DE1928718A1

DE1928718A1 - Legierter Metalloxidkondensator und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1928718A1
Application number: DE19691928718
Authority: DE
Inventors: Garstang William Walk
Original assignee: Syncro Corp
Current assignee: Syncro Corp
Priority date: 1968-06-13
Filing date: 1969-06-06
Publication date: 1969-12-18
Also published as: US3561085A; CH522042A; BE734425A; FR2010843A1; SE348767B; DE1928718B2; NL6908988A; GB1208084A

Description

Dr. 'η;. H. No·; tnctank

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Dipl. Fh/; ^%.ν'. b :-r„ilz

Τ,Ί. 5 38 05 86

Syncro Corporation

605 Lapeer Road, München, 6. Juni 1969

Oxford, Michigan 48051. USA (Anwaltsakte M-7^5)

Legierter Metalloxidkondensator und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft Metalloxldkondenaatoren und Verfahren zu ihrer Herstellung und Insbesondere den Aufbau und die Herstellung von Nickeloxidkondensatoren.

Bei einigen Verfahren zur Herstellung von Metalloxidkondensatoren wird auf dem Grundmetall ein Überzug aus durchlässiger Silberfarbe angebracht, und dann wird das Metall bei einer relativ hohen Temperatur gebrennt, bei der eich ein Oxidfilm unter dem überzug bildet. FUr dieses Verfahren ist auch die Verwendung anderer Metalle, einschließlich Nickel, vorgeschlagen worden. Bei einer Anwendung des Verfahrens ist vorgeschlagen worden, da3 im wesentlichen reines Nickel verwendet werden soll. Man hat gefunden, daß es tat-

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sachlich vorteilhaft ist, unreines Nickel und insbesondere Nicke mit einem Titähgehalt su verwenden.

Bei niedrigen Brenntemperaturen (zwischen ungefähr 270 C und 540 bildet sich das Nickeloxid Ni₂O,, das für Dielektrika unerwünsch ist. Bei einer Temperatur von ungefähr 76O°c bis }85 C bildet si das Nickeloxid NiO mit einer gewünschten Gitterstruktur, das ein gutes Dielektrikum ist. Nsn hat auch gefunden, da3 nach dem Bren nen des Nickels zur Bildung von KlO eine rasche Abschreckung zu einem besseren Dielektrikum führt als eine langsame Abkühlung durch Luft.

Aufgabe der Erfindung 1st es, auegehend von dem oben genannten Stand der Technik ein neues und verbessertes Verfahren zu Herstellung von Nickelojtidkondensstortn *u schaffen.Es 1st weiterhin Aufgabe der Erfindung« einen Nidcsioxldkondensstor mit einem neuen und verbesserten Aufbau zu schaffen.

In bezug auf das Verfahren wird die Aufgabe gemM3 der Erfindung dadurch gelöst,daß ein Nickelkörper zur Bildung von NiO auf sein Oberfläche in Gegenwart von Sauerstoff erhitzt und der erhitzte Nickelkörper rasch abgesohreckt wird, wobei der Nickelkörper aus einer Legierung aus im wesentlichen Nl mit einen Anteil von etwa 0,2 bis 30 Titan besteht.

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Genau einer _L vorteilhaften Weiterbildung; der Erfindung wird der

Kickt;!körper v,.r der genannten Erwärmung in Gegenwart von Sauerstoff a-if eine Temperature zwischen ungefähr 7^v'0°C bis j^;'5^CC erwärmt and mit einem le.itfähigen Überzug versehen. Ep- ist vorteil haft-, wenn dieser Überzug sauerstoffdurchlässig ist. Gemäß einer Vieit-eruild'mi; der Erfind um/ dauert die Abschreckung ungefähr weni_{er als 5 see.

Nach einer besonderen Ausf ührunirsfcrrr besteht der Nickelkörper
aus einer Legierung, die im wesentlichen aus Nickel und aus etwa 1# Titan besteht.

Nach einer anderen Ausführunesferm der Erfindung wird der Körper nach dem Abschrecken mit einer, leitfähigen, sauerstoffdurchlässigen Überzug auf der NiO-Oberfläehe versehen, der üoerzcgene Körper in Anwesenheit \-xn Sauerstoff auf eine Temperatur zwischen
.ingefähr JoQ C ois JjQ C erwärrr.t und rasch geschreckt.

Dabei können der erste und der zweite ÄLsehreckvorrang weniger
als ungefähr 5 see. dauern.

Ein Metalloxidkondensator gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine erste Elektrode aus einer Nickellegierung, die im wesentlichen aus Nickel mit'einem'Anteil von ungefähr 0,2$ bis

3% Titan besteht, ein auf der Oberfläche der ersten Elektrode

aus deren Material gebildetes Dielektrikum aus NiO und eine
auf dem Dielektrikum angebrachte Elektrode,

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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Einige Aus führjngsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich nan£. dargestellt und werden im folgender, näher beschrieben. Es zeigen:

Pig. 1 einen oildlichen Querschnitt durch ejnen Kondensator ^erräß der Erfindung,

Fig·. 2 ein Blcckdiagramm einer Folge von Verfahrensschritten gemäß der Erfindung,

Fig. 3 ein Blcckdia£ramm einer anderen Folge von Verfahrensschritten ^ernäß der Erfindung, und

Fi. g 4 ein Blockdiagramm einer weiteren Folge von Verfahrensschritten £emä3 der Erfindung.

Bei den: angewendeten Verfahren .hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, unreines Nickel, d.h. Nickel mit einem Reingehalt von etwa 97$ zu verwenden. Wenn das Nickel mit einem Anteil zwischen 0,2 und ~5% Titan legiert wi-rd,erhält man einen besseren Nickeloxidkondensator. Das Titan erhöht die Oxidationsgeschwindigkeit des Nickels und sorgt folglich für eine bessere dielektrische Schicht aus Nickeloxid; hinzu kommt, daß das aus dem Titan gebildete Titandioxid gute dielektrische Charakteristiken hat. Es ist erwünscht, da3 der Gehalt an nachteiligen Komponenten wie Si-

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liziuni a if einem Minimum gehalten wird, d.h. insgesamt auf nicht mehr als 1,2$. Der Siliziumgehalt sollte verzugsweise nicht mehr als 0,05$ betrafen. Eine bevorzugte Form eines verbesserten Miokeloxidkondensators wurde mit der folgenden Zusammensetzung erhalten: Silizium 0,05$, Mangan 0,10$, Kupfer 0,02$, Eisen 0,02$, Aluminium 0,04$, Magnesium 1,0$ und Titan 1,0$, wobei der Rest Nickel war. Der gesamte Gehalt an Verunreinigungen sollte abgesehen von Titan vorzugsweise weniger als 1,2$ betragen. Mit der oben genannten Zusammensetzung wurde ein Nickeloxidkondensator hergestellt, der oei 25°C eine Kapazität von 400 pF und bei l MHz und 25°C einen kleinen Verlustfaktor (0,1$) hat. Kit einem Titangehalt von weniger als ungefähr 0,2$ würde man nur eine geringfügige Verbesserung erzielen. Mit einem Titangehalt von mehr als ungefähr 3$ würde man nur eine geringfügige Verbesserung verwirklichen, and tatsächlich könnte eine Verschlechterung des Kondensators eintreten.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Nickeloxidkondensator ist ein zentraler Leiter bzw. eine zentrale Elektrode 12 vorgesehen, die aus der oben genannten Nickellegierung besteht. Ein Dielektrikum 14 besteht aus Verbindungen, die durch Oxidation der Legierung gemä"3 dem vorliegenden Verfahren gebildet werden und als wesentlichen Bestandteil Nickeloxid NiO enthalten, das gute dielektrische Eigenschaften aufweist. Auf dem Dielektrikum 14 ist ein leitfähiger Überzug l6 angebracht, und Leitungsdrähte 18 und 20 sind mit der zentralen Elektrode 12 bzw. mit der äußeren Elektrode oder dem Überzug Io verbunden. Der gesamte Aufbau ist mit Ausnahme der Ver-

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1änderungen der Leitungsdrähte l8 und 20 in einem geeigneten. Überzug 22 z.B. aus Epoxydharz eingeschlossen. Man beachte, da"3 "das" ^; Nickeloxid NiO gebildet wird; das andere Nickeloxid Ni₂O-, ist nicht erwünscht und wird in dem dielektrischen überzug vermieden.

Das erwünschte Nickeloxid NiO wird bei hohen Temperaturen gebildet, vorzugsweise im Bereich von 76O°C bis 9-Ho°C-

: Wie bereits erwähnt, hat man vorgeschlagen, da.'J der Nickeloxid-Kondensator 10 durch Überziehen eines Nickelstreifens oder -blattes

mit einem sauerstoffdurchlässigen Silberüberz ig and anschlieflen-. des Brennen zar Bildung des Nickeloxid hergestellt wird, nach j der Erfindung kann ein verbessertes Dielektrikum und damit ein ! verbesserter Kondensator durch Bildung der Hochtempera türform eines! ■ Nickeloxiddielektrikums (NiO) entweder vor oder sowohl vor als auch

nach dem Überziehen hergestellt werden kann. Entsprechend wird in j ' dem ersten Verfahrensschritt der Erfindung (vgl. Fig. 2) der j Nickelstreifen auf eine Temperatur von ungefähr 760°C bis 985⁰C ''.

! erwärmtj in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Stab

von ' '..-"'■■"■- ^-■

zwei Stunden lang auf eine Temperatur/etwa 955 C erwärmt. Das ; Brennen wird vorzugsweise in einer sauerstoffreichen Atmosphäre durchgeführt, und bei dieser Temperatur wird das grüne Hochtemperatur-Oxid NiO gebildet. Man hat gefunden, da.3 man ein minderwertiges Dielektrikum erhält, wenn man den erwärmten Stab langsam abkühlen läßt. Wenn der Stab Jedoch bei der erhöhten Temperatur rasch abgeschreckt wird, erhält man ein gutes Dielektrikum.

gefunden,
Man hatferner/da3 beim Abschrecken der Stäbe in nicht mehr als

fr

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ungerfahr 5 sec. von Kirschrotglut bis zu einer Temperatur in der Größenordnung von ungefähr 260 C zufriedenstellende Ergebnisse erhalten werden.

Zwar kann ein zufriedenstellendes Abkühlen durch Anordnen des heizen Stabes auf einer Wärmesenke, wie einer relativ großen Eisenmasse, erzielt werden, doch hat es sich als vorteilhafter erwiesen, die Stäbe durch Eintauchen in ein Flüssigkeitsbad wie Silikonöl DC 200 abzukühlen. Das Bad sollte inert sein, kein reduzierendes oder oxidierendes Agens bilden und eine gute Wärme-

j leitfähigkeit haben. Besonders vorteilhaft ist ein Bad aus

Perchloräthylen, das zusätzlich zu den obigen Eigenschaften bei der Abkühlung ein Gas um die Streifen zu bilden scheint und dadurch eine schützende Umgebung schafft, die eine Oxidation oder Reduktion des Hochtemperatur-NiO verhindert. Nach dem Abkühlen ist es möglich, einen leitenden überzug, z.B. Silber, auf die NiO-Oberflache aufzubringen, wodurch man einen zufriedenstellenden Kondensator erhält (vgl. Fig.l). In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden jedoch zusätzliche Brennschritte durchgeführt.

Es kann sein, daß der dielektrische Überzug eine Ausbesserung und/oder weitere Umwandlung in Hochtemperatur-NiO erfordert. In diesem Falle können zusätzliche Verfahrensschritte durchgeführt werden (vgl. Fig. 3). Nach dem Vorbrennen und dem raschen Abschrecken in Perchloräthylen. (ähnlich den ersten beiden Schritten

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BADORKälNAl.

der Fig. 2) kann eine Elektrode aus Silber und Paladium vermischt mit einer Fritte, die ein Sauerstoffdonator ist, auf die NiO-Oberfläche aufgebracht werden, wobei das Silber sauerstoffdurchlässig ist. Die Fritte kann aus Wismuttrioxid bestehen. Der Überzug wird bei einer Temperatur zwischen ungefähr I50 bis 2G0 C getrocknet, bei der die flüchtigen Stoffe aus dem Elektrodenüberzug entfernt werden. Der Stab wird dann bei einer Temperatur zwischen ungefähr 76O⁰C bis 93O C zehn Minuten bis zwei Stunden lang gebrannt, wobei die Brenndauer von dem erwünschten Ergebnis und von den Eigenschaften des jeweils verwendeten Frittesystems abhängt. In dieser Zeit ist die Fritte geschmolzen und Fehler in dem dielektrischen Überzug sind ausgeheilt; danach wird der Überzogene, erwärmte Stab in Perchloräthylen rasch abgeschreckt (ähnlich dem vorherigen zweiten Schritt). Die obigen Verfahrensschritte werden bevorzugt und ergeben im allgemeinen ein besseres Dielektrikum (vgl. Fig. 3) als die Verfahrensschritte der Fig. 2. -

In einem anderen Verfahren (vgl. Fig. 4) wird_ der Nickelstab in einer sauerstoffreichen Atmosphäre (ähnlich dem Schritt 1 der Fig. 2) bei einer Temperatur zwischen ungefähr 760⁰C bis 985⁰C vorgebrannt. Dann läßt man die Stäbe langsam an der Luft abkühlen. Danach werden Silber und Palladium vermischt mit Fritte auf die Oberfläche aufgebracht (die Fritte enthält einen Sauerstoffdonator), wobei der Silberüberzug sauerstoffdurchlässig ist, und der unerzogene Streifen wird wieder in einer sauerstoffreichen

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Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen ungefähr 76O°C und ungefähr 70 Minuten lang gebrannt. Man glaubt, daß Sauerstoff den Silberüberzug durchdringt, und, daß außerdem aus der Pritte erhaltener Sauerstoff zur Bildung des NiOdient. Der Stab wird jetzt r.asch abgeschreckt, vorzugsweise in einem Bad von flüssigem Perchloräthylen, wodurch ein verbessertes Dielektrikum erzielt wird.

In einigen Fällen mag es wünschenswert sein, die Stäbe zu imprägnieren. Bei Verwendung von Silikonöl DC 200 als Abschreckmittel wurde eine Imprägnierung durch Anwendung eines leichten Vakuums in der Größenordnung von 200 Mikron vorgesehen, wobei die Stäbe ungefähr 20 Minuten lang in dem öl blieben. Danach werden die

j Leitungsdrähte l8 und 20 an den Elektroden 12 bzw. Io angebracht. ! In dem letzten V rfahrensschritt wird die Vorrichtung durch viel-

faches Eintauchen in ein Epoxydharz in einen Überzug 22 einrekapselt, um die Feuchtigk&itsempfindlichkeit weiterhin zu reduzieren. Das Ergebnis ist ein verbesserter Kondensatoraufbau und eine neueMethode zur Herstellung desselben.

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^; Syncro Corporation

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Patentansprüche

1.)Verfahren zur Herstellung eines Metalloxidkondensator, da- ! durch gekennzeichnet, da3 ein Nickelkörper zur Bildung von ! NiO auf seiner Oberfläche in Gegenwart von Sauerstoff er-¹ wärmt wird und der erwärmte Körper rasch abgegeschreckt wird,

! wobei der Nickelkörper aus einer Legierung von im wesentli-

j chen Nickel mit ungefähr 0,2$ bis ungefähr 3$ Titan besteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Erwärmung gemäß Anspruch 1 der·Nickelkörper in Gegenwart von Sauerstoff auf eine Temperatur zwischen ungefähr 76O°C bis 985 C erwärmt wird und mit einem leitfähigen Überzug versehen wird.

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. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der j überzug säuerstoffdurchlässig ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, da3 der Abschreckvorgang weniger als ungefähr 5 see. dauert.

5· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nicfcelkörper eine Legierung ist, die im wesentlichen aus Nickel und aus etwa 1% Titan besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß der Körper nach dem Abschrecken mit einem leitfähigen,sauerstoffdurchlässigen überzug auf der NiO-Oberfläche versehen wird, daß der überzogene Korper in Anwesenheit von Sauerstoff auf eine Temperatur zwischen ungefähr 76O⁰C bis 93O⁰C erwärmt und rasch geschreckt wird.

7· Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Abschreckvorgang weniger als ungefähr 5sec. dauern.

δ. Metalloxidkondensator, gekennzeichnet durch eine erste Elektrode aus einer Nickellegierung, die im wesentlichen aus Nikkei mit einem Anteil von ungefähr 0,2^ bis ungefähr ~5% Titan besteht, ein auf der Oberfläche der ersten Elektrode aus deren Material gebildetes Dielektrikum aus NiO und eine zweite, auf dem Dielektrikum angebrachte Elektrode.

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j 9. Metalloxidkondensator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Titangehalt der ersten Elektrode ungefähr \% beträgt.

10. Metalloxidkondensator nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durchweinen Überzug zum Fernhalten von Feuchtigkeit von dem Dielektrikum.

11. Kondensator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zxveite Elektrode aus einem sauerstoffdurchlässigen elektrisch leitenden Überzug besteht.

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