DE3226623A1 - Verfahren zur herstellung von vielschicht-keramik-kondensatoren - Google Patents
Verfahren zur herstellung von vielschicht-keramik-kondensatorenInfo
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Description
J .H.Alexander 16
Verfahren zur Herstellung von Vielschicht-Keramik-Kondensatoren
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Vielschicht-Keramik-Kondensatoren mit einem Dielektrikum
aus keramischem Material.
Keramische Kondensatoren werden bereits seit mehreren Jahren hergestellt und haben ältere Kondensatortypen, wie z.B.
Papierkondensatoren, Glimmerkondensatoren und Kunststoffolienkondensatoren
bei vielen Anwendungen ersetzt. Keramische Dielektrika haben den Vorteil einer hohen Dielektrizitätskonstante
und können so zur Herstellung von sehr kleinen Kondensatoren verwendet werden.
Bei gedruckten Schaltungen sehr hoher Dichte, bei Dickfilmschaltungen
und bei Hybridschaltungen besteht ein steigendes
Bedürfnis nach Kondensatoren mit einem großen Verhältnis von Kapazitätswert zu Volumen, und zwar zu einem größeren Verhältnis,
als es die bisher üblichen Keramik-Kondensatoren haben.
Es ist bekannt, daß der Kapazitätswert eines Kondensators
in zweierlei Weise erhöht werden kann. Entweder die Dicke des dielektrischen Materials zwischen den Kondensatorbelegungen
wird vermindert oder es wird ein Material mit höherer tatsächlicher oder effektiver Dielektrizitätskonstante verwendet.
Bei der Herstellung von Keramik-Kondensatoren wird die
Unterschreitung einer bestimmten Dicke des Dielektrikums
- 4 -J.H.Alexander 16
vermieden, weil die Gefahr besteht, daß feine Poren zu einem Durchschlag zwischen den anliegenden Elektroden führen,
wodurch die Kondensatoren unbrauchbar werden.
Es wurde daher versucht, die effektive Dielektrizitätskonstante des keramischen Materials zu erhöhen. Insbesondere
wurde gefunden, daß eine Dotierung der Korngrenzen in dem keramischen Material zu einem wesentlichen Anstieg der effektiven Dielektrizitätskonstanten führt und damit zu einer
Erhöhung des Kapazitätswertes des Kondensators. Diese Technik
wurde jedoch bisher in der kommerziellen Fertigung von keramischen Kondensatoren nicht verwendet, da bei einem solchen
Verfahren eine relativ hohe Temperatur erforderlich ist, bei der das Dotierungsmaterial mit dem Elektrodenmaterial
reagiert, mit einem nachteiligen Effekt auf die Elektroden
charakteristik des Kondensators.
Bei der Herstellung von Keramik-Kondensatoren wird zunächst
ein dünner Überzug einer Paste, enthaltend eine keramische Substanz, ein Bindemittel und ein Lösungsmittel, auf einer
ebenen, nicht absorbierenden Oberfläche ausgebreitet. Wenn
das Lösungsmittel verdampft ist, verbleibt ein dünnes zusammenhängendes Plättchen aus ungebranntem Keramik-Material.
Die Elektroden werden durch Siebdruck auf das rohe Plättchen aufgebracht und dieses wird dann unterteilt und zu einer Mehrschichtanordnung aufgeschichtet und anschließend
bei hohen Temperaturen gebrannt, wobei sich das eigentliche keramische Dielektrikum bildet. Erst danach kann eine Dotierung der keramischen Korngrenzen durch ein zweites Brennen
bei etwas niedrigerer Temperatur vorgenommen werden. Bei diesem zweiten Brennprozeß, der etwa bei 1000 bis 1300 C
durchgeführt wird, tritt eine Reaktion des Dotierungsmaterials mit den Elektroden ein, wobei die Eigenschaften des
fertigen Kondensators verschlechtert werden.
J.H.Alexander 16
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung
von VieIschicht-Keramik-Kondensatoren anzugeben, bei dem
eine Dotierung möglich ist, ohne daß eine Reaktion mit dem Elektrodenmaterial eintritt.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von
Vielschicht-Keramik-Kondensatoren vorgeschlagen, bei dem im
Bereich der Elektroden zunächst flache Hohlräume erzeugt werden, die nach dem Brennvorgang mit einem leitenden Elektrodenmaterial
gefüllt werden.
Dadurch ist es möglich, vor dem Einbringen des Elektrodenmaterials
eine Dotierung der Korngrenzen des Keramikmaterials
vorzunehmen, ohne daß dabei eine nachteilige Wechselwirkung
mit dem Elektrodenmaterial eintritt.
Als Ergebnis des Dotierungsprozesses werden Grenzschichten
an den Korngrenzen durch das ganze keramische Dielektrikum hindurch gebildet. Das hat die Wirkung, daß jedes keramische
Plättchen einer Anordnung von Miniaturkondensatoren entspricht,
die in Reihe oder parallel zueinander geschaltet sind. Dies ergibt eine Erhöhung der effektiven Dielektrizitatskonstante
des keramischen Materials.
Da während dieser Behandlung des Dielektrikums bei relativ
hohen Temperaturen die Elektroden nicht vorhanden sind, wird das Problem der Reaktion der Elektroden vermieden.
Eine Ausführungsform der Erfindung soll nun anhand der Figuren
näher beschrieben werden. In den Figuren 1 bis 6 sind aufeinanderfolgende Verfahrensstufen bei der Herstellung
von Vielschicht-Keramik-Kondensatoren dargestellt.
J.H.Alexander 16
Keramische Kondensatoren werden hergestellt aus Segmenten ungebrannter Keramikplättchen, die durch Zerschneiden oder
Stanzen der Keramikplättchen erhalten werden. Die Plättchen
werden hergestellt, indem eine gleichmäßige Schicht 11
(Figur 1) einer Paste,enthaltend fein verteilte Keramik/
ein organisches Bindemittel und ein Lösungsmittel für das
Bindemittel auf einer ebenen, nicht absorbierenden Fläche
einer Unterlage 12 ausgebreitet wird. Vorzugsweise wird
die Schicht 11 dadurch erhalten, daß die keramische Paste mit einem Rakelmesser auf einer Glasplatte verteilt wird,
jedoch können auch andere Verfahren~hierzu benutzt werden,
wie dies dem Fachmann bekannt ist. Wenn das Lösungsmittel
verdunstet ist, wird aus der Schicht 11 ein selbsttragendes
plastisches Plättchen. Dieses Plättchen wird dann in einzelne Segmente unterteilt und mit einer leitenden Paste 13
(Figur 2) bedruckt, wodurch die flüchtigen Elektroden
gebi Idet we rden .
Unter dem Ausdruck "flüchtige Elektroden" sollen Materialschichten
verstanden werden, die nicht notwendigerweise leitend
sind, die aber eine Zone bestimmen, auf der nachher eine dauerhafte leitende Elektrode angebracht wird, und die aus
einem Material besteht, das während des Brennprozesses verdampft oder weggebrannt wird. Diese flüchtige Elektrode-enthält
beispielsweise fein verteilte Kohleteilchen, die während
des Brennprozesses zu Kohlendioxid oxidieren.
Die mit Elektroden versehenen Segmente werden anschließend zu einem Stapel aufgeschichtet und zusammengepreßt, so daß
sich ein zusammenhängender Körper 14 (Figur 3) ergibt, der mehrere Keramik-Schichten 11 umfaßt, zwischen denen versetzt
flüchtige Elektroden 13 angeordnet sind. Dieser Vielschichtstapel wird zur Herstellung des keramischen Dielektrikums
J.H.Alexander 16
bei geeigneter Temperatur gebrannt, z.B. bei Temperaturen
zwischen 1000 und 1500 0C. Beim Brennprozeß werden gleichfaLLs
die flüchtigen Elektroden 13 verdampft oder weggebrannt,
so daß ein Keramikkörper 15 (Figur 4) erhalten wird, der eine Anzahl von zueinander parallelen und gegeneinander
versetzte Ausnehmungen 16 aufweist.
Die erforderlichen Brennbedingungen hängen von dem verwendeten
keramischen Material ab. Die keramischen Stoffe, die sich zur Herstellung von Sperrschichtkondensatoren eignen, zerfallen
im allgemeinen in zwei große Klassen, und zwar solche, die in reduzierender Atmosphäre gebrannt werden und solche,
die in Luft gebrannt werden. Ein typisches Dielektrikum, das
in reduzierender Atmosphäre gebrannt wird, ist das Strontiumtitanat
(SrTiO,), das beispielsweise 0,5 bis 0,6 Atom-%
Dysprosium (Dy) und 0,1 bis 0,2 Atom-% Niob (Nb) enthalten kann. Ein solches Dielektrikum kann undotiert bei 1450 0C
in einer Atmosphäre, welche 90 Vol.-% Stickstoff, 8,5 Vol.-% Wasserstoff und 1,5 Vol.-% Sauerstoff enthält, gebrannt
werden. Eine typische Keramik, die in Luft gebrannt wird,
ist Bariumtitanat (BaTiO,), das beispielsweise 0,6 Mol.-%
Samarium (Sa!
brannt wird.
brannt wird.
Samarium (Sa) enthalten kann und in Luft bei 1360 C ge-
Diese beiden keramischen Stoffe sind nur als Beispiele für die Typen von keramischen Dielektrika genannt, bei denen das
Verfahren vorteilhaft verwendet werden kann, auf die jedoch die vorliegende Erfindung nicht beschränkt ist.
Nach dem Brennen, bei dem das Dielektrikum gebildet wird,
wird die Keramik in einem zweiten Brennverfahren dotiert,
um die Korngrenzschichten zu isolieren, wodurch eine nachträgliche
Erhöhung der effektiven Dielektrizitätskonstante
erzielt wird und damit eine Erhöhung des Kapazitätswertes
J.H.Alexander 16
des fertigen Kondensators. Ein typisches Dotierungsmittel
besteht aus einer Mischung von Meta Lloxiden, wie z.B. den
Oxiden von Kupfer, Wismut, Mangan und Lithium. Dieses Dotierungsmitte
L wird vorzugsweise durch Aufstreichen von 0,3 bis 1,0 mg/cm einer Mischung auf einer Oberfläche des
Körpers 15 aufgebracht, welche 5 bis 8 Mol.-% Kupferoxid (Cu2O), 5 bis 85 Mol.-% Wismutoxid (Bi2O3), 3 bis 5 Mol.-%
Mangandioxid (MnO2) und 5 bis 50 Mol.-% Lithiumcarbonat
(Li2CO,) enthält. Der Körper wird in Luft auf 1100 bis
1200 0C erhitzt, um das Dotierungsmittel durch die ganze
Keramik diffundieren zu lassen, so daß sich Korngrenzschichten
durch das ganze keramische Dielektrikum hindurch bilden. Bei der Diffusionstemperatur wird das Lithiumcarbonat
in Luft zu Lithiumoxid zersetzt. Andere Verfahren zum Aufbringen des Dotierungsmaterials bestehen beispielsweise in
einer Behandlung mit einer Lösung oder in einem Ni edersch la"
gen aus der Dampfphase.
Nach dem Dotieren werden Meta IlanschLüsse 17 an dem Vielschi chtst ape L angebracht. Dies kann in irgendeiner bekannten
Weise geschehen. Typischerweise werden die Anschlüsse mit
einer leitenden Tinte oder Paste hergestellt, z.B. mit Leitsilber, welches auf den Stapel aufgebracht und eingebrannt,
wird. Für diesen Verfahrensschritt werden Temperaturen in
der Nähe von 750 C benötigt, wobei natürlich die Temperatüren von der Art der Leitpaste abhängen. Es sind viele verschiedene
solcher leitenden Tinten oder Pasten zur Herstellung von Kondensatoranschlüssen bekannt, aus denen sich der
rachniiirm eine gooignolc η u r· w /lh I ρ η wird.
Nachdem die Anschlüsse 17 hergestellt wurden, werden die Hohl·
räume 16 mit einem leitenden Material 18 (Figur 6) gefüllt, wodurch die Kondensatorelektroden gebildet werden. Es gibt
verschiedene Verfahren, um diese Hohlräume mit leitendem
Material zu füllen. Vorzugsweise wird jedoch eine
_ O —
J.H.Alexander 16
Vakuumimprägnierung verwendet. Dabei werden die Hohlräume
evakuiert und dann unter Druck mit geschmolzenem Metall, wie z.B. Blei, gefüllt. Der Imprägnierungsdruck kann bis
zu 27,6,-10 N/m betragen.
Nach der Imprägnierung wird der Kondensator abgekühlt und
es werden Zuleitungen 19 an den Anschlüssen■17 angebracht,
wonach vorteilhafterweise der fertige Kondensator mit einer
Umhüllung versehen wird.
Das beschriebene Verfahren kann bei einer großen Anzahl von verschiedenen keramischen dielektrischen Stoffen verwendet
werden. Es ist nicht auf eine bestimmte Keramik beschränkt. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung werden die eigentlichen
Elektroden nicht auf die Brenntemperatur für das keramische Material erhitzt, so daß keine nachteiligen Einwirkungen auf
das verwendete Elektrodenmaterial eintreten können. Anstelle der üblicherweise verwendeten Edelmetallelektroden können
verschiedene billigere Grundmetalle oder Legierungen als Elektrodenmaterial verwendet werden.
- 10 -
Claims (9)
- INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC
CORPORATION, NEW YORKJ-H.Alexander 16Patentansprücher\i Verfahren zur Herstellung von VieLschicht-Keramik-Kondensatoren, dadurch gekennzeichnet,
daß in der Keramik beim Brennen im Bereich der Elektroden
flache Hohlräume erzeugt werden, die später mit einem leitenden Elektrodenmaterial gefüllt werden. - 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Brennen der Keramik im Bereich der Elektroden auf
die ungebrannten Keramikteile ein sich beim Brennen ver-f lüchtigendes Material aufgebracht wird. - 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ungebrannten Keramikteile mit dem aufgebrachten flüchtigen Material aufeinandergestapelt werden, so daß sie einen mehrschichtigen monolithischen Körper bilden, daß dieser Körper gebrannt wird, wobei das flüchtige Material entweicht, so daß sich eine Reihe von flachen Hohlräumen ergibt, daß die Korngrenzen in der Keramik durch einen zweiten Brennprozeß dotiert werden, daß Anschlüsse an der Anordnung angebracht werden, daß dann die flachen Hohlräume mit leitendetn Material gefüllt werden, so daß sich zwei Reihen von Elektroden ergeben, von denen jede mit einem Anschluß verbunden ist.ZT/P21-Fr/rk12.07.1982 - 2 -- 2 -J.H.Alexander 16
- 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik mit einer Mischung von Metalloxiden dotiert wird.
- 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dotierungsmischung verwendet wird, die 5-80 MoL.-% Kupfer-1-Oxid, 5-85 Mol.-% Wismutoxid, 3-10 Mol.-% Mangandioxid und 5-50 MoL.-% Lithiumoxid enthält.
- 6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die flachen Hohlräume durch Vakuumimprägnierung der gebrann· ten Keramik mit einem geschmolzenen Elektrodenmaterial gefüllt werden.
- 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrodenmaterial Blei oder eine B LeiLegierung verwendet wi rd.
- 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Keramikmaterial eine Strontiumtitanat-Keramik verwendet wird.
- 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Keramikmaterial eine Bariumtitanat-Keramik verwendet wird.
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