DE69710265T2 - Dielektrische keramische Zusammensetzung und diese verwendender monolithischer keramischer Kondensator - Google Patents
Dielektrische keramische Zusammensetzung und diese verwendender monolithischer keramischer KondensatorInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine dielektrische keramische Zusammensetzung und einen in elektronischen Instrumenten zu verwendenden monolithischen Keramikkondensator, insbesondere einen solchen, bei dem Innenelektroden aus Nickel oder Nickellegierungen Verwendung finden.
- Monolithische Keramikkondensatoren werden allgemein wie folgt hergestellt: Zunächst werden dielektrische Keramikschichten, die jeweils mit einem Elektrodenmaterial beschichtet sind, um Innenelektrode zu erhalten, hergestellt. Die dielektrischen Keramikschichten können z. B. im wesentlichen aus BaTiO&sub3; bestehen. Dann wird eine Vielzahl solcher mit dem Elektrodenmaterial beschichteter dielektrischer Keramikschichten laminiert und unter Hitze und Druck integriert, woraufhin das resultierende Laminat zum Erhalt eines monolithischen dielektrischen Keramikkörpers mit darin enthaltenen Innenelektroden in Normalatmosphäre bei 1250ºC bis 1350ºC gebrannt wird. An beiden Enden des dielektrischen Keramikkörpers werden Außenelektroden fixiert und eingebrannt, die elektrisch mit den Innenelektroden in Verbindung stehen. Auf diese Weise wird ein monolithischer Keramikkondensator erhalten.
- Demzufolge müssen die Materialien für die Innenelektroden die folgenden Anforderungen erfüllen:
- 1. Da das Keramiklaminat und die Innenelektroden miteinander gebrannt werden, darf der Schmelzpunkt der Materialien für die Innenelektroden nicht unter der Temperatur liegen, bei der das Keramiklaminat gebrannt wird.
- 2. Die Materialien für die Innenelektroden dürfen selbst bei hohen Temperaturen und oxidierenden Atmosphären nicht oxidieren und nicht mit den dielektrischen Keramikschichten reagieren.
- Als Elektroden, die diesen Anforderungen genügen, fanden bisher Edelmetalle wie Platin, Gold, Palladium und Silber-Palladium-Legierungen Anwendung.
- Diese Elektrodenmaterialien zeigen zwar ausgezeichnete Eigenschaften, sind aber teuer. Demzufolge belaufen sich die Kosten für das Elektrodenmaterial auf 30 bis 70% der Gesamtkosten für einen monolithischen Keramikkondensator, was daher den wesentlichen Faktor für die gestiegenen Produktionskosten der herkömmlichen monolithischen Keramikkondensatoren darstellt.
- Von den Edelmetallen abgesehen sind auch unedle Metalle bekannt, wie etwa Ni, Fe, Co, W und Mo, die einen hohen Schmelzpunkt aufweisen. Diese Grundmetalle oxidieren jedoch bei hohen Temperaturen und oxidierenden Atmosphären leicht und verlieren dadurch Ihre Funktion als Elektroden. Werden daher solche Grundmetalle als Innenelektroden in monolithischen Keramikkondensatoren verwendet, so müssen sie zusammen mit den dielektrischen Keramikschichten in neutralen oder reduzierenden Atmosphären gebrannt werden. Allerdings erwiesen sich die herkömmlichen dielektrischen keramischen Materialien darin als mangelhaft, dass sie bei Einbrennen in solch neutralen oder reduzierenden Atmosphären stark zu Halbleitern reduziert werden.
- Zur Überwindung dieser Nachteile wurde z. B. ein dielektrisches keramisches Material vorgeschlagen, umfassend eine Feststofflösung von Bariumtitanat, wobei das Verhältnis von Bariumstellen/Titanstellen über deren stöchiometrischem Verhältnis liegt, wie beschrieben in japanischer Patentveröffentlichung Nr. 57-42588; und ein dielektrisches keramisches Material, umfassend eine Feststofflösung von Bariumtitanat, und dieser zugegeben außerdem die Oxide von Seltenerdmetallen wie La, Nd, Sm, Dy und Y, wie beschrieben in offengelegter Japanischer Patentanmeldung Nr. 61-101459.
- Ebenfalls vorgeschlagen wurde ein dielektrisches keramisches Material mit einer Zusammensetzung, bestehend in BaTiO&sub3;-CaZrO&sub3;-MnO-MgO, wie beschrieben in offengelegter Japanischer Patentanmeldung Nr. 62-256422; und ein dielektrisches keramisches Material mit einer Zusammensetzung, bestehend in BaTiO&sub3;- (Mg,Zn,Sr,Ca)O-B&sub2;O&sub3;-SiO&sub2;, wie beschrieben in Japanischer Patentveröffentlichung Nr. 61-14611.
- Unter Verwendung dieser dielektrischen keramischen Materialien wurden Keramiklaminate erhalten, die selbst bei Ausbrennen in reduzierenden Atmosphären nicht zu Halbleitern umgewandelt wurden. Folglich ist damit die Erzeugung monolithischer Keramikkondensatoren möglich geworden, die Innenelektroden aus Grundmetallen wie Nickel umfassen.
- Angesichts der jüngsten Entwicklung im Bereich der Elektronik sind elektronische Teile von kleiner Größe im Fachbereich stark erwünscht, weshalb auch eine starke Nachfrage nach monolithischen Keramikkondensatoren von kleiner Größe und hoher Kapazität besteht.
- Aus diesen Gründen bewegt sich die derzeitige Entwicklung im Fachbereich schnell auf dielektrische keramische Materialien mit hohen Dielektrizitätskonstanten und dünneren dielektrischen Schichten zu. Demgemäß besteht derzeit eine große Nachfrage nach dielektrischen keramischen Materialien von hoher Zuverlässigkeit und einer hohen Dielektrizitätskonstante, bei denen die temperaturabhängige Abweichung gering ist.
- Die in der Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 57-42588 und der offengelegten Japanischen Patentanmeldung Nr. 61-101459 beschriebenen dielektrischen keramischen Materialien erwiesen sich allerdings darin als mangelhaft, dass die Kristalle des Materials der Keramiklaminate groß sind, obschon die Keramiklaminate selbst eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen können, mit der Folge, dass dann, wenn dünne dielektrische Keramikschichten mit einer Dicke von z. B. 10 um oder weniger in die monolithischen Keramikkondensatoren aufgenommen werden, die Zahl der in einer Schicht vorhandenen Keramikkristalle reduziert und daher die Zuverlässigkeit der monolithischen Keramikkondensatoren vermindert ist. Außerdem waren die dielektrischen keramischen Materialien darin mangelhaft, dass die temperaturabhängige Abweichung der Dielektrizitätskonstante der dielektrischen keramischen Materialien groß ist. Aus diesen Gründen konnten die herkömmlichen dielektrischen keramischen Materialien nicht die Anforderungen des Marktes erfüllen.
- Dagegen zeigte das in offengelegter Japanischer Patentanmeldung Nr. 62-256422 beschriebene dielektrische keramische Material darin Mängel, dass CaTiO&sub3;, ebenso wie CaTiO&sub3;, die während des Brennschritts entstehen, oftmals zusammen mit Mn und anderen Stoffen Sekundärphasen bilden und daher die Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen des Kondensators, der dieses Material umfasst, problematisch ist, obschon die Dielektrizitätskonstante des Keramikkörpers aus diesem Material relativ hoch ist, die Kristalle, aus denen das Keramiklaminat besteht, klein sind und die temperaturabhängige Abweichung der Dielektrizitätskonstante gering ist.
- Das dielektrische keramische Material der Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 61-14611 erwies sich darin als mangelhaft, dass die Dielektrizitätskonstante des Keramikkörpers aus dem Material 2000 bis 2800 beträgt und sich daher das Material nicht für monolithische Keramikkondensatoren von kleiner Größe, doch hoher Kapazität eignet. Darüber hinaus war das Material auch darin mangelhaft, dass es die Kapazitätsverlaufsnorm nicht erfüllt, wie in der EIA-Norm festgelegt, worin angegeben ist, dass die temperaturabhängige Abweichung der Kapazität innerhalb des Bereichs von -55ºC und +125ºC +1-15% oder weniger betragen soll.
- In der offengelegten Japanischen Patentanmeldung Nr. 63-103861 ist ein nichtreduzierendes dielektrisches keramisches Material beschrieben, das jedoch darin mangelhaft ist dass sein Isolationswiderstand und die temperaturabhängige Abweichung seiner Kapazität in starkem Maße durch die Korngröße der BaTiO&sub3;- Kristalle der Hauptkomponente des Materials beeinflusst werden, was die Eigenschaften des Material schwer stabilisierbar macht. Außerdem fällt bezüglich des Isolationswiderstands des Materials das Produkt aus dem Isolationswiderstandswert und dem Kapazitätswert (Produkt aus KW) zwischen 1000 und 2000 (ΩF). Angesichts dessen ist das Material möglicherweise nicht praktisch einsetzbar.
- Obschon einige Verbesserungen an nicht-reduzierenden dielektrischen keramischen Zusammensetzungen vorgenommen wurden, wie sie im Fachbereich bereits früher vorgeschlagen und im vorangegangenen beschrieben worden sind, um ihnen einen guten Isolationswiderstand bei Hochtemperatur-Lebensdauertests zu verleihen, blieb jedoch die Eigenschaft eines verbesserten Isolationswiderstands bei Feuchtigkeitsresistenz-Belastungstests nach wie vor unzufriedenstellend.
- Um die oben genannten Probleme zu lösen, wurden verschiedene Zusammensetzungen vorgeschlagen, wie z. B. in den offengelegten Japanischen Patentanmeldungen Nrn. 05-9066, 05-9067 und 05-9068. Aber auch diese Zusammensetzungen konnten die strengen Anforderungen des heutigen Marktes an Kondensatoren von kleiner Größe und hoher Kapazität nicht erfüllen. Spezifisch gesagt bestehen diese Anforderungen des heutigen Markts darin, dass solche Kondensatoren aus dünneren dielektrischen Keramikschichten bei gleichbleibend hoher Zuverlässigkeit bestehen sollen. Daher besteht nach wie vor ein großer Bedarf an dielektrischen keramischen Materialien, aus denen vwesentlich dünnere dielektrische Keramikschichten für monolithische Keramikkondensatoren bei viel höherer Zuverlässigkeit erzeugt werden können. Unter der gegebenen Situation ist es demnach erwünscht, monolithische Keramikkondensatoren von kleiner Größe, doch von hoher Kapazität und Zuverlässigkeit bereitzustellen, die ihre in hohem Grade zuverlässigen Eigenschaften selbst unter Hochtemperatur und hochfeuchten Bedingungen beibehalten.
- Aus JP 08 124785 A ist ein viellagiger keramischer Chipkondensator bekannt. Um die Anforderungen an die Temperatureigenschaften eines Kondensators zu erfüllen, ist in dieser Quelle eine Methode beschrieben, bei der eine dielektrische Schicht BaTiO&sub3; als der Hauptkomponente enthält und mindestens eines von MgO, Y&sub2;O&sub3;, V&sub2;O&sub5; und CaO plus mindestens eines von SiO&sub2;, MnO, V&sub2;O&sub5; und MoO&sub2; als der Unterkomponente enthält, deren Mengen individuell spezifiziert sind.
- Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines preiswerten monolithischen Keramikkondensators von kleiner Größe und hoher Kapazität, der eine Dielektrizitätskonstante von 3000 oder mehr aufweist, einen hohen Isolationswiderstand, wenn gemessen bei Raumtemperatur und bei 125ºC, von 6000 MΩ·uF oder mehr bezüglich seines Produkts mit der Kapazität (dem Produkt aus KW) aufweist, der eine temperaturabhängige Kapazität aufweist, die die Verlaufsnorm der B-Stufe, wie in der JIS-Norm festgelegt, und die Verlaufsnorm der X7R-Stufe erfüllt, wie in der EIA-Norm festgelegt, und der selbst bei Bedingungen von hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit eine gute Witterungsbeständigkeit aufweist.
- Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der oben genannten Aufgabenstellung vervollständigt.
- Genau gesagt wird mit der vorliegenden Erfindung eine dielektrische keramische Zusammensetzung und ein monolithischer Keramikkondensator bereitgestellt, wie definiert in Ansprüchen 1 und 3. Der monolithische Keramikkondensator setzt sich aus einer Vielzahl dielektrischer Keramikschichten, einer Vielzahl von Innenelektroden, bestehend aus Nickel oder einer Nickellegierung, die zwischen den dielektrischen Keramikschichten in solcher Weise eingebracht sind, dass ein Ende jeder Innenelektrode an einem der beiden Enden der dielektrischen Keramikschichfen hervorsteht, und Außenelektroden, die mit den hervorstehenden Innenelektroden elektrisch verbunden sind, der dadurch gekennzeichnet ist, dass:
- die dielektrischen Keramikschichten jeweils aus einem Material hergestellt sind, umfassend: eins Hauptkomponente, umfassend Bariumtitanat mit einem Gehalt an Alkalimetalloxid-Unreinheiten von 0,02 Gew.-% oder weniger, und Scandiumoxid, Yttriumoxid, Manganoxid und Nickeloxid; und als Nebenkomponenten Magnesiumoxid in einer Menge von 0,5 bis 3,0 Mol in Form von MgO, und Siliciumoxid in einer Menge von 0,2 bis 5,0 Mol in Form von SiO&sub2;, bezogen auf 100 Mol der Hauptkomponente mit der folgenden Formel der Zusammensetzung:
- (1-α-β){BaO}mTiO&sub2; + αM&sub2;O&sub3; + β(Mn1-xNix)O
- worin M&sub2;O&sub3; mindestens eines ist, gewählt aus Sc&sub2;O&sub3; und Y&sub2;O&sub3;; und
- α,β, m und x wie folgt sind:
- 0,0025 ≤ α ≤ 0,020
- 0,0025 ≤ β ≤ 0,04
- β/α ≤ 4
- o ≤ x ≤ 1,0
- 1,000 ≤ m ≤ 1,035; und
- die Innenelektroden jeweils aus Nickel oder einer Nickellegierung bestehen.
- Vorzugsweise bestehen beim monolithischen Keramikkondensator der vorliegenden Erfindung die Außenelektroden jeweils aus einer gesinterten Schicht eines elektrisch leitfähigen Metallpulvers mit zugegebener Glasfritte. Außerdem setzen sich die Außenelektroden bevorzugt aus einer ersten gesinterten Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Metallpulver mit zugegebener Glasfritte und einer zweiten, auf der ersten Schicht aufplattierten Schicht zusammen.
- In Abb. 1 ist eine Querschnittsansicht gezeigt, die eine Skizze einer Ausführungsform des monolithischen Keramikkondensators der vorliegenden Erfindung darstellt.
- In Abb. 2 ist eine Draufsicht gezeigt, die eine Skizze einer Ausführungsform einer dielektrischen Keramikschicht mit einer darauf aufgebrachten Innenelektrode darstellt, wie gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt.
- In Abbildung ist eine perspektivische, in die Einzelteile zerlegte Ansicht einer Ausführungsform eines Keramiklaminats gezeigt, wie gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt.
- Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ausführlich beschrieben.
- Als Material für die dielektrischen Keramikschichten, aus denen sich der monolithische Keramikkondensator der vorliegenden Erfindung zusammensetzt, wird hierin ein dielektrisches keramisches Material verwendet, umfassend mindestens ein Oxid, gewählt aus Scandiumoxid und Yttriumoxid, und auch aus Manganoxid und Nickeloxid, in einem spezifischen, oben genannten Verhältnis der Zusammensetzung, und außerdem Magnesiumoxid und Siliciumoxid im oben definierten Bereich. Daher lässt sich das elektrische keramische Material ohne Verschlechterung seiner Eigenschaften selbst in einer reduzierenden Atmosphäre ohne weiteres brennen. Als Folge dessen ist gemäß der vorliegenden Erfindung der Erhalt eines monolithischen Keramikkondensators von hoher Zuverlässigkeit und einer temperaturabhängigen Kapazität möglich, die die Verlaufsnorm der B-Stufe erfüllt, wie durch die JIS-Norm festgelegt, ebenso wie die Verlaufsnorm der X7R-Stufe, wie durch die EIA-Norm festgelegt, und der einen hohen Isolationswiderstand bei Raumtemperatur und selbst bei Hochtemperaturen aufweist.
- Da außerdem die in gesinterten dielektrischen Keramikwerkstoffen, aus denen der Kondensator der Erfindung besteht, vorhandenen Kristallkörner klein sind, d. h. nicht größer als 1 mm, kann die Zahl der in einer dielektrischen Keramikschicht vorhandenen Kristallkörner höher sein. Demgemäß ist selbst dann, wenn die dielektrischen Schichten dünner werden, die Zuverlässigkeit des Kondensators, der diese dünnen dielektrischen Schicht umfasst, nicht vermindert.
- Es wurde bestätigt, dass neben den Hauptkomponenten, aus denen das dielektrische keramische Material zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung besteht, wie z. B. Bariumtitanat und mindestens ein Oxid, gewählt aus Scandiumoxid und Yttriumoxid, und auch Manganoxid und Nickeloxid, der Gehalt an Unreinheiten im Bariumtitanat, wie etwa Erdalkalimetalloxide, z. B. SrO und CaO; Alkalimetalloxide, z. B. Na&sub2;O und K&sub2;O; und andere Oxide, z. B. Al&sub2;O&sub3; und SiO&sub2;, ganz besonders der der Alkalimetalloxide wie Na&sub2;O und K&sub2;O, einen großen Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften des Kondensators der Erfindung zeigt. Spezifisch wurde bestätigt, dass ein Gehalt an Alikalimetalloxid-Unreinheiten im Bariumtitanat von kleiner 0,02 Gew.-% im dielektrischen keramischen Material zu einer Dielektrizitätskonstante des Kondensators der Erfindung, der das dielektrische keramische Material umfasst, von 3000 oder höher führen kann.
- Der Grund, warum Siliciumoxid den dielektrischen Keramikschichten der vorliegenden Erfindung zugegeben wird, ist der, dass hierdurch die Sinterbarkeit der Schichten verbessert wird, wenn die Sinteratmosphäre so kontrolliert wird, dass sie einen Sauerstoffpartialdruck nahe dem äquilibrierten Sauerstoffpartialdruck von NI/NiO bei relativ hohen Temperaturen während des Sinterschritts aufweist, wobei außerdem die Feuchtigkeitsresistenz-Eigenschaften des die Schichten umfassenden Kondensators verbessert werden.
- Wird das oben genannte dielektrische keramische Material zur Herstellung der dielektrischen Keramikschichten verwendet, aus denen wiederum der monolithische Keramikkondensator der Erfindung zusammengesetzt wird, so ist die Verwendung von Grundmetallen, Nickel oder Nickellegierungen bei den Innenelektroden des Kondensators möglich. Außerdem ist auch die Zugabe eines keramischen Zusatzstoffes zu den Innenelektroden möglich, der sich aus demselben Material zusammensetzt, wie für die Keramikschichten verwendet, und außerdem eine geringe Menge weiterer Oxide enthält.
- Die Zusammensetzung der Außenelektroden des Kondensators der Erfindung ist nicht spezifisch definiert. Konkret können die Außenelektroden z. B. aus gesinterten Schichten hergestellt sein, umfassend verschiedene elektrisch leitfähige Pulver, wie z. B. Ag, Pd, Ag-Pd, Cu oder Cu-Legierungen, und verschiedene Arten von Glasfritte aus B&sub2;O&sub3;-Li&sub2;O-SiO&sub2;-BaO, B&sub2;O&sub3;-SiO&sub2;-BaO, Li&sub2;O-SiO&sub2;-BaO oder ähnlichem.
- Bevorzugter sind die gesinterten Schichten mit einer Plattenschicht beschichtet. Die Plattenschicht kann Ni, Cu oder ähnliches umfassen und kann weiter mit einer zusätzlichen Plattenschicht aus Lötmetall, Zinn oder ähnlichem bedeckt sein.
- Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele ausführlicher beschrieben werden, die den Rahmen der Erfindung jedoch nicht einschränken sollen.
- Es wird auf eine Ausführungsform des monolithischen Keramikkondensators der vorliegenden Erfindung Bezug genommen. In Abb. 1 ist eine Querschnittsansicht gezeigt, die eine Skizze einer Ausführungsform des monolithischen Keramikkondensators der Erfindung darstellt. In Abb. 2 ist eine Draufsicht gezeigt, die eine Skizze der dielektrischen Keramikschicht mit einer darauf aufgebrachten Innenelektrode zeigt, wie bei dieser Ausführungsform der Fall. In Abb. 3 ist eine perspektivische, in die Einzelteile zerlegte Ansicht gezeigt, die das bei dieser Ausführungsform vorliegende Keramiklaminat verdeutlicht.
- Wie in Abb. 1 gezeigt, liegt der monolithische Keramikkondensator 1 der vorliegenden Erfindung in Form eines rechteckigen Parallelepiped-Chips vor, bei dem die Außenelektroden d, die aus Nickel, Kupfer oder ähnlichem hergestellten ersten Plattenschicht 6 und die aus Lötmetall, Zinn oder ähnlichem hergestellten zweiten Plattenschichten 7 auf beiden Seiten des Keramiklaminats 3 aufgebracht sind, das durch Laminierung einer Vielzahl dielektrischer keramischer Schichten 2a und 2b über die dazwischenliegenden Innenelektrode 4 gebildet wird.
- Im folgenden wird ein Herstellungsverfahren für den monolithischen Keramikkondensator 1 der Erfindung in der Reihenfolge der Verfahrensschritte beschrieben.
- Zunächst wird das Keramiklaminat 3 erzeugt. Dies geht folgendermaßen vor sich: Wie in Abb. 2 gezeigt wird, ein Rohstoffpulver, umfassend Bariumtitanat; mindestens ein Oxid, gewählt aus Scandiumoxid und Yttriumoxid; Manganoxid, Nickeloxid, Magnesiumoxid; und Oxide, bestehend im wesentlichen in Siliciumoxid, zu einer Aufschlämmung zubereitet und dann ausplattiert, um eine dielektrische Keramikschicht 2a (Grünplatte) herzustellen. Auf einer Oberfläche der Grünplatte wird eine Innenelektrode 4 aus Nickel oder einer Nickellegierung gebildet. Zur Herstellung der Innenelektrode 4 ist ein beliebiges Verfahren aus Siebdruck, Metallaufdampfung oder Plattierung anwendbar.
- Eine zuvor festgelegte Anzahl dielektrischer Keramikschichten 2b, die jeweils mit der. Innenelektrode 4 versehen sind, wird aufeinander laminiert und dann zwischen zwei dielektrische Keramikschichten 2a eingebracht, die keine Innenelektrode 4 aufweisen, wie in Abb. 3 gezeigt; diese Bestandteile werden zum Erhalt eines Laminats unter Druck integriert. Dann wird das aus den dielektrischen Keramikschichten 2a, 2b .... 2b, 2a zusammengesetzte Laminat in einer reduzierenden Atmosphäre bei einer zuvor festgelegten Temperatur zum Erhalt des Keramiklaminats 3 gebrannt.
- Als nächstes wird auf beiden Seiten des Keramiklaminats 3 jeweils eine Außenelektrode 5 gebildet, die mit den Innenelektroden 4 verbunden werden. Das Material der Außenelektroden 5 kann dasselbe wie das der Innenelektroden 4 sein. Davon abgesehen können Silber, Palladium, Silber-Palladium-Legierungen, Kupfer, Kupfer-Legierungen und andere als Material für die Außenelektroden 5 verwendet werden, welchem außerdem Glasfritte, z. B. vom Typ B&sub2;O&sub3;-SiO&sub2;-BaO oder Li&sub2;O-SiO&sub2;- BaO, zugegeben werden kann. Unter Berücksichtigung der Anwendung des monolithischen Keramikkondensators der Erfindung und der Stelle, an der der Kondensator eingesetzt wird, werden die geeigneten Materialien für die Außenelektroden 5 ausgewählt. Die Außenelektroden 5 können durch Auftragen eines elektrisch leitfähigen Pastenmaterials oder Metallpulvers auf das gebrannte Keramiklaminat 3 und anschließendes Brennen erzeugt werden. Alternativ dazu kann das Pastenmaterial auf das ungebrannte Keramiklaminat 3 aufgetragen und alle Bestandteile zugleich gebrannt werden. Danach können die Außenelektroden 5 mit Nickel, Kupfer oder ähnlichem plattiert werden, um eine erste Plattenschicht 6 darauf zu erhalten. Zuletzt wird die erste Plattenschicht 6 mit einer zweiten Plattenschicht 7 aus Lötmetall, Zinn oder ähnlichem bedeckt. In dieser Weise wird der Chip-artige monolithische Keramikkondensator 1 der Erfindung erhalten.
- Das folgende Beispiel dient einer weiteren, ausführlicheren Veranschaulichung der Erfindung.
- Zunächst wurden die Rohstoffe TiCl&sub4; und Ba(NO&sub3;) in verschiedenen Reinheitsgraden hergestellt und abgewogen. Diese wurden mit Oxalsäure behandelt, um ein Präzipitat von Bariumtitanyloxalat (BaTiO(C&sub2;O&sub4;)&sub4;H&sub2;O) zu erhalten. Dieses Präzipitat wurde unter Wärme bei 1000ºC oder mehr zersetzt, um vier Arten von Bariumtitanat (BaTiO&sub3;) zu erhalten, wie in Tabelle 1 gezeigt.
- Dann wurden Sc&sub2;O&sub3;, Y&sub2;O&sub3;, MnO, NiO und MgO jeweils in einer Reinheit von 99% oder mehr hergestellt, und außerdem ein kolloidales Kieselgel, enthaltend Siliciumdioxid in einer Menge von 20 Gew.-% bezüglich des SiO&sub2;. TABELLE 1 Proben mit * befinden sich außerhalb des Rahmens der Erfindung
- Als nächstes wurden diese Rohstoff in unterschiedlichen Verhältnissen der Zusammensetzung, wie in Tabelle 2 gezeigt, zum Erhalt verschiedener Zusammensetzung vermischt. Jede Zusammensetzung wurde in einer Kugelmühle nass vermahlen, einer Eindampfung bis zur Trockenheit unterzogen und bearbeitet, um ein pulvriges Rohstoffgemisch zu erhalten.
- Das resultierende Gemisch wurde in einer Kugelmühle zusammen mit einem Polyvinylbutyral-Bindemittel und einem organischen Lösungsmittel wie Ethanol zum Erhalt einer Keramikaufschlämmung nass vermahlen. Diese Keramikaufschlämmung wurde mit einem Rakelmesser ausplattiert, um eine rechteckige Grünplatte in einer Dicke von 11 um zu erhalten. Dann wurde eine elektrisch leitfähige Paste, bestehend im wesentlichen aus Ni, auf diese Keramikgrünplatte zum Erhalt einer elektrisch leitfähigen Pastenschicht aufgedruckt, die dann zu einer Innenelektrode geformt wurde. Tabelle 2 Proben mit * befinden sich außerhalb des Rahmens der Erfindung Tabelle 2 - Fortsetzung Proben mit * befinden sich außerhalb des Rahmens der Erfindung
- Eine Vielzahl dieser Keramikgrünplatten, auf die jeweils die elektrisch leitfähige Pastenschicht aufgebracht war, wurde in solcher Weise laminiert, dass die Seite einer Platte, bei der die elektrisch leitfähige Paste herausragte, mit der anderen Platte abgewechselt wurde, bei der die elektrisch leitfähige Paste nicht herausragte. Auf diese Weise wurde ein Laminat hergestellt. Dieses Laminat wurde in einer N&sub2;- Atmosphäre bei 350ºC erhitzt, wobei das Bindemittel verbrannte, und dann zwei Stunden lang in einer reduzierenden Atmosphäre, umfassend Gase wie H&sub2;, N&sub2; und H&sub2;O, und bei einem Sauerstoffpartialdruck von 1011 bis 108 MPa, bei verschiedenen, in Tabelle 3 gezeigten Temperaturen gebrannt, um gesinterte Keramikkörper zu erhalten.
- Die Oberfläche jedes gesinterten Keramikkörpers wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop bei einer 1500-fachen Vergrößerung untersucht, um die Korngrößen der im Sichtfeld erkennbaren Körner zu bestimmen.
- Eine Silberpaste, enthaltend Glasfritte vom Typ B&sub2;O&sub3;-Li&sub2;O-SiO&sub2;-BaO, wurde auf beide Seiten jedes gesinterten Keramikkörpers aufgetragen und nochmals in einer N&sub2;-Atmosphäre bei 600ºC gebrannt, um dadurch Außenelektroden in elektrischer Verbindung mit den Innenelektroden zu erhalten.
- Die Außenabmessungen jedes der derart erhaltenen monolithischen Kondensatoren betrugen 1,6 mm Breite · 3,2 mm Länge · 1, 2 mm Dicke, und die Dicke jeder dielektrischen Keramikschicht zwischen den Innenelektroden betrug 8 um.
- Die Gesamtzahl der effektiven dielektrischen Keramikschichten betrug 19, und die Fläche der Belagselektroden pro keramischer Schicht betrug 2,1 mm².
- Die Kapazität (C) und der dielektrische Verlust (tan δ) jeder Probe wurden unter Verwendung eines automatischen brückenartigen Messers bei einer Frequenz von 1 kHz bei 1 V rms und bei 25ºC gemessen. Aus der derart gemessenen Kapazität wurde die Dielektrizitätskonstante (e) errechnet. Als nächstes wurde zur Messung des Isolationswiderstands (R) jeder Probe eine Gleichstromspannung von 16 V an jede Probe bei 25ºC über 2 Minuten hinweg unter Verwendung eines Isolationswiderstandsmessers angelegt. Nach einer derartigen Messung des Isolationswiderstands (R) jeder Probe wurde das Produkt aus der Kapazität (C) und dem Isolationswiderstand (R), d. h. das Produkt aus KW jeder Probe erhalten. Darüber hinaus wurde die temperaturabhängige Abweichung bei der Kapazität jeder Probe bestimmt.
- Für die temperaturabhängige Abweichung bei der Kapazität wurde die Abweichung bei der Kapazität bei -25ºC bis 85ºC, bezogen auf die Kapazität bei 20ºC (ΔC/C&sub2;&sub0;ºC), die Abweichung bei der Kapazität bei -55ºC bis 125ºC, bezogen auf die Kapazität bei 25ºC (ΔC/C&sub2;&sub5;ºC) und die maximale Abweichung, bezogen auf den Absolutwert, bei -55ºC bis 125ºC ( ΔC max) erhalten.
- Zur Bestimmung der Hochtemperatur-Lebensdauer jeder Probe wurden 36 Teststücke jeder Probe einem Hochtemperatur-Belastungstest unterzogen, wobei eine Gleichstromspannung von 100 V an jedes Stück bei 150ºC unter Messung des zeitabhängig variierenden Isolationswiderstand für jedes Teststück angelegt wurde. Bei diesem Test wurde die Zeitspanne, während derer der Isolationswiderstandswert (R) für jedes getestete Stück 10&sup6; Ω oder weniger erreichte, gemessen, was als die Lebenszeit jedes Teststücks bezeichnet wurde: Der Mittelwert aller getesteten Stücke wurde errechnet, um die mittlere Lebenszeit jeder Probe zu erhalten.
- Um außerdem die feuchtigkeitsbeständige Lebensdauer jeder Probe zu messen, wurden 72 Teststücke jeder Probe einem Hochfeuchtigkeits-Belastungstest unterzogen, bei dem eine Gleichstromspannung von 16 V an jedes Stück bei 121ºC unter 2 Atmosphären (relative Feuchtigkeit: 100%) unter Messung des Isolationswiderstands für jedes Teststück in Abhängigkeit von der Zeit angelegt wurde. Bei diesem Test wurde die Anzahl der Teststücke, die einen Isolationswiderstandswert (R) von 10&sup6; Ω oder weniger innerhalb eines Zeitraums von 250 Stunden aufwiesen, gezählt. Die bei diesen Tests erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3 Proben mit * befinden sich außerhalb des Rahmens der Erfindung
- Wie aus Tabelle 1, Tabelle 2 und Tabelle 3 ersichtlich, wurde bei allen, in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallenden Proben des monolithischen Keramikkondensators eine hohe Dielektrizitätskonstante von nicht weniger als 3000, ein dielektrischer Verlust, tan d, von nicht größer 2,5% bei gleichzeitiger Erfüllung der Verlaufsnorm der B-Stufe, wie in der JIS-Norm festgelegt, innerhalb eines Temperaturbereichs von -25ºC bis 85ºC, ebenso wie die Verlaufsnorm der X7R- Stufe, wie in der EIA-Norm festgelegt, innerhalb eines Temperaturbereichs von -55ºC bis 125ºC bezüglich der temperaturabhängigen Abweichung bei der Kapazität festgestellt.
- Darüber hinaus wurden bei diesen Proben der Erfindung hohe Isolationswiderstandswerte festgestellt, wenn bei 25ºC gemessen, von nicht kleiner als 6.000 MΩ uF, bezüglich des Produkts aus KW. Außerdem wurde eine lange mittlere Lebensdauer von nicht weniger als 300 Stunden festgestellt, wobei keine der Proben beim Feuchtigkeitsresistenz-Belastungstest versagte.
- Außerdem wurden diese Proben bei relativ niedrigen Temperaturen von nicht mehr als 1300ºC gesintert, wobei die Kristallkörner in den gesinterten Proben bei Korngrößen von nicht mehr als 1 um klein waren. Da die in den dielektrischen Keramikschichten dieser Proben vorliegenden Kristallkörner klein sind, d. h. nicht größer als 1 um, ist die Anzahl der in einer dielektrischen Keramikschicht vorhandenen Kristallkörner groß. Demgemäß ist selbst dann, wenn die Dicke des diese Schichten umfassenden Keramiklaminats vermindert ist, die Zuverlässigkeit des das Laminat umfassenden Kondensators nicht vermindert.
- Im folgenden werden die Gründe für die Definierung der Zusammensetzungs- Verhältnisse bei der vorliegenden Erfindung benannt.
- Zunächst wird auf die Gründe für die Festlegung von a auf innerhalb des Bereichs von 0,0025 ≤ α ≤ 0,020 in der Zusammensetzung (1-α-β){BaO}m TiO&sub2; + αM&sub2;O&sub3; + β(Mn1-xNix)O eingegangen, worin M&sub2;O&sub3; mindestens eines ist, gewählt aus Sc&sub2;O&sub3; und Y&sub2;O&sub3;. Wie bei Probe Nr. 1 ist dann, wenn die Menge α von M&sub2;O&sub3; kleiner 0,0025 ist, die temperaturabhängige Abweichung bei der Kapazität groß und die mittlere Lebensdauer sehr kurz.
- Ist dagegen wie bei Probe Nr. 18 die Menge α von M&sub2;O&sub3; größer 0,020, so ist die Dielektrizitätskonstante nicht größer als 3.000, der Isolationswiderstand bei 25ºC und 125ºC gering, die mittlere Lebensdauer kurz, treten einige Versager beim Feuchtigkeitsresistenz-Belastungstest auf und ist die Sintertemperatur hoch.
- Die Gründe für die Festlegung von β auf innerhalb des Bereichs von 0,0025 ≤ β ≤ 0,04 sind die folgenden. Wie bei Probe Nr. 2 werden dann, wenn die Menge β von (Mn,Ni)O kleiner 0,0025 ist, die dielektrischen keramischen Stoffe beim Brennen in reduzierender Atmosphäre zu Halbleitern reduziert, was den Isolationswiderstand herabsetzt.
- Wie bei Probe Nr. 19 ist dann, wenn die Menge β von (Mn,Ni)O größer 0,04 ist, der Isolationswiderstand bei 25ºC geringer als 6.000 MΩ·uF, die mittlere Lebensdauer kürzer als 300 Stunden und die temperaturabhängige Abweichung beider Kapazität zu groß, um der Verlaufsnorm der X7R-Stufe der EIA-Norm zu genügen.
- Die Gründe für die Festlegung von x auf innerhalb des Bereichs von 0 ≤ x < 1,0 sind die folgenden. Wie bei Probe Nr. 20 ist dann, wenn die Menge x von NiO 1,0 ist, der Isolationswiderstand bei 25ºC geringer als 6.000 MΩ·uF und die mittlere Lebensdauer kürzer als 300 Stunden.
- Die Gründe für die Festlegung von β/α auf innerhalb des Bereichs von β/α ≤ 4 sind die folgenden. Wie bei Probe Nr. 21 ist dann, wenn das Verhältnis β/α der Menge β von (Mn,Ni)O zur Menge α von M&sub2;O&sub3; größer als 4 ist, die temperaturabhängige Abweichung bei der Kapazität groß und die mittlere Lebensdauer kürzer als 300 Stunden.
- Die Gründe für die Festlegung von m auf innerhalb des Bereichs von 1.000 < m ≤ 1,035 sind die folgenden. Wie bei Proben Nrn. 3 und 4 wurde dann, wenn das Molverhältnis m von Bariumtitanat nicht größer als 1.000 ist, das dielektrische keramische Material beim Brennen in reduzierender Atmosphäre zu Halbleitern umgewandelt, wobei der Isolationswiderstand des Kondensators herabgesetzt war (Probe Nr. 3); oder der Isolationswiderstand des Kondensators war herabgesetzt und die mittlere Lebensdauer kurz, so dass das dielektrische keramische Material nicht zur Herstellung dünner keramischer Laminate verwendet werden konnte (Probe Nr. 4).
- Ist dagegen, wie bei Probe Nr. 22, das Molverhältnis M größer als 1,035, so ist die Sinterbarkeit der Probe sehr schlecht.
- Die Gründe für die Festlegung des Magnesiumoxid-Gehalts auf zwischen 0,5 Mol und 3,0 Mol, bezogen auf MgO, sind die folgenden. Wie bei Probe Nr. 5 ist dann, wenn die Menge an MgO kleiner als 0,5 Mol ist, der Isolationswiderstand gering und kann die temperaturabhängige Abweichung bei der Kapazität die Verlaufsnorm der X7R-Stufe der EIA-Norm nicht erfüllen, obschon der Verlaufsnorm der B-Stufe der JIS-Norm genüge getan wird.
- Ist dagegen wie bei Probe Nr. 23 die Menge an MgO größer als 3,0 Mol, so muss die Sintertemperatur zu hoch zu sein, kann die Dielektrizitätskonstante keinen Wert von über 3.000 erreichen und versagten viele Teststücke der Probe beim Feuchtigkeitsresistenz-Belastungstest.
- Die Gründe für die Festlegung des Siliciumoxid-Gehalts auf einen Bereich von 0,2 Mol bis 5,0 Mol, bezogen auf SiO&sub2;, sind die folgenden. Wie bei Probe Nr. 6 kann dann, wenn der SiO&sub2;-Gehalt 0 (Null) ist, die Probe nicht gesintert werden. Wie bei Probe Nr. 7 muss dann, wenn der SiO&sub2;-Gehalt kleiner als 0,2 Mol ist, die Sintertemperatur zu hoch sein, ist der Isolationswiderstand gering und versagten viele Teststücke der Probe beim Feuchtigkeitsresistenz-Belastungstest.
- Ist dagegen wie bei Probe Nr. 24 der SiO&sub2;-Gehalt größer als 5,0 Mol, so kann die Dielektrizitätskonstante keinen Wert von über 3.000 erreichen und der Isolationswiderstand bei 25ºC nicht über 6.000 MΩ·uF betragen.
- Die Gründe für die Festlegung der Unreinheiten, d. h. des Alkalimetalloxid-Gehalts vom Bariumtitanat, auf nicht größer als 0,02 Gew.-% sind wie folgt. Wie bei Probe Nr. 25 ist dann, wenn der Gehalt an Alkalimetalloxid-Unreinheiten des Bariumtitanat größer als 0,02 Gew.-% ist, die Dielektrizitätskonstante herabgesetzt.
- Bei obigem Beispiel wurde ein Pulver von Bariumtitanat verwendet, wie gemäß der Oxalsäuremethode hergestellt, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Davon abgesehen sind auch Pulver von Bariumtitanat verwendbar, wie gemäß der Alkoxidmethode oder der Hydrothermal-Reaktionsmethode hergestellt. Werden letztere Pulver verwendet, so kann dies die Eigenschaften der Kondensatoren oftmals mehr verbessern, als bei den Proben des hierin gezeigten Beispiels der Fall war.
- Im Beispiel wurden Pulver von Scandiumoxid, Yttriumoxid, Manganoxid, Nickeloxid und anderen verwendet, was aber keine Beschränkung darauf darstellt. Auch Lösungen von Alkoxiden oder organischen Metallverbindungen solcher Oxide können anstelle der Oxidpulver verwendet werden, ohne dass die Eigenschaften der erzeugten Kondensatoren verändert werden würden, vorausgesetzt, dass sie so formuliert werden, dass die dielektrischen Keramikschichten innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung erhalten werden.
- Beim monolithischen Keramikkondensator der vorliegenden Erfindung werden die dielektrischen Keramikschichten aus einem dielektrischen keramischen Material hergestellt, das selbst in einer reduzierenden Atmosphäre gebrannt werden kann, ohne dabei zu einem Halbleiter reduziert zu werden. Daher kann ein Grundmetall aus Nickel oder einer Nickellegierung als Material für die Elektroden im Kondensator verwendet werden. Da außerdem das dielektrische keramische Material bei relativ niedrigen Temperaturen von 1300ºC oder weniger gebrannt werden kann, können die Produktionskosten für den Kondensator gesenkt werden.
- Darüber hinaus weist der monolithische Keramikkondensator der Erfindung, der aus solchen dielektrischen keramischen Materialien erzeugte Keramikschichten umfasst, eine Dielektrizitätskonstante von 3000 oder höher auf, wobei die temperaturabhängige Abweichung bei der hohen Dielektrizitätskonstante des Kondensators gering ist. Außerdem besitzt der Kondensator einen hohen Isolationswiderstand und weist gute Eigenschaften auf, wobei sich diese Eigenschaften selbst unter Hochtemperatur- und hochfeuchten Bedingungen nicht verschlechtern.
- Da weiterhin die Kristalle, aus denen die dielektrischen Schichten bestehen, mit Korngrößen von 1 um oder weniger klein sind, können die Schichten ohne weiteres dünner hergestellt werden, ohne dass dabei die Anzahl der darin enthaltenen Kristalle vermindert wird, was sich von Keramikschichten unterscheidet, die in herkömmlichen monolithischen Keramikkondensatoren enthalten sind. Daher ist gemäß der vorliegenden Erfindung der Erhalt von monolithischen Keramikkondensatoren von hoher Zuverlässigkeit, kleiner Größe und großer Kapazität möglich.
- Die Erfindung wurde zwar ausführlich und unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen beschrieben, doch wird für Fachleute des Bereichs erkennbar sein, dass verschiedene Veränderungen und Abweichungen daran vorgenommen werden können, ohne vom in den Ansprüchen definierten Rahmen abzuweichen.
Claims (8)
1. Dielektrische keramische Zusammensetzung, umfassend:
eine Hauptkomponente, umfassend Bariumtitanat mit einem Gehalt an
Alkalimetalloxid-Unreinheiten von 0,02 Gew.-% oder weniger;
Scandiumoxid, Yttriumoxid, Manganoxid und Nickeloxid; und
Magnesiumoxid, als Nebenkomponenten, in einer Menge von 0,5 bis 3,0 Mol in
Form von MgO, und Siliciumoxid in einer Menge von 0,2 bis 5,0 Mol in Form von
SiO&sub2;, bezogen auf 100 Mol der Hauptkomponente mit der folgenden Formel der
Zusammensetzung:
(1-α-β){BaO}mTiO&sub2; + αM&sub2;O&sub3; + β(Mn1-xNix)O
worin M&sub2;O&sub3; mindestens eines ist, gewählt aus Sc&sub2;O&sub3; und Y&sub2;O&sub3;; und
α, β, m und x wie folgt sind:
0,0025 ≤ α ≤ 0,020
0,0025 ≤ β ≤ 0,04
β/α ≤ 4
o ≤ x ≤ 1,0
1,000 < m ≤ 1,035.
2. Dielektrische keramische Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das
Alkalimetalloxid mindestens ein Oxid umfasst, gewählt aus SrO, CaO, SiO&sub2; und
Al&sub2;O&sub3;
3. Monolithischer keramischer Kondensator (1), zusammengesetzt aus
einer Vielzahl von dielektrischen keramischen Schichten (2a, 2b),
einer Vielzahl von Innenelektroden (4), bestehend aus Nickel oder Nickel-
Legierung, die zwischen den dielektrischen keramischen Schichten (2a, 2b) in
solcher Weise eingebracht sind, dass ein Ende jeder Innenelektrode (4) an einem
der beiden Enden der dielektrischen keramischen Schichten (2a, 2b) hervorsteht,
und
Außenelektroden (5), die mit den hervorstehenden Innenelektroden (4) elektrisch
verbunden sind,
wobei der monolithische keramische Kondensator (1) dadurch gekennzeichnet
ist, dass:
die dielektrischen keramischen Schichten (2a, 2b) jeweils aus einem Material
hergestellt sind, umfassend:
eine Hauptkomponente, umfassend Bariumtitanat mit einem Gehalt an
Alkalimetalloxid-Unreinheiten von 0,02 Gew.-% oder weniger;
Scandiumoxid, Yttriumoxid, Manganoxid und Nickeloxid; und
Magnesiumoxid, als Nebenkomponenten, in einer Menge von 0,5 bis 3,0 Mol in
Form von MgO, und Siliciumoxid in einer Menge von 0,2 bis 5,0 Mol in Form von
SiO&sub2;, bezogen auf 100 Mol der Hauptkomponente mit der folgenden Formel der
Zusammensetzung:
(1-α-β){BaO}mTiO&sub2; + αM&sub2;O&sub3; + β(Mn1-xNix)O
worin M&sub2;O&sub3; mindestens eines ist, gewählt aus Sc&sub2;O&sub3; und Y&sub2;O&sub3;; und
α, β, m und x wie folgt sind:
0,0025 ≤ α ≤ 0,020
0,0025 ≤ β ≤ 0,04
β/α ≤ 4
o ≤ x ≤ 1,0,
1,000 < m ≤ 1,035.
4. Dielektrischer keramischer Kondensator (1) nach Anspruch 3, wobei das
Alkalimetalloxid mindestens ein Oxid enthält, das gewählt ist aus SrO, CaO, SiO&sub2;
und Al&sub2;O&sub3;.
5. Monolithischer keramischer Kondensator (1) nach Anspruch 3, wobei das
Basismetall Keramikpulver enthält.
6. Monolithischer keramischer Kondensator (1) nach Anspruch 3, wobei mindestens
eine der Außenelektroden (5) aus einer gesinterten Schicht eines elektrisch
leitfähigen Metallpulvers besteht.
7. Monolithischer keramischer Kondensator (1) nach Anspruch 3, wobei mindestens
eine der Außenelektroden (5) aus einem elektrisch leitfähigen Metallpulver mit
zugegebener Glasfritte besteht.
8. Monolithischer keramischer Kondensator (1) nach Anspruch 3, wobei die
Außenelektroden (5) jeweils eine erste gesinterte Schicht aus einem elektrisch
leitfähigen Metallpulver oder einem elektrisch leitfähigen Metallpulver mit
zugegebener Glasfritte und einer zweiten, auf der ersten Schicht aufplattierten
Schicht besteht.
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