DE3329715A1

DE3329715A1 - Keramischer kondensator

Info

Publication number: DE3329715A1
Application number: DE19833329715
Authority: DE
Inventors: Isao Ishiguchi; Masao Kashima; Yasuo Chichibu Saitama Miyashita; Noboru Tomuro; Shinjiro Tsujikawa
Original assignee: Mitsubishi Mining and Cement Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Mining and Cement Co Ltd
Priority date: 1982-08-25
Filing date: 1983-08-17
Publication date: 1984-03-01
Also published as: JPH0424847B2; GB8321521D0; US4447853A; JPS5936919A; FR2532465B1; FR2532465A1; GB2126010A; GB2126010B

Description

20 Die Erfindung bezieht sich auf einen polykristallinen keramischen Kondensator von kompakter Größe, hoher Kapazität und hoher Zuverlässigkeit bzw. Betriebssicherheit.

Man hat sich in jüngerer Zeit bemüht, die Stärke oder Dicke eines keramischen dielektrischen Materials eines geschichteten keramischen Kondensators auf weniger als 30 um und vorzugsweise auf weniger als 20 \im herabzusetzen, um die Kapazität pro Volumeneinheit zu verbessern, die Zahl der Elektroden zu vermindern und die Größe des Kondensators zu verringern. Wenn die Dicke des dielektrischen Materials herabgesetzt wird, dann wird jedoch demzufolge die Durchschlagspannung erniedrigt und die Lebensdauer verkürzt. Insofern konnte ein hoch zuverlässiger, betriebssicherer Kondensator nicht erhalten werden.

■r-u-

In diesem Zusammenhang wird auf die Partikelgröße des dielektrischen Materials im folgenden bis in Einzelheiten eingegangen.

Bei einem keramischen Kondensator nach dem Stand der Technik wird ein in einer Festkörperreaktion erzeugtes Material, wie beispielsweise durch Naßaufbereiten (Naßmischen) von Barium karbonat und Titanoxid, Entwässern sowie Trocknen der Mischung bei 1000° bis 1200⁰C, Sintern und Naßvermahlen der Mischung gewonnenes Material, als das dielektrische Material verwendet. Ein derartiges Material hat eine große Partikelgröße, wie 1 bis 3 pm, und die Partikelgröße streut in weitem Bereich. Die Partikelgröße des dielektrischen Materials des durch Formen des oben genannten Materials unter Druck und Sintern hergestellten keramischen Kondensators ist viel größer als 3 pm und beträgt 6 μηι oder mehr, wobei auch die Schwankung in der Partikelgröße wegen des örtlichen Kornwachstums des Kristalls im Sinterprozeß aufgrund von Unreinheiten und ungleichmäßiger Partikelgröße groß ist. Wenn an einen solchen keramischen Kondensator, der aus einem Material von ungleichförmiger Partikelgröße gefertigt ist, eine Spannung angelegt wird, dann wird ein elektrisches Feld an Partikeln erheblicher Größe konzentriert und die Durchschlagspannung wird erniedrigt, wobei eine Kurve der Verteilungsfunktion sich zu einem Bereich niedriger Spannung erstreckt. Damit wird die Lebensdauer verkürzt, die Wahrscheinlichkeit eines Bruchs ist groß und die Betriebszuverlässigkeit ist gering. Wenn nun ein solches keramisches dielektrisches Material bei einem Kondensator mit verminderter Stärke (Dicke) verwendet wird, dann wird demzufolge die Durchschlagspannung noch weiter herabgesetzt, die Lebensdauer wird bemerkenswert verkürzt, und es wird eine Vielzahl von Problemen und/oder Schwierigkeiten auftreten.

Im Hinblick auf die geschilderten Umstände wurden Untersuchungen in bezug auf eine Wirkung und einen Einfluß einer Beziehung zwischen der Partikelgröße des keramischen dielektrischen Materials und dessen Dicke auf die Leistungsfähigkeit sowie das Betriebsverhalten des keramischen Kondensators angestellt, die in der Entwicklung eines neuartigen keramischen Kondensators gipfelten, der von den oben angeführten Nachteilen frei ist.

Der Erfindungsgegenstand wird im einzelnen erläutert.

Der keramische Kondensator gemäß der Erfindung weist ein polykristallines keramisches dielektrisches Material und eine Mehrzahl von Elektroden aus leitendem Werkstoff auf.

Hierbei ist die Dicke des keramischen dielektrischen Materials, das zwischen wenigstens einem Paar von gegenüberliegenden Elektroden angeordnet ist, nicht größer als 30 um und die PartikelgröBe des keramischen dielektrischen Materials ist nicht größer als ein Fünftel seiner Dicke.

Die Dicke des keramischen dielektrischen Materials wird nicht größer als 30 gm gewählt, weil die Realisierung eines solchen keramischen Kondensators ein aktuelles Problem ist, das gelöst werden soll. Die maximale Partikelgröße wird so, wie oben angegeben wurde, gewählt, weil es bei dem dünnen dielektrischen Keramikmaterial von nicht mehr als 30 pm Stärke notwendig ist, daß die maximale Partikelgröße des keramischen dielektrischen Materials nicht mehr als ein Fünftel der Dicke des dielektrischen Materials beträgt, um praktisch eine ausreichende Durchschlagspannung sowie Lebensdauer zu erreichen, wie aus der Diskussion der verschiedenen Messungen bei noch zu beschreibenden Ausführungsbeispielen deutlich werden wird.

Das keramische dielektrische Material des Keramikkondensators gemäß der Erfindung wird aus streng ausgewähltem feinen und gleichförmigen Material, dessen Kornverteilung

*» ν ί. ν / ι ν

so eng wie möglich ist, gewonnen, und es wird in einem extrem geregelten Sinterprozeß erzeugt.

Ein derartiges Material kann durch stöchiometrisches Synthetisieren von gleichförmigem Bariumtitanat, bei Bildung und Mitfällung von Additiven in Lösungsreaktion, beispielsweise eine thermische Zersetzung von Bariumtitanoxidoxalat (Bariumtitanyloxälat), ein synthetisierendes Verfahren von Bariumnitrat und Titantetrachlorid oder eine Hydrolyse von Titan und Bariumalkoholat (-alkoxid) erzeugt werden. Es wird ein Material mit einer Partikelgröße von nicht mehr als 0,1 um, von sehr enger Kornverteilung und mit einem geringen Anteil an Alkalimetalloxid, wie Natrium oder Kalium, an Alkaliardmetalloxid - ausgenommen Barium -, wie Kalzium oder Strontium, Si 1 iziumoxi.d, Aluminiumoxid und Schwefelsäureverbindung verwendet.

Für keramische Kondensatoren mit 20 Schichten des keramischen dielektrischen Materials mit der Dicke von 30 um nach dem Brennen (Beispiel 1), 20 um (Beispiel 2) und 10 pm (Beispiel 3) wurden die Partikelgrößen als nicht mehr als ein Fünftel der Dicken der jeweiligen dielektrischen Materialien gewählt, und es wurden die Durchschlagspannungen sowie die Standzeiten (Lebensdauer) unter Hochtemperaturbelastung gemessen. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1, 2 und 3 wiedergegeben.

Die Probennummern 1 bis 5, 8 bis 10 sowie 13 und 14 in den Tabellen beziehen sich auf Kondensatoren gemäß der Erfindung, während die Probennummern 6, 7, 11, 12 und 15 Vergleichsbeispiele betreffen, die außerhalb des Rahmens der Erfindung liegen.

Die Brennbedingungen (Temperatur und Zeit) sind in den Tabellen angegeben. Das Herstellungsverfahren für das Material

wird später erläutert. Das Herstellungsverfahren des geschichteten Kondensators ist gleich dem bisher benutzten Verfahren.

Tabelle 1

Dicke des dielektrischen Materials in einer (1) Schicht 30 um Zahl der Schichten 20

Probe	Material	Brenn bedingung	Zeit (h)	max. Partikel	max. (V)	Durchschlagspannung	im Mittel (V)	Standard abweichung (V)	mittlere Dicke des dielektr. Materials (kV/mm)	Lebensdauerprüfg. unter Hochtenp.belastg.	Feh ler quote
Nr.	A	Temp. (⁰C)	1.5	größe (um)	1600	min. (V)	1212	124	40,4	Zahl der Fehler in 5000 h	0,4
1	A	1300	2,0	2,0	1600	1000	1191	132	39,7	1	0.4
2	A	1300	4.0	3.2	1550	9QO	1137	150	37.9	1	0.6
3	B	1300	2.0	4.2	1500	750	1Q56.	167	35,2	2	1.0
4	C	1330	2.0	5,1	1450	650	954	173	31,8	4	1.2
5	D	1350	1.0	6.0	1400	550	855	178	28,5	5	1.8
6	D	1370	2.0	6.5	1300	450	753	183	25,1	8	2.0
7	1370	7,7	350		9

labeile 2

Dicke des dielektrischen Materials in einer (1) Schicht Zahl der Schichten

20 μπι 20

Probe
Nr.

Material

Brenn
bedingung .

Zeit
(h)

max.
Partikel
größe
(um)

Durchschlagspannung

max.
(V)

min.
(V)

im
Mittel
(V)

Standard
abweichung
CV)

mittlere
Dicke des
dielektr.
Materials
(kV/mm)

Lebensdauerprüfung
unter Hxhtenp.belastg,

Feh-
ler-
'quote

8
9
10
11
12

A
A
A
A
B

Temp.
(⁰C)

1.5
2.0
3.0
4.0
1.0

2,0
3,0
4.0
4.5
5.Ö

1100
1100
1000
950
900

700
650
400
350
250

864
788
640
608
542

83
106
115
121
127

43.2
39.4
32.0
30.4
27.1

Zahl der
Fehler in
5000 h

0.8
1.0
1.2
1.8
3.2

1300
1300
1300 .
1300
1300

3
4
5
8
17

Tabelle 3 . ; ;

Dicke des dielektrischen Materials in einer {tj Schicht 10 pm
Zahl der Schichten ■■'■■'■ .^:'.'''. 20

Probe
Nr.

Material
A
A
A

Brenn
bedingung

Zeit
(h)

max.
Partikel
größe
(pm)

max.
(V)

Durchschi

min.
(V)

im
Mittel
(V)

agspannung

mittlere
Dicke des
dielektr.
Materials
(kV/mm)

Lebensdauerprüfg.
unter Hxhtenp.belastg.

Feh
ler
quote

13
14
15

Temp.
(⁰C)

1,0
1.5
2.0

1.6
2,0
2.8

65Q
65Q
5.5 Q

350.
250
100

4 6.3
401
298

Standard
abweichung
(V) -

46.,3
40,1
29,8

Zahl der
Fehler in
5000 h

1.2
¹
1.8
3.6

1300
1300
1300

57
77
103

5
8
19

l Für die obigen Tabellen gilt:

a) die maximale Partikelgröße wurde mit einem Metallmikroskop von 1000-facher Vergrößerung gemessen, nachdem das gebrannte Material poliert worden war, um die Beobachtung der Rißebene zu ermöglichen, und thermisch geätzt worden war, um die Partikelgröße zu bestimmen;

b) die Durchschlagspannung wurde für 100 Proben durch ein Nishin Denki Modell NS-3150 gemessen;

c) die Lebensdauer wurde unter Belastung bei hoher Temperatür mit Anwendung von 1OOV Gleichstrom bei 150⁰C für

20 Proben gemessen;

d) die Fehlerquote wurde berechnet, indem eine Bezugsbedingung von 12,5V und 40⁰C festgesetzt wurde, und die Zahl der Fehler in 5000 h wurde mit 60% Sicherheitsnormwert und 95% Schätzwert in Übereinstimmung mit der Spannungskubikregel und der 10°C-Temperaturregel (k = 2) verarbeitet.

Die Materialien A bis D der Tabellen wurden in der folgenden Weise hergestellt.

Material A

Bariumisopropoxid und Titanisopropoxid wurden in einem Verhältnis von 1 : 1 Mol-% gewogen, in Benzol gemischt und bei 70⁰C zur Reaktion gebracht. Dann wurde der Mischung Wasser zugegeben, um sie zur Erzeugung einer weißen Bariumtitanatfällung zu hydrolisieren. Zerisopropoxid wurde zu Benzol zugegeben und hierzu wurde Wasser bei 70⁰C zugefügt, um das Ganze zur.Erzeugung einer gelben Zeroxidfal lung zu hydrolysieren. Titanisopropoxid wurde zu Benzol zugesetzt, und hierzu wurde Wasser mit 70⁰C zur Erzeugung einer weißen Titanoxidfällung gegeben. Es wurden 92 Mol-% von Bariumtitanat, 4 Mol-% von Zeroxid und 4 Mol-% von Titanoxid gewogen und in einer Kugelmühle 20 h lang naß aufbereitet (gemischt). Dann wurde die Mischung entwässert und getrocknet. Das ist das Material A.

¹ Material C

Bariumtitanoxidoxalat (Bariumtitanyloxalat) von besonderer Prüfqualität in der Menge von 92 Mol-% zum Bariumtitanatgehalt, Zeroxalat in der Menge von 4 Mol-% zum Zeroxidgehalt und Titanoxalat in der Menge von 4 Mol-% zum Titanoxidgehalt wurden, gewogen und in einer Kugelmühle 20 h lang naß gemischt Die Mischung wurde vermählen, entwässert, getrocknet und für eine Stunde auf 700⁰C stehengelassen, um sie thermisch "zu zersetzen. Das sich ergebende Material C hatte eine Partikelgröße von nicht mehr als 0,1 pm.

Material B

Das Material C wurde zur Erzeugung des feineren Materials . B trocken gemahlen.

Material D

Das Material D wurde mittels einer herkömmlichen Festkörper-

reaktion hergestellt.

Wenngleich bei den obigen Beispielen auf geschichtete Kondensatoren Bezug genommen worden ist, so ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, sondern es kann auch ein einschichtiger Kondensator oder ein Kondensatoraufbau aus zwei oder mehr Kondensatoren in einem einzigen Grundmaterial ge-

²⁵ bildet werden.

. Der keramische Kondensator gemäß der Erfindung bietet die folgenden Vorteile.

Der Kondensator hat eine sehr geringe Dicke im keramischen dielektrischen Material, die nicht größer ist als 30 pm, und dennoch ist die Durchschlagspannung genügend hoch, während, wie aus den Tabellen zu ersehen ist, ihre Veränderung klein ist. Das hat zum Ergebnis, daß die Möglichkeit für einen Fehler oder Schaden klein, die Betriebssicherheit dagegen hoch ist.

10

20 25 30

Demzufolge wird durch die Erfindung ein keramischer Kondensator geschaffen, der kompakter ist, der eine höhere Kapazität hat und der zuverlässiger sowie betriebssicherer ist als bekannte Kondensatoren.

Wenn zwei oder mehr Kondensatoren in einem einzigen Grundmaterial gebildet werden, so wird die Herstellung im Vergleich zur getrennten Herstellung einer Mehrzahl von einzelnen Kondensatoren vereinfacht.

35

Claims

Patentansprüche

2OnJ Keramischer Kondensator aus einem polykristallinen keramischen dielektrischen Material und einer Mehrzahl von Elektroden aus leitendem Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische dielektri sehe Material zwischen wenigstens einem Paar von gegenü-

25 berliegenden Elektroden angeordnet ist und eine Dicke, die nicht größer ist als 30pm, sowie eine Partikelgröße hat, die nicht größer ist als ein Fünftel der Dicke des dielektrischen Materials.

30 2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von keramischen dielektrischen Materialien und die Mehrzahl der Elektroden miteinander abwechselnd geschichtet sind.

1 3. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet, daß gleiche oder unterschiedliche Arten von keramischen dielektrischen Materialien zwischen wenigstens einem Paar von Elektroden zur Bildung von wenigstens zwei Kondensatoren angeordnet sind