EP4182959A1 - Vielschichtkondensator - Google Patents

Vielschichtkondensator

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EP4182959A1
EP4182959A1 EP21745777.9A EP21745777A EP4182959A1 EP 4182959 A1 EP4182959 A1 EP 4182959A1 EP 21745777 A EP21745777 A EP 21745777A EP 4182959 A1 EP4182959 A1 EP 4182959A1
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EP
European Patent Office
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electrodes
multilayer capacitor
layer
capacitor according
capacitor
Prior art date
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Pending
Application number
EP21745777.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thorsten BAYER
Michael Schossmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
TDK Electronics AG
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a
  • Ceramic-based multilayer capacitor comprising dielectric layers and electrodes arranged therebetween.
  • the electrical ceramic material is generally deformed when the capacitor voltage is applied.
  • the object is at least partially solved by the multilayer capacitor disclosed in claim 1 .
  • a multilayer capacitor includes a capacitor element having at least two segments.
  • the segments have dielectric layers made of ceramic and electrode layers arranged in between, which are in a Layer order are arranged one above the other.
  • the electrode layers comprise different electrodes, including at least first and second electrodes.
  • the different electrodes for example first and second electrodes, overlap in active areas.
  • the areas where no different electrodes overlap are called passive areas.
  • a passive area for example, only electrodes of the same type overlap, ie only first electrodes or only second electrodes or only any other uniform type of electrodes.
  • a passive area can be an area of the capacitor element in which no electrodes are arranged.
  • Such an area can be, for example, an edge area that adjoins an outside of the capacitor element, since the electrodes usually do not extend over the entire width of the capacitor element.
  • a plurality of segments are arranged one above the other in the stacking direction, with the outermost dielectric layers of two segments forming a connection area in which the segments are firmly connected to one another parallel to the layer planes.
  • the connection area is formed, for example, by the bottom dielectric layer of an upper segment and the top dielectric layer of a lower segment.
  • the two dielectric layers are firmly connected to one another, for example by sintering. Sintering the stacked segments together physically and chemically bonds the adjacent dielectric layers together. Any number of segments can be connected together. A connection area is formed between each two segments.
  • connection area includes a stress relief area located in a plane parallel to the electrodes.
  • the relief area occupies at least the entire passive area of the capacitor.
  • connection between the segments is weakened or interrupted. Mechanical stresses in the multilayer capacitor are kept low by the relief area.
  • the thickness of the segments is preferably so small that mechanical stresses in the segments do not lead to the formation of cracks in the capacitor.
  • This weakening is preferably pronounced in the stacking direction, which corresponds to the field direction of the capacitor.
  • the weakening can be achieved by forming a gap or by using materials with different moduli of elasticity, preferably materials with lower modulus of elasticity values.
  • the weakening can be achieved by inserting a material that is harder or more brittle compared to the ceramic. In the event of a load, this material can break.
  • Such mechanical stresses arise, for example, when the capacitor voltage is applied.
  • mechanical stresses are to be expected between active areas and passive areas, since these are subject to different electrical loads. If no stress relief areas were provided within the capacitor, such voltages would accumulate unhindered across the entire capacitor. By weakening or interrupting the connection of the segments, in particular in the passive areas, it is avoided that the mechanical stresses add up in such a way that fractures or cracks occur in the capacitor.
  • the relief area is formed as an area between the segments and parallel to the layer planes, in which the segments are not firmly connected to one another.
  • the relief area is textured.
  • the relief area can have at least one recess.
  • a connection area is formed within this recess, in which the segments are firmly connected to one another, in particular are sintered firmly to one another.
  • the relief area is designed as a gap between the segments.
  • the dielectric layers of the various segments can be spaced apart from one another in the relief area.
  • the dielectric layers can also rest against one another in the relief area and not be connected to one another or only partially or only with reduced adhesion.
  • the gap between the segments is less than the thickness of a dielectric layer.
  • the individual layer planes of a capacitor element usually each have the same layer thicknesses.
  • the stress relief region comprises a material whose elastic modulus differs from the elastic modulus of the dielectric layers.
  • green films in particular ceramic green films, are provided to form the dielectric layers.
  • a first paste comprising an organic or inorganic material, for example, is applied, for example printed, to at least one green film, which later forms an outer dielectric layer of a segment.
  • the first paste is preferably only applied to the areas where relief areas are intended.
  • the second, metallic paste for an electrode material is printed onto other green films, which will later form the inner dielectric layers of a segment.
  • the printing and layering can take place by the electrodes in the stack being applied alternately, slightly offset from one another, so that they can later be contacted on one side at their respective exit surfaces in a comb-like manner.
  • the green sheets are arranged into a stack that is sintered.
  • the first paste is formed in such a way that at the points at which the first paste is applied, sintering together of the dielectric layers is wholly or partially prevented, so that a relief area is formed here.
  • the layered and pressed stack can then be divided into the individual capacitors in the case of a mass production process.
  • the binder is first baked out of the separated capacitors (debinding). This is followed by the firing process (sintering).
  • the ceramic powder at Temperatures preferably between 900 °C and 1200 °C and receives its final, predominantly crystalline structure.
  • the individual dielectric layers combine to form a monolithic structure during the process.
  • the dielectric layers of the segments arranged one above the other are also firmly connected to one another.
  • the ceramic only achieves its desired dielectric behavior through this firing process.
  • the firing process is followed by a cleaning step and, in at least one embodiment, the application of the external contact.
  • the relief area is pronounced at least in all areas adjoining the outer sides of the capacitor element.
  • the depth to which the relief region extends into the capacitor element from the outside is approximately the stacking height of the segments adjacent to the relief region or the dimension between the top and bottom electrodes in an adjacent segment.
  • the adjacent segments usually each have the same stack height.
  • the depth of the passive region on the outside of the capacitor is approximately the stack height of the adjacent segments.
  • the depth to which the relief region extends into the capacitor element from the outside corresponds to twice the depth of the passive region on the outside of the capacitor.
  • the depth of the relief area thus depends on the depth of the passive area.
  • the relief area can include further sections that are not directly formed on the outer sides of the capacitor element. Again, the dimensions of the relief area should at least correspond to the dimensions described in the last paragraph.
  • the relief area is at least partially located in an area where the different electrodes overlap.
  • the relief area is therefore at least partially pronounced in an active area of the capacitor element.
  • the relief area in this embodiment also includes all areas of the connection area that are arranged in a passive area of the capacitor element.
  • a relief area enlarged in this way further reduces mechanical stresses between the individual segments.
  • the relief area has at least a portion that does not border the outer sides of the capacitor element.
  • connection area comprises a plurality of relief areas that are delimited from one another.
  • connection area comprises a plurality of relief areas which are delimited from one another and which at least in part do not adjoin the outer sides of the capacitor element.
  • the three last-mentioned embodiments are particularly advantageous in the case of large capacitor diameters.
  • a relief area enlarged in this way or a plurality of relief areas in a connection area further reduce the mechanical stresses between the individual segments.
  • the first and second electrodes at least partially overlap.
  • the first and second electrodes form an active area in which an electric field acts and in which mechanical stresses are thus generated within the dielectric layers.
  • the electrodes comprise one or more of copper, silver, nickel, platinum and palladium. These metals are particularly suitable because of their high electrical conductivity.
  • the entire multilayer capacitor is sintered in one step as described above.
  • the sintering step therefore takes place after the individual layers have been stacked.
  • the sintering temperature of the ceramic used for the dielectric layers must not exceed the melting temperature of the metals used for the electrodes. This can be achieved by choosing a suitable electrode metal or ceramic.
  • exit surfaces on the outside of the capacitor element on which electrodes exit the capacitor element are two separate external contacts for contacting the first and second electrodes applied.
  • the external contacts are preferably applied to opposite outer surfaces of the multilayer capacitor.
  • each segment comprises at least three different types of electrode layers, wherein in a first electrode layer the first and second electrodes are formed opposite one another and are spaced apart by a dielectric section, in a second electrode layer only first electrodes are formed and in a third Electrode layer only second electrodes are formed and the first electrode layers each form the outermost electrode layers of each segment in the stacking direction.
  • the first and second electrodes face each other in the first electrode layer in a direction perpendicular to a stacking direction of the multilayer capacitor.
  • Dielectric layers are in each case formed between the electrode layers.
  • first and second electrodes each have the same electrical polarization as the adjacent external contacts, no electrical field builds up in the outer sections of the segments or between two segments.
  • the electrodes of the first electrode layers are also partially adjacent to electrodes of the same electrical polarization within the segment are.
  • no electric field builds up in a comparatively large area. This means that individual layers within the active area of the segments also have no electric field.
  • the multilayer capacitor comprises at least one third electrode that is not contacted by any of the external contacts, the third electrode layer overlapping with the first and the second electrodes.
  • Such an electrode is also referred to as a "floating" electrode.
  • the multilayer capacitor comprises at least one third electrode that is not contiguous with either of the outer sides of the capacitor element.
  • the multilayer capacitor and in particular each segment of the multilayer capacitor preferably has a multiplicity of first electrodes, a multiplicity of second electrodes and a multiplicity of third electrodes.
  • the capacitor has at least one series connection of two capacitances.
  • a first capacitance can be formed by overlapping at least one first electrode with at least one third electrode and a second capacitance by overlapping at least one second electrode with at least one third electrode.
  • the multilayer capacitor comprises further electrodes which are arranged in the passive region of the capacitor and do not overlap with electrodes of a different polarity.
  • Such electrodes are referred to as passive or dummy electrodes.
  • Such dummy electrodes reduce mechanical stresses that typically occur between areas with electrodes and areas without electrodes within the capacitor element.
  • thermomechanical and electrical resilience of the multilayer capacitor can be optimized in this way.
  • the external contacts comprise a multilayer sputtered layer comprising layers consisting of chromium, nickel and at least one of silver or gold, the layers being applied to the exit faces in this order.
  • the chromium layer which is applied directly to the exit surface, enables the sputtered layer to adhere well to the exit surface.
  • the layer of silver or gold has a high level of conductivity and is therefore primarily used for making electrical contact between the electrodes.
  • the sputter layer described allows all electrodes of one type to be electrically connected to one another and thus switched in parallel.
  • the middle layer of nickel serves as a diffusion barrier.
  • all of the first electrodes, which all emerge from the capacitor element at the same first surface can be electrically connected to one another via a first sputtered layer.
  • all second electrodes, which all exit at a second surface can be electrically connected via a further second sputter layer or switched in parallel, so that for example the entire stack comprising all first and all second electrodes forms a single multilayer capacitor.
  • the external contacts also include a fine-meshed copper grid, which is applied to the sputtered layer.
  • the copper grid covers the entire sputter layer.
  • the copper grid can avoid the formation of cracks in the sputtered layer or even the spattering of the sputtered layer in case of mechanical deformations of the capacitor element.
  • the external contacts also include metal sheets, via which the capacitor element is contacted to the outside.
  • the metal sheets are attached to the sputter layer.
  • the metal sheets are attached to the sputtered layer by means of a soldered connection.
  • the metal sheets are applied to the sputter layer by means of a sintered silver layer.
  • the sputter layer described usually has a thickness in the nanometer range
  • the silver layer has a thickness in the micrometer range.
  • Such a sintered silver layer covering the entire sputtered layer holds the sputter layer together in the event of deformation of the capacitor element and, for example, prevents the sputter layer from crumbling.
  • the silver layer also attaches the metal sheets to the sputter layer. This means that no further soldered connections are necessary. To do this, the silver is applied to the sputter layer and the metal sheets are placed directly on top of it.
  • the silver layer is sintered at such a low pressure that a residual porosity of approximately 35% is achieved.
  • Such porosity is low enough to only slightly reduce the silver's electrical and thermal conductivity. Due to its high electrical and thermal conductivity, the silver layer also enables a good electrical connection between the metal sheets and the sputter layer. In addition, however, silver with the porosity mentioned has a sufficiently high ductility to ensure thermomechanical relief.
  • a sintered silver layer exhibits less material fatigue when subjected to mechanical or thermomechanical stress in comparison to, for example, soldered layers.
  • the metal sheets comprise two layers of copper and an invar layer sandwiched between them.
  • Copper has particularly good electrical and thermal conductivity.
  • Invar is an iron-nickel alloy with approx. 1/3 nickel and 2/3 iron. This material has a particularly low coefficient of thermal expansion. In particular, the thermal expansion coefficient is close to the expansion coefficient of the ceramic. Due to the combination with copper, sufficient conductivity of the connection contacting can be guaranteed despite the low electrical conductivity of the Invar.
  • iron-nickel or iron-nickel-cobalt alloys can also be used.
  • copper layers for example, are rolled onto an Invar sheet.
  • the outer surfaces of the copper layers can be silver plated to improve the bond between the copper and the sintered silver layer.
  • the silver plating is applied by electroplating.
  • the metal sheets of the external contacts include a copper layer with a meandering geometry.
  • the copper layer is applied directly to the silver layer.
  • the copper layer preferably has a meandering, grid-like geometry.
  • the copper layer can also be silver-plated.
  • the Silver plating is preferably carried out by electroplating.
  • the copper layer can be sintered directly with the silver layer.
  • the multilayer capacitor comprises separable capacitor elements that can be assembled and disassembled as desired at a contact surface, with the contact surface being arranged normal to the layer planes and the external contacts.
  • Multilayer capacitor are built.
  • the capacitor elements described can be mass produced in one size and then assembled according to requirements.
  • the individual capacitor elements can be fixed, for example, by means of a sintered silver layer applied to the outer surfaces, which layer extends over the outer surfaces of all the capacitor elements and thus holds them together.
  • the ceramic is an antiferroelectric dielectric.
  • the dielectric layers can exhibit piezoelectric or electrostrictive behavior, so that the layers deform when a voltage is applied to the multilayer capacitor.
  • the ceramic comprises a lead zirconate titanate. This usually crystallizes in a perovskite structure. In such a ceramic is it is an anti-ferroelectric dielectric which can be used advantageously in the described multilayer capacitor.
  • the ceramic has the following composition, which has advantageous properties when used in the capacitor:
  • the ceramics described have a low sintering temperature of between 900 °C and 1200 °C. Furthermore, the ceramic is characterized by high durability and low material fatigue.
  • the ceramic has the following composition, which has similar advantageous properties when used in the capacitor:
  • E is selected from the group consisting of Na, K and Ag;
  • G is selected from the group consisting of Cu, Ni, Co and Mn;
  • the ceramic has the following composition, which has similar advantageous properties when used in the capacitor:
  • A is selected from the group consisting of La, Nd, Y, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er and Yb;
  • E is selected from the group consisting of Cu and Ni;
  • the ceramic comprises a sodium strontium titanate.
  • a ceramic is also an anti-ferroelectric dielectric, which can advantageously be used in the described multilayer capacitor.
  • the ceramic has the following composition, which has advantageous properties when used in the capacitor:
  • the ceramic has the following composition, which also has advantageous properties when used in the capacitor:
  • the ceramic has the following composition, which also has advantageous properties when used in the capacitor:
  • the capacitor with the above properties is suitable for use as a DC link or snubber capacitor.
  • a further application of the capacitor described is as a filter capacitor. Due to its high-frequency properties, interference signals can be well dampened and filtered up to the MHz range.
  • the invention is based on
  • FIG. 1 side view of a schematic representation of a first embodiment of the multilayer capacitor, not according to the invention, comprising first and second electrodes in one segment.
  • FIG. 2 Side view of a schematic representation of a second exemplary embodiment of the multilayer capacitor comprising first and second electrodes in two segments.
  • FIG. 3 Top view of a schematic representation of a second exemplary embodiment of the multilayer capacitor comprising first and second electrodes in two segments.
  • FIG. 4 Side view of a schematic representation of a third exemplary embodiment of the multilayer capacitor comprising first and second electrodes in two segments.
  • FIG. 5 Top view of a schematic representation of a third exemplary embodiment of the multilayer capacitor comprising first and second electrodes in two segments.
  • FIG. 6 Side view of a schematic representation of a fourth exemplary embodiment of the multilayer capacitor comprising first, second and third electrodes in two segments.
  • FIG. 7 plan view of a schematic representation of a fourth exemplary embodiment of the multilayer capacitor comprising first, second and third electrodes in two segments.
  • FIG. 8 Side view of a schematic representation of a fifth exemplary embodiment of the multilayer capacitor, comprising first and second electrodes in two segments.
  • FIG. 9 Top view of a schematic representation of a fifth exemplary embodiment of the multilayer capacitor comprising first and second electrodes in two segments.
  • FIG. 10 Side view of a schematic representation of a sixth exemplary embodiment of the multilayer capacitor, comprising first and second electrodes in two segments.
  • FIG. 11 Top view of a schematic representation of a sixth exemplary embodiment of the multilayer capacitor, comprising first and second electrodes in two segments.
  • FIG. 12 Side view of a schematic representation of a seventh embodiment of the multilayer capacitor comprising first to sixth electrodes in two segments.
  • FIG. 13 Top view of a schematic representation of a seventh embodiment of the multilayer capacitor comprising first to sixth electrodes in two segments.
  • FIG. 14 Side view of a schematic representation of an eighth exemplary embodiment of the multilayer capacitor comprising first and second, and fourth and fifth electrodes in two segments.
  • FIG. 15 plan view of a schematic representation of an eighth exemplary embodiment of the multilayer capacitor comprising first and second, and fourth and fifth electrodes in two segments.
  • FIG. 16 Side view of a schematic illustration of a ninth exemplary embodiment of the multilayer capacitor, including external contacts.
  • FIG. 17 Side view of a schematic representation of a metal sheet of the external contact of the ninth exemplary embodiment of the multilayer capacitor.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of the multilayer capacitor 1. The figure is essentially limited to the depiction of the capacitor element 2. Other components such as the external contacts are not shown in FIG.
  • the capacitor 1 shown is constructed analogously to an example of the multilayer capacitor according to the invention, but does not include any connection areas and stress relief areas.
  • the capacitor element 2 comprises a stack comprising 3 first electrodes 3, three second electrodes 4 and dielectric layers 5 arranged between or around these electrodes.
  • the layers are arranged one above the other in a defined stacking direction.
  • the first electrodes 3 and second electrodes 4 emerge from the cuboid capacitor element 2 on two opposite sides. These surfaces are called the first and second exit surfaces 6/7.
  • the exit surfaces 6/7 are arranged normal to the stacking direction.
  • the respective associated electrodes are connected to one another via an electrically conductive external contact 8 at the exit surfaces 6/7.
  • the external contacts 8 each cover a large part of the exit areas 6/7. In other exemplary embodiments, the external contacts 8 can also cover smaller parts of the exit areas 6/7 or the entire exit areas 6/7.
  • first and second electrodes overlap 3/4. These areas are called active areas 9A. Only first or only second electrodes 3/4 are present on the areas bordering on the exit surfaces. These areas are called passive areas 9B.
  • Areas free of electrodes adjoin the two side surfaces of the capacitor element 2 normal to the exit surfaces 6/7 and normal to the stacking direction. These areas are also called passive areas 9B (compare Figure 3).
  • the overlapping electrodes 3/4 function as a capacitor. Because of the voltage between the first and second electrodes 3/4, an electric field then acts in the active region 9A of the multilayer capacitor 1.
  • an electric field does not have to be present over the entire stack height in the active regions 9A either. Rather, an electric field acts only between electrodes of different electric polarization, for example in dielectric layers 5, which are arranged between first and second electrodes 3/4. A field is also built up between the inner electrodes and the outer contacts if the electrical polarization differs.
  • the dielectric layers 5 of the present multilayer capacitor 1 consist of an anti-ferroelectric ceramic material. A polarization of the domains of the crystal structure of the ceramic occurs in the electric field.
  • the electrodes are made of an electrically conductive material such as copper, silver, nickel, palladium or platinum.
  • the polarization leads to a lattice deformation in the ceramic. Because of the lattice deformation, mechanical stresses build up within the multilayer capacitor 1 . Due to the low stack height, these mechanical stresses can be neglected in the first example.
  • the ceramic material of the exemplary embodiment is a perovskite ceramic.
  • a perovskite ceramic usually has anti-ferroelectric properties.
  • a composition of the ceramic according to one of Claims 17 to 24 also makes it possible to achieve advantageous properties for a capacitor, such as high mechanical stability and a long service life.
  • the multilayer capacitor 1 shown in FIGS. 2a and 2b essentially corresponds to the multilayer capacitor 1 of the first example.
  • the capacitor in FIGS. 2 and 3 has a second segment, the segments being arranged one above the other in the stacking direction.
  • a single segment of the second embodiment corresponds to the segment of the first example.
  • connection region 12 comprises the same dielectric ceramic material as the dielectric layers in the segments 2A and 2B of the capacitor element 2.
  • connection portion 12 includes the bottom dielectric layer of a first segment 2A and the top dielectric layer of a second segment 2B, which are stacked in the stacking direction. Within the connection area 12 there is no electrode.
  • connection area there is a continuous relief area 13 along the entire outer circumference of the capacitor element 2.
  • the relief area 13 is arranged between the lowermost dielectric layer of the first segment 2A and the uppermost dielectric layer of the second segment 2B.
  • the depth of the relief area 13, measured from the outside of the capacitor element 2 to the innermost point in the capacitor element 2, preferably corresponds to the stacking height of a segment.
  • the relief area 13 includes all passive areas 9B of the multilayer capacitor 1. That is, the relief area 13 is arranged within the connecting area 12 in parallel to all portions in the segments which only include one kind of electrodes or no electrodes. Furthermore, the relief region 13 partially extends into the active region 9A of the capacitor element 2. When viewed from the stacking direction, as shown in Figure 3, the active region 9A has the shape of a rectangle.
  • the passive area 9B forms a rectangular frame surrounding the active area 9A.
  • the relief area 13 forms a rectangular frame that encompasses the passive area 9B and further partially overlaps the active area 9A.
  • the relief area 13 is an area in which the stacked dielectric layers 5 are not firmly or only partially connected to each other.
  • ceramic green films comprising a perovskite material, are provided for forming the dielectric layers 5 .
  • a first paste containing an organic material is printed onto the uppermost green film of the second segment 2B.
  • a second, metallic paste is printed onto other green films in the desired areas to form the electrodes.
  • the green sheets are arranged into a stack that is sintered.
  • the first, organic paste is formed in such a way that at the points at which the first paste is applied, sintering together of the dielectric layers 5 is wholly or partially prevented, so that a relief region 13 is formed here.
  • FIGS. 4 and 5 represent a further exemplary embodiment of the multilayer capacitor 1 according to the invention.
  • the relief region 13 includes, in addition to the outer section 13A along the circumference of the capacitor element 2 , an inner section 13B which extends between the outer sides, parallel to the exit surfaces 6/7 of the capacitor element 2 .
  • the width of this inner section can be varied as desired. In the present embodiment, the width of the inner section exceeds the width of the outer section.
  • the inner portion of the relieving region 13 is arranged entirely in parallel with the active region 9A of the multilayer capacitor 1 .
  • the relief area 13 has the shape of a rectangular frame, the long sides of which are connected by means of a crossbeam.
  • the cross bar corresponds to the inner section of the relief area 13.
  • the charged particles may be, for example, protons present in an outer surface of the capacitor 1 due to moisture.
  • the reason for this is that an electric field can build up in the outermost dielectric layer 5A of the capacitor 1 between the uppermost second electrode 4A and a first external contact. This effect can be enhanced if the external contact, for example also covers part of the top 1A of the capacitor 1 due to an error in plotting.
  • FIGS. 6 and 7 A fourth exemplary embodiment of the multilayer capacitor 1 is shown in FIGS. 6 and 7, the features of which partially correspond to those of the preceding exemplary embodiments. These features will not be explained again.
  • the multilayer capacitor 1 in the fourth embodiment also includes third electrodes 14 in addition to first and second electrodes.
  • the third electrodes 14 are not contacted from the outside.
  • the first and second electrodes 3/4 are each arranged in the same layer plane, but are still separated by a dielectric section.
  • Layer planes which include the third electrodes 14, are arranged between the layer levels, which include the first and second electrodes.
  • a multilayer capacitor 1 comprising two series-connected capacitors is thus formed.
  • a first capacitor 1B formed between the first and third electrodes and a second capacitor IC formed between the third and second electrodes.
  • the relief area 13 is designed analogously to the third exemplary embodiment.
  • the relief area 13 thus comprises an outer section along the circumference of the capacitor element 2 and an inner section.
  • the entire passive area 9B of the capacitor element 2 is covered by the relief area 13 due to the additional inner section. Furthermore, the relief area 13 also extends into the outer areas of the two active areas 9A of the capacitors 1B and 1C.
  • Another advantage of the fourth embodiment described is that no electric field is built up between the outermost first or second electrodes 3A/4A of each segment 2A/2B of the capacitor 1 and the adjacent external contacts, since these each have the same electric polarization. Consequently, individual layers within the active region 9A also have no electric field.
  • Such charged particles can be protons, for example, which can be present on the outside of the capacitor 1 due to moisture.
  • Figures 8 and 9 show a fifth example of the multilayer capacitor 1. Features common to the previous embodiments will not be described again.
  • the illustrated multilayer capacitor 1 in turn comprises only first and second electrodes. However, the electrodes have different dimensions.
  • first and second electrodes are formed opposite one another, which are formed by a dielectric section are spaced. These first layer levels are designed analogously to the fourth embodiment.
  • the first layer levels form the first and last layer level of each segment. Since the first and second electrodes 3B, 4B each have the same electrical polarization as the adjacent external contacts, no electrical field builds up here in the outer sections of the segments 2A/2B or between the two segments.
  • the electrodes 3B and 4B in contrast to the electrodes 3A and 4A, are not adjacent to electrodes of opposite electrical polarization within the capacitor 1 either. Thus, no electric field builds up in a comparatively larger area. Consequently, individual layers within the active region 9A also have no electric field.
  • Another advantage of the described embodiment is that no electric field is built up between the outermost first and second electrodes 3A/4A/3B/4B of each segment 2A/2B of the capacitor 1 and the adjacent external contacts, since these each have the same electric polarization. An unwanted migration of charged particles from the outside into the interior of the capacitor 1 can thus be avoided.
  • the distance between the first and second electrodes in the first layer level corresponds at least to the thickness of a dielectric layer 5 in the stacking direction.
  • the spacing is preferably 1.5 to three times this thickness. In this way, for example, a current flow can be avoided directly from the first electrode 3B to the opposite second electrode 4A.
  • the maximum dimension of the electrodes in the first layer level is predetermined by this distance.
  • the minimum dimension of the same electrodes corresponds to the depth of the passive region 9B along the outer periphery of the capacitor.
  • the depth of the electrodes preferably corresponds to at least twice this depth.
  • second layer planes in which only a first electrode 3 is present
  • third layer planes in which only a second electrode 4 is present.
  • the respective electrodes extend almost to the opposite exit surface. The distance between an electrode and the opposite exit surface corresponds to the depth of the passive region along the perimeter of the layer planes.
  • Second and third layer levels are arranged alternately one above the other. In between are the dielectric layers 5.
  • connection area 12 and the relief area 13 are designed as in the previous examples.
  • the relief area 13 comprises an outer frame-shaped section and an inner cross-beam-shaped section.
  • the outer, passive area 9B and parts of the inner, active area 9A are covered by the relief area 13, as shown graphically in FIG.
  • FIGS. 10 and 11 show a sixth exemplary embodiment of the multilayer capacitor 1.
  • the individual segments are designed analogously to the fourth exemplary embodiment.
  • the However, the sixth exemplary embodiment differs from the fourth exemplary embodiment in the form of the relief regions 13 .
  • the sixth embodiment has a plurality of different portions 13B inside. All of these sections 13B are connected to one another or to the outer section 13A of the relief area. They are preferably designed in such a way that the mechanical stresses can be relieved evenly.
  • the inner sections 13B of the relief area can be arranged parallel to one another or can cross one another. The number of sections and their shape and dimensions can be varied as desired.
  • Figures 12 and 13 show a further embodiment of the multilayer capacitor 1.
  • the embodiment 7 essentially corresponds to the embodiment 4. It comprises first, second and third electrodes 3, 4 and 14.
  • fourth, fifth and sixth electrodes 15, 16 and 17 are also pronounced in the seventh exemplary embodiment. These are dummy electrodes that fill in the passive areas 9B without creating active areas 9A themselves.
  • the fourth and fifth electrodes 15 and 16 are arranged in the outer passive area of the capacitor elements 2 . They are arranged close to the external contacts and can touch them. The fourth and fifth electrodes do not generate an electric field since they only overlap with electrodes of the same polarity. Fourth electrodes 15, which are in contact with the first external contact, only overlap with such fourth electrodes 15 or first electrodes 3.
  • the sixth electrodes 17 are arranged centrally in the capacitor element 2 between the first and second electrodes 3 and 4, in the same layer planes as the first and second electrodes.
  • the sixth electrodes 17 only overlap further sixth electrodes 17 and third electrodes 14. Since there is no overlapping of different electrodes of different polarity in this area, this is also a passive area 9B of the capacitor element 2.
  • the sixth electrodes arranged congruently one above the other in the stacking direction.
  • the distance between the dummy electrodes and the active electrodes perpendicular to the field direction corresponds to at least the thickness of a dielectric layer 5, preferably 1.5 to three times the thickness of a dielectric layer 5.
  • dummy electrodes reduces mechanical stresses and mechanical distortion that typically occur between areas with electrodes and areas without electrodes.
  • FIGS. 14 and 15 show an eighth exemplary embodiment of the multilayer capacitor 1, which essentially corresponds to a combination of the fifth and seventh exemplary embodiment.
  • fourth and fifth electrodes 15 and 16 are provided along the outer periphery of the electrode layers in the present embodiment.
  • the fourth and fifth electrodes 15 and 16 are in turn in the same layers as the first and second electrodes 3 and 4.
  • the fourth and fifth electrodes 15, 16 are analogous to embodiment 7 as dummy electrodes. They each overlap only with electrodes of the same polarity.
  • the distance from the fourth and fifth electrodes 15, 16 to the active electrodes preferably corresponds to 1.5 to three times the thickness of a dielectric layer 5, but at least the thickness of the dielectric layer 5, in order to prevent current flow between active electrodes and opposing dummy electrodes .
  • the electrodes 15A and 16B in the respective outermost segment layers thus serve the same purpose as the electrodes 3A and 4B in the fifth embodiment, but are made with a minimum suitable depth.
  • the same stencil can be used each time for printing the electrode layers.
  • FIG. 16 shows a ninth exemplary embodiment of the multilayer capacitor 1.
  • the capacitor element 2 can be designed in accordance with one of the previous examples.
  • External contacts 8 are also applied to the exit surfaces of the electrodes 6 and 7 .
  • the external contacts 8 include multiple layers.
  • the sputter layers 8A, which cover the entire exit surfaces 6/7, are applied directly to the exit surfaces 6/7.
  • the sputtered film 8A includes three layers consisting of chromium, nickel and silver.
  • All of the first and all of the second electrodes can be electrically connected to one another by the described sputter layers 8A and can thus be connected in parallel.
  • the metal sheets 18 for external contacting by means of sintered silver layers 19 are applied to the sputter layers 8A.
  • the silver layer 19 has in the present
  • Embodiment on a thickness of about 20 gm to 30 gm.
  • the porosity of the silver in the layer is 35%.
  • the silver layers 19 also attach the metal sheets 18 to the sputter layers 8A. Thus, no soldering connections are necessary.
  • the silver is applied to the sputter layer and the metal sheets 18 are placed directly on top of it. Only after the metal sheets 18 have been placed is the silver layer 19 sintered. Due to its high electrical conductivity, the silver layer 19 also enables a good electrical connection between the metal sheets 18 and the sputter layers 8A.
  • the surfaces of the metal sheets 18 are silver-plated in the present example.
  • the surfaces are preferably electroplated with silver.
  • An electroplated silver layer 20 is thus formed on the surface of the metal sheets 18 and is arranged between the metal sheets 18 and the silver layer 19 .
  • the thickness of the electroplated silver layer 20 is between 5 ⁇ m and 10 ⁇ m.
  • the metal sheets 18 of the external contacts as shown in the detailed view in FIG. 17, comprise two copper layers 18B and an Invar layer 18A arranged between them.
  • the middle layer can also comprise another iron-nickel or iron-nickel-cobalt alloy.
  • the metal sheet 18 has the required mechanical strength due to the central Invar layer. Due to the low thermal expansion of the invar, a build-up of mechanical stress during temperature changes can be avoided. Crack formation in the external contact or the ceramic of the capacitor can thus be largely prevented.
  • Copper layers 18B are applied to the outside of the invar layer 18A, preferably rolled on.
  • the copper layers 18B have high thermal conductivity and high electrical conductivity.
  • an external contact can be provided which on the one hand has a low thermal expansion coefficient and thus high mechanical stability and on the other hand has high thermal and electrical conductivity.
  • the copper layers 18B are applied in an equal layer thickness on both sides of the invar layer 18A. Applying the copper evenly to both sides avoids the formation of a bimetallic strip with properties that are unfavorable for this application.
  • the ratio of the layer thicknesses for copper-invar-copper is preferably 1:3:1. In the present example, a metal sheet with a total thickness of 0.15 mm is used.
  • the thickness of the Invar layer 18A is 90 ⁇ m, and that of the copper layers 18B is 30 ⁇ m each.
  • the layer structure described can continue to adjust the thermal expansion coefficient, the thermomechanical resilience and thus the
  • the capacitor with the above properties is suitable for use as a DC link or snubber capacitor. Because of the small parasitics, particularly the low equivalent series inductance, and the ability of the capacitor to be placed close to a semiconductor, commutation circuits can be kept small. As a result, an induced overvoltage can be well damped during the switch-off process. Due to the properties of the capacitor, it is possible in some applications to do without an additional snubber capacitor when used as a DC link capacitor.
  • a further application of the capacitor described is as a filter capacitor. Due to its high-frequency properties, interference signals can also be well damped and filtered far above the operating frequency of a power converter up to the MHz range.
  • a copper layer is applied to the silver layer 19 instead of the metal sheet 18 .
  • the copper layer has a meandering, grid-like geometry.
  • the copper layer is also silver-plated here. The silver plating is done by electroplating.
  • Copper layer is sintered directly with the silver layer.
  • Relief area 13A Outer portion of relief area 13B Inner portion of relief area

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vielschichtkondensator (1) umfassend ein Kondensatorelement (2) mit mindestens zwei Segmenten (2A, 2B), wobei jedes Segment mehrere Schichtebenen umfasst darunter dielektrische Schichten (5) aus Keramik und dazwischen angeordnete Elektrodenschichten, die in einer Schichtreihenfolge übereinander angeordnet sind, wobei die Elektrodenschichten unterschiedliche Elektroden, darunter zumindest erste und zweite Elektroden (3, 4), umfassen, wobei sich die unterschiedlichen Elektroden in aktiven Bereichen (9A) überlappen, wobei sich die unterschiedlichen Elektroden in passiven Bereichen (9B) nicht überlappen, wobei mehrere Segmente in Stapelrichtung übereinander angeordnet sind, wobei die äußersten dielektrischen Schichten zweier Segmente einen Verbindungsbereich (12) bilden, in dem die Segmente parallel zu den Schichtebenen fest miteinander verbunden sind, wobei der Verbindungsbereich einen Entlastungsbereich (13) beinhaltet, und wobei der Entlastungsbereich zumindest den gesamten passiven Bereich des Kondensators einnimmt.

Description

Beschreibung
Vielschichtkondensator
Die vorliegende Erfindung betrifft einen
Vielschichtkondensator auf Keramikbasis, der dielektrische Schichten und dazwischen angeordnete Elektroden umfasst.
Beispiele für Vielschichtkondensatoren sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt.
In Vielschichtkondensatoren auf Keramikbasis mit piezoelektrischen Eigenschaften treten bei Anlegen der Kondensatorspannung in der Regel Verformungen des elektrischen Keramikmaterials auf.
Regelmäßige Verformungen können zu Materialermüdung und in der Folge zum Bruch des Keramikmaterials führen.
Darüber hinaus weisen die bekannten Vielschichtkondensatoren in der Anwendung verschiedene weitere technische Probleme auf.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Vielschichtkondensator mit verbesserten Materialeigenschaften und verbesserter Geometrie bereitzustellen.
Die Aufgabe wird zumindest teilweise durch den in Anspruch 1 offenbarten Vielschichtkondensator gelöst.
Weitere Ausführungsformen sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Offenbart wird ein Vielschichtkondensator, der ein Kondensatorelement mit mindestens zwei Segmenten umfasst. Die Segmente weisen dielektrische Schichten aus Keramik und dazwischen angeordnete Elektrodenschichten auf, die in einer Schichtreihenfolge übereinander angeordnet sind. Die Elektrodenschichten umfassen hierbei unterschiedliche Elektroden, darunter zumindest erste und zweite Elektroden.
Die unterschiedlichen Elektroden, also zum Beispiel erste und zweite Elektroden, überlappen in aktiven Bereichen. Die Bereiche, in denen sich keine unterschiedlichen Elektroden überlappen, heißen passive Bereiche.
In einem passiven Bereich überlappen sich beispielsweise nur Elektroden derselben Art, also nur erste Elektroden oder nur zweite Elektroden oder nur eine beliebige andere einheitliche Art von Elektroden.
Zusätzlich oder alternativ kann ein passiver Bereich ein Bereich des Kondensatorelements sein, in dem keine Elektroden angeordnet sind. Ein solcher Bereich kann zum Beispiel ein Randbereich, der an eine Außenseite des Kondensatorelements angrenzt, sein, da sich die Elektroden meist nicht über die gesamte Breite des Kondensatorelements erstrecken.
Innerhalb des Kondensatorelements sind mehrere Segmente in Stapelrichtung übereinander angeordnet, wobei die äußersten dielektrischen Schichten zweier Segmente einen Verbindungsbereich bilden, in dem die Segmente parallel zu den Schichtebenen fest miteinander verbunden sind. Der Verbindungsbereich wird beispielsweise von der untersten dielektrischen Schicht eines oberen Segments und der obersten dielektrischen Schicht eines unteren Segments gebildet.
Die beiden dielektrischen Schichten sind beispielsweise durch Sinterung fest miteinander verbunden. Durch das gemeinsame Sintern der übereinander angeordneten Segmente werden die benachbarten dielektrischen Schichten physikalisch und chemisch miteinander verbunden. Es kann eine beliebige Anzahl von Segmenten miteinander verbunden werden. Zwischen jeweils zwei Segmenten ist dabei ein Verbindungsbereich ausgebildet.
Der Verbindungsbereich beinhaltet einen Entlastungsbereich, der in einer Ebene parallel zu den Elektroden angeordnet ist. Der Entlastungsbereich nimmt zumindest den gesamten passiven Bereich des Kondensators ein.
Im Entlastungsbereich ist die Verbindung der Segmente geschwächt oder unterbrochen. Durch den Entlastungsbereich werden mechanische Spannungen im Vielschichtkondensator gering gehalten. Dabei ist die Dicke der Segmente vorzugsweise derart gering, dass mechanische Spannungen in den Segmenten nicht zur Entstehung von Rissen im Kondensator führen.
Bevorzugt ist diese Schwächung in Stapelrichtung ausgeprägt, welche der Feldrichtung des Kondensators entspricht. Die Schwächung kann durch Ausprägen eines Spalts oder Verwendung von Materialien unterschiedlicher Elastizitäts-Module, bevorzugt Materialien geringerer Elastizitäts-Modul-Werte, erreicht werden. Alternativ kann die Schwächung durch Einfügen eines im Vergleich zur Keramik härteren bzw. spröderen Materials erreicht werden. Im Belastungsfall kann dieses Material brechen.
Derartige mechanische Spannungen entstehen beispielsweise bei Anlegen der Kondensatorspannung. Insbesondere sind mechanische Spannungen zwischen aktiven Bereichen und passiven Bereichen zu erwarten, da diese verschieden elektrisch belastet werden. Wären innerhalb des Kondensators keine Entlastungsbereiche vorgesehen, würden sich solche Spannungen ungehindert über den gesamten Kondensator aufaddieren. Durch die Schwächung oder Unterbrechung der Verbindung der Segmente, insbesondere in den passiven Bereichen, wird vermieden, dass sich die mechanischen Spannungen derart addieren, dass Brüche oder Risse im Kondensator entstehen.
In einer Ausführungsform ist der Entlastungsbereich als Bereich zwischen den Segmenten und parallel zu den Schichtebenen ausgebildet, in denen die Segmente nicht fest miteinander verbunden sind.
Hierdurch kann einfach die beschriebene Schwächung der Verbindung zwischen den Segmenten erzielt werden.
In einer Ausführungsform ist der Entlastungsbereich strukturiert. Insbesondere kann der Entlastungsbereich wenigstens eine Aussparung aufweisen. Beispielsweise ist innerhalb dieser Aussparung ein Verbindungsbereich gebildet, in dem die Segmente fest miteinander verbunden, insbesondere fest miteinander versintert sind.
In einer Ausführungsform ist der Entlastungsbereich als Spalt zwischen den Segmenten ausgebildet.
Insbesondere können die dielektrischen Schichten der verschiedenen Segmente im Entlastungsbereich voneinander beabstandet sein. Die dielektrischen Schichten können im Entlastungsbereich auch aneinander anliegen und nicht oder nur teilweise oder nur mit verminderter Haftfestigkeit miteinander verbunden sein.
In zumindest einer Ausführungsform ist der Spalt zwischen den Segmenten weniger breit als die Dicke einer dielektrischen Schicht. Die einzelnen Schichtebenen eines Kondensatorelements weisen in der Regel jeweils dieselben Schichtdicken auf. In einer Ausführungsform des Vielschichtkondensators umfasst der Entlastungsbereich ein Material, dessen Elastizitäts- Modul sich von dem Elastizitäts-Modul der dielektrischen Schichten unterscheidet.
Zur Herstellung des Vielschichtkondensators werden Grünfolien, insbesondere keramische Grünfolien, zur Ausbildung der dielektrischen Schichten bereitgestellt. Auf wenigstens einer Grünfolie, die später eine äußere dielektrische Schicht eines Segments bildet, wird eine erste Paste aufweisend z.B. ein organisches oder anorganisches Material aufgebracht, beispielsweise aufgedruckt. Die erste Paste wird vorzugsweise nur an den Stellen aufgetragen, an denen Entlastungsbereiche vorgesehen sind.
Auf weitere Grünfolien, die später innere dielektrische Schichten eines Segments bilden, wird die zweite, metallische Paste für ein Elektrodenmaterial aufgedruckt. Die Bedruckung und Schichtung kann erfolgen, indem die Elektroden in dem Stapel wechselweise leicht versetzt zueinander aufgebracht werden, damit sie später kammartig einseitig an ihren jeweiligen Austrittsflächen kontaktiert werden können.
Die Grünfolien werden zu einem Stapel angeordnet, der gesintert wird. Vorzugsweise ist die erste Paste derart ausgebildet, dass an den Stellen, an denen die erste Paste aufgetragen wird, ein Zusammensintern der dielektrischen Schichten ganz oder teilweise verhindert wird, so dass hier ein Entlastungsbereich gebildet wird.
Der geschichtete und gepresste Stapel kann anschließend im Falle eines Massenfertigungsprozess in die einzelnen Kondensatoren zerteilt werden.
Nach dem Schneiden wird aus den vereinzelten Kondensatoren zunächst der Binder ausgebacken (Entbindern). Danach erfolgt der Brennprozess (Sintern). Dabei wird das Keramikpulver bei Temperaturen vorzugsweise zwischen 900 °C und 1200 °C gesintert und erhält seine endgültige, vorwiegend kristalline Struktur. Die einzelnen dielektrischen Schichten verbinden sich während des Prozesses zu einer monolithischen Struktur. Auch die dielektrischen Schichten der übereinander angeordneten Segmente werden fest miteinander verbunden.
Erst durch diesen Brennprozess erhält die Keramik ihr gewünschtes dielektrisches Verhalten. Dem Brennprozess folgen ein Reinigungsschritt und in mindestens einer Ausführungsform anschließend das Aufbringen der Außenkontaktierung.
In einer Ausführungsform ist der Entlastungsbereich zumindest in allen an Außenseiten des Kondensatorelements angrenzenden Bereichen ausgeprägt.
In einer Ausführungsform beträgt die Tiefe, bis zu der der Entlastungsbereich von der Außenseite aus in das Kondensatorelement hineinreicht, in etwa der Stapelhöhe der an den Entlastungsbereich angrenzenden Segmente bzw. der Abmessung zwischen oberster und unterster Elektrode in einem angrenzenden Segment. Die angrenzenden Segmente weisen in der Regel jeweils dieselbe Stapelhöhe auf.
In einer weiteren Ausführungsform beträgt die Tiefe des passiven Bereichs an der Außenseite des Kondensators in etwa der Stapelhöhe der angrenzenden Segmente.
Die Tiefe bis zu der der Entlastungsbereich von der Außenseite aus in das Kondensatorelement hineinreicht, entspricht in einer Ausführungsform dem Doppelten der Tiefe des passiven Bereichs an der Außenseite des Kondensators. Die Tiefe des Entlastungsbereichs hängt somit von der Tiefe des passiven Bereichs ab.
Durch eine solche Abmessung des Entlastungsbereichs wird vermieden, dass sich die mechanischen Spannungen derart addieren, dass Risse oder ähnliche Ermüdungserscheinungen im Kondensator entstehen.
Zusätzlich oder alternativ kann der Entlastungsbereich in einer Ausführungsform weitere Abschnitte umfassen, die nicht direkt an den Außenseiten des Kondensatorelements ausgeprägt sind. Die Abmessungen des Entlastungsbereichs sollten hier wiederum zumindest den im letzten Absatz beschriebenen Abmessungen entsprechen.
In einer Ausführungsform ist der Entlastungsbereich zumindest teilweise in einem Bereich angeordnet, in dem die unterschiedlichen Elektroden überlappen. Der Entlastungsbereich ist also zumindest teilweise in einem aktiven Bereich des Kondensatorelements ausgeprägt.
Der Entlastungsbereich in dieser Ausführungsform umfasst weiterhin alle Bereiche des Verbindungsbereichs die in einem passiven Bereich des Kondensatorelements angeordnet sind.
Ein so vergrößerter Entlastungsbereich reduziert mechanische Spannungen zwischen den einzelnen Segmenten weiter.
In einer Ausführungsform weist der Entlastungsbereich wenigstens einen Abschnitt auf, der nicht an die Außenseiten des Kondensatorelements grenzt.
In einer Ausführungsform umfasst der Verbindungsbereich mehrere voneinander abgegrenzte Entlastungsbereiche.
In einer Ausführungsform umfasst der Verbindungsbereich mehrere voneinander abgegrenzte Entlastungsbereiche, die zumindest teilweise nicht an die Außenseiten des Kondensatorelements angrenzen.
Die drei letztgenannten Ausführungsformen sind vor allem bei großen Kondensatordurchmessern vorteilhaft. Ein so vergrößerter Entlastungsbereich bzw. mehrere Entlastungsbereiche in einem Verbindungsbereich reduzieren die mechanischen Spannungen zwischen den einzelnen Segmenten weiter.
In einer Ausführungsform des Vielschichtkondensators überlappen die ersten und zweiten Elektroden zumindest teilweise.
In ihrem Überlappungsbereich bilden die ersten und zweiten Elektroden einen aktiven Bereich, in welchem ein elektrisches Feld wirkt und in dem somit mechanische Spannungen innerhalb der dielektrischen Schichten erzeugt werden.
In einer Ausführungsform umfassen die Elektroden eines oder mehrere aus der Gruppe von Kupfer, Silber, Nickel, Platin und Palladium. Diese Metalle sind vor allem aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit geeignet.
Für eine einfache und kostengünstige Fertigung ist es zu bevorzugen, dass wie oben beschrieben, der gesamte Vielschichtkondensator in einem Schritt gesintert wird. Der Sinterschritt findet also nach der Stapelung der einzelnen Schichten statt.
Um ein solches Verfahren zu ermöglichen, darf die Sintertemperatur der für die dielektrischen Schichten verwendeten Keramik die Schmelztemperatur der für die Elektroden verwendeten Metalle nicht überschreiten. Dies kann durch die Wahl eines geeigneten Elektrodenmetalls oder einer geeigneten Keramik erreicht werden.
In zumindest einer Ausführungsform sind auf Austrittsflächen auf der Außenseite des Kondensatorelements, auf denen Elektroden aus dem Kondensatorelement austreten, zwei separate Außenkontaktierungen zur Kontaktierung der ersten und zweiten Elektroden, aufgebracht.
Die Außenkontaktierungen sind bevorzugt an gegenüberliegenden Außenflächen des Vielschichtkondensators aufgebracht.
Mögliche dritte oder weitere Elektroden werden dagegen nicht von den Außenkontaktierungen kontaktiert.
In einer Ausführungsform des Vielschichtkondensators umfasst jedes Segment zumindest drei verschiedene Arten von Elektrodenschichten, wobei in einer ersten Elektrodenschicht die ersten und die zweiten Elektroden gegenüberliegend ausgebildet sind und durch einen dielektrischen Abschnitt beabstandet sind, in einer zweiten Elektrodenschicht nur erste Elektroden ausgebildet sind und in einer dritten Elektrodenschicht nur zweite Elektroden ausgebildet sind und wobei die ersten Elektrodenschichten jeweils die in Stapelrichtung äußersten Elektrodenschichten jedes Segments bilden.
Die ersten und die zweiten Elektroden liegen sich in der ersten Elektrodenschicht in einer Richtung senkrecht zu einer Stapelrichtung des Vielschichtkondensators gegenüber.
Zwischen den Elektrodenschichten sind jeweils dielektrische Schichten ausgeprägt.
Vorteilhaft an der beschriebenen Ausführung ist, dass sich, da die ersten und zweiten Elektroden jeweils dieselbe elektrische Polarisierung wie die benachbarten Außenkontaktierungen aufweisen, in den äußeren Abschnitten der Segmente bzw. zwischen zwei Segmenten kein elektrisches Feld aufbaut.
Verstärkend kommt hinzu, dass die Elektroden der ersten Elektrodenschichten auch innerhalb des Segments teilweise mit Elektroden der gleichen elektrischen Polarisierung benachbart sind. Somit baut sich in einem vergleichsweise großen Bereich kein elektrisches Feld auf. Damit weisen also auch einzelne Schichten innerhalb des aktiven Bereichs der Segmente kein elektrisches Feld auf.
Somit kann eine ungewollte Migration geladener Teilchen von außen in das Innere des Kondensators vermieden werden. Dies hat den Vorteil einer höheren Beständigkeit gegenüber durch Feuchte induzierter Materialveränderung.
In einer Ausführungsform umfasst der Vielschichtkondensator wenigstens eine dritte Elektrode, die von keiner der Außenkontaktierungen kontaktiert ist, wobei die dritte Elektrodenschicht mit den ersten und den zweiten Elektroden überlappt.
Eine derartige Elektrode wird auch als "floating" Elektrode bezeichnet, auf Deutsch "schwebende" Elektrode.
In einer Ausführungsform umfasst der Vielschichtkondensator wenigstens eine dritte Elektrode, die an keine der Außenseiten des Kondensatorelements angrenzt.
Vorzugsweise weist der Vielschichtkondensator und insbesondere jedes Segment des Vielschichtkondensators eine Vielzahl erster Elektroden, eine Vielzahl zweiter Elektroden und eine Vielzahl dritter Elektroden auf.
In einer Ausführungsform weist der Kondensator wenigstens eine Serienschaltung zweier Kapazitäten auf. Insbesondere kann eine erste Kapazität durch die Überlappung wenigstens einer ersten Elektrode mit wenigstens einer dritten Elektrode und eine zweite Kapazität durch die Überlappung wenigstens einer zweiten Elektrode mit der wenigstens einen dritten Elektrode gebildet werden. In einer Ausführungsform umfasst der Vielschichtkondensator weitere Elektroden, die im passiven Bereich des Kondensators angeordnet sind und mit keinen Elektroden einer unterschiedlichen Polarität überlappen.
Somit wird zwischen diesen Elektroden kein elektrisches Feld aufgebaut. Solche Elektroden werden als passiv oder Blindelektroden bezeichnet.
Durch solche Blindelektroden werden mechanische Spannungen, die typischerweise zwischen Bereichen mit Elektroden und Bereichen ohne Elektroden innerhalb des Kondensatorelements auftreten, verringert.
Durch den kombinierten Einsatz von Blindelektroden und Entlastungsbereichen können somit mechanische Spannungen im Vielschichtkondensator minimiert und die Robustheit des Kondensators erhöht werden. Die thermomechanische und elektrische Belastbarkeit des Vielschichtkondensators kann so optimiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform umfassen die Außenkontaktierungen eine mehrlagige Sputter-Schicht, die Schichten bestehend aus Chrom, Nickel und mindestens eines von Silber oder Gold umfasst, wobei die Schichten in dieser Reihenfolge auf den Austrittsflächen aufgebracht sind.
Die Chromschicht, die direkt auf die Austrittsfläche aufgebracht ist, ermöglicht eine hohe Haftung der Sputter- Schicht an der Austrittsfläche. Die Schicht aus Silber oder Gold weist eine hohe Leitfähigkeit auf und dient somit vorwiegend der elektrischen Kontaktierung der Elektroden untereinander. Durch die beschriebene Sputter-Schicht können alle Elektroden einer Art elektrisch miteinander verbunden werden und so parallel geschaltet werden.
Die mittlere Schicht aus Nickel dient der Diffusionssperre. Beispielsweise können alle ersten Elektroden, die alle an derselben ersten Fläche aus dem Kondensatorelement austreten über eine erste Sputter-Schicht elektrisch miteinander verbunden werden. Weiterhin können alle zweiten Elektroden, die alle an einer zweiten Fläche austreten über eine weitere zweite Sputter-Schicht elektrisch verbunden werden bzw. parallel geschaltet werden, sodass beispielsweise der gesamte Stapel umfassend alle ersten und alle zweiten Elektroden einen einzelnen Vielschichtkondensator bildet.
In einer Ausführungsform umfassen die Außenkontaktierungen weiterhin ein feinmaschiges Kupfergitter, welches auf der Sputter-Schicht aufgebracht ist.
Das Kupfergitter bedeckt die gesamte Sputter-Schicht. Somit kann das Kupfergitter die Bildung von Rissen in der Sputter- Schicht oder sogar das Abbröckeln der Sputter-Schicht im Fall von mechanischen Verformungen des Kondensatorelements vermeiden.
In einer Ausführungsform umfassen die Außenkontaktierungen weiterhin Metallbleche, über welche das Kondensatorelement nach außen kontaktiert wird. Die Metallbleche sind auf der Sputter-Schicht angebracht.
In einer Ausführungsform sind die Metallbleche mittels einer Lötverbindung auf der Sputter-Schicht angebracht.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Metallbleche mittels einer gesinterten Silberschicht auf der Sputter- Schicht aufgebracht.
Während die beschriebene Sputter-Schicht üblicherweise eine Dicke im Nanometerbereich aufweist, weist die Silberschicht eine Dicke im Mikrometerbereich auf. Eine solche gesinterte Silberschicht, die die gesamte Sputter-Schicht bedeckt, hält die Sputter-Schicht im Falle von Verformungen des Kondensatorelements zusammen und verhindert beispielsweise das Abbröckeln der Sputter-Schicht.
Die Silberschicht befestigt weiterhin die Metallbleche an der Sputter-Schicht. Somit sind keine weiteren Lötverbindungen notwendig. Hierzu werden das Silber auf der Sputter-Schicht aufgetragen und die Metallbleche direkt darauf platziert.
Erst nach dem Platzieren der Metallbleche wird die Silberschicht bei möglichst niedrigem Druck gesintert.
In zumindest einer Ausführungsform wird die Silberschicht bei einem so niedrigen Druck gesintert, dass eine Restporosität von ca. 35 % erreicht wird.
Eine solche Porosität ist gering genug, um die elektrische und thermische Leitfähigkeit des Silbers nur geringfügig zu reduzieren. Aufgrund seiner hohen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit ermöglicht die Silberschicht weiterhin eine gute elektrische Anbindung der Metallbleche an die Sputter-Schicht. Daneben weist Silber mit der genannten Porosität jedoch eine ausreichend hohe Duktilität auf, um eine thermomechanische Entlastung zu gewährleisten.
Weiterhin weist eine gesinterte Silberschicht im Vergleich zu beispielsweise gelöteten Schichten bei mechanischer oder thermomechanischer Belastung geringere Materialermüdung auf.
Da die Prozesstemperaturen beim Sintern in der Regel niedriger sind als beim Löten, treten weiterhin geringere thermomechanische Spannungen auf und der Prozess kann relativ einfach und kostengünstig durchgeführt werden.
Der hohe Schmelzpunkt des gesinterten Silbers von maximal 962°C im Fall von Reinsilber garantiert eine hohe Temperaturstabilität der Silberschicht, was weitere Prozessschritte bei hohen Temperaturen ermöglicht. In einer Ausführungsform umfassen die Metallbleche zwei Kupferschichten und eine dazwischen angeordnete Invar- Schicht.
Kupfer weist eine besonders gute elektrische und thermische Leitfähigkeit auf.
Als Invar wird eine Eisen-Nickel-Legierung mit ca. 1/3 Nickel und 2/3 Eisen bezeichnet. Dieses Material weist einen besonders niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Insbesondere liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient nahe am Ausdehnungskoeffizienten der Keramik. Aufgrund der Kombination mit Kupfer kann trotz einer geringen elektrischen Leitfähigkeit des Invar eine ausreichende Leitfähigkeit der Anschlusskontaktierung gewährleistet werden.
Alternativ zu Invar können auch weitere Eisen-Nickel- bzw. Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen verwendet werden.
Zur Herstellung des beschriebenen Metallblechs werden beispielsweise Kupferschichten auf ein Invar-Blech aufgewalzt.
Die äußeren Oberflächen der Kupferschichten können versilbert sein, um die Anbindung zwischen dem Kupfer und der gesinterten Silberschicht zu verbessern. Die Versilberung ist in einer Ausführungsform per Galvanisierung aufgebracht.
In einer Ausführungsform umfassen die Metallbleche der Außenkontaktierungen eine Kupferschicht mit mäandrierender Geometrie.
Die Kupferschicht ist direkt auf die Silberschicht aufgebracht. Die Kupferschicht weist bevorzugt eine mäandrierende, gitterähnliche Geometrie auf. Die Kupferschicht kann ebenfalls versilbert sein. Die Versilberung ist bevorzugt durch Galvanisierung ausgeführt. Die Kupferschicht kann direkt mit der Silberschicht versintert werden.
Kupfer wird aufgrund seiner hervorragenden thermischen und elektrischen Leitfähigkeit bevorzugt für die Außenkontaktierung des Kondensators verwendet.
In einer Ausführungsform umfasst der Vielschichtkondensator separierbare Kondensatorelemente, die an einer Kontaktfläche beliebig zusammengesetzt und auseinandergenommen werden können, wobei die Kontaktfläche normal zu den Schichtebenen und den Außenkontaktierungen angeordnet ist.
Somit kann flexibel ein beliebig großer
Vielschichtkondensator aufgebaut werden. Die beschriebenen Kondensatorelemente können in Massenfertigung in einer Einheitsgröße produziert werden und dann entsprechend den Anforderungen zusammengesetzt werden.
Die Fixierung der einzelnen Kondensatorelemente kann beispielsweise über eine an den Außenflächen angebrachte gesinterte Silberschicht erfolgen, welche sich über die Außenflächen aller Kondensatorelemente erstreckt und diese so zusammenhält.
In einer Ausführungsform ist die Keramik ein antiferroelektrisches Dielektrikum.
Die dielektrischen Schichten können ein piezoelektrisches oder elektrostriktives Verhalten aufweisen, sodass beim Anlegen einer Spannung an den Vielschichtkondensator eine Verformung der Schichten auftritt.
In einer Ausführungsform umfasst die Keramik ein Blei- Zirkonat-Titanat. Dieses kristallisiert üblicherweise in einer Perowskit-Struktur. Bei einer solchen Keramik handelt es sich um ein anti-ferroelektrisches Dielektrikum, welches vorteilhaft in dem beschriebenen Vielschichtkondensator eingesetzt werden kann.
In einer Ausführungsform weist die Keramik die folgende Zusammensetzung auf, welche vorteilhafte Eigenschaften bei der Verwendung im Kondensator hat:
Pb(y-1,5a-0, 5b+c+0 , 5d-0 , 5e-f )CaaAb (Zr1-xTix)( 1-c-d-e-f )EcFedNbeWfO3 , wobei A aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Na, K und Ag besteht; E aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Cu, Ni, Hf, Si und Mn besteht; und 0,05 ≤ x ≤ 0,3;
0 < a < 0,14;
0 ≤ b ≤ 0,12;
0 ≤ c ≤ 0,12;
0 ≤ d ≤ 0,12;
0 ≤ e ≤0,12;
0 ≤ f ≤0,12;
0,9 ≤ y ≤ 1,5 und 0,001 < b+c+d+e+f gilt.
Die beschriebene Keramik weist eine geringe Sinter-Temperatur zwischen 900 °C und 1200 °C auf. Weiterhin zeichnet sich die Keramik durch hohe Beständigkeit und geringe Materialermüdung aus.
In einer Ausführungsform weist die Keramik die folgende Zusammensetzung auf, welche ähnliche vorteilhafte Eigenschaften bei der Verwendung im Kondensator hat:
Pb (1-1,5a-0,5b+1,5d+e+0,5f ) AaEb ( Zr1-xTix) (1-c-d-e-f ) LidGeFefSicO3 + y PbO, wobei A aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus La, Nd, Y, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er und Yb besteht;
E aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Na, K und Ag besteht;
G aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Cu, Ni, Co und Mn besteht; und
0,1 ≤ x ≤ 0,3;
0 < a ≤ 0,12;
0 ≤ b ≤ 0,12;
0 ≤ c ≤ 0,12;
0 ≤ d ≤ 0,12;
0 < e ≤0,12;
0 ≤ f ≤0,12;
0 ≤ y ≤ 1 und 0 < b+d+e+f gilt.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Keramik die folgende Zusammensetzung auf, welche ähnliche vorteilhafte Eigenschaften bei der Verwendung im Kondensator hat:
Pb( 1-1, 5a+e)Aa (Zr1-xTix)(1-c-e)EeSicO3 + y PbO, wobei
A aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus La, Nd, Y, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er und Yb besteht;
E aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Cu und Ni besteht; und
0,05 ≤ x ≤ 0,3;
0 < a ≤ 0,12;
0 ≤ c ≤ 0,12;
0,001 ≤ e ≤ 0,12 und 0 ≤ y < 1 gilt. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Keramik ein Natrium-Strontium-Titanat . Auch bei einer solchen Keramik handelt es sich um ein anti-ferroelektrisches Dielektrikum, welches vorteilhaft in dem beschriebenen Vielschichtkondensator eingesetzt werden kann.
In einer Ausführungsform weist die Keramik die folgende Zusammensetzung auf, welche vorteilhafte Eigenschaften bei der Verwendung im Kondensator hat:
[Pb(1-r ) (BaxSryCaz )r]( 1-1 , 5a-1 , 5b-0, 5c ) (XaYb )Ac (Zr1-dTid)O3 , wobei X und Y jeweils ein Seltenerdmetall darstellen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus La, Nd, Y, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er und/oder Yb; A ein einwertiges Ion darstellt; x+y+z = 1;
0 ≤ x;
0 ≤ y;
0 ≤ z;
0 < r ≤ 0,3;
0 < d ≤ 1;
0 < a ≤ 0,2;
0 ≤ b ≤ 0,2 und 0 < c ≤ 0,2 gilt.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Keramik die folgende Zusammensetzung auf, welche ebenfalls vorteilhafte Eigenschaften bei der Verwendung im Kondensator hat:
(BiaNabSrc)(MgdTi1-d)O3, wobei
0,10 ≤ a ≤ 0,65; 0 < b ≤ 0,45;
0 < c ≤ 0,85;
0 < d < 0,20 und 0,95 ≤ a+b+c ≤ 1,05 gilt.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Keramik die folgende Zusammensetzung auf, welche ebenfalls vorteilhafte Eigenschaften bei der Verwendung im Kondensator hat:
(BiaNabSrc) (ZndTi1-d) O3, wobei
0,09 ≤ a ≤ 0,58,
0,09 ≤ b ≤ 0,42,
0,05 ≤ c ≤ 0,84;
0 < d ≤ 0,08 und 0,95 ≤ a+b+c ≤ 1,05 gilt.
Neben den genannten Zusammensetzungen sind weitere Zusammensetzungen möglich, die nicht explizit genannt werden.
Der Kondensator mit obigen Eigenschaften eignet sich für den Einsatz als DC-Link- bzw. Snubber-Kondensator.
Aufgrund der Eigenschaften des Kondensators ist es in manchen Anwendungen möglich, bei einem Einsatz als DC-Link- Kondensator auf einen zusätzlichen Snubber-Kondensator zu verzichten .
Eine weitere Anwendung des beschriebenen Kondensators ist der Einsatz als Filter-Kondensator. Durch dessen Hochfrequenz- Eigenschaften können Störsignale bis in den MHz-Bereich hinein gut gedämpft und gefiltert werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von
Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben. Die Erfindung ist nicht auf die aufgeführten Beispiele beschränkt. Die Figuren zeigen:
Figur 1: Seitenansicht einer schematischen Darstellung einer ersten nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform des Vielschichtkondensators umfassend erste und zweite Elektroden in einem Segment.
Figur 2: Seitenansicht einer schematischen Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des Vielschichtkondensators umfassend erste und zweite Elektroden in zwei Segmenten.
Figur 3: Draufsicht einer schematischen Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des Vielschichtkondensators umfassend erste und zweite Elektroden in zwei Segmenten.
Figur 4: Seitenansicht einer schematischen Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des Vielschichtkondensators umfassend erste und zweite Elektroden in zwei Segmenten.
Figur 5: Draufsicht einer schematischen Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des Vielschichtkondensators umfassend erste und zweite Elektroden in zwei Segmenten.
Figur 6: Seitenansicht einer schematischen Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels des Vielschichtkondensators umfassend erste, zweite und dritte Elektroden in zwei Segmenten.
Figur 7: Draufsicht einer schematischen Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels des Vielschichtkondensators umfassend erste, zweite und dritte Elektroden in zwei Segmenten.
Figur 8: Seitenansicht einer schematischen Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels des Vielschichtkondensators umfassend erste und zweite Elektroden in zwei Segmenten. Figur 9: Draufsicht einer schematischen Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels des Vielschichtkondensators umfassend erste und zweite Elektroden in zwei Segmenten.
Figur 10: Seitenansicht einer schematischen Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels des Vielschichtkondensators umfassend erste und zweite Elektroden in zwei Segmenten.
Figur 11: Draufsicht einer schematischen Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels des Vielschichtkondensators umfassend erste und zweite Elektroden in zwei Segmenten.
Figur 12: Seitenansicht einer schematischen Darstellung eines siebenten Ausführungsbeispiels des Vielschichtkondensators umfassend erste bis sechste Elektroden in zwei Segmenten.
Figur 13: Draufsicht einer schematischen Darstellung eines siebenten Ausführungsbeispiels des Vielschichtkondensators umfassend erste bis sechste Elektroden in zwei Segmenten.
Figur 14: Seitenansicht einer schematischen Darstellung eines achten Ausführungsbeispiels des Vielschichtkondensators umfassend erste und zweite, sowie vierte und fünfte Elektroden in zwei Segmenten.
Figur 15: Draufsicht einer schematischen Darstellung eines achten Ausführungsbeispiels des Vielschichtkondensators umfassend erste und zweite, sowie vierte und fünfte Elektroden in zwei Segmenten.
Figur 16: Seitenansicht einer schematischen Darstellung eines neunten Ausführungsbeispiels des Vielschichtkondensators umfassend Außenkontaktierungen.
Figur 17: Seitenansicht einer schematischen Darstellung eines Metallblechs der Außenkontaktierung des neunten Ausführungsbeispiels des Vielschichtkondensators. Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Vielschichtkondensators 1. Die Figur beschränkt sich im Wesentlichen auf die Darstellung des Kondensatorelements 2. Weitere Komponenten wie die Außenkontaktierungen sind in Figur 1 nicht dargestellt.
Der dargestellten Kondensator 1 ist analog zu einem erfindungsgemäßen Beispiel des Vielschichtkondensators aufgebaut, umfasst jedoch keine Verbindungsbereiche und Entlastungsbereiche .
Das Kondensatorelement 2 umfasst einen Stapel umfassend 3 erste Elektroden 3, drei zweite Elektroden 4 und zwischen bzw. um diese Elektroden angeordnete dielektrische Schichten 5. Die Schichten sind in einer definierten Stapelrichtung übereinander angeordnet.
Die ersten Elektroden 3 und zweiten Elektroden 4 treten an zwei gegenüberliegenden Seiten aus dem quaderförmigen Kondensatorelement 2 aus. Diese Flächen werden erste und zweite Austrittsfläche 6/7 genannt. Die Austrittsflächen 6/7 sind normal zur Stapelrichtung angeordnet.
An den Austrittsflächen 6/7 sind die jeweils zusammengehörigen Elektroden über eine elektrisch leitfähige Außenkontaktierung 8 miteinander verbunden. Die Außenkontaktierungen 8 bedecken jeweils einen Großteil der Austrittsflächen 6/7. In anderen Ausführungsbeispielen können die Außenkontaktierungen 8 auch kleinere Teile der Austrittsflächen 6/7 bzw. die gesamten Austrittsflächen 6/7 bedecken .
Da die Elektroden 3/4 nicht bis zur jeweils gegenüberliegenden Austrittsfläche 7/6 reichen, ergeben sich zwei zu unterscheidende Bereiche im Vielschichtkondensator 1. In den Bereichen im Zentrum des Kondensatorelements 2 überlappen sich erste und zweite Elektroden 3/4. Diese Bereiche werden aktive Bereiche 9A genannt. An den an die Austrittsflächen grenzenden Bereichen liegen jeweils nur erste bzw. nur zweite Elektroden 3/4 vor. Diese Bereiche werden passive Bereiche 9B genannt.
An die beiden Seitenflächen des Kondensatorelements 2 normal zu den Austrittsflächen 6/7 und normal zur Stapelrichtung grenzen jeweils Bereiche frei von Elektroden an. Diese Bereiche werden ebenfalls passive Bereiche 9B genannt (Vergleiche Figur 3).
Die überlappen Elektroden 3/4 fungieren bei Anlegen einer elektrischen Spannung über die Außenkontaktierungen 8 als Kondensator. Aufgrund der Spannung zwischen den ersten und zweiten Elektroden 3/4 wirkt im aktiven Bereich 9A des Vielschichtkondensators 1 dann ein elektrisches Feld.
Zu beachten ist hierbei, dass auch in den aktiven Bereichen 9A nicht über die gesamte Stapelhöhe ein elektrisches Feld vorliegen muss. Ein elektrisches Feld wirkt vielmehr nur zwischen Elektroden verschiedener elektrischer Polarisierung aufgebaut, beispielsweise also in dielektrischen Schichten 5, die zwischen ersten und zweiten Elektroden 3/4 angeordnet sind. Auch zwischen Innenelektroden und Außenkontaktierungen wird bei unterschiedlicher elektrischer Polarisierung ein Feld aufgebaut.
Die dielektrischen Schichten 5 des vorliegenden Vielschichtkondensators 1 bestehen aus einem anti- ferroelektrischen, keramischen Material. Im elektrischen Feld kommt es zu einer Polarisation der Domänen der Kristallstruktur der Keramik.
Die Elektroden bestehen aus einem elektrisch leitenden Material wie Kupfer, Silber, Nickel, Palladium oder Platin. Die Polarisation führt zu einer Gitterdeformation in der Keramik. Aufgrund der Gitterdeformation bauen sich innerhalb des Vielschichtkondensators 1 mechanische Spannungen auf. Aufgrund der geringen Stapelhöhe können diese mechanischen Spannungen im ersten Beispiel vernachlässigt werden.
Bei dem Keramikmaterial des Ausführungsbeispiels handelt es sich um eine Perowskit-Keramik. Eine Perowskit-Keramik weist in der Regel anti-ferroelektrische Eigenschaften auf. Durch eine Zusammensetzung der Keramik entsprechend einem der Ansprüche 17 bis 24 können darüber hinaus für einen Kondensator vorteilhafte Eigenschaften wie hohe mechanische Beständigkeit und hohe Lebensdauer erreicht werden.
Der in den Figuren 2a und 2b dargestellte Vielschichtkondensator 1 entspricht im Wesentlichen dem Vielschichtkondensator 1 des ersten Beispiels.
In der Draufsicht in Figur 3 sind auch die bereits zuvor eingeführten Seitenflächen 10/11 des Kondensatorelements 2 normal zu den Austrittsflächen 6/7 und normal zur Stapelrichtung abgebildet.
Über den in Figur 1 dargestellten Kondensator hinaus weist der Kondensator in den Figuren 2 und 3 ein zweites Segment auf, wobei die Segmente in Stapelrichtung übereinander angeordnet sind. Ein einzelnes Segment des zweiten Ausführungsbeispiels entspricht dem Segment des ersten Beispiels .
Die Segmente sind über einen Verbindungsbereich 12 verbunden. Innerhalb des Verbindungsbereichs 12 liegen Entlastungsbereiche 13 vor. Damit handelt es sich bei dem zweiten Ausführungsbeispiel um eine Ausführungsform der beanspruchten Erfindung. Merkmale und Eigenschaften des zweiten Beispiels, die dem Vielschichtkondensator 1 des ersten Beispiels entsprechen, sind nicht erneut ausgeführt. Der Verbindungsbereich 12 umfasst dasselbe dielektrische Keramikmaterial wie die dielektrischen Schichten in den Segmenten 2A und 2B des Kondensatorelements 2.
Der Verbindungsbereich 12 umfasst die unterste dielektrische Schicht eines ersten Segments 2A und die oberste dielektrische Schicht eines zweiten Segments 2B, welche übereinander in Stapelrichtung angeordnet sind. Innerhalb des Verbindungsbereichs 12 befindet sich keine Elektrode.
Am Rand des Verbindungsbereichs befindet sich entlang des gesamten Außenumfangs des Kondensatorelements 2 ein durchgehender Entlastungsbereich 13. Der Entlastungsbereich 13 ist zwischen der untersten dielektrischen Schicht des ersten Segments 2A und der obersten dielektrischen Schicht des zweiten Segments 2B angeordnet.
Die Tiefe des Entlastungsbereichs 13, gemessen von der Außenseite des Kondensatorelements 2 bis zur innersten Stelle im Kondensatorelement 2 entspricht bevorzugt der Stapelhöhe eines Segments.
So kann sichergestellt werden, dass sich die mechanischen Spannungen aufgrund der Deformation der Keramik im elektrischen Feld, nicht über die Segmente hinweg aufaddieren und so beispielsweise zu Rissen im Material führen.
Der Entlastungsbereich 13 umfasst alle passiven Bereiche 9B des Vielschichtkondensators 1. D.h. der Entlastungsbereich 13 ist innerhalb des Verbindungsbereichs 12 parallel zu allen Abschnitten in den Segmenten, die nur eine Art von Elektroden bzw. keine Elektroden umfassen, angeordnet. Weiterhin erstreckt sich der Entlastungsbereich 13 teilweise in den aktiven Bereich 9A des Kondensatorelements 2. Aus Stapelrichtung betrachtet, wie in Figur 3 dargestellt, weist der aktive Bereich 9A die Form eines Rechtecks auf. Der passive Bereich 9B bildet einen rechteckigen Rahmen, der den aktiven Bereich 9A umgibt. Der Entlastungsbereich 13 bildet einen rechteckigen Rahmen, der den passiven Bereich 9B umfasst und weiterhin teilweise mit dem aktiven Bereich 9A überlappt.
Bei dem Entlastungsbereich 13 handelt es sich um einem Bereich, in dem die übereinandergestapelten dielektrischen Schichten 5 nicht fest oder nur teilweise miteinander verbunden sind.
Zur Herstellung eines derartigen Vielschichtkondensators 1 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel werden keramische Grünfolien, umfassend ein Perowskit-Material, zur Ausbildung der dielektrischen Schichten 5 bereitgestellt. Auf die oberste Grünfolie des zweiten Segments 2B wird eine erste Paste aufweisend ein organisches Material aufgedruckt.
Auf weitere Grünfolien wird in den gewünschten Bereichen eine zweite, metallische Paste zur Bildung der Elektroden aufgedruckt. Die Grünfolien werden zu einem Stapel angeordnet, der gesintert wird.
Die erste, organische Paste ist derart ausgebildet, dass an den Stellen, an denen die erste Paste aufgetragen ist, ein Zusammensintern der dielektrischen Schichten 5 ganz oder teilweise verhindert wird, so dass hier ein Entlastungsbereich 13 gebildet wird.
Die Figuren 4 und 5 stellen ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Vielschichtkondensators 1 dar.
Wesentliche Merkmale des Ausführungsbeispiels 3 entsprechen denen des Ausführungsbeispiels 2. Diese Merkmale sind nicht erneut aufgeführt. Der Entlastungsbereich 13 umfasst im vorliegenden Beispiel neben dem äußeren Abschnitt 13A entlang des Umfangs des Kondensatorelements 2 einen inneren Abschnitt 13B, der sich zwischen den Außenseiten, parallel zu den Austrittsflächen 6/7 des Kondensatorelements 2 erstreckt. Die Breite dieses inneren Abschnitts kann beliebig variiert werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel übertrifft die Breite des inneren Abschnitts die Breite des äußeren Abschnitts.
Der innere Abschnitt des Entlastungsbereichs 13 ist vollständig parallel zum aktiven Bereich 9A des Vielschichtkondensators 1 angeordnet.
Durch einen solchen zusätzlichen inneren Abschnitt des Entlastungsbereichs 13 kann eine Aufaddition der im Kondensator 1 auftretenden mechanischen Spannungen auch bei großen Abmessungen der einzelnen Schichten bzw. hoher Stapelhöhe effektiv vermieden werden.
Der Entlastungsbereich 13 hat hier bei Betrachtung in Stapelrichtung die Form eines rechteckigen Rahmens, dessen Längsseiten mittels eines Querbalkens verbunden sind. Der Querbalken entspricht dem inneren Abschnitt des Entlastungsbereichs 13.
Zu beachten ist, dass beim dargestellten Aufbau des dritten Ausführungsbeispiels des Kondensators 1 eine ungewollte Migration geladener Teilchen von außen in das Innere des Kondensators möglich ist. Die geladenen Teilchen können beispielsweise Protonen sein, die aufgrund von Feuchtigkeit in einer äußeren Oberfläche des Kondensators 1 vorliegen. Grund hierfür ist, dass sich zwischen der obersten zweiten Elektrode 4A und einer ersten Außenkontaktierung ein elektrisches Feld in der äußersten dielektrischen Schicht 5A des Kondensators 1 aufbauen kann. Dieser Effekt kann noch verstärkt werden, wenn die Außenkontaktierung beispielsweise aufgrund eines Fehlers bei der Auftragung auch einen Teil der Oberseite 1A des Kondensators 1 bedeckt.
In den Figuren 6 und 7 wird ein viertes Ausführungsbeispiel des Vielschichtkondensators 1 gezeigt, dessen Merkmale teilweise mit denen der vorhergehenden Ausführungsbeispiele übereinstimmen. Diese Merkmale werden nicht erneut erläutert.
Im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsbeispielen umfasst der Vielschichtkondensator 1 in der vierten Ausführungsform neben ersten und zweiten Elektroden noch dritte Elektroden 14. Die dritten Elektroden 14 sind innere, so genannte schwebende Elektroden, die nicht an die Außenflächen des Kondensatorelements 2 angrenzen. Somit sind die dritten Elektroden 14 nicht von außen kontaktiert.
Im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsbeispielen sind die ersten und zweiten Elektroden 3/4 jeweils in derselben Schichtebene angeordnet, jedoch weiterhin durch einen dielektrischen Abschnitt getrennt.
Zwischen den Schichtebenen, die erste und zweite Elektroden umfassen, sind Schichtebenen angeordnet, die die dritten Elektroden 14 umfassen.
So wird ein Vielschichtkondensator 1 gebildet, der zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren umfasst. Einen ersten Kondensator 1B der zwischen den ersten und dritten Elektroden ausgebildet wird und einen zweiten Kondensator IC, der zwischen den dritten und zweiten Elektroden ausgebildet wird.
Zwischen den beiden aktiven Bereichen 9A der Kondensatoren 1B und IC besteht ein passiver Bereich 9B, in dem nur dritte Elektroden 14 vorliegen, und sich somit keine Elektroden verschiedener Art überlappen. Der Entlastungsbereich 13 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel analog zum dritten Ausführungsbeispiel ausgeführt. Der Entlastungsbereich 13 umfasst somit einen äußeren Abschnitt entlang des Umfangs des Kondensatorelements 2 und einen inneren Abschnitt.
Durch den zusätzlichen inneren Abschnitt wird weiter der gesamte passive Bereich 9B des Kondensatorelements 2 durch den Entlastungsbereich 13 abgedeckt. Weiterhin erstreckt sich der Entlastungsbereich 13 auch in die äußeren Bereiche der beiden aktiven Bereiche 9A der Kondensatoren 1B und 1C.
Vorteilhaft in der beschriebenen vierten Ausführungsform ist weiterhin, dass zwischen den äußersten ersten bzw. zweiten Elektroden 3A/4A jedes Segments 2A/2B des Kondensators 1 und den angrenzenden Außenkontaktierungen kein elektrisches Feld aufgebaut wird, da diese jeweils dieselbe elektrische Polarisierung aufweisen. Damit weisen also auch einzelne Schichten innerhalb des aktiven Bereichs 9A kein elektrisches Feld auf.
Somit kann eine ungewollte Migration geladener Teilchen von außen in das Innere des Kondensators 1 vermieden werden. Solche geladenen Teilchen können beispielsweise Protonen sein, die aufgrund von Feuchtigkeit an der Außenseite des Kondensators 1 vorliegen können.
Die Figuren 8 und 9 zeigen ein fünftes Beispiel des Vielschichtkondensators 1. Merkmale, die den vorangegangenen Ausführungsformen entsprechen, werden nicht erneut beschrieben.
Der dargestellte Vielschichtkondensator 1 umfasst wiederum nur erste und zweite Elektroden. Die Elektroden weisen jedoch verschiedene Abmessungen auf. In einer ersten Schichtebene sind erste und zweite Elektroden gegenüberliegend ausgebildet, die durch einen dielektrischen Abschnitt beabstandet sind. Diese ersten Schichtebenen sind analog zur vierten Ausführungsform ausgeführt.
Die ersten Schichtebenen bilden jeweils die erste und letzte Schichtebene jedes Segments. Da die ersten und zweiten Elektroden 3B, 4B jeweils dieselbe elektrische Polarisierung wie die benachbarten Außenkontaktierungen aufweisen, baut sich hier in den äußeren Abschnitten der Segmente 2A/2B bzw. zwischen den beiden Segmenten kein elektrisches Feld auf.
Verstärkend kommt hinzu, dass die Elektroden 3B und 4B im Unterschied zu den Elektroden 3A und 4A auch innerhalb des Kondensators 1 nicht mit Elektroden einer entgegengesetzten elektrischen Polarisierung benachbart sind. Somit baut sich in einem vergleichsweise größeren Bereich kein elektrisches Feld auf. Damit weisen also auch einzelne Schichten innerhalb des aktiven Bereichs 9A kein elektrisches Feld auf.
Vorteilhaft in der beschriebenen Ausführungsform ist wiederum, dass zwischen den äußersten ersten bzw. zweiten Elektroden 3A/4A/3B/4B jedes Segments 2A/2B des Kondensators 1 und den angrenzenden Außenkontaktierungen kein elektrisches Feld aufgebaut wird, da diese jeweils dieselbe elektrische Polarisierung aufweisen. Somit kann eine ungewollte Migration geladener Teilchen von außen in das Innere des Kondensators 1 vermieden werden.
Dies hat den Vorteil einer höheren Beständigkeit gegenüber durch Feuchte induzierter Materialveränderung.
Der Abstand zwischen erster und zweiter Elektrode in der ersten Schichtebene entspricht mindestens der Dicke einer dielektrischen Schicht 5 in Stapelrichtung. Bevorzugt beträgt der Abstand das 1,5- bis Dreifache dieser Dicke. Hierdurch kann beispielsweise ein Stromfluss direkt von der ersten Elektrode 3B zur gegenüberliegenden zweiten Elektrode 4A vermieden werden. Durch diesen Abstand ist die maximale Abmessung der Elektroden in der ersten Schichtebene vorgegebenen. Die minimale Abmessung derselben Elektroden entspricht der Tiefe des passiven Bereichs 9B entlang des äußeren Umfangs des Kondensators. Bevorzugt entspricht die Tiefe der Elektroden zumindest dem Doppelten dieser Tiefe.
Daneben bestehen zweite Schichtebenen, in denen nur eine erste Elektrode 3 vorliegt, und dritte Schichtebenen in denen nur eine zweite Elektrode 4 vorliegt. In diesen Schichtebenen erstrecken sich die jeweiligen Elektroden fast bis zur gegenüberliegenden Austrittsfläche. Der Abstand einer Elektrode zur gegenüberliegenden Austrittsfläche entspricht der Tiefe des passiven Bereichs entlang des Umfangs der Schichtebenen. Diese Schichtebenen sind analog zum dritten Ausführungsbeispiel ausgeführt.
Zweite und dritte Schichtebenen sind abwechselnd übereinander angeordnet. Dazwischen befinden sich jeweils die dielektrischen Schichten 5.
Der Verbindungsbereich 12 und der Entlastungsbereich 13 sind wie in den vorhergehenden Beispielen ausgeführt. Der Entlastungbereich 13 umfasst einen äußeren rahmenförmigen Abschnitt und einen inneren, querbalkenförmigen Abschnitt.
Der äußere, passive Bereich 9B und Teile des inneren aktiven Bereichs 9A werden vom Entlastungsbereich 13 abgedeckt, wie in Figur 5 grafisch dargestellt.
Anders als im vierten Ausführungsbeispiel liegt hier kein passiver Bereich 9B im Zentrum des Kondensatorelements 2 vor.
Die Figuren 10 und 11 zeigen ein sechstes Ausführungsbeispiel des Vielschichtkondensators 1. Die einzelnen Segmente sind analog zum vierten Ausführungsbeispiel ausgeführt. Das sechste Ausführungsbeispiel unterscheidet sich jedoch in der Ausprägung der Entlastungsbereiche 13 vom vierten Ausführungsbeispiel .
Während im vierten Ausführungsbeispiel neben dem äußeren Abschnitt des Entlastungbereichs 13A nur ein einzelner Abschnitt des Entlastungsbereichs 13B im Inneren des Kondensators besteht, weist das sechste Ausführungsbeispiel eine Vielzahl verschiedener Abschnitte 13B im Inneren auf. Alle diese Abschnitte 13B sind untereinander, bzw. mit dem äußeren Abschnitt 13A des Entlastungsbereichs verbunden. Sie sind vorzugsweise so ausgeführt, dass eine gleichmäßige Entlastung der mechanischen Spannungen ermöglicht wird. Die inneren Abschnitte 13B des Entlastungsbereichs können parallel zueinander angeordnet sein oder sich kreuzen. Die Anzahl der Abschnitte und deren Form und Abmessungen können beliebig variiert werden.
Die Figuren 12 und 13 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des Vielschichtkondensators 1. Das Ausführungsbeispiel 7 entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel 4. Es umfasst erste, zweite und dritte Elektroden 3, 4 und 14.
Im Unterschied zum vierten Ausführungsbeispiel sind im siebten Ausführungsbeispiel weiterhin vierte, fünfte und sechste Elektroden 15, 16 und 17 ausgeprägt. Es handelt sich hierbei um Blindelektroden, die die passiven Bereiche 9B ausfüllen, ohne selbst aktive Bereiche 9A zu erzeugen.
Die vierten und fünften Elektroden 15 und 16 sind im äußeren passiven Bereich der Kondensatorelemente 2 angeordnet. Sie sind nahe der Außenkontaktierungen angeordnet und können diese berühren. Die vierten und fünften Elektroden erzeugen kein elektrisches Feld, da sie nur mit Elektroden derselben Polarität überlappen. Vierte Elektroden 15, die mit der ersten Außenkontaktierung in Kontakt stehen, überlappen nur mit ebensolchen vierten Elektroden 15 oder ersten Elektroden 3.
Fünfte Elektroden 16, die mit der zweiten Außenkontaktierung in Kontakt stehen, überlappen nur mit ebensolchen fünften Elektroden 16 oder zweiten Elektroden 4.
Die sechsten Elektroden 17 sind mittig im Kondensatorelement 2 zwischen den ersten und zweiten Elektroden 3 und 4, in denselben Schichtebenen wie erste und zweite Elektroden angeordnet. Die sechsten Elektroden 17 überlappen nur mit weiteren sechsten Elektroden 17 und dritten Elektroden 14. Da in diesem Bereich somit keine Überlappung verschiedener Elektroden unterschiedlicher Polarität vorliegt, handelt es sich hier ebenso um einen passiven Bereich 9B des Kondensatorelements 2. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die sechsten Elektroden deckungsgleich übereinander in Stapelrichtung angeordnet.
Der Abstand der Blindelektroden zu den aktiven Elektroden entspricht senkrecht zur Feldrichtung mindestens der Dicke einer dielektrischen Schicht 5, bevorzugt dem 1,5- bis Dreifachen der Dicke einer dielektrischen Schicht 5.
Durch den Einsatz von Blindelektroden werden mechanische Spannungen und mechanischer Pressverzug, die typischerweise zwischen Bereichen mit Elektroden und Bereichen ohne Elektroden auftreten, verringert.
Durch den Einsatz von Blindelektroden und
Entlastungsbereichen können somit mechanische Spannungen im Vielschichtkondensator 1 minimiert und die Robustheit des Kondensators erhöht werden. Die thermomechanische und elektrische Belastbarkeit des Vielschichtkondensators 1 kann somit optimiert werden. Die Figuren 14 und 15 zeigen ein achtes Ausführungsbeispiel des Vielschichtkondensators 1, welches im Wesentlichen einer Kombination aus fünftem und siebtem Ausführungsbeispiel entspricht.
Zusätzlich zu ersten und zweiten Elektroden 3 und 4 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel vierte und fünfte Elektroden 15 und 16 entlang des Außenumfangs der Elektrodenschichten vorhanden. Die vierten und fünften Elektroden 15 und 16 liegen wiederum in denselben Schichten wie die ersten und zweiten Elektroden 3 und 4.
Die vierten und fünften Elektroden 15, 16 sind analog zum Ausführungsbeispiel 7 als Blindelektroden ausgebildet. Sie überlappen jeweils nur mit Elektroden derselben Polarität.
Der Abstand der vierten und fünften Elektroden 15, 16 zu den aktiven Elektroden entspricht bevorzugt dem 1,5- bis Dreifachen der Dicke einer dielektrischen Schicht 5, mindestens jedoch der Dicke der dielektrischen Schicht 5, um einen Stromfluss zwischen aktiven Elektroden und gegenüberliegenden Blindelektroden zu vermeiden.
Die Elektroden 15A und 16B in den jeweils äußersten Segmentschichten erfüllen damit denselben Zweck wie die Elektroden 3A und 4B im fünften Ausführungsbeispiel, sind aber mit einer minimalen geeigneten Tiefe ausgeführt.
Da die Schichten beinhaltend erste und vierte Elektroden bzw. zweite und fünfte Elektroden immer dieselbe Elektrodengeometrie aufweisen, bzw. die Elektroden nur jeweils gespiegelt angeordnet sind, kann zum Aufdrucken der Elektrodenschichten jedes Mal dieselbe Schablone verwendet werden.
Figur 16 zeigt ein neuntes Ausführungsbeispiel des Vielschichtkondensators 1. Das Kondensatorelement 2 kann entsprechend eines der vorherigen Beispiele ausgeführt sein. Auf den Austrittsflächen der Elektroden 6 und 7 sind weiterhin Außenkontaktierungen 8 aufgebracht. Die Außenkontaktierungen 8 umfassen mehrere Schichten. Direkt auf den Austrittsflächen 6/7 sind die Sputter-Schichten 8A aufgebracht, die die gesamten Austrittsflächen 6/7 bedecken. Die Sputter-Schicht 8A umfasst drei Lagen, die aus Chrom, Nickel und Silber bestehen.
Durch die beschriebenen Sputter-Schichten 8A können jeweils alle ersten bzw. alle zweiten Elektroden elektrisch miteinander verbunden werden und so parallel geschaltet werden.
Auf den Sputter-Schichten 8A sind die Metallbleche 18 zur Außenkontaktierung mittels gesinterter Silberschichten 19 aufgebracht.
Die gesinterten Silberschichten 19, die die gesamte Sputter- Schicht 8A bedecken, halten die Sputter-Schichten 8A im Falle von Verformungen des Kondensatorelements 2 zusammen und verhindern beispielsweise ein Abbröckeln von den Sputter- Schichten 8A.
Die Silberschicht 19 weist im vorliegenden
Ausführungsbeispiel eine Dicke von ca. 20 gm bis 30 gm auf. Die Porosität des Silbers in der Schicht beträgt 35 %.
Die Silberschichten 19 befestigen weiterhin die Metallbleche 18 an den Sputter-Schichten 8A. Somit sind keine Lötverbindungen notwendig. Hierzu werden das Silber auf der Sputter-Schicht aufgetragen und die Metallbleche 18 direkt darauf platziert. Erst nach dem Platzieren der Metallbleche 18 wird die Silberschicht 19 gesintert. Aufgrund seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit ermöglicht die Silberschicht 19 weiterhin eine gute elektrische Anbindung der Metallbleche 18 an die Sputter-Schichten 8A.
Um die Haftung der Metallbleche 18 an der Silberschicht 19 zu verbessern, sind die Oberflächen der Metallbleche 18 im vorliegenden Beispiel versilbert. Bevorzugt sind die Oberflächen galvanisch versilbert. Auf der Oberfläche der Metallbleche 18 ist somit eine Galvanik-Silberschicht 20 ausgebildet, die zwischen den Metallblechen 18 und der Silberschicht 19 angeordnet ist. Die Dicke der Galvanik- Silberschicht 20 beträgt zwischen 5 μm und 10 μm.
Die Metallbleche 18 der Außenkontaktierungen umfassen in der vorliegenden Ausführungsform wie in der Detailansicht in Figur 17 gezeigt ist zwei Kupferschichten 18B und eine dazwischen angeordnete Invar-Schicht 18A. Anstelle von Invar kann die mittlere Schicht auch eine andere Eisen-Nickel- oder Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung umfassen.
Durch die mittige Invar-Schicht weist das Metallblech 18 die erforderliche mechanische Festigkeit auf. Durch die geringe thermische Ausdehnung des Invars kann ein mechanischer Spannungsaufbau bei Temperaturwechseln vermieden werden. Eine Rissbildung in der Außenkontaktierung oder der Keramik des Kondensators kann so weitgehend verhindert werden.
Auf die Invar-Schicht 18A werden außen Kupferschichten 18B aufgetragen, bevorzugt aufgewalzt. Die Kupferschichten 18B weisen eine hohe thermische und eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf. Somit kann eine Außenkontaktierung bereitgestellt werden, die einerseits ein geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und somit hohe mechanische Stabilität aufweist und andererseits hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit aufweist. Die Kupferschichten 18B werden in gleicher Schichtstärke auf beiden Seiten der Invar-Schicht 18A aufgetragen. Durch das gleichmäßige Aufbringen des Kupfers auf beide Seiten wird die Bildung eines Bimetallstreifens mit bezogen auf diese Anwendung unvorteilhaften Eigenschaften vermieden. Das Verhältnis der Schichtdicken für Kupfer-Invar-Kupfer beträgt bevorzugt 1:3:1. Im vorliegenden Beispiel wird ein Metallblech mit gesamtdicke von 0,15 mm verwendet. Die Dicke der Invar-Schicht 18A beträgt 90 μm, die der Kupferschichten 18B jeweils 30 μm.
Durch die Verwendung von im Wesentlichen Silber und Kupfer im beschriebenen Schichtaufbau der Außenkontaktierungen werden Außenkontaktierungen mit hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit erreicht.
Durch den beschriebenen Schichtaufbau kann weiterhin der thermische Ausdehnungskoeffizient angepasst, die thermomechanische Belastbarkeit und somit die
Dauerbeständigkeit erhöht und die maximale Stromtragfähigkeit verbessert werden. Dies führt zu einer optimierten Ausfallssicherheit im Betrieb.
Der Kondensator mit obigen Eigenschaften eignet sich für den Einsatz als DC-Link- bzw. Snubber-Kondensator. Aufgrund der geringen parasitären Größen, insbesondere der geringen Ersatzserieninduktivität, und der Fähigkeit des Kondensators nahe an einem Halbleiter angebracht zu werden, können Kommutierungskreise klein gehalten werden. Dadurch kann im Abschaltvorgang eine induzierte Überspannung gut gedämpft werden. Aufgrund der Eigenschaften des Kondensators ist es in manchen Anwendungen möglich, bei einem Einsatz als DC-Link- Kondensator auf einen zusätzlichen Snubber-Kondensator zu verzichten .
Eine weitere Anwendung des beschriebenen Kondensators ist der Einsatz als Filter-Kondensator. Durch dessen Hochfrequenz- Eigenschaften können Störsignale auch weit über der Arbeitsfrequenz eines Leistungsumrichters bis in den MHz- Bereich hinein gut gedämpft und gefiltert werden. In einem weiteren, nicht dargestellten, Ausführungsbeispiel ist anstelle des Metallblechs 18 eine Kupferschicht auf die Silberschicht 19 aufgetragen. Die Kupferschicht weist in dem Beispiel eine mäandrierende, gitterähnliche Geometrie auf. Die Kupferschicht ist hier ebenfalls versilbert. Die Versilberung ist durch Galvanisierung ausgeführt. Die
Kupferschicht wird direkt mit der Silberschicht versintert.
Bezugszeichenliste
1 Vielschichtkondensator
1A Oberseite des Kondensators
1B erster Kondensator
1C zweiter Kondensator
2 Kondensatorelement
2A,2B Segmente 3,3A,3B erste Elektroden 4,4A,4B zweite Elektroden
5 dielektrische Schichten
6 erste Austrittsfläche
7 zweite Austrittsfläche
8 Außenkontaktierung
8A Sputter-Schicht
9A aktiver Bereich
9B passiver Bereich
10,11 Seitenflächen
12 Verbindungsbereich
13 Entlastungsbereich 13A äußerer Abschnitt des Entlastungsbereichs 13B innerer Abschnitt des Entlastungsbereichs
14 dritte Elektroden
15,15A vierte Elektroden 16,16A fünfte Elektroden
17 sechste Elektroden
18 Metallbleche 18A Invar-Schicht 18B KupferSchicht
19 Silberschichten
20 Galvanik-Silberschicht

Claims

Patentansprüche
1. Vielschichtkondensator (1) umfassend ein Kondensatorelement (2) mit mindestens zwei Segmenten (2A,
2B), wobei jedes Segment mehrere Schichtebenen umfasst darunter dielektrische Schichten (5) aus Keramik und dazwischen angeordnete Elektrodenschichten, die in einer Schichtreihenfolge übereinander angeordnet sind, wobei die Elektrodenschichten unterschiedliche Elektroden, darunter zumindest erste und zweite Elektroden (3, 4), umfassen, wobei sich die unterschiedlichen Elektroden in aktiven Bereichen (9A) überlappen, wobei sich die unterschiedlichen Elektroden in passiven Bereichen (9B) nicht überlappen, wobei mehrere Segmente in Stapelrichtung übereinander angeordnet sind, wobei die äußersten dielektrischen Schichten zweier Segmente einen Verbindungsbereich (12) bilden, in dem die Segmente parallel zu den Schichtebenen fest miteinander verbunden sind, wobei der Verbindungsbereich einen Entlastungsbereich (13) beinhaltet, und wobei der Entlastungsbereich zumindest den gesamten passiven Bereich des Kondensators einnimmt.
2. Vielschichtkondensator nach Anspruch 1, wobei der Entlastungsbereich als Bereich zwischen den Segmenten und parallel zu den Schichtebenen ausgebildet ist, in denen die Segmente nicht fest miteinander verbunden sind.
3. Vielschichtkondensator nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Entlastungsbereich als Spalt zwischen den Segmenten ausgebildet ist.
4. Vielschichtkondensator nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Entlastungsbereich ein Material umfasst, dessen Elastizitäts- Modul sich von dem Elastizitäts-Modul der dielektrischen Schichten unterscheidet.
5. Vielschichtkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Entlastungsbereich zumindest in allen an Außenseiten des Kondensatorelements angrenzenden Bereichen (13A) ausgeprägt ist.
6. Vielschichtkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Entlastungsbereich zumindest teilweise in einem aktiven Bereich ausgeprägt ist.
7. Vielschichtkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Entlastungsbereich wenigstens einen Abschnitt (13B) aufweist, der nicht an die Außenseiten des Kondensatorelements grenzt.
8. Vielschichtkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Verbindungsbereich mehrere voneinander abgegrenzte Entlastungsbereiche umfasst.
9. Vielschichtkondensator nach Anspruch 8, wobei die voneinander abgegrenzten Entlastungsbereiche zumindest teilweise nicht an die Außenseiten des Kondensatorelements angrenzen.
10. Vielschichtkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die ersten und zweiten Elektroden zumindest teilweise überlappen.
11. Vielschichtkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Elektroden Kupfer oder Silber umfassen.
12. Vielschichtkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei jedes Segment zumindest drei verschiedene Arten von Elektrodenschichten umfasst, wobei in einer ersten Elektrodenschicht die ersten und die zweiten Elektroden gegenüberliegend ausgebildet sind und durch einen dielektrischen Abschnitt beabstandet sind, in einer zweiten Elektrodenschicht nur erste Elektroden ausgebildet sind und in einer dritten Elektrodenschicht nur zweite Elektroden ausgebildet sind und wobei die ersten Elektrodenschichten jeweils die in Stapelrichtung äußersten Elektrodenschichten jedes Segments bilden.
13. Vielschichtkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei auf Austrittsflächen (6, 7) auf der Außenseite des Kondensatorelements, auf denen Elektroden aus dem Kondensatorelement austreten, zwei separate Außenkontaktierungen (8) zur Kontaktierung der ersten und zweiten Elektroden, aufgebracht sind.
14. Vielschichtkondensator nach Anspruch 13 umfassend wenigstens eine dritte Elektrode (14), die von keiner der Außenkontaktierungen kontaktiert ist, wobei die dritte Elektrode mit den ersten und den zweiten Elektroden überlappt.
15. Vielschichtkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend weitere Elektroden (15, 16, 17), die im passiven Bereich des Kondensators angeordnet sind und mit keinen Elektroden einer unterschiedlichen Polarität überlappen.
16. Vielschichtkondensator nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Außenkontaktierungen eine mehrlagige Sputter- Schicht (8A) umfassen, die Schichten bestehend aus Chrom, Nickel und mindestens eines von Silber oder Gold umfasst, wobei die Schichten in dieser Reihenfolge auf den Austrittsflächen aufgebracht sind.
17. Vielschichtkondensator nach Anspruch 16, wobei die Außenkontaktierungen Metallbleche (18) umfassen, die mittels einer Lötverbindung auf der Sputter-Schicht angebracht sind.
18. Vielschichtkondensator nach Anspruch 16, wobei die Außenkontaktierungen Metallbleche (18) umfassen, die mittels einer gesinterten Silberschicht (19) auf der Sputter-Schicht angebracht sind.
19. Vielschichtkondensator nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Metallbleche zwei Kupferschichten (18B) und eine dazwischen angeordnete Invar-Schicht (18A) umfassen.
20. Vielschichtkondensator nach einem der Ansprüche 17 bis
19, wobei die Metallbleche eine Kupferschicht mit mäandrierender Geometrie umfassen.
21. Vielschichtkondensator nach einem der Ansprüche 13 bis
20, wobei der Vielschichtkondensator separierbare Kondensatorelemente umfasst, die an einer Kontaktfläche (10, 11) beliebig zusammengesetzt und auseinandergenommen werden können, wobei die Kontaktfläche normal zu den Schichtebenen und den Außenkontaktierungen angeordnet ist.
22. Vielschichtkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei die Keramik ein anti-ferroelektrisches Dielektrikum ist.
23. Vielschichtkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei die Keramik ein Blei-Zirkonat-Titanat umfasst.
24. Vielschichtkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei die Keramik ein Natrium-Strontium-Titanat umfasst.
25. Vielschichtkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei der Kondensator als DC-Link- und/oder Snubber- und/oder Filter-Kondensator angewendet wird.
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