DE2441450C3 - Ceramic capacitor and method of its manufacture - Google Patents
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- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3262—Manganese oxides, manganates, rhenium oxides or oxide-forming salts thereof, e.g. MnO
-
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Description
2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper aus der folgenden Zusammensetzung hergestellt ist: 2. Capacitor according to claim 1, characterized in that the base body is made from the following composition:
SrTiO3 66,0Gew.-%SrTiO 3 66.0% by weight
CaTiO3 27,0Gew.-%
Bi2O3-3 TiO2 7,0Gew.-%CaTiO 3 27.0% by weight
Bi 2 O 3 -3 TiO 2 7.0% by weight
Mn 0,05Gew.-%.Mn 0.05 wt%.
3. Verfahren zum Herstellen eines Keramikkörpers für einen Kondensator gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,3. A method for manufacturing a ceramic body for a capacitor according to claim 1 and 2, characterized in that
daß Strontiumtitanat und/oder Kalziumtitanat sowie Wismutoxid und Titanoxid in solchen Anteilen
gemischt werden, daß sich die gewünschte, im Anspruch 1 herausgestellte Zusammensetzung des
Hauptbestandteils des Keramikkörpers ergibt, und ktieser Zusammensetzung Ionen mindestens eines
der folgenden Stoffe: Mangan, Kobalt. Nickel. Chrom, Vanadium, Niob, Tantal, Lanthan und Cer
beigemischt werden, und zwar in Mengen zwischen 0.025 und 0,4 Gewichtsprozent,
daß die so erhaltene Mischung zu dem gewünschten Körper ausgeformt wird,that strontium titanate and / or calcium titanate as well as bismuth oxide and titanium oxide are mixed in such proportions that the desired composition of the main constituent of the ceramic body, as set out in claim 1, results, and ktieser composition ions of at least one of the following substances: manganese, cobalt. Nickel. Chromium, vanadium, niobium, tantalum, lanthanum and cerium are added in amounts between 0.025 and 0.4 percent by weight,
that the mixture obtained in this way is shaped into the desired body,
daß der so erhaltene Körper für die Dauer Von etwa 2 Stunden bei einer Temperatur von etwa I J5()"C in einer oxidierenden Atmosphäre gesintert wird.that the body obtained in this way is stored for a period of about 2 hours at a temperature of about I J5 () "C in sintering in an oxidizing atmosphere.
Die Erfindung betrifft einen Keramikkondensator mit einem Körper aus halbleitender reduzierter Keramik, die aus den Hauptbestandteil ausmachenden Titanaten und Zusätzen gebildet ist, bei dem der Keramikkörper mit einer dielektrischen Schicht, die durch Reoxidation der Oberflächenschicht des Körpers aus reduzierter Keramik gebildet ist, umgeben ist und bei dem die Beläge aus auf den Keramikkörper aufgebrachten Silberschichten bestehen und bei dem diese Silber schichten mit mit ihnen elektrisch leitend verbundenen Zuleitungen versehen sind. Keramikkondensatoren mit jeweils einem Körper aus The invention relates to a ceramic capacitor with a body made of semiconducting reduced ceramic, which is formed from the main constituent titanates and additives, in which the ceramic body is surrounded by a dielectric layer which is formed by reoxidation of the surface layer of the body made of reduced ceramic, and at in which the coverings consist of silver layers applied to the ceramic body and in which these silver layers are provided with leads connected to them in an electrically conductive manner . Ceramic capacitors with one body each
jo halbleitender, reduzierter Keramik sind bekannt und beispielsweise in folgenden Druckschriften beschrieben: jo semiconducting, reduced ceramics are known and are described, for example, in the following publications:
1961, Heft 8, Seiten 253-256; »Funktechnik«, 1962, Heft1961, No. 8, pages 253-256; "Funkechnik", 1962, issue 6, Seiten 184-186.6, pages 184-186.
α Bei den bekannten Keramikkondensatoren besteht die reduzierte Keramik hauptsächlich aus Titanaten, denen Zusätze beigefügt sind. Außerdem sind die Keramikkörper der bekannten Keramikkondensatoren von einer dielektrischen Schicht umgeben, die durch α In the known ceramic capacitors, the reduced ceramic consists mainly of titanates to which additives are added . In addition, the ceramic body of the known ceramic capacitors are surrounded by a dielectric layer, which is through
4(1 Reoxidation der Oberflächenschicht der reduzierten Keramik gebildet ist, wobei auf die Keramikkörper4 (1 reoxidation of the surface layer of the reduced Ceramic is formed, being on the ceramic body
weiterhin Beläge aus Silberschichten aufgebracht undcontinue to apply coverings made of silver layers and
mit Zuleitungen verbunden sind.are connected with supply lines.
Weiterhin sind in der DE-OS 20 35 945 sowie in derFurthermore, in DE-OS 20 35 945 and in the
4» DE-AS 12 53 627 Halbleiter-Keramikkondensatoren und Verfahren zur Herstellung von Schichten der Beläge für solche Kondensatoren beschrieben.4 »DE-AS 12 53 627 semiconductor ceramic capacitors and method for producing layers of the Coverings for such capacitors are described.
Es ist auch bekannt (DE-OS 14 71 126), Keramikkondensatoren mit einem Grundkörper, der Bi2O3 · 2 TiO>It is also known (DE-OS 14 71 126), ceramic capacitors with a base body, the Bi 2 O 3 · 2 TiO>
in als Hauptbestandteil enthält, so herzustellen, daß sich ein übliches, keine Halbleitereigenschaften aufweisendes Keramikmaterial ergibt. Weiterhin ist es bekannt (DE-OS 22 15 642), Mehrschicht-Kondensatoren mit einem Barium-Titanat-Dielektrikum und einem Metallcontains in as the main component, so that a common, non-semiconductor properties Ceramic material results. It is also known (DE-OS 22 15 642) to have multi-layer capacitors a barium titanate dielectric and a metal
5> als Zusatzstoff so herzustellen, daß ein Verhalten als Halbleiter nach der Sinterung verhindert wird.5> to be produced as an additive in such a way that it behaves as a Semiconductors after sintering is prevented.
Nachteilig an den bekannten Kondensatoren ist es, daß sie hinsichtlich der dielektrischen Verluste, der Spannungsfestigkeit, der Stabilität der KapazitätThe disadvantage of the known capacitors is that they with regard to the dielectric losses, the Dielectric strength, the stability of the capacitance
wi und/oder der Temperaturabhängigkeit ihre Eigenschaften nicht voll befriedigen können.wi and / or the temperature dependence of their properties can not fully satisfy.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Keramikkondensator der eingangs beschriebe-Proceeding from the prior art, the invention is therefore based on the object of an improved Ceramic capacitor of the initially described
hi nen Art anzugeben, der bei verringerten dielektrischen Verlusten und erhöhter Spannungsfestigkeit eine verbesserte Temperaturabhangigkcit der Kapazität besitzt und dennoch einfach und relativ preisv.cnto indicate the type of the reduced dielectric Losses and increased dielectric strength an improved temperature dependence of the capacitance owns and yet simple and relatively inexpensive v.cn
herzustellen ist.is to be established.
Diese Aufgabe wird bei einem Keramikkondensator der eingangs beschriebenen Art durch die Merkmale des Kennzeichen teils des Anspruchs 1 gelöstThis is the job of a ceramic capacitor of the type described above by the features of the characterizing part of claim 1 solved
Ein besonderer Vorteil des Keramikkondensators gemäß der Erfindung besteht dabei darin, daß der Verlustwinkel tani und dessen Temperaturabhängigkeit ebenso wie die Temperaturabhängigkeit der Kapazität wesentlich verringert sind.A particular advantage of the ceramic capacitor according to the invention is that the Loss angle tani and its temperature dependence as well as the temperature dependence of the Capacity are significantly reduced.
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Grundkörper des Keramikkondensators die Zusammensetzung gemäß Anspruch 2 aufweistIt has proven to be advantageous if the base body of the ceramic capacitor has the composition according to claim 2
Zur Herstellung eines Keramikkondensators gemäß der Erfindung hat sich ferner das Verfahren gemäß Anspruch 3 als vorteilhaft erwiesen.For the production of a ceramic capacitor according to the invention, the method according to FIG Claim 3 proved to be advantageous.
Die Rohmaterialien für die Keramik können Oxide oder Verbindungen sein, welche bei Erhitzung Oxide ergeben, wie z. B. Karbonate, Nitrate. Hydroxide. Hydrate usw.The raw materials for the ceramic can be oxides or compounds which, when heated, are oxides result, such as B. carbonates, nitrates. Hydroxides. Hydrates etc.
Die Manganionen können beispielsweise in Form von Mangankarbonat, -sulfat, -nitrat und -hydroxid beigemischt werden oder in Form der Mangansalze von organischen Säuren.The manganese ions can be added in the form of manganese carbonate, sulfate, nitrate and hydroxide, for example, or in the form of the manganese salts of organic acids.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einer Zeichnung noch näher erläutert Es zeigtThe invention is explained in more detail below with reference to a drawing
F i g. 1 eine graphische Darstellung der Änderung der Kapazität und des Verlustwinkels tano eines Halbleiterkeramikkondensators gemäß der Erfindung in Abhängigkeit von der angelegten Gleichspannung,F i g. 1 shows a graph of the change in the capacitance and the loss angle tano of a semiconductor ceramic capacitor according to the invention in FIG Depending on the applied DC voltage,
F i g. 2 eine graphische Darstellung des Einflusses der Alterung auf die Kapazität bzw. den Verlustwinkel tan ό,F i g. 2 a graphical representation of the influence of aging on the capacity or the loss angle tan ό,
F i g. 3 eine graphische Darstellung der Temperaturabhängigkeit der Kapazität und des Verlustwinkels,F i g. 3 a graphical representation of the temperature dependency of the capacitance and the loss angle,
F i g. 4 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Kapazität C pro Fläche der prozentualen Kapazitätsänderung TC eine Temperatur von — 300C, bezogen auf die Kapazität bei 200C und des Verlustwinkels vom Wert χ des Bi2O3 · xTiO2-BestandteilsundF i g. 4 is a graph showing the dependence of the capacitance C per unit area of the percentage change in capacitance TC a temperature from - 30 0 C, based on the capacitance at 20 0 C and the loss angle of the value of Bi 2 O 3 · χ xTiO 2 -Bestandteilsund
F i g. 5 ein dreieckiges Mischungsdiagramm des ternären Systems CaTiO3-SrTiO3-Bi2O3 · 3TiO2, in welchem Linien, die die Abhängigkeit der Kapazität, des Wertes TC in einem Temperaturbereich von —25° C bis + 850C und des Verlustwinkels von der Mischung darstellen, eingezeichnet sind.F i g. 5 is a triangular composition diagram of the ternary system CaTiO 3 SrTiO 3 -Bi 2 O 3 · 3TiO 2, in which lines connecting the dependence of the capacitance, the value of TC in a temperature range from -25 ° C to + 85 0 C and the loss angle of the mixture are shown.
Detailbeschreibung bevorzugter AusführungsbeispieleDetailed description of preferred exemplary embodiments
Die Rohmaterialien werden so zusammengestellt und gemischt, daß sich folgende Mischung ergibt:The raw materials are put together and mixed in such a way that the following mixture results:
CaTiO3 27,0 Gewichtsprozent, Bi2Oj ■ 3TiO2 7,0 Gewichtsprozent und CaTiO 3 27.0 percent by weight, Bi 2 Oj ■ 3TiO 2 7.0 percent by weight and
Manganionen 0,05 Gewichtsprozent.Manganese ions 0.05 percent by weight.
Diese Mischung wird in nassem Zustand in einem Porzellantopf gemischt, wobei mit Achatkugeln gearbeitet wird. Das SrTiOj und das CaTiOj werden vor dem Mischen mit Strontiumkarbonai (SrCO1) und Titandioxid (TiO2) bzw. Kalziumkarbonat (CaCOi) und Titandioxid (TiO:) vorbereitet, indem man die äquimolare Mischung bei einer Temperatur von I2OO"C brennt und die gebrannte Mischung anschließend grob zerkleinert. ,This mixture is mixed while wet in a porcelain pot using agate balls . The SrTiOj and the CaTiOj are prepared before mixing with Strontiumkarbonai (SrCO 1 ) and titanium dioxide (TiO 2 ) or calcium carbonate (CaCOi) and titanium dioxide (TiO :) by burning the equimolar mixture at a temperature of I2OO "C and the burnt mixture then roughly chopped.,
Die Manganionen werden in Form von Mangankurbonat beigegeben.The manganese ions are in the form of manganese carbonate added.
Nach dem Mischen im nassen Zustand werden der Bindemittel /ui;.e«.el/i. uuJ es ei folg» mir ausreichende Mischung in einer Kugelmühle. Die dabei erhaltene Mischung wird dann gepreßt und zu Scheiben mit einem Durchmesser von 16.5 mm und einer Stärke von 0,6 mm ausgeformt, wobei mit einem Druck von 3-104 Pa gearbeitet wird. After mixing when wet, the binders /ui;.e.el/i. uuJ it ei follow me sufficient mixture in a ball mill. The mixture obtained in this way is then pressed and shaped into disks with a diameter of 16.5 mm and a thickness of 0.6 mm, using a pressure of 3-10 4 Pa.
Die ausgeformten Scheiben werden zwei Stunden lang bei einer Temperatur von 1350° C in Luft gesintert und anschließend eine Stunde iang bei einer TemperaturThe shaped disks are sintered in air for two hours at a temperature of 1350 ° C and then one hour long at one temperature
ίο von 8500C einer reduzierenden Atmosphäre, beispielsweise einer Wasserstoffströmung, ausgesetzt Während des letztgenannten Verfahrensschrittes verlieren die Halbleiterscheiben einen Teil des Sauerstoffs und werden halbleitend. Anschließend werden beide Ober flächen bzw. die beiden Hauptflächen der so erhaltenen Keramikscheiben bzw. Grundkörper mit einer Silberpaste bestrichen. Die keramischen Grundkörper werden dann in einer oxidierenden Atmosphäre, beispielsweise in Luft auf eine Temperatur von 780° C erhitzt, um eine Reoxidation der Oberflächenschichten der Keramikkörper zu erreichen und dabei die aufgestrichenen Silberschichten der Beläge einzubrennen. Anschließend werden die Zuleitungen direkt mit den Oberflächen der Silberschichten verlötet, wobei diese in das geschmolze ne Lötmittel eingetaucht werden. Auf diese Weise erhält man bei entsprechender Dimensionierung einen Halbleiterkeramikkondensator mit folgenden charakteristischen Werten: ίο of 850 0 C exposed to a reducing atmosphere, for example a hydrogen flow. During the last-mentioned process step, the semiconductor wafers lose some of the oxygen and become semiconducting. Then both upper surfaces or the two main surfaces of the ceramic disks or base body obtained in this way are coated with a silver paste. The ceramic base bodies are then heated in an oxidizing atmosphere, for example in air to a temperature of 780 ° C., in order to achieve reoxidation of the surface layers of the ceramic bodies and thereby burn in the painted silver layers of the coverings. The leads are then soldered directly to the surfaces of the silver layers, these being dipped into the molten solder. In this way, with appropriate dimensioning, a semiconductor ceramic capacitor with the following characteristic values is obtained:
Kapazität (C) Verlustwinkel tan <5Capacity (C) loss angle tan <5
Kapazitätsänderungen bei
Temperaturen im Bereich von
-55 bis+ 120° C, jeweils
bezogen auf die Kapazität bei 2O0C (angegeben in Prozent der
Kapazität bei 20° C;
Meßfrequenz 1 kHz) Changes in capacity at
Temperatures in the range of
-55 to + 120 ° C, in each case based on the capacity at 2O 0 C (given in percent of the capacity at 20 ° C; measuring frequency 1 kHz)
0,5 · 10-2 0.5 × 10- 2
Isolationswiderstand (IR)
(gemessen bei 25° C und 100 V)
Durchschlagspannung Insulation resistance (IR)
(measured at 25 ° C and 100 V)
Breakdown voltage
+ 6,2% bis -5,6%+ 6.2% to -5.6%
5 χ 104MQ 800 V.5 χ 10 4 MQ 800 V.
Bei den obigen Meßergebnissen wurden von den Meßwerten, die 24 Stunden nach der Reoxidation In the above measurement results , from the measurement values, those 24 hours after the reoxidation
; erhalten wurden, als Anfangswerten ausgegangen und sowohl die Kapazität CaIs auch der Verlustwinkel tan δ wurden bei einer Frequenz von 1 kHz, einer Spannung von 1 V und bei einer Temperatur von 25°C gemessen. ; were obtained , assumed as initial values and both the capacitance CaIs and the loss angle tan δ were measured at a frequency of 1 kHz, a voltage of 1 V and at a temperature of 25 ° C.
Die prozentuale Änderung der Kapazität und dieThe percentage change in capacity and the
ι Änderung des Verlustwinkels der Halbleiterkeramikkondensatoren in Abhängigkeit von der angelegten Gleichspannung ist in Fig. 1 gezeigt. Ferner ist der Einfluß der Alterung auf die Kapazität und den Verlustwinkel der Halbleiterkeramikkondensatoren in F i g. 2 gezeigt, wo längs der horizontalen Achse die Zeit in Stunden aufgetragen ist.ι Change in the loss angle of the semiconductor ceramic capacitors as a function of the applied DC voltage is shown in FIG. 1. Furthermore, the Influence of aging on the capacitance and the loss angle of the semiconductor ceramic capacitors in F i g. 2, where the time in hours is plotted along the horizontal axis.
Aus Fig. 1 wird deutlich, daß d'e Kapazität und der Verlustwinkel nicht von der angelegten Gleichspannung abhängig sind.From Fig. 1 it is clear that the capacity and the Loss angle are not dependent on the applied DC voltage.
Fig. 2 zeigt deutlich, daß selbst nach einer Zeit von 1000 Stunden die Kapazität und der Verlustwinkel noch gleich den Anfangswerten dieser Größen sind.Fig. 2 clearly shows that even after a period of 1000 hours, the capacity and the loss angle are still are equal to the initial values of these quantities.
In Tabelle I sind die elektrischen Eigenschaften von üblichen Halbleiterkeramikkondensaloren vom Reduklions-Reoxidations-Typ mit BaTiOj und die entsprechenden elektrischen Eigenschaften von Halbleiterkeramikkondensatoren gemäß der Erfindung zusammengefaßt. In Table I are the electrical properties of conventional semiconductor ceramic condensers of the reduction-reoxidation type with BaTiOj and the corresponding electrical properties of semiconductor ceramic capacitors summarized according to the invention.
Nr. Kondensalor-Typ CNo. Condenser type C
(uJ-Vcnr)(uJ-Vcnr)
lan δ X ΙΟ2 Isol. Wid. Durchschlage-lan δ X ΙΟ 2 isol. Wid. Breakthrough
spannungtension
Γ.Γ.Γ.Γ.
Spannungscharakterislik Characteristic of tension
(V )(V)
♦) Für einen Temperaturbereich von -30 C bis +85 C.♦) For a temperature range from -30 C to +85 C.
T.C. in der obigen Tabelle bedeutet dabei einen Wert, der gemäß folgender Gleichung errechnet wurde: TC in the table above means a value that was calculated according to the following equation:
TC(Vo) - ACZC20 χ 100 = (Cx-C20VQo x 100. TC (Vo) - ACZC 20 χ 100 = (C x -C 20 VQo x 100.
wobei Cx = Kap. bei x°C, C20 - Kap. bei 200C und x— eine Temperatur, die im Bereich von —30" C bis + 850C liegt, sind.where C x = chap. at x ° C, C 20 - chap. at 20 0 C and x— a temperature which is in the range from -30 "C to + 85 0 C, are.
Unter Spannungscharakteristik wird hier die Größe der Kapazitätsänderung infolge einer bestimmten, an den Kondensator angelegten Gleichspannung verstanden und sie ist in Prozent von der vor dem Anlegen der Gleichspannung vorhandenen Kapazität angegeben.The voltage characteristic is the size of the change in capacitance as a result of a certain Understood the DC voltage applied to the capacitor and it is a percentage of that before the application of the DC voltage given capacity.
F i g. 3 zeigt die mit T.C. bezeichnete Kapazitätsänderung eines Kondensators in Abhängigkeit von seiner Temperatur, bezogen auf die Kapazität bei 200C und angegeben in Prozent der Kapazität bei 200C, und die Temperaturabhängigkeit des Verlustwinkels tan <5 für die Kondensatortypen 1 bis 3 gemäß der Tabelle II. Dabei geben in Fig.3 die ausgezogenen Linien die Abhängigkeit von T.C. von der Temperatur und die gestrichelten Linien die des Verlustwinkels tan ό an. Die Ziffern 1 bis 3 in F i g. 3 bezeichnen den jeweiligen Kondensatortyp entsprechend der Tabelle I. Aus der Tabelle I und der F i g. 3 wird deutlich, daß Halbleiterkeramikkondensatoren gemäß der Erfindung hinsichtlich des Verlustwinkels tan ό und der Größe von T.C den üblichen Halbleiterkeramikkondensatoren überlegen sind. Aus der Tabelle I und den F i g. 1 und 2 wird ferner deutlich, daß die Spannungscharaketristik und die Alterungseigenschaften von Halbleiterkeramikkondensatoren gemäß der Erfindung ausgezeichnet sind.F i g. 3 shows the change in capacitance of a capacitor, denoted by TC , as a function of its temperature, based on the capacitance at 20 ° C. and stated in percent of the capacitance at 20 ° C., and the temperature dependency of the loss angle tan <5 for capacitor types 1 to 3 according to FIG Table II. In FIG. 3, the solid lines indicate the dependence of TC on the temperature and the dashed lines that of the loss angle tan ό. Numbers 1 to 3 in FIG. 3 denote the respective capacitor type according to Table I. From Table I and FIG. 3 it becomes clear that semiconductor ceramic capacitors according to the invention are superior to conventional semiconductor ceramic capacitors with regard to the loss angle tan ό and the size of TC. From Table I and FIGS. 1 and 2 it is also clear that the voltage characteristics and the aging properties of semiconductor ceramic capacitors according to the invention are excellent.
Aus Vorstehendem wird deutlich, daß die HaIb-From the foregoing it is clear that the half
leiterkeramikkondensatoren gemäß der Erfindung kei-conductor ceramic capacitors according to the invention no
nen der Nachteile aufweisen, die bei üblichen Halbleiterkeramikkondensatoren vom Reduktions-Reoxidations-Typ mit BaTiOj vorhanden sind. Außerdem sind Halbleiterkeramikkondensatoren gemäß der Erfindung hinsichtlich der Temperatur-, der Spannungs- und derNEN have the disadvantages of conventional semiconductor ceramic capacitors of the reduction-reoxidation type with BaTiOj are present. Also are Semiconductor ceramic capacitors according to the invention in terms of temperature, voltage and
Alterungscharakteristik sehr stabil und können somit mit Vorteil in elektronischen Schaltungen eingesetzt werden. t Aging characteristics are very stable and can therefore be used to advantage in electronic circuits. t
Die in Tabelle I angegebenen Werte des Verlustwinkels und der Größe von T.C. für den Kondensatortyp Nr.The values of the loss angle and the size of TC given in Table I for capacitor type No.
1 wurden bei einer Spannung von 0,5 V und einer Frequenz von 1 kHz ermittelt. Der Isolationswiderstand wurde bei einer Spannung von 25 V gemessen. Dem angegebenen Wert der Spannungscharakteristik liegt bei diesem Kondensatortyp eine angelegte Gleichspan-1 were determined at a voltage of 0.5 V and a frequency of 1 kHz. The insulation resistance was measured at a voltage of 25 V. The specified value of the voltage characteristic lies with this type of capacitor an applied DC voltage
jo nung von 25 V zugrunde. Für den Kondensatortyp Nr. 2 wurden der Wert für den Verlustwinkel tan ό und die Werte der Größe T.C. bei einer Spannung von 1 V und einer Frequenz von 1 kHz ermittelt. Der Isolationswiderstand wurde bei einer Spannung von 50 Vconnection of 25 V. For capacitor type no. 2, the value for the loss angle tan ό and the values for the size TC were determined at a voltage of 1 V and a frequency of 1 kHz. The insulation resistance was measured at a voltage of 50 V.
J5 ermittelt. Der Wert der Spannungscharakteristik ist bei Anlegen einer Gleichspannung von 50 V ermittelt. Die Werte für den Kondensatortyp Nr. 3 in Tabelle I wurden unter den gleichen Bedingungen ermittelt wie beim Kondensatortyp Nr. 1.J5 determined. The value of the voltage characteristic is at Applying a DC voltage of 50 V determined. The values for capacitor type No. 3 in Table I were determined under the same conditions as for capacitor type no.1.
Die nachfolgende Tabelle 11 zeigt die elektrischen Eigenschaften bei verschiedenen Mengen von Mn-Ionen in der zuvor angegebenen Mischung. Diese Tabelle gibt also Aufschluß über die Wirkung der Beimischung von Mn-Ionen.Table 11 below shows the electrical properties at various amounts of Mn ions in the mixture given above. This table therefore provides information about the effect of the Admixture of Mn ions.
Kond. Typ Nr. Mn-lonenCond. Type No. Mn ions
(Gew.-%)(Wt .-%)
C"C "
(•jJ7cnr)(• jJ7cnr)
tan δ Χ 10-tan δ Χ 10-
Isol. WiderstandIsol. resistance
Durchschlagsspannung Breakdown voltage
(V )(V)
Wie aus Tabelle II deutlich wird, bringt die Beimischung von Mn-Ionen selbst in kleinen Mengen ein schnelles Anwachsen des Isolationswiderstandcs mit sich. Dieses Anwachsen des Isolationswiderstandes wird durch die Absenkung der Dichte der freien Elektronen in der Grenzschicht erreicht, welche auf den Valcnz-Komnensaiiunseffekt der Mn-Ionen in der Grenzschicht zurückzuführen ist.As is clear from Table II, the admixture of Mn ions is beneficial even in small amounts a rapid increase in the insulation resistance. This increase in insulation resistance will achieved by the lowering of the density of the free electrons in the boundary layer, which on the Valcnz-Komnensaiiunseffekt due to the Mn ions in the boundary layer.
Für die Kondensatortypen gemäß Tabelle H wurde Mangankarbonat (MnCOi) als Quelle für die Mn-Ionen hi verwendet und in solcher Menge beigemischt, daß sich ein vorgegebener Gehalt an Mn-lonen ergab.For the capacitor types shown in Table H, manganese carbonate (MnCOi) was used as the source for the Mn ions hi used and mixed in in such an amount that resulted in a predetermined content of Mn ions.
Wenn der Anteil an Mn-Ioncn unter 0.025 Gewichtsprozent liegt, zeigen die keramischen Grundkörper, dieIf the proportion of Mn ions is less than 0.025 percent by weight shows the ceramic base body, which
aus einem derartigen Gemisch hergestellt werden, an ihrer Oberfläche Flecken und Nadellöchcr und haben keine feinen Oberflächen. Ferner zeigen aus derartigen Mischungen hergestellte Kondensatoren große Schwankungen in ihren charakteristischen Werten. Wenn andererseits der Anteil an Mn-Ionen einen Wert von 0,60 Gewichtsprozent übersteigt, wird die Kapazität sehr klein, während der Isolationswiderstand sehr hoch ist. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Reoxidation während des Reoxidationsschrittes sehr heftig ist und zu einer Verschlechterung der Halbleiterkeramikkondensatoren führt.made from such a mixture have spots and pinholes on their surface no fine surfaces. Furthermore, capacitors made from such mixtures show large capacitors Fluctuations in their characteristic values. On the other hand, when the content of Mn ions has a value of 0.60 percent by weight, the capacitance becomes very small, while the insulation resistance becomes very is high. This is due to the fact that the reoxidation during the reoxidation step is very high is violent and leads to deterioration of the semiconductor ceramic capacitors.
Die vorstehend beschriebenen Auswirkungen der Zugabe von Mn-Ionen sind überall in dem Bereich A—8—C—D des Diagramms der Fig.5 gleich. Die κ» Menge des Zusatzes an Mn-Ionen wird folglich auf Werte zwischen 0,025 und 0,40 Gewichtsprozent begrenzt.The above-described effects of adding Mn ions are the same throughout the area A-8-C-D of the diagram of FIG. The κ »amount of the addition of Mn ions is consequently limited to values between 0.025 and 0.40 percent by weight.
Andere Experimente haben gezeigt, daß ein Zusatz von Co-, Ni-, Cr-. V-, Nb-, Ta-, La- und Cc-Ioncn anstelle von Mn-Ionen zu genau den gleichen Ergebnissen führt, welche mit Mn-Ionen erhalten wurden, und daß die gemeinsame Beimischung von zwei oder mehr der obigen lonentypen ebenfalls zu guten Halbleiterkeramikkondensatoren führt, deren charakteristische Eigen- r> schäften die gleichen sind wie bei den vorstehend betrachteten Halbleiterkeramikkondensatoren, vorausgesetzt, daß die Gesamtmenge der beigemischten Ionen innerhalb des Bereichs von 0,025 bis 0,40 Gewichtsprozent liegt. inOther experiments have shown that the addition of Co-, Ni-, Cr-. V, Nb, Ta, La and Cc ions instead of Mn ions leads to exactly the same results as those obtained with Mn ions, and that the joint admixture of two or more of the above ion types likewise to good semiconductor ceramic capacitors whose characteristic properties are the same as those of the above considered semiconductor ceramic capacitors, provided that the total amount of mixed ions is within the range of 0.025 to 0.40 percent by weight. in
Fig.4 zeigt eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwinchen der Kapazität C. der der Größe von TC, der für eine Temperatur von -300C und des Verlustwinkels tan <5 einerseits und dem Wert X des Mischungsbestandteils B12OJ · χ TiO2, welcher einer der r> Hauptbestandteile des Keramikmaterials für Halbleiterkeramikkondensatoren gemäß der Erfindung ist, andererseits.4 shows a graph illustrating the relationship zwinchen the capacitance C. of the size of TC, the tan for a temperature of -30 0 C and the loss angle <5 on the one hand and the value X of the mixture component B12OJ · χ TiO 2, which is one the r> is the main constituent of the ceramic material for semiconductor ceramic capacitors according to the invention, on the other hand.
Solange χ unter 0,5 liegt, ist der Bi2Oj-AnIeU übermäßig groß und die Mischung fällt aus dem oben angegebenen Bereich heraus, da das Bi2O1 während der Erhitzung verdampft, was für den praktischen Einsatz unerwünscht hohe Änderungen der einzelnen Eigenschaften mit sich bringt. Wenn dagegen χ größer als 9,0 wird, ergibt sich ein TiO2-Überschuß und die Keramikgrundkörper haften aneinander.As long as χ is below 0.5, the Bi 2 Oj-AnIeU is excessively large and the mixture falls outside the range given above, since the Bi 2 O 1 evaporates during the heating, which changes the individual properties, which are undesirably large for practical use brings with it. If, on the other hand, χ is greater than 9.0, there is an excess of TiO2 and the ceramic base bodies adhere to one another.
Wenn χ zwischen 0,5 und 9,0 liegt, wie dies der F i g. 4 zugrunde gelegt ist, ergeben sich dagegen für die Halbleiierkeramikkondensatoren gute Werte für die Kapazität, für den Wert TC. und für den Verlustwinkel w tan d. Für den Mischungsbestandteil Bi2O1 ■ χTiG? werden folglich für χ Werte zwischen 0,5 und 9,0 bevorzugt.When χ is between 0.5 and 9.0, as shown in FIG. 4, on the other hand, good values for the capacitance and for the value TC result for the semiconducting ceramic capacitors. and for the loss angle w tan d. For the mixture component Bi 2 O 1 ■ χTiG? values between 0.5 and 9.0 are therefore preferred for χ.
Im übrigen gilt die Fig.4 mit den unterschiedlichen Werten von χ für den Bestandteil Bi2Oj - χ T1O2 für eine Keramikmischung mit 66,0 Gewichtsprozent SrTiOj, mit 27,0 Gewichtsprozent CaTiO3, mit 7,0 Gewichtsprozent Bi2O3 · χ TiO2 und mit 0,05 Gewichtsprozent Mn-Ionen.4 applies with the different values of χ for the component Bi 2 Oj - χ T1O2 for a ceramic mixture with 66.0 percent by weight SrTiOj, with 27.0 percent by weight CaTiO 3 , with 7.0 percent by weight Bi 2 O 3 χ TiO 2 and with 0.05 percent by weight Mn ions.
Fig.5 zeigt die Abhängigkeit der Kapazität C wi [pF/cm2i des Wertes TC. [%] und des Verluslwinkels tan δ von den unterschiedlichen Anteilen der drei Verbindungen SrTiOj, CaTiOj und Bi2Oj - 3TiO2 der oben angegebenen Mischung für Halbleiterkeramikkondensatoren. b55 shows the dependence of the capacitance C wi [pF / cm 2 i of the value TC. [%] and the loss angle tan δ of the different proportions of the three compounds SrTiOj, CaTiOj and Bi 2 Oj - 3TiO 2 of the above mixture for semiconductor ceramic capacitors. b5
Wie Fi g. 5 zeigt, besitzen die Halbleiierkeramikkondensatoren vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich des Wertes TC und des Verlustwinkels tan 6. wenn man Keramikmischungen verwendet, die in den viereckigen Bereich A — B—C—D fallen und wenn man diesen Mischungen 0,025 bis 0,4 Gewichtsprozent von Ionen mindestens eines der folgenden Elemente beimischt:Like Fi g. 5 shows, the semiconducting ceramic capacitors have advantageous properties with regard to the value TC and the loss angle tan 6. If one uses ceramic mixtures that fall in the quadrangular range A - B - C - D and if one uses these mixtures 0.025 to 0.4 percent by weight of ions at least admixes one of the following elements:
Mangan, Kobalt, Nickel, Chrom, Vanadium, Niob, Tantal, Lanthan und Cer. Halbleiterkeramikkondensatoren mit ausgezeichneten Eigenschaften können also aus Keramikmischungen erhalten werden, die in den viereckigen Bereich A—B—C—D fallen, wobei für die Punkte A, B, C und D die nachstehend in Tabelle 111 angegebenen Mischungsbestandteile vorhanden sind, denen Ionen mindestens eines der folgenden Elemente beigemischt werden:Manganese, cobalt, nickel, chromium, vanadium, niobium, tantalum, lanthanum and cerium. Semiconductor ceramic capacitors with excellent properties can thus be obtained from ceramic mixtures which fall into the quadrangular region A-B-C-D , the mixture components indicated below in Table 111 being present for points A, B, C and D, including at least one ion the following elements can be added:
M n, Co, N i, Cr, V, Nb, Ta, La und Ce.
Tabelle IIIM n, Co, N i, Cr, V, Nb, Ta, La and Ce.
Table III
CaTiOiCaTiOi
|Gcw.-%]| Gcw .-%]
SrTiO,SrTiO,
Bi2O-, · λ TiO.Bi 2 O-, · λ TiO.
[Gcw.-%][Weight%]
In F i g. 5 ist der Wert χ in Bi2Oj · χ TiO2 = 3. Dieser Wert ist jedoch nur ein repräsentatives Beispiel. Es werden nämlich für Werte von χ im Bereich von 0,5 bis 9,0 bei Halbleiterkeramikkondensatoren gemäß der Erfindung ebenfalls gute Eigenschaften erzielt, wie dies aus F i g. 4 deutlich wird.In Fig. 5 is the value χ in Bi 2 Oj · χ TiO 2 = 3. However, this value is only a representative example. This is because for values of χ in the range from 0.5 to 9.0 in semiconductor ceramic capacitors according to the invention, good properties are also achieved, as can be seen from FIG. 4 becomes clear.
Für den Fall, daß der Anteil von Bi2Oj · χ TiO2 in den Keramikkörpern für Kondensatoren gemäß der Erfindung unter 2,0 Gewichtsprozent liegt, ist es schwierig, den Sauerstoff aus den keramischen Körpern freizusetzen, selbst wenn man diese einer Wärmebehandlung in einer reduzierenden Atmosphäre aussetzt, so daß derartige Keramikkörper nicht halbleitend werden. Es zeigt sich, daß verringerte Mengen von Wismut ein einfaches Freisetzen von Sauerstoff und eine Reoxidation behindern.In the event that the proportion of Bi 2 Oj · χ TiO 2 in the ceramic bodies for capacitors according to the invention is less than 2.0 percent by weight, it is difficult to release the oxygen from the ceramic bodies, even if they are subjected to a heat treatment in one exposing a reducing atmosphere, so that such ceramic bodies are not semiconducting. It is found that reduced amounts of bismuth hinder easy oxygen release and reoxidation.
Wenn der Anteil des Bi2Oj ■ χ TiO2 höher wird als 50,0 Gewichtsprozent, ist es schwierig, die ausgeformten Körper zu sintern, was sich in der Praxis als ungünstig erweist.If the proportion of Bi 2 Oj · TiO 2 becomes higher than 50.0% by weight, it is difficult to sinter the molded bodies, which is inconvenient in practice.
Demgemäß wird vorzugsweise mit einem Anteil an Bi2O3 · XTiO2 zwischen 2,0 und 50,0 Gewichtsprozent gearbeitet. Der Anteil an CaTiO3 und SrTiO3 entspricht jeweils dem bei dem gegebenen Anteil von Bi2O3 · *TiO2 verbleibenden Rest. Der Anteil an CaTiO3 liegt also mit anderen Worten zwischen 0 und 98,0 Gewichtsprozent. Wenn der Anteil von CaTiO3 bei 0 Gewichtsprozent liegt, beträgt der Anteil des SrTiO1 bis zu 98,0 Gewichtsprozent, während dann, wenn der Anteil des CaTiOj 98,0 Gewichtsprozent beträgt, der Anteil des SrTiOj bei 0 Gewichtsprozent liegt.Accordingly, a proportion of Bi 2 O 3 · XTiO 2 between 2.0 and 50.0 percent by weight is preferably used. The proportion of CaTiO 3 and SrTiO 3 corresponds in each case to the remainder of the given proportion of Bi 2 O 3 · * TiO 2. In other words, the proportion of CaTiO 3 is between 0 and 98.0 percent by weight. When the amount of CaTiO 3 is 0 percent by weight, the amount of SrTiO 1 is up to 98.0 percent by weight, while when the amount of CaTiOj is 98.0 percent by weight, the amount of SrTiOj is 0 percent by weight.
CaTiO1 und SrTiO3 werden jeweils in einem solchen Gewichtsverhältnis verwendet, daß sich die gewünschten Eigenschaften für C, tan ό und TCergeben.CaTiO 1 and SrTiO 3 are each used in such a weight ratio that the desired properties for C, tan ό and T result.
Für den Fall, daß der Anteil an SrTiO1 und CaTiOi an der Gesamtmischung unter 50,0 Gewichtsprozcni liegt, wird das Sintern schwierig, da ein zu hoher Anteil an Bi2Oj - JrTiO2 vorhanden ist. Wenn andererseits der Anteil an SrTiO3 und CaTiOj 98,0 Gewichtsprozent der Gesamtmischung übersteigt, ergibt sich ein Anteil an B12OJ · xTiO2 unter ZO Gewichtsprozent, so daß es schwierig wird, den in den keramischen KörpernIn the event that the proportion of SrTiO 1 and CaTiOi in the total mixture is below 50.0 percent by weight, sintering becomes difficult because the proportion of Bi 2 Oj - JrTiO 2 is too high. On the other hand, if the proportion of SrTiO 3 and CaTiOj exceeds 98.0% by weight of the total mixture, the proportion of B12OJ · xTiO 2 becomes less than ZO% by weight, so that it becomes difficult to use that in the ceramic bodies
ίοίο
enthaltenen Sauerstoff durch eine Wärmebehandlung in einer reduzierenden Atmosphäre freizusetzen, so daß die keramischen Körper nicht halbleitend werden.to release contained oxygen by a heat treatment in a reducing atmosphere, so that the ceramic bodies do not become semiconducting.
Wie dies vorstehend in den Einzelheiten beschrieben wurde, werden die Halbleiterkeramikkörper, welche durch Sintern der Mischung in einer oxidierenden Atmosphäre und durch eine anschließende Wärmebehandlung in einer reduzierenden Atmosphäre zum Freisetzen eines Teils des Sauerstoffs aus den keramischen Körpern und zur Herbeiführung von Halbleitereigenschaften vorbereitet wurden, mit Silberpaste eingestrichen und in oxidierender Atmosphäre erhitzt, um gleichzeitig ein Einbrennen der Silberschichten, eine Oberflächenindiffusion des Siibers und eine Reoxidation der Oberfläche des keramischen Körpers zu erreichen und aufgrund dieser Behandlung einen geringeren Verlustwinkel tan <5, eine geringere Temperaturabhängigkeit der Kapazität und einen höheren Isolationswiderstand, bezogen auf die angelegte Spannung, zu erreichen, als bei den bekannten Kondensatoren.As described in detail above, the semiconductor ceramic bodies which by sintering the mixture in an oxidizing atmosphere and by a subsequent heat treatment in a reducing atmosphere to Releasing some of the oxygen from the ceramic bodies and bringing about Semiconductor properties were prepared, coated with silver paste and in an oxidizing atmosphere heated in order to simultaneously burn in the silver layers, a surface diffusion of the silver and a To achieve reoxidation of the surface of the ceramic body and due to this treatment a lower loss angle tan <5, a lower temperature dependence of the capacitance and a higher one Insulation resistance, based on the applied voltage, can be achieved than with the known capacitors.
Halbleiterkeramikkondensatoren gemäß der Erfindung können auf vielen Gebieten verwendet werden.Semiconductor ceramic capacitors according to the invention can be used in many fields.
insbesondere auch in Schaltungen, in denen mit hohen Spannungen gearbeitet wird.especially in circuits in which high voltages are used.
Halbleiterkeramikkondensatoren gemäß der Erfindung weisen ferner keinen der Nachteile auf, die bei den üblichen Halbleiterkeramikkondensaloren vom Reduktions-Reoxidations-Typ mit BaTiOs vorhanden sind, und sind insofern vorteilhaft, als sie eine gute Spannungsund Frequenzcharakteristik besitzen, wobei ihre elektrischen Eigenschaften durch die Alterung nicht beeinflußt ίο werden. Folglich können Halbleiterkeramikkondensatoren gemäß der Erfindung auch in elektronischen Schaltungen eingesetzt werden.Semiconductor ceramic capacitors according to the invention also have none of the disadvantages that are encountered in the conventional semiconductor ceramic condensers of the reduction-reoxidation type with BaTiOs are present, and are advantageous in that they have good voltage and frequency characteristics, and their electrical properties are not affected by aging ίο be. Consequently, semiconductor ceramic capacitors according to the invention can also be used in electronic Circuits are used.
Darüber hinaus verbessert die Möglichkeit, die Zuleitungen direkt an die Oberfläche der Silberschichten der Beläge anlöten zu können, nicht nur die Bearbeitbarkeit bei der Produktion der Halbleiterkeramikkondensatoren und beim Einbau derselben in elektronische Schaltungen, sondern führt auch zu guten Leistungen und zur Vereinfachung der Produktion, wenn derartige Halbleiterkeramikkondensatoren in miniaturisierten elektrischen Schaltungen eingesetzt werden.In addition, the ability to solder the leads directly to the surface of the silver layers of the coverings improves, not just the Machinability in the production of the semiconductor ceramic capacitors and in the installation of the same in electronic circuits, but also leads to good performance and simplification of production, when such semiconductor ceramic capacitors are used in miniaturized electrical circuits will.
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