DE1539769A1

DE1539769A1 - Elektrischer Kondensator

Info

Publication number: DE1539769A1
Application number: DE19661539769
Authority: DE
Inventors: Tarcza Walter Howard; Pratt Jun Charles Robert
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1965-05-18
Filing date: 1966-05-05
Publication date: 1969-12-18
Also published as: ES326868A1; US3267342A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Kondensatoren und richtet sich insbesondere auf Miniaturkondensatoren auf einem Träger,.so daß sie in einen Mikrokreis eingebaut werden können, ist darauf jedoch nicht beschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen wirtschaftlichen, hermetisch abgeschlossenen, nicht-polarisierten Kondensator für den Einbau in *inen Mikrokreis
zu schaffen, dessen Bauteile und Materialien physikalisch und chemisch miteinander und mit dem Träger verträglich sind, auf die der Kondensator auf^gebaut ist.

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Ferner soll durch die Erfindung ein elektrischer Kondensator geschaffen warden, bei dem I'apasitätsänderungen infolge Spannungsänderungen auf einem Minimum gehalten sind.

Gemäß der Erfindung besteht ein solcher Kondensator aus einem nichtleitenden Träger mit einer dielektrisehen Schicht von wenigstens teilweise kristallisiertem glasigen Material, das zwischen einem Paar metallischer Platten aus vorzugsweise feinverteiltem Material eingesetzt und mit diesen metallischen Platten verschmolzen ist, und einer Kupferplatte aus wenigstens teilweise kristallisiertem glasigem Material mit einem Wärmeaus dehnungskoeffizienten, der mit demjenigen der dielektrischen Schicht verträglich ist, die mit dem Träger und einer der Platten verschmolzen ist. Der Kondensator kann auch eine zweite Pufferplatte aus wenigstens teilweise kristallisiertem glasigem Material aufweisen, die mit der anderen Kondensatorplatte verschmolzen ist. Er kann ferner eine Abdeckschicht aus glasigem Glasurmaterial besitzen, die auf die Pufferschicht und den Träger aufgeschmolzen ist, um den sich ergebenden, nicht-polarisierten Kondensator hermetisch zu umschließen. Die Kondensatorplattenanschlüsse greifen von den Platten dabei durch das Glasurmaterial hindurch.

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Unter verträglichem Wärmeausdehnungskoeffizienten soll dabei verstanden v/erden, daß der Ausdehnungskoeffizient des einen Materials der gleiche oder annähernd der gleiche wie derjenige des anderen Materials ist, so daß in die Materialien beim Kühlen eingeführte Kräfte infolge von Unterschieden zwischen den beiden Wärmeausdehnungskoeffizienten vernachlässigbar sind.

Unter "nicht-polarisiert" soll im Sinne der vorliegenden Anmeldung verstanden werden, daß der Kondensator den gleichen Kapazitätswert auf v/eist, wenn die Polarität der an die Kondensatorklemmen angelegten elektrischen Energie umgekehrt wird.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgendem Einzelbeschreibung und der beigefügten Zeichnung, auf der beispielsweise eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Kondensators wiedergegeben ist. Dabei zeigen

Fig. 1-6 Teildraufsichten der verschiedenen Stufen der Kondensatorherstellung gemäß der vorliegenden Erfindung und

Fig. 7 einen Querschnitt durch einen Kondensator gemäß der Erfindung.

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Aus Fig. 1 erkennt man einen flachen Träger 10, wie er sich für die Herstellung von Mikroschaltungen eignet, mit einer ersten Pufferschicht 12, die auf eine flache Oberfläche des Trägers 10 aufgelegt ist. Beispiele für geeignete Trägermaterialien sind Glas, Keramiken, Glas-Metall-Mischkörper, glasierte Keramiken o.dgl. Glasiertes Aluminiumoxyd eignet sich besonders für diese Zwecke. Die Pufferschicht weist eine Gesamtform und Größe auf, die etwas größer als die Größe der fertigen Kondensatorplatten ist.

Ein Film aus feinverteiltem Metall wird über die Pufferschicht 12 aufgebracht, urn die erste Kondensatorplatte 14 zu bilden, was man aus Fig. 2 erkennen kann. Das Material der Platte v/ird als viskoses Gemisch oder Paste aus feinverteiltem Metallpulver und einem organischen Träger, beispielsweise Kieferöl oder Lavendelöl, hergestellt.

über die Platte 14 kommt eine dielektrische Schicht 16 derart zu liegen, daß nur ein Plattenanschluß 18 freiliegt, wie man aus Fig. 3 erkennt. Das Material der dielektrischen Schicht wird als viskoses Gemisch oder Paste aus gefrittetem, wenigstens teilweise krüallisierbarem, glasigem, dielektrischem Material und einem organischen Träger, beispielsweise Kiefernöl oder Lavendelöl, herge-

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stellt. Geeignete dielektrische Materialien lassen sich aus den Beispielen 36 und 88 der parallellaufenden US-Patentanmeldung S.N, 378 468 vom 26.6.64 entnehmen. Einige Zusammensetzungen sind in der nachfolgenden Tabelle I wiedergegeben:

Tabelle I

BaO PbO SrO

IJb₀O₁- i b

20	18	15	11	39
34	22	21	18	10
3	2	10	9	-
30	45	40	50	40
8	7	7	7	5
2	4	4	2	2
3	2	3	3	3
			_—	1

^B2°3 MgO

Es hat sich als notwendig erwiesen, daß die Pufferschicht 12 aus einem Material besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient mit demjenigen der dielektrischen Schicht 16 verträglich ist, so daß nach dem anschließenden Brennen keine übermäßigen Kräfte in die Struktur eingeführt werden, wodurch die elektrischen Eigenschaften des Kondensators nachteilig beeinflußt werden könnten oder sich Risse oder Sprünge in der Struktur entwickeln, die die Entstehung eines hermetisch abgedichteten Kondensators verhindern.

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Aus diesen Gründen findet das gleiche Material, das für die dielektrische Schicht zur Anwendung kommt, vorzugsweise auch für die Pufferschicht 12 Verwendung. Die Pufferschicht wird ebenfalls als viskoses Gauisch oder Paste aufgebracht und ist ebenfalls wenigstens teilweise kristallisierbar.

Anschließend wird eine zweite Kondensatorplatte 20, wie aus Fig. 4 zu entnehmen, in der gleichen Weise wie die Platte 14 aufgebracht» Geeignete Plattenmaterialien sind Gold, Silber, Platin und Palladiuni. Die derart gebildete Einheit wird dann gebrannt zur Verflüchtigung der orga nischen Bestandteile und bis wenigstens zum Beginn der Kristallisation der ersten Pufferschicht und der dielektrischen Schicht.

Nach Fig. 5 wird eine zweite Pufferschicht 22 über die freiliegende Oberfläche der Platte 20 in solcher Weise aufgebracht, daß nur die Plattenanschlüsse 18 und 24 der Platten 14 und 20 freiliegen. Die zweite Pufferschicht wird aufgebracht, um einen übergang zwischen der Kondensatoreinheit und der glasigen Glasur 26 zu erzielen, wie man aus Fig. 6 erkennt. Die Glasur 26 ist als viskoses Gemisch oder Paste aus gefrittetem, glasigem Material und einem organischen Bindemittel, z.B. Klefernöl oder Lavendelöl, aufgebracht. Die Glasur liefert einen undurchlässigen

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Überzug, der den Kondensator hermetisch abschließt, wie sich für den Fachmann ohne weiteres ergibt. Nur die Kondensatorplattenanschlüsse 18 und 24 erstrecken sich durch die Glasur. Die zweite Pufferschicht 22 besteht aus einem Material, das wenigstens teilweise kristallisierbar und chemisch mit den Materialien der Kondensatorρlatte und der Glasur verträglich ist. Das für die Pufferschicht 12 und

die dielektrische Schicht 16 verwendete Material eignet sich auch für die Pufferschicht 22. Für Glasurmaterialien geeignete Materialien sind in Tabelle II wiedergegeben.

Tabelle II

30	38
10	7
20	20
40	35

SiO₂ Al₂O₃ ^B2°3 PbO

Die Einheit wird dann gebrannt, um wiederum die restlichen organischen Bestandteile zu verflüchtigen und die Kristallisation der Schichten zu beenden, in denen die Kristallisation durch das vorhergehende Brennen eingesetzt hat, und um die zweite Pufferschicht soweit zu kristallisieren, wie diese Schichten kristallisierbar sind.

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Wie beschrieben, werden die verschiedenen Pufferschichten, Kondensatorplatten, die dielektrische Schicht und. der Glasurüberzug als viskoses Gemisch oder Paste aufgebracht. Geeignete Verfahren zum Aufbringen dieser Schichten sind Siebdruck, Aufsprühen, Auf streichen mit dem iiesser, die Verwendung von druckempfindlichen Streifen oder ähnliche Verfahren, die dem Fachmann an sich bekannt sind.

Es hat sich gezeigt, daß eine Pufferschicht zwischen dem Träger und der ersten Kondensatorρlatte aus einem Material, dessen Wärmeausdehnungskoeefizient mit demjenigen der dielektrischen Schicht verträglich ist, die in den Kondensator eingeführten Kräfte ausreichend herabsetzt, ihn nicht-polarisiert macht und die Empfindlichkeit des Kondensators bei Spannungsänderungen verringert. DSreh- Aufbringen einer Pufferschicht zwischen der zweiten Kondensatorplatte und dem Glasurmaterial, das wenigstens teilweise kristallisierbar und in anderer Weise chemisch mit dem Platten- und Glasurmaterial verträglich ist, führt zu einem Kondensator mit elektrisch fehlerfreien Kondensatorplatten. Wird eine Glasur unmittelbar auf die metallische Kondensatorplatte aufgebracht, dann würde die Glasur während des Brennens schmelzen, wodurch das Plattenmaterial in Lösung geht, abschwimmt oder sich in anderer Weise mit dem Glasurmaterial verbindet, so daß es zu einem fehlerhaften Kondensator mit vollständig unvorhersehbarer Kapazität kommt. Durch

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Verwendung eines Puffermaterials, daa kristallisierbar ist, wird die Pufferschicht für einen sehr kurzen Zeitraum geschmolzen, wodurch sich die Zeit reduziert, während welcher das MetaLl in Lösung gehen, abschwimmen oder sich in sonstiger Weise mit den benachbarten Materialien vereinigen kann.

Außerdem hat sich herausgestellt, daß durch das Brennen der Einheit nach dem Aufbringen der zweiten Platte nicht nur die organischen Bestandteile der früher aufgebrachten Schichten leichter verflüchtigt werden, sondern die Platten auch mit der ersten Pufferschicht und dem Dielektrikum verschmolzen werden können und die Plattenanschlüsse mit dem Träger verschmelzen, bevor die zweite Pufferschicht und das Glasurmaterial aufgebracht wird, wodurch sich weiter die Möglichkeit des Abschwimmens von Platten- und Anschlußmaterialien verringert.

Fig. 7 zeigt einen hermetisch abgedichteten, nicht-polarisierten Kondensator gemäß der vorliegenden Erfindung, der sich insbesondere zum Einbau in einen Mikroschalterkreis eignet. Nur die Kondensatoranschlüsse ragen über das Glasurmaterial hinaus.

Im folgenden soll ein typische Beispiel für einen erfindungsgemäßen Kondensator angegeben werden, ohne daß die

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Erfindung dadurch eingeschränkt v/erden soll.

Ein glasierter AluminLumoxyiträger mit einer Dicke von ca. 0,75 min (0,030"), der sich für die Herstellung eines Mikroschaltkreises eignet, wird vorbereitet. Dann wird ein erstes viskoses Gemisch oder eine Paste durch Mischen von 70% feinverteilten kristallisierbarem Glases nach Beispiel 1 aus Tabelle I mit einer Teilchengröße von bis zu 10 Mikron (1 Mikron = 0,001 mm) und 30 Gew.-% Kiefernölträger vorbereitet, um die Glasteilchen für den Siebdruck anzufeuchten. Das Kondensatorplattenmaterial wird hergestellt durch rüschen von ca. 70 Gew.-% feinverteilten Goldes mit einer Größe von ca. 1 Mikron oder weniger mit ca. 30 Gew.-% Kiefernölträger zur Bildung eines zweiten viskosen Gemisches. Die Glasurüberzugsmischung wird durch Mischen von 70 Gew.-% Glasteilchen nach Beispiel 1 aus Tabelle II hergestellt, die eine solche Größe aufweisen, daß sie ein 100-Maschen-Gitter passieren. Dieses Gemisch enthält außerdem zur Bildung eines dritten viskosen Gemisches 30fl Gew.-% Kiefernöl.

Eine erste Pufferschicht aus dem ersten viskosen Gemisch wird durch Siebdruck über ein 152-Maschen-Sieb auf den Aluminiumoxydträger aufgebracht, wobei die Schicht eine Größe erhält, die etwas größer als diejenige der endgültigen Kondensatorplatten ist. Eine erste Kondensatorplatte

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aus dem zweiten viskosen Gemisch wird dann durch ein 380-Haschen-Sieb über die Pufferschicht durch Siebdruck aufgebracht/ so daß nur ein Anschluß für die Platte über die Pufferschicht vorsteht. Eine dielektrische Schicht aus dem ersten viskosen Gemisch wird dann mittels Siebdruck durch ein 152-Maschen-Sieb über die Platte aufgebracht und bedeckt sie vollständig, mit Ausnahme des Anschlusses, •worauf eine zweite Kondensatorplatte folgt, die durch Siebdruck durch das 380-Maschen-Sieb über die dielektrische Schicht aufgebracht wird. Hur die beiden Anschlüsse der beiden Kondensatorplatten erstrecken sich über die dielektrische Schicht.

Die so gebildete Einheit wird in einen Ofen eingesetzt und 3 1/2 Hinuten bei 925°C gebrannt, um die organischen Bestandteile zu verflüchtigen und wenigstens die Kristallisation der Puffer- und dielektrischen Schichten zu beginnen. Nach dem Abkühlen dieser Einheit wird eine zweite Pufferschicht über die freiliegende Oberfläche der zweiten Kondensatorplatte aufgebracht. Diese Schicht besteht aus dem gleichen Material und wird in der gleichen Weise wie die erste Pufferschicht aufgebracht. Ein überzug aus dem vorbereiteten Glasurmaterial wird dann durch ein 83-Maschen-Sieb über die gesamte Einheit durch Siebdruck aufgebracht, wobei man nur die Kondensatorplattenanschlüsse vorstehen läßt. Dann wird der Gegenstand 12 Minuten bei

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925°C gebrannt, um die organischen Bestandteile der zuletzt aufgebrachten Schichten zu verflüchtigen und die Kristallisation der ersten Puffer- und der dielektrischen Schicht zu vervollständigen und die zweite Pufferschicht soweit zu kristallisieren, wie diese Schicht kristallisierbar ist. Der sich bildende geschmolzene Glasüberzug bildet schließlich einen hermetisch abgedichteten Kondensator. Der gebrannte Gegenstand weist eine Pufferschicht zwischen der ersten Kondensatorplatte und dem Träger in einer Dicke von annähernd 0,0125 mm (0,0005") und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von annähernd 80 χ 10 /⁰C auf, der genau dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der dielektrischen Schicht entspricht, die eine Dicke von ca. 0,25 mm (0,001") aufweist. Die Kapazität des sich ergebenden Kondensators beträgt ca. 100 pF. Es hat sich herausgestellt, daß diese Kapazität unabhängig von der Polarität der an die Kondensatoranschlüsse angelegten elektrischen Energie ist, und daß die Empfindlichkeit der Kapazität auf Spannungsänderungen sehr gering ist.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

(l. !Elektrischer Kondensator mit einer zwischen einem Paar von auf einen nicht-leitenden Träger aufgesetzten, lei tenden Platten eingesetzten dielektrischen Schicht, gekennzeichnet durch eine Pufferschicht (12) aus nicht-leitendem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der mit demjenigen der dielektrischen Schicht (16) verträglich und mit dem Kondensator und dem Träger (10) verschmolzen ist.
2. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Platten (14, 20) aus feinverteiltem Metall bestehen und mit der zwischen ihnen liegenden dielektrischen Schicht (16) verschmolzen sind.
3. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Platten (14, 20) aus feinverteiltem Gold, Silber, Platin oder Palladium bestehen.
4. Elektrischer Kondensator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch^ gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht (16) aus wenigstens teilweise kristallisiertem, glasigem Material besteht.

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5. Elektrischer Kondensator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferschient (12, 22) aus wenigstens teilweise kristallisiertem, glasigem Material besteht.
6. Elektrischer Kondensator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche', dadurch gekennzeichnet, daß über der zweiten Platte (20) eine zweite Pufferschicht (22) und darüber eine Abdeckschicht aus glasigem Glasurmaterial (26) gelegt ist, die den gebildeten Kondensator hermetisch umschließt und aus der lediglich die Anschlüsse (18, 24) der Kondensatorplatten (14, 20) vorragen.
7. Elektrischer Kondensator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (10) aus Aluminiumoxyd besteht.

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