DE3905444C2

DE3905444C2 - Keramischer Kondensator und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE3905444C2
Application number: DE3905444A
Authority: DE
Inventors: Hajime Arakawa; Osamu Yamaoka; Kazuyuki Kubota; Motoaki Kakio; Yoshimasa Azuma; Mitsuru Nagashima
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1988-02-29
Filing date: 1989-02-22
Publication date: 2003-04-24
Anticipated expiration: 2009-02-23
Also published as: DE3905444A1; JPH0524650B2; US4942496A; JPH01220814A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen keramischen Kondensator und ein Verfahren zu dessen Herstellung, insbesondere betrifft sie einen keramischen Kondensator für Hochspan nungsanwendungen und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Ein gattungsgemäßer Kon densator ist aus der DE OS 24 62 480 bekannt.

Die DE 11 66 377 B zeigt einen Sperrschichtkondensator, der aus einem aus reduziertem Barium-Titanat bestehenden Keramikkörper und darauf aufgebrachten Silberbelägen be steht, wobei eine Sperrschicht zwischen dem halbleitenden Keramikkörper und der Silber schicht liegt.

Derartige keramische Kondensatoren 1, wie beispielsweise in Fig. 4 gezeigt, werden herge stellt, indem eine Elektrode 3 auf beiden Hauptoberflächen eines dielektrischen keramischen Elements 2 auf der Basis von Barium-Titan- oder Strontium-Titan-Verbindungen geformt werden. Diese Elektrode 3 wird geformt, indem beispielsweise Silberpaste auf beiden Hauptoberflächen des dielektrischen keramischen Elements 2 aufgetragen und anschließend gehärtet wird.

Fig. 5A zeigt den Verlauf der Äquipotentiallinien in der Umgebung des Randbereichs des keramischen Kondensators. Die Potentialbeugung ist in der Umgebung des Randbereichs der Elektrode erhöht und die elektrischen Kraftlinien konzentriert. Folglich ist es sehr wahr cheinlich, daß, wenn eine hohe Spannung angelegt wird, der dielektrische Zusammenbruch zwischen den Endbereichen der beiden Elektroden stattfinden wird. Um eine derartige Konzentration von elektrischen Kraft linien in der Umgebung der Elektrodenenden zu vermeiden ist es vorstellbar, eine Elektrode derart auszubilden, daß sie die jeweilige Oberfläche vollständig abdeckt. In diesem Fall verlaufen die Äquipotentiallinien wie in Fig. 5B gezeigt, und die Potentialbeugung in der Umgebung der Randbereiche der Elektrode ist entschieden geringer wie in Fig. 5A. Folglich ist das Auftreten eines dielektrischen Kurzschlusses in dem Endbereich des dielektrischen keramischen Elementes zwischen den Endbereichen der beiden Elektroden weniger wahrschein lich, und die dielektrische Kurzschlußspannung des kerami schen Kondensators kann erhöht werden. Experimente haben ge zeigt, daß, wie in Fig. 6 gezeigt, die dielektrische Kurz schlußspannung um so größer ist, je kleiner der Abstand zwi schen dem Ende des dielektrischen keramischen Elementes und dem Ende der Elektrode ist.

Wird jedoch die Elektrode so ausgebildet, daß sie die ge samten beiden Hauptoberflächen des dielektrischen keramischen Elements abdeckt, ist es schwierig die ideale Potentialbeu gung beizubehalten, woraus eine Verringerung der dielektri schen Kurzschlußspannung resultiert, wenn die Endbereiche des keramischen Kondensators beschädigt bzw. abgebröckelt sind oder sich Risse gebildet haben. Wird die Elektrode herge stellt, indem auf beide Hauptoberflächen Silberpaste aufge tragen und anschließend gehärtet wird, so tendiert die Sil berpaste dazu, über die Ränder zu fließen und die Seiten des dielektrischen keramischen Elementes zu verunreinigen. In diesem Fall ist ein zusätzlicher Bearbeitungsschritt notwen dig, bei dem die Silberpaste von den Seiten des dielektri schen keramischen Elementes entfernt wird, und die Produkti onskosten des keramischen Kondensators werden erhöht.

Aus diesen Gründen werden in der Praxis Elektroden nicht über die gesamten beiden Hauptoberflächen des dielektrischen kera mischen Elementes ausgebildet, sondern so, daß ein Abstand zwischen dem Endbereich des dielektrischen keramischen Ele ments und dem der Elektrode verbleibt. Folglich ist die tatsächliche dielektrische Kurzschlußspannung des keramischen Kondensators kleiner als die aus Fig. 6 entnehmbare maximale dielektrische Kurzschlußspannung.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen keramischen Kondensator mit einer höheren dielektrischen Kurzschlußspannung, verglichen mit herkömmlichen kerami schen Kondensatoren, und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein erfindungsgemäßer keramischer Kondensator besteht aus einem keramischen Dielektri kum und Elektroden, die auf der Oberfläche des keramischen Dielektrikums ausgebildet sind, wobei in der Oberfläche des Dielektrikums jeweils unter der gesamten Elektrodenflä che der Elektroden eine chemisch reduzierte Schicht ausgebildet ist.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines erfindungemäßen keramischen Kondensators weist folgende Schritte auf: Vorbereitung des keramischen Dielektrikums mit Oxiden eines Metalls als Hauptbestandteil, Vorbereitung von Elektrodenmaterial aus Metall mit einer höheren Oxidierungstendenz als die verwendeten Metalloxide und Bilden der Elektroden durch Auftragen und anschließende Aushärtung des Elektrodenmaterials auf die Oberfläche des keramischen Dielektrikums und gleichzeitiges Ausbilden einer chemisch reduzierten Schicht in der Oberfläche des Dielektrikums jeweils unter der gesamten Elek trodenoberfläche der Elektroden.

Die reduzierte Lage in dem dielektrischen keramischen Element hat einen kleineren Isolati onswiderstand als der nichtreduzierte Teil des dielektrischen keramischen Elements. Folg lich ist die Potentialbeugung in den Endbereichen der Elektrode nicht so markant, wenn eine Spannung an den keramischen Kon densator angelegt wird.

Somit ist das Risiko eines dielektrischen Kurzschlusses zwi schen den Endbereichen der zwei Elektrodenlagen geringer als bei herkömmlichen keramischen Kondensatoren und es ist mög lich, einen keramischen Kondensator mit einer höheren dielek trischen Kurzschlußspannung als herkömmliche keramische Kon densatoren herzustellen.

Weiterhin kann im Sinne der Erfindung eine reduzierte Lage in der Oberfläche des dielektrischen keramischen Elements gleichzeitig mit der Ausbildung der Elektrode hergestellt werden, indem das Elektrodenmaterial, dessen Hauptbestandteil Metall mit einer markanten Tendenz zur Oxidation ist, verwen det wird.

Somit ist die effiziente Produktion von keramischen Kondensa toren mit einer hohen dielektrischen Kurzschlußspannung mit der erfindungsgemäßen Verfahren möglich.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung er geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfin dung.

Fig. 2 eine Schnittansicht nach Fig. 1 entlang der Linie II-II.

Fig. 3 eine Schnittansicht eines weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfin dung.

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines herkömmli chen keramischen Kondensators.

Fig. 5A eine Darstellung der Äquipotentiallinien im End bereich der Elektroden.

Fig. 5B eine weitere Darstellung der Äquipotentiallinien im Endbereich der Elektroden.

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Funktion von dem Abstand zwischen dem Ende des dielektrischen keramischen Elements und dem Ende der Elek trode zu der dielektrischen Kurzschlußspan nung der keramischen Kondensators.

Der erfindungsgemäße keramische Kondensator 10 gemäß Fig. 1 und Fig. 2 weist ein dielektrisches keramisches Element 12 auf. Materialien zur Herstellung dieses dielektrischen kera mischen Elements 12 können beispielsweise Barium-Titan- oder Strontium-Titan-Verbindungen sein. Elektroden 14 sind auf den entgegengesetzten Hauptoberflächen des dielektrischen kerami schen Elements 12 angeordnet. Diese Elektroden 14 können die gesamte Oberfläche abdecken oder können so ausgebildet sein, daß ein Abstand zwischen dem Endbereich des dielektrischen keramischen Elements 12 und der Elektrode 14 verbleibt.

Unterhalb der Elektrode 14 in der Oberfläche des dielektri schen keramischen Elements 12 ist eine reduzierte Lage 16 ausgebildet. Diese reduzierte Lage 16 hat einen kleineren Isolationswiderstand wie das dielektrische keramische Element 12.

Der erste Schritt im Herstellungsprozeß des erfindungsgemäßen keramischen Kondensators 10 ist die Vorbereitung des dielek trischen keramischen Elements 12. Dieses dielektrische kera mische Element 12 kann hergestellt werden, indem Barium-Ti tan- oder Strontium-Titan-Verbindungen in Scheibenform ge bracht und anschließend gehärtet werden. Die entgegengesetz ten Hauptoberflächen des dielektrischen keramischen Elements 12 werden mit einer Elektrodenpaste beschichtet, beispiels weise in Siebdrucktechnik. Diese Elektrodenpaste wird aus ei nem höchst oxidationsfreudigen pulverisierten Metall und Glasmasse hergestellt. Als höchst oxidationsfreudiges pulve risiertes Metall kann beispielsweise Aluminium-, Nickel- oder Kupferpuder verwendet werden.

Das mit einer Elektrodenpaste beschichtete dielektrische ke ramische Element 12 wird dann für ca. 15 Minuten bei ungefähr 150°C getrocknet. Anschließend wird die Elektrode auf dem dielektrischen keramischen Element 12 gehärtet, in dem sie für ca. 2 Stunden bei 830-860°C gewärmt wird. Dabei wird das Metallpuder in der Elektrodenpaste von dem Sauerstoff in der Luft abgeschirmt, da die Elektrodenpaste Glasmasse enthält. Somit bildet sich unterhalb der Elektrode 14 indem dielektrischen keramischen Element 12 eine reduzierte Lage 16. Diese reduzierte Lage 16 hat einen kleineren Isolationswiderstand wie der unreduzierte Bereich des dielektrischen keramischen Elements. Beispielsweise hat sich gezeigt, daß bei Verwendung von Aluminiumpulver in der Elek trodenpaste und Glasmasse von nicht weniger als 3 Gew.-%, der Isolationswiderstand der reduzierten Lage 16 kleiner als 10⁸ war, während der Isolationswiderstand in den unreduzierten Bereichen des dielektrischen keramischen Elements bei 10¹²- 10¹⁴ lag.

Daraus folgt, daß bei einem erfindungsgemäßen keramischen Kondensator 10, in welchem die reduzierte Lage 16 ausgebildet ist, die Potentialbeugung in den Endbereichen der Elektrode 14 nicht so stark ist, und somit ist es möglich, die dielek trische Kurzschlußspannung zu erhöhen.

Bei einem erfindungsgemäßen keramischen Kondensator 10 wurde Aluminiumpulver als pulverisiertes Metall in der Elektroden paste verwendet und die elektrische Kurzschlußspannung bei einem variierendem Anteil von Glasmasse gemessen. Das Ergeb nis, die dielektrische Kurzschlußspannung des erfindungsge mäßen Keramikkondensators 10, wurde zur dielektrischen Kurz schlußspannung herkömmlicher keramischen Kondensatoren mit Silberelektroden in Beziehung gesetzt, und in der unten ange führten Tabelle aufgelistet. Als dielektrische Kurzschluß spannung wurden sowohl Gleich- als auch Wechselspannungen ge messen.

Tabelle

Wie aus der Tabelle zu ersehen, kann die dielektrische Kurz schlußspannung des keramischen Kondensators 10 erhöht werden durch die Kombination von pulverisiertem Metall und Glasmasse als Material für die Elektrode 14. Insbesondere wird durch Erhöhung des Glasmassenanteils in der Elektrodenpaste auf über 3 Gew.-% die dielektrische Kurzschlußspannung in dem ke ramischen Kondensator 10 bemerkenswert erhöht, und im Bereich von 20 Gew.-% wird im Fall von Gleichspannung die dielektri sche Kurzschlußspannung auf das 1,6fache und im Falle von Wechselspannung auf das 1,8fache gegenüber herkömmlichen ke ramischen Kondensatoren gesteigert.

D. h., durch Ausbildung einer reduzierten Lage 16 unterhalb der Elektrode 15 kann die dielektrische Kurzschlußspannung des keramischen Kondensators 10 erhöht werden.

In den oben beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung wurden zwei Elektroden 14 an gegen überliegenden Hauptoberflächen des dielektrischen keramischen Elements 12 ausgebildet. Wie in Fig. 3 gezeigt ist es jedoch ebenso möglich, zwei Elektroden 14 auf der gleichen Oberflä che des dielektrischen keramischen Elements 12 in einen vor her bestimmten Abstand zueinander anzuordnen. Auch in diesem Fall wird in dem dielektrischen keramischen Element 12 die reduzierte Lage 16 unterhalb der Elektrode ausgebildet, und ein keramischer Kondensator mit erhöhter dielektrischer Kurz schlußspannung kann erzielt werden.

Claims

1. Keramischer Kondensator mit einem keramischen Dielektrikum (12) und auf dessen Oberfläche ausgebildeten Elektroden (14), dadurch gekennzeichnet, dass in der Oberfläche des Dielektrikums (12) jeweils unter der gesamten Elektrodenfläche der Elektroden (14) eine chemisch reduzierte Schicht (16) ausgebildet ist.

2. Keramischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptbestandteile des keramischen Dielektrikums (12) Oxide auf Strontium-Titan- oder Barium-Titan-Basis sind.

3. Keramischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Elektrode (14) aus einer elektrisch-leitenden Paste mit Aluminium-, Ni ckel- oder Kupferpuder als Hauptbestandteil und Glaspuder ist.

4. Keramischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (14) an den entgegengesetzten Hauptoberflächen des keramischen Die lektrikums (12) ausgebildet sind.

5. Keramischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (14) auf einer Oberfläche des Dielektrikums (12) mit einem vorbe stimmten Abstand zueinander ausgebildet sind.

6. Keramischer Kondensator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Glaspuders nicht weniger als 3 Gew.-% beträgt.

7. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Kondensators, dadurch gekennzeich net, dass es folgende Schritte umfasst:

a) Vorbereitung des keramischen Dielektrikums mit Metalloxiden als Hauptbe standteil;
b) Vorbereitung eines Elektrodenmaterials aus einem Metall mit einer höheren Oxidationstendenz als die Metalloxide im keramischen Dielektrikum; und
c) Ausbildung der Elektroden durch Auftragen des Elektrodenmaterials auf die Oberfläche des keramischen Dielektrikums, anschließendes Aushärten des Elektrodenmaterials und gleichzeitige chemische Reduktion der Oberfläche des keramischen Dielektrikums unter Ausbildung einer chemisch reduzierten Schicht (16), die in der Oberfläche des Dielektrikums (12) jeweils unter der gesamten Elektrodenfläche der Elektroden (14) ausgebildet ist.