DE2247978C3

DE2247978C3 - Keramischer dielektrischer Körper

Info

Publication number: DE2247978C3
Application number: DE19722247978
Authority: DE
Inventors: Erich 8035 Gauting; Kuschke Renate 8011 Forstinning Fenner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1972-09-29
Publication date: 1978-01-19

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen keramischen dielektrischen Körper mit geringer Abhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten von der Temperatur, aus einem Material auf der Basis des Bariumtitanats und mit einem Gehalt an Eisen, sowie auf eine bevorzugte Verwendung eines solchen Körpers.

Für die Bildung elektrischer Kapazitäten ist es bekannt, keramische dielektrische Körper aus Bariumtitanat und/oder diesem verwandten Stoffen herzustellen. Zum Beispiel ist ein wie oben angegebenes Kondensatordiclektrikum aus der deutschen Auslegeschrift 1 117766 bekannt. Dieses Dielektrikum, das im wesentlichen aus Bariumtitanat besteht, enthält beispielsweise einen Anteil aus Eisen oder Eisenoxid.

Außer dieser obengenannten Auslegeschrift ist ein außerordentlich umfangreicher Stand der Technik bezüglich des Bariumtitanats als Dielektrikum bekannt. Eine Fülle von Untersuchungen über die Wirkung von Zusätzen von Fremdstoffen zu Bariumtitanat sind angestellt worden. Insbesondere sind die Untersuchungen dahin gegangen, ein keramisches Dielektrikum aufzufinden, das einen geringen Temperaturgang der Dielektrizitätskonstanten in einem vorgegebenen Temperaturbereich aufweist. Von Bariumtitanat ist bekannt, daß es in der Nähe des Curiepunktes eine starke Temperaturabhängigkeit des Temperaturkoeffizienten aufweist. Durch Metalloxidzusätze ist erreicht worden, diese starke Temperaturabhängigkeit zu verringern.

In einem hierzu vergleichsweise ganz anderen Zusammenhang, nämlich für piezoelektrische Keramik, ist Eisen als Zusatzstoff zu Bariumtitanat ebenfalls bereits beschrieben worden. Es sei hierzu auf die deutsche Auslegeschrift 1671076 verwiesen. In dem dort vorliegenden Falle wurde durch die Zugabe von Eisen insbesondere eine Erhöhung des mechanischen Gütefaktors Q_M erreicht.

Aus den britischen Patentschriften 574577 und 795451 ist es ebenfalls, nämlich wie bereits eingangs erörtert, bekannt, Eisenoxid einer Keramik auf der Basis des Bariumtitanats zuzugeben. Aus der französischen Patentschrift 1400908 ist zwar andererseits bekannt, Bariumtitanat Zink zuzugeben, doch lassen sich aus diesen vorbekannten Druckschriften, die im übrigen noch eine große Anzahl von Möglichkeiten anderer Zugaben nennen, keine Hinweise auf die nachfolgend noch zu beschreibende Erfindung entnehmen.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen keramischen dielektrischen Körper anzugeben, der auch bei hohen Frequenzen einen möglichst großen Wert der Dielektrizitätskonstanten hat, der im vorgegebenen Bereich möglichst temperaturunabhängig ist, und der außerdem einen über den gesamten in Frage kommenden Temperaturbereich möglichst kleinen Verlustfaktor hat. Insbesondere soll der Verlustfaktorfür Frequenzen im VHF-Bereich klein sein. Gemäß einer bevorzugten Verwendung des aufzufindenden dielektrischen Körpers soll dieser für VHF-Filterbzw. L-C-Filterstrukturen in Schichtschaltungstechnik vorteilhaft verwendbar sein. Zur Schichtschaltungstechnik gehören die Dünnschicht-, Dickschichttechnik sowie die Technik der gedruckten und/oder geätzten Schaltungen.

Diese Aufgabe wird einem wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen keramischen dielektrischen Körper gelöst, der erfindungsgemäß gekennzeichnet ist, wie dies im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegeben ist, und weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Wirkung der bekannten Zugabe von Eisen zu Bariumtitanat in bezug auf den Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstanten geht dahin, daß zwar eine Abflachung der Temperaturkurve eintritt, gleichzeitig aber eine Verringerung der Curie-Temperatur auftritt. Damit kommt die zwar abgesenkte, aber dennoch relativ hohe Curie-Spitze der Temperaturkurve der Dielektrizitätskonstanten noch mehr in das Gebiet der Betriebstemperaturen, als dies für das reine Bariumtitanat gilt. In diesem Temperaturbereich soll jedoch gerade besonders hohe Temperaturkonstanz erreicht sein. Die bekannte Zugabe von Eisen verschlechtert also die Temperaturabhängigkeit in einem wesentlichen Anteil des Gebietes der Betriebstemperaturen. Von Zinkzugabe ist es in anderem Zusammenhang bekannt, daß damit eine Verringerung der dielektrischen Verluste erreichbar ist. Aus der Druckschrift, die dies den Fachmann lehrt, geht aber auch hervor, daß Eisen ebenfalls diese Wirkung haben soll. Dem Fachmann wird also kein Hinweis gegeben, wie erfindu.igsgemaß Bisen und Zink ge-

meinsam zuzugeben, um damit eine Temperaturunabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten zu erreichen, die beispielsweise in der Größenordnung von ±3% im Bereich von 20 bis 80° C bleibt.

Gemäß einer Spezifizierung der Erfindung beträgt der Gehalt an Zink etwa 0,1 bis 5 Gewichtsprozent, vorzugsweise mehr als 0,5 Gewichtsprozent, gerechnet als ZnO, bei einem Gehalt an Eisen von 0,5 bis 5 Gewichtsprozent, vorzugsweise mehr als 1 Gewichtsprozent, gerechnet als Fe₂O₃. Die gemeinsame Zugabe von Eisen und Zink führt entgegen der bekannten Tatsache, daß die Zugabe von Eisen allein in Mengen von 1 % und mehr zu steigender elektrischer Leitfähigkeit des Materials und damit zu vergrößertem Verlusiwinkel führt, keineswegs auch nur angenähert zu einer wie an sich zu erwartenden Verschlechterung.

Im ganzen gesehen besonders günstige Werte der Dielektrizitätskonstanten, des Verlustfaktors und deren Temperatur- und Frequenzabhängigkeit haben sich für Bariumtitanat mit 1,5% Eisen und 0,8% Zink bzw. mit 0,5 bis 0,7% Nickel, jeweils gerechnet als Gewichtsprozente der oben angegebenen Oxide, ergeben.

Für das Material ist in dem üblichen Rahmen für Kondensatordielektrika als rein zu bezeichnendes Bariumtitanat besonders geeignet. Für Einzelfälle können vorteilhaftere Ergebnisse auch durch über die angegebenen Zusätze hinausgehende Substitutionen im Bariumtitanat durch an sich hierfür bekannte bzw. übliche Substituenten erreicht werden.

Der erfindungsgemäße Körper weist eine außerordentlich geringe Porosität auf. Die Eigenschaft macht ihn für die oben angegebene Verwendung besonders geeignet. Insbesondere können Leiterbahnstrukturen auf der Oberfläche eines wie erfindungsgemäßen Körpers aufgebracht werden. Auf die Oberfläche einesderartigen Körpers aufgebrachte Metallisierungen sind fest haftend und lassen sich zur Herstellung von Leiterbahnen und anderen Strukturen ausgezeichnet gut ätzen.

Bei erfindungsgemäßen dielektrischen Körpern aus Bariumtitanat mit Eisen und Zink konnten Werte der Dielektrizitätskonstanten wesentlich über 1000 und bis 2000 erreicht werden, wobei die temperaturabhängige Vernderung dieser Werte im Bereich zwischen -20° und +130° C kleiner als ±8% und im Bereich von +20 bis +80° C weniger als etwa ±3% beträgt.

Bei einem wie voranstehend angegebenen Körper wurden Werte des Verlustfaktors tann von weniger als 10 "² gemessen. Im Temperaturbereich von —20 bis +100° C konnte eine Temperaturabhängigkeit festgestellt werden, die noch unterhalb etwa ±3 · 10~³ beträgt.

Ein besonderer technischer Vorteil ist auch die geringere Frequenzabhängigkeit des Verlustfaktors tan δ bei einem wie erfindungsgemäßen dielektrischen Körper. Selbst bis in VHF-Bereich konnten tano-Werte festgestellt werden, die noch erheblich unter

ίο 10"² bleiben (VHF = 50 bis 300 MHz).

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß mit Hilfe einer Zugabe von Eisenoxid zu Bariumtitanat eine Verbesserung des Temperaturganges erreicht werden kann. Es mußte aber festgestellt werden, daß

»5 damit ein vergrößerter Verlustfaktor, d.h. geringere dielektrische Güte, in Kauf genommen werden muß. Es wurde aber erkannt, daß durch die erfindungsgemäße zusätzliche Zugabe von Zinkoxid der Verlustfaktor wieder verkleinert werden kann, ohne daß die

*° durch Eisen erreichte Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten wesentlich beeinflußt wird. Bei den im Rahmen des Entstehens der Erfindung angestellten Untersuchungen wurde außerdem die geringe Frequenzabhängigkeit des außerordentlich

»5 kleinen Verlustfaktors festgestellt.

Für die Herstellung eines erfindungsgemäßen keramischen dielektrischen Körpers hat sich ein Verfahren als zweckmäßig erwiesen, dessen einzelne Verfahrensschritte im folgenden kurz gefaßt angegeben werden.

In an sich üblicher Weise wird von Bariumkarbonat und Titanatdioxid in stöchiometrischer Einwage ausgegangen, dem die Oxyde des erfindungsgemäß vorgesehenen Eisens und Zinks zugegeben werden. Dieses Material wird mit Wasser naß gemahlen, bei Temperaturen um 1050° C umgesetzt, wieder gemahlen, mit Bindemittel gepreßt und bei Temperaturen um 1350° C, insbesondere im Bereich von 1330 bis 1370° C zu dem keramischen Körper gebrannt.

Die Brenntemperatur ist kritisch. Als Haltezeit für den Sintervorgang bei wie angegebenen Temperaturen haben sich Zeitintervalle von einer halben Stunde bis 2 Stunden als besonders günstig erwiesen.
Durch mechanische Bearbeitung werden den jeweiligen Anforderungen entsprechend bemessene Körper, z.B. Platten, hergestellt. Auf derartigen Platten werden die Schaltungen entsprechend der jeweiligen Technik aufgebaut. Durch Anbringung flächenmäßiger Elektroden auf einem erfindungsgemäßen Körper kann ein Kondensator mit den angegebenen elektrischen Eigenschaften hergestellt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Keramischer dielektrischer Körper mit geringer Abhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten von der Temperatur, aus einem Material auf der Basis des Bariumtitanats mit einem Gehalt an Eisen, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Gehalt an Zink vorhanden ist.

2. Keramischer dielektrischer Körper nach An- »° spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Zink etwa 0,1 bis 5 Gewichtsprozent, vorzugsweise mehr als 0,5 Gewichtsprozent, gerechnet als ZnO, bei einem Gehalt an Eisen von etwa 0,5 bis 5 Gewichtsprozent, vorzugsweise mehr als 1 Ge- »5 wichtsprozent, gerechnet als Fe₂O₃, beträgt.

3. Keramischer dielektrischer Körper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Zink 0,8 Gewichtsprozent bei 1,5 Gewichtsprozent Eisen beträgt, gerechnet als Oxyde. ao

4. Keramischer dielektrischer Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material unsubstituiertes Bariumtitanat ist.

5. Verfahren zur Herstellung eines keramischen dielektrischen Körpers nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusätze dem stöchiometrisch eingewogenen Ausgangsmaterial, Bariumkarbonat und Titandioxid, zugesetzt werden und diese Mischung naß gemahlen, bei etwa 1050° C umgesetzt, wieder zerkleinert, in Formkörper gepreßt und bei 1330 bis 1370° C, vorzugsweise bei 1350" C, mit einer Haltezeit von etwa 0,5 bis 2 Stunden gesintert wird.

6. Verwendung eines keramischen dielektrischen Körpers nach einem der Ansprüche 1 bis 4, für L-C-Filterstrukturen in Schichtschaltungstechnik.

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