DE3825024C2

DE3825024C2 - Verfahren zur Herstellung eines Keramikkondensators mit hoher Durchschlagsfestigkeit

Info

Publication number: DE3825024C2
Application number: DE3825024A
Authority: DE
Inventors: Hajime Arakawa; Osamu Yamaoka; Motoaki Kakio
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1987-07-23
Filing date: 1988-07-22
Publication date: 1994-01-13
Anticipated expiration: 2008-07-23
Also published as: US4937096A; JPH0616459B2; DE3825024A1; JPS6428807A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikkondensators mit hoher Durchschlagsfestigkeit.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Keramikkondensators für mittlere oder höhere Spannung, beispielsweise für mehrere hundert KV Nennspannung.

Der Keramikkondensator 2 ist ein sogenannter Einplattenkondensator, bei welchem ein scheibenförmiges keramisches Dielektrikum 3 an den beiden gegenüberliegenden Stirnflächen mit Elektroden 4a, 4b versehen ist. Gewöhnlich wird ein hauptsächlich aus Silber bestehendes Elektrodenmaterial (Silberpaste) mittels Siebdruck oder dergleichen mit Ausnahme des ringförmigen Außenumfangteils, mit Abstand G zwischen dem Außenumfang und den Elektroden an den beiden Stirnflächen aufgebracht und dann aufgebrannt, wobei die beiden gegenüberliegenden Elektroden 4a, 4b bei Bedarf jeweils mit Anschlußleitern versehen werden.

Das Verhältnis zwischen der Größe jedes Abstands G an dem Keramikkondensator 2 und der Durchschlagspannung ist in Fig. 4 beispielhaft dargestellt.

Ist hierbei die Größe des Abstands G theoretisch null, dann ist die Durchschlagsfestigkeit maximal, wie durch die gestrichelte Linie dargestellt. In Wirklichkeit ist es jedoch nicht ideal, die Enden des keramischen Dielektrikums 3 zu bearbeiten (da beispielsweise das keramische Dielektrikum 3 am Ende zerspant wird oder da das Elektrodenmaterial an der Seitenfläche des keramischen Dielektrikums herabfällt), wodurch die Durchschlagspannung abnimmt, wie durch die durchgehende Linie dargestellt ist, und ihre Abweichung zunimmt.

Beim Auftragen des Elektrodenmaterials mittels Siebdruck ist es schwierig, den Abstand G wegzulassen.

Dementsprechend sind die gegenüberliegenden Elektroden 4a, 4b gewöhnlich so gebildet, daß ein Abstand von einer bestimmten Größe ausgespart bleibt, wodurch aber die Durchschlagsfestigkeit nicht optimal ist.

Weiterhin ist aus der US 4 654 749 ein Hochspannungs-Keramikkondensator bekannt, welcher aus mehreren keramischen Schichten mit dazwischen angeordneten metallischen Elektroden besteht. Zur Verbesserung der Durchschlagsfestigkeit dieser Anordnung weisen die keramischen Schichten und die Elektroden den gleichen Durchmesser auf. Zur Reduzierung der Ladungsdichte an den Kanten der Elektroden ist zudem auf beiden Seiten jeder Elektrode eine dielektrische keramische Schicht vorgesehen.

Diese Anordnung weist jedoch den Nachteil auf, daß, wie vorstehend erwähnt, das flächendeckende Auftragen des Elektrodenmaterials auf die keramischen Schichten mittels Siebdruck schwierig ist.

Schließlich ist aus der GB 2 104 291 ein mehrschichtiger Keramikkondensator bekannt, bei welchem zur Herstellung der äußeren Anschlußelektroden neben anderen Materialien Aluminium verwendet wurde. Überraschenderweise wurde dabei festgestellt, daß beim Brennen dieser Anordnung in Luft keine unzulässig hohen Übergangswiderstände zwischen den äußeren Anschlußelektroden und den zwischen den keramischen Schichten angeordneten Kondensatorelektroden durch Oxidation entstehen.

Die vorteilhafte Wirkung der reduzierenden Eigenschaften von Aluminium auf die Durchschlagsfestigkeit, wie nachstehend beschrieben, wurde jedoch nicht erkannt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und wirkungsvolles Verfahren zur Herstellung eines Keramikkondensators mit gegegenüber den herkömmlichen Keramikkondensatoren höherer Durchschlagsfestigkeit zu schaffen.

Der vorliegenden Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikkondensators zu schaffen, nach welchem der Keramikkondensator miniaturisiert werden kann, ohne daß dadurch die Durchschlagsfestigkeit verringert wird.

Die Aufgabe wird gleichermaßen durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 2 gelöst.

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt eines nach dem erfindungsgemäßen Ver fahren hergestellten Keramikkondensators;

Fig. 2 eine Draufsicht des Keramikkondensators nach Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Ke ramikkondensators und

Fig. 4 ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen der Länge des Abstandes vom Außenumfang des Kondensators zum Außenumfang der Elektroden des Keramikkondensators und der Durchschlagspannung darstellt.

Gemäß Fig. 1 und 2 ist ein Keramikkondensator 12 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren so hergestellt, daß ein haupt sächlich aus Metalloxid, wie zum Beispiel der Strontiumtita nat-Reihe (SrTiO₃ Reihe) oder Bariumtitanat-Reihe (BaTiO₃ Reihe) bestehendes, scheibenförmiges keramisches Dielektri kum 13 erzeugt wird, und daß an den beiden gegenüberliegen den Hauptflächen des keramischen Dielektrikums 13 mittels Siebdruck oder dergleichen eine hauptsächlich aus Aluminium pulver bestehende und Glaspulver enthaltende leitfähige Masse aufgebracht wird. In diesem Fall wird ein Abstand, wie oben ausgeführt, zwischen den Elektroden und dem Rand des keramischen Dielektrikums 13 vorgesehen.

Der gesamte Keramikkondensator wird in einem Ofen circa zwei Stunden lang beispielsweise bei einer Maximaltemperatur von circa 800°C erhitzt. Das Elektrodenmaterial wird auf die Flächen des keramischen Dielektrikums 13 aufgebrannt und bildet dann die einander gegenüberliegenden Elektroden 14a, 14b.

Daraufhin werden die beispielsweise vor allem aus Bleioxid oder Siliziumoxid bestehenden glasartigen Isolierschichten 15a, 15b zum Luftabschluß ringförmig gebildet, so daß sie sich über die Ränder der einander gegenüberliegenden Elek troden 14a, 14b und das Außenumfangsteil des keramischen Di elektrikums 13 legen (mit anderen Worten, der Außendurchmes ser des Rings ist größer als der Durchmesser der Elektrode 14a oder 14b und der Innendurchmesser ist kleiner als der der Elektroden 14a oder 14b). Dann werden diese Isolier schichten mittels Siebdruck oder dergleichen aufgebracht.

Die Isolierschichten 15a, 15b werden auf das keramische di elektrische Material 13 beispielsweise unter etwa denselben Bedingungen aufgebrannt wie die einander gegenüberliegenden Elektroden 14a, 14b. Bei dem oben genannten Verfahren ist die Oxidationsreaktion des die gegenüberliegenden Elektroden 14a,14b bildenden Alumimiums stärker als die des bei einer herkömmlichen Elektrode Anwendung findenden Silbers, und seine Oxidationseigenschaften sind besser als die des das keramische Dielektrikum 13 bildenden Metalloxids, wodurch beim Aufbrennen der gegenüberliegenden Elektroden 14a, 14b die unterhalb der Elektroden 14a, 14b liegenden Abschnitte des keramischen Dielektrikums 13 etwas reduziert werden.

Weiterhin werden die von den Isolierschichten 15a, 15b über zogenen Abschnitte des keramischen Dielektrikums 13 von der Atmosphäre abgeschlossen, wodurch dem keramischen Dielektri kum 13 direkt unterhalb der Elektroden 14a, 14b beim Aufbren nen der Isolierschichten 15a, 15b der Sauerstoff insbesondere durch das Aluminium der einander gegenüberliegenden Elektro den 14a, 14b entzogen und dieses stark reduziert wird.

Die stark reduzierten Bereiche 16 sind jeweils entlang dem Außenumfang der einander gegenüberliegenden Elektroden 14a, 14b ringförmig angeordnet. Sie werden zu Halbleitern und weisen einen Isolationswiderstand von beispielsweise circa 10⁸ Ω auf, welcher dadurch im Vergleich zu dem vor genannten normalen Isolationswiderstandswert von 10¹² bis 10¹⁴ Ω des keramischen Dielektrikums 13 beträchtlich ver ringert ist.

Bei dem herkömmlichen scheibenförmigen Kondensator nach Fig. 3 bildet sich der Spannungsgradient am Rand jeder der einan der gegenüberliegenden Elektroden, wobei an diesem Rand leicht ein Spannungsüberschlag auftritt, wodurch die Über schlagsfestigkeit verringert wird. Der Keramikkondensator 12 ist dagegen in den Bereichen des erhöhten Spannungsgradien ten, d.h. den Bereichen 16 an den Rändern der einander ge genüberliegenden Elektroden 14a, 14b, halbleitend und diese Bereiche sind in etwa über ihre Stärke abgerundet, wodurch der Spannungsgradient abnimmt. Die Durchschlagsfestigkeit wird dadurch verbessert.

So ist beispielsweise die Durchschlagspannung eines solchen Keramikkondensators 12 bei der Gleichstromdurchschlagspan nung 1,4 bis 2,2 mal so groß wie die Durchschlagspannung des herkömmlichen Keramikkondensators mit Silberelektroden, wel cher dieselbe Größe und Kapazität aufweist, bei der Wechsel stromdurchschlagspannung 1,4 bis 2,2 mal so groß und bei der Stoßdurchschlagspannung 1,4 bis 1,6 mal so groß.

Wird ein Keramikkondensator 12 mit gleicher Kapazität und Durchschlagspannung wie ein herkömmlicher Kondensator 2 her gestellt, kann sein Volumen auf etwa 70% verringert werden, wodurch eine Verkleinerung des Kondensators erreicht wird.

Da bei dem herkömmlichen Keramikkondensator 2 ein Wandern des Silbers zwischen den einander gegenüberliegenden Elek troden 4a, 4b auftritt, entsteht das Problem, daß die Kriech strecke zwischen den beiden gegenüberliegenden Elektroden 4a, 4b mit Gebrauchsdauer geringer wird, wodurch ein dielek trischer Durchschlag über die Kriechstrecke erfolgt. Bei den einander gegenüberliegenden Elektroden 14a, 14b des Keramik kondensators 12 wird jedoch kein Silber verwendet, wodurch das genannte Problem vermieden wird.

Außerdem können die ringförmigen Isolierschichten 15a, 15b von den Rändern der einander gegenüberliegenden Elektroden 14a, 14b radial nach einwärts ausgebildet sein, im äußersten Fall können diese auch in etwa auf der gesamten Fläche aus gebildet sein, mit Ausnahme der Abschnitte, wo die Anschluß leiter mit den Elektroden 14a, 14b verbunden sind. In diesem Fall erstreckt sich der stark reduzierte Bereich 16 in etwa auf die gesamte Fläche unterhalb der Elektroden 14a, 14b, wo bei sich jedoch der verminderte Spannungsgradient an dem Rand jeder der beiden Elektroden 14a oder 14b nicht ändert.

Wahlweise können die Isolierschichten 15a, 15b nach dem Auf bringen des Elektrodenmaterials auf das keramische Dielek trikum 13 so auf dieses aufgebracht werden, daß sie sich über den Rand hinweg erstrecken. Dadurch können sowohl das Elektrodenmaterial als auch die Isolierschichten gleichzei tig aufgebrannt werden. Selbst in diesem Fall werden die Be reiche 16 auch unterhalb der Ränder der gegenüberliegenden Elektroden 14a, 14b gebildet, wodurch die Durchschlagsfestig keit erwartungsgemäß ebenso verbessert wird wie bei dem vor herigen Beispiel.

Weiterhin ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, einen Abstand zwischen den Rändern der einander gegenüberliegenden Elektroden und dem Rand des keramischen Dielektrikums zu bil den. Die gegenüberliegenden Elektroden können durchgehend auch bis zu dem Rand des keramischen Dielektrikums ausgebil det werden.

Anstatt den Keramikkondensator an den zwei Hauptflächen mit einander gegenüberliegenden Elektroden zu versehen, kann auch ein Keramikkondensator mit zwei Elektroden auf einer Fläche gebildet werden. Im konkreten Fall brauchen die Iso lierschichten zumindest nur auf die gegenüberliegenden Rän der der in einem Abstand voneinander angeordneten gegenüber liegenden Elektroden aufgebrannt werden, wodurch eine Ver besserung der Durchschlagsfestigkeit eines derartigen Kera mikkondensators zu erwarten ist.

Auch brauchen die Isolierschichten nicht über den Rand der Elektrode und des keramischen Dielektrikums hinaus gebildet werden, sondern zumindest nur am Rand der Elektrode.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Keramikkondensators mit hoher Durchschlagsfestigkeit, dadurch gekennzeichnet,
a) daß auf einem hauptsächlich aus Metalloxid bestehenden keramischen Dielektrikum (13) ein aus einem Metall bestehendes Elektrodenmaterial, dessen Oxidationsfähigkeit größer ist als die des Metalloxids, zur Bildung von aufeinander gegenüberliegenden Seiten des Dielektrikums (13) angeordneten Elektroden (14a, 14b) aufgebrannt wird und
b) daß gleichzeitig oder anschließend zumindest die Randbereiche der Elektroden (14a, 14b) abdeckende Isolierschichten (15a, 15b) aufgebrannt werden, wodurch die unterhalb der abgedeckten Bereiche der Elektroden befindlichen Bereiche (16) des keramischen Dielektrikums (13) reduziert und halbleitend werden.

2. Verfahren zur Herstellung eines Keramikkondensators mit hoher Durchschlagsfestigkeit, dadurch gekennzeichnet,
a) daß auf einem hauptsächlich aus Metalloxid bestehenden keramischen Dielektrikum (13) ein aus einem Metall bestehendes Elektrodenmaterial, dessen Oxidationsfähigkeit größer ist als die des Metalloxids, zur Bildung von auf einer Seite des Dielektrikums (13) nebeneinander angeordneten Elektroden aufgebrannt wird, und
b) daß gleichzeitig oder anschließend zumindest die nebeneinander liegenden Randbereiche der Elektroden abdeckende Isolierschichten aufgebrannt werden, wodurch die unterhalb der abgedeckten Bereiche der Elektroden befindlichen Bereiche des keramischen Dielektrikums (13) reduziert und halbleitend werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hauptbestandteil des keramischen Dielektrikums (13) ein Metalloxid der Strontiumtitanat-Reihe oder der Bariumtitanat-Reihe ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die Elektroden (14a, 14b) bildende Elektrodenmaterial eine hauptsächlich aus Aluminiumpulver bestehende und Glaspulver enthaltende leitfähige Masse ist.