund einer erhöhten Suszeptibilität bzw. Anfälligkeit für Lichtbogenbildung bei geringeren Spannungen, was die Beschichtung dieser Teile für höhere Nennspannungen notwendig macht. Ein solcher Überschlag bei < 2500 V in der Kontrolle, die mit 0,40 mm (0,016'') Abdeckschicht gemacht wurde, ist in 17 eingekreist. Da von der Spannungsüberschlagverteilung davon verglichen mit dem MLCC mit Abschirmung nicht sofort offensichtlich, dass sie einen signifikanten Unterschied aufweisen, wurde der Spannungsüberschlagstest für eine Probe von 60 Stück von jedem Kondensator wiederholt. Die Kontrollprobe hatte ein weiteres Versagen bei etwa 2600 V aufgrund von Lichtbogenbildung, wobei das beobachtete Versagen in dem MLCC mit Abschirmung bei höheren Spannungen auftrat. Außerdem sind die durchschnittlichen Überschlagspannungen in Luft für den MLCC mit Abschirmung leicht höher verglichen mit den Kontrollen mit kleineren Standardabweichungen. Diese Designs mit Abschirmung sind daher vorteilhaft für Hochspannungs-MLCCs, die entworfen sind, um in Luft ohne Beschichtung betrieben zu werden. Die Resultate in Luft zeigen auch eine Erhöhung des durchschnittlichen Spannungsüberschlags von etwa 4700 V zu > 5300 V bei Erhöhung der Abdeckschichtdicke von 0,20 mm (0,008'') auf 0,40 mm (0,016'').
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Die Elektroden sind hierin nicht besonders beschränkt, wobei Basismetall- oder Edelmetallelektroden zur Demonstration der Erfindung geeignet sind.
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Das Dielektrikum ist hierin nicht besonders eingeschränkt. Keramikdielektrika bzw. keramische Dielektrika sind besonders bevorzugt aufgrund ihrer weitverbreiteten Nutzung im Stand der Technik und gewaltigen Erfahrung ihrer Nutzung im Stand der Technik. Das Dielektrikum wird typischerweise basierend auf der Auswahl der internen Elektroden und der erwünschten Kapazitätsanforderungen ausgewählt, wie weitläufig im Stand der Technik bekannt ist. Es liegt im Bereich fachmännischen Handelns eine Kombination von internen Elektroden und Dielektrikum auszuwählen, die geeignet ist, um die Erfindung zu demonstrieren. Ferroelektrische, anti-ferroelektrische und paraelektrische Materialien sind besonders geeignet zur Demonstration der Erfindung.
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Die Verfahren zum Brennen, Würfeln bzw. Dicing bzw. Schneiden und Anschließen sind hierin nicht besonders begrenzt, da diese Standard in Stand der Technik sind und Fachleute sind in der Lage Brennbedingungen, ein Schneideverfahren und eine Anschlussstruktur zur Demonstration der Erfindung auszuwählen.
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Die Erfindung wurde anhand der bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, ohne auf diese einzuschränken. Ein Fachmann kann zusätzliche Ausführungsformen und Verbesserungen realisieren, die hier nicht spezifisch ausgeführt wurden aber die im Schutzbereich der Erfindung liegen, wie spezifischer in den beigefügten Ansprüchen ausgeführt wird.
