WO2001004914A1

WO2001004914A1 - Elektrisches bauteil mit absteuerung von elektrischen feldüberhöhungen

Info

Publication number: WO2001004914A1
Application number: PCT/CH2000/000369
Authority: WO
Inventors: Thomas Christen; Jakob Rhyner
Original assignee: Abb Research Ltd.
Priority date: 1999-07-07
Filing date: 2000-07-05
Publication date: 2001-01-18
Also published as: EP1067563A1; AU5385700A

Abstract

In einem erfindungsgemässen elektrischen Bauteil weist ein Isolationselement (3) Komponenten mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten auf, wobei die Verteilung der Komponenten, und damit die Dielektrizitätskonstante des Isolationselementes inhomogen ist. Insbesondere ist eine Konzentration einer Komponente mit höherer Dielektrizitätskonstante an Orten der Isolation, die durchschlagsgefährdet sind, höher als an Orten, die weniger durchschlagsgefährdet sind. Im erfindungsgemässen Herstellungsverfahren wird im Zwischenraum zwischen Leitern (1, 2, 6, 7) mit unterschiedlichem elektrischen Potential ein fluides Gemisch von mindestens zwei Komponenten mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten eingebracht. Durch die unterschiedlichen Potentiale entsteht ein elektrisches Feld, dessen Inhomogenitäten eine dielektrophoretische Kraft auf die Komponenten und dadurch eine ortsabhängige Dichteverteilung der Komponenten bewirken. Durch diese inhomogene Dichtverteilung wird auch die Dielektrizitätskonstante des Gemisches ortsabhängig, wodurch wiederum Überhöhungen des elektrischen Feldes abgebaut werden. Um eine Diffusion konzentrierter Komponenten zu verringern, befindet sich der Zustand des Gemisches in der Nähe der Kurve der spinodalen Entmischung des Gemisches, da dort eine effektive Diffusionskonstante einen kleinen Wert aufweist.

Description

Elektrisches Bauteil mit Absteuerung von elektrischen Feldüberhöhungen

B E S C H R E I B U N G

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektrischen Isolationstechnik. Sie bezieht sich auf ein Bauteil mit Ab- steuerung von elektrischen Felduberhohungen sowie auf ein Herstellungsverfahren für ein solches Bauteil gemass dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 11.

Stand der Technik

Bei elektrischen Bauteilen treten elektrische Felduberhohungen zwischen spannungsführenden leitenden Materialien mit positi- ven, kleinen Krümmungsradien auf, zum Beispiel an Elektroden- Spitzen, metallischen Partikeln, am inneren Leiter von Koaxialkabeln, sowie an Kanten und Ecken von Leistungshalbleitern. Solche Felduberhohungen können zu elektrischen Durc bru- chen oder zu beschleunigter Alterung eines isolierenden Teils fuhren und müssen daher in vielen Fallen vermindert oder verhindert werden. Die Verringerung von Felduberhohungen, auch Absteuerung von elektrischen Felduberhohungen oder Feldsteuerung genannt, wird meist mittels einer der folgenden zwei Strategien bewerkstelligt :

Bei der geometrischen Feldsteuerung wird die Geometrie der spannungsführenden Materialien, also der Leiter oder Elektroden angepasst, beispielsweise durch Abrundung von Ecken und Kanten. Dies erfordert eine im allgemeinen aufwendige Bearbei- tung der Elektroden.

Bei der kapazitiv-resistiven Feldsteuerung befindet sich zwischen den Leitern ein makroskopisch homogenes, elektrisch nichtlmeares Dielektrikum. Bei einem nichtlinearen Dielektri- kum sind die Dielektrizitätskonstante oder die Leitfähigkeit, oder sowohl die Dielektrizitätskonstante als auch die Leitfähigkeit eine Funktion der elektrischen Feldstarke. Beispielsweise wachst beim Anlegen einer Spannung eine geeignete nichtlineare Leitfähigkeit oder Dielektrizitätskonstante in der Na- he einer spitzen Elektrode an, wodurch das elektrische Feld dort vermindert wird. Somit verlauft im Betriebszustand die Leitfähigkeit oder die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums inhomogen über das Volumen des Dielektrikums. Es ist jedoch schwierig, die optimalen nichtlinearen Materialeigen- schaften einzustellen und entsprechende Materialien zu entwik- keln.

Darstellung der Erfindung

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Bauteil mit Absteuerung von elektrischen Felduberhohungen zu schaffen, welches die oben genannten Nachteile behebt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Herstellungsverfahren für ein solches er- findungsgemasses Bauteil zu schaffen.

Diese Aufgabe losen ein Bauteil mit Absteuerung von elektri- sehen Felduberhohungen und ein Herstellungsverfahren für ein solches Bauteil mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 11.

Ein erfindungsgemasses Bauteil weist mindestens ein Isolation- selement zur gegenseitigen Isolation von mindestens zwei Leitern auf, wobei eine Dielektrizitätskonstante des Isolationselements inhomogen über das Volumen des Isolationselements verlauft. Dabei besteht das Isolationselement aus mindestens zwei Komponenten, wobei mindestens zwei dieser Komponenten un- terschiedliche Dielektrizitätskonstanten aufweisen.

Der inhomogene, ortsveränderliche Verlauf der Dielektrizitätskonstante des Isolationselements ist eine Folge einer inhomogenen Verteilung der Komponenten. Mit dem Begriff "inhomogen" ist h er eine kontinuerliche und ortsabhangige Änderung einer Grosse gemeint. Insbesondere ist eine Konzentration einer Komponente mit höherer Dielektrizitätskonstante an Orten der Isolation, die durchschlagsgefahrdet sind, hoher als an Orten die weniger durchschlagsgefahrdet sind. Durchschlagsgefahrdet sind diejenigen Orte der Isolation, an denen bei Verwendung eines dielektrisch homogenen Isolationsmateπals im Betriebszustand eine Überhöhung eines elektrischen Feldes auftreten wurde.

In einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung sind die mindestens zwei Komponenten mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten lineare Dielektrika. Bei diesen sind Dielektrizitätskonstante und Leitfähigkeit im Wesentlichen nicht von der Feldstärke abhangig. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die elektrischen Eigenschaften des Isolationselementes einfach einstellbar sind. Dies ist möglich, weil die elektrischen Eigenschaften eines einzelnen linearen Dielektrikums, wie auch die elektri- sehen Eigenschaften eines Gemisches linearer Dielektrika einfach einstellbar sind. Letzteres geschieht durch Wahl des Mischungsverhältnisses.

Im erfindungsgemässen Herstellungsverfahren wird einem Zwi- schenraum zwischen Leitern mit unterschiedlichem elektrischen Potential ein fluides Gemisch aus mindestens zwei Komponenten mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten eingebracht, so dass sich aufgrund eines durch die unterschiedlichen Potentiale entstehenden elektrischen Feldes eine ortsabh ngige Dichteverteilung der Komponenten einstellt. Durch diese inhomogene Dichteverteilung wird auch die Dielektrizitätskonstante des Gemisches ortsabhängig, wodurch wiederum Überhöhungen des elektrischen Feldes abgebaut werden.

Diese ortsabhängige Dichteverteilung ist eine Folge der Tatsa^¬ che, dass auf einen Dipol in einem inhomogenen Feld eine sogenannte dielektrophoretische Kraft wirkt. Diese Kraft zieht den Dipol in Gebiete grosser absoluter Feldstärke. Dabei ist

F o V E² das heisst, ein auf den Dipol wirkender Kraftvektor F ist proportional zu einem Gradienten eines Quadrats eines ortsabhängigen Absolutbetrags E einer elektrischen Feldstärke. Da eine höhere Dielektrizitätskonstante einer höheren Dipolaritäts- dichte entspricht, folgt, dass sich in einem zunächst homoge- nen fluiden Gemisch zweier isolierender Komponenten Kl und K2 mit Dielektrizitätskonstanten εi und ε₂, wobei εi > ε₂ ist, die Komponente Kl in Richtung höherer Feldstärke bewegt. Es entsteht daher ein inhomogenes Gemisch, das heisst die relativen Anteile der Komponenten variieren ortsabhangig. Dadurch ergibt sich auch eine inhomogene, kontinuierlich variierende, von einem Ortsvektor X abhangige Dielektrizitätskonstante ε(X) des Gemisches. An Orten einer lokal erhöhten Dielektrizitatskon- stante nimmt eine Feldύberhόhung ab.

In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemassen Herstellungsverfahrens wird das Gemisch, beispielsweise eine Polymerschmelze, im flussigen Zustand in ein geeignetes elektrisches Feld gebracht und erstarrt im gewünschten inhomogenen Zustand.

In einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemassen Herstellungsverfahrens sind die Komponenter. des Gemisches Flüssigkeiten oder eine oder mehrere Flüssigkeiten mit darin verteilten festen Teilchen oder Gasen.

In einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemassen Herstellungsverfahrens werden Dipolmolekule m einen festen Isolationskorper diffundiert.

Weitere bevorzugte Ausfuhrungsformen gehen aus den abhangigen Patentansprüchen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand eines bevorzugten Ausfuhrungsbeispiels, welches in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist, naher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine koaxiale Elektrodengeometrie; Figur 2 einen Verlauf der Feldstärke bei einem homogenen linearen Dielektrikum gemass dem Stand der Technik;

Figur 3 einen Verlauf der Dielektrizitätskonstante bei einem erfindungsgemassen Bauteil mit einem inhomogenen Dielektrikum;

Figur 4 einen Verlauf der Feldstärke bei einem erfin- dungsgemässen Bauteil mit einem inhomogenen Dielektrikum; Figuren 5-7 Verlaufe von Dielektrizitätskonstanten von weiteren Ausfuhrungsformen gemass der Erfindung;

Figur 8 einen Querschnitt durch ein erfindungsgem sses Koaxialkabel; und

Figur 9 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemasses Halbleiterbauelement.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufge^¬ listet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Ein erfindungsgemasses Herstellungsverfahren, woraus ein er- findungsgemasses elektrisches Bauteil resultiert, wird auf ei^¬ ne beliebige Geometrie von Leitern oder Elektroden, bei denen Feldüberhöhungen vermindert werden sollen, angewandt. Dazu wird ein fluides, homogenes Gemisch von Komponenten mit unter- schiedlichen Dielektrizitätskonstanten in einen feldführenden Zwischenraum zwischen den Leitern eingebracht und die Leiter auf unterschiedliches elektrisches Potential gebracht. Im Falle von mehr als zwei Leitern entsprechen die Potential- und Feldverhältnisse vorzugsweise den im späteren Betrieb zu er- wartenden Verhältnissen. Aufgrund einer dielektrophoretischen Kraft werden Dipole des Fluids in Richtung höherer Feldstarke bewegt. Da eine höhere Dielektrizitätskonstante einer höheren Dipolaritatsdichte entspricht, ist die dielektrophoretische Kraft für Komponenten mit grosserer Dielektrizitätskonstante grosser als für Komponenten mit kleinerer Dielektrizitätskonstante. Bei zwei Komponenten Kl und K2 mit Dielektrizitätskonstanten εi und ε₂, wobei εi > ε₂ ist, nimmt dadurch die Konzentration der Komponente Kl an Orten höherer Feldstarke zu. An diesen Orten höherer Feldstarke ist bei einem linearen homogenen Dielektrikum auch die Gefahre eines elektrischen Durchschlags erhöht.

Eine Bewegung von Dipolen in inhomogenen elektrischen Feldern ist in den Artikeln "The Motion and Precipitation of Suspe- noids in Divergent Electric Fields", Herbert A. Pohl, Journal of Applied Physics, Vol. 22, Nr. 7, Juli 1951, und "Electric- field-induced pattern formation in colloidal dispersions", M. Trau et al . , Nature, Vol. 374, Nr. 30, März 1995, beschrieben.

Eine Dielektrizitätskonstante ε des Gemisches ist eine Funktion der Dielektrizitätskonstante der Komponenten sowie eines Mischungsverhältnisses p. Es sei beispielsweise p gleich dem Volumenanteil der Komponente Kl. Somit ist p=l, wenn die Mi- schung nur die Komponente Kl aufweist, und p=0, wenn die Mischung nur die Komponente K2 aufweist. Im allgemeinen geht, wenn p von eins nach null geht, die Dielektrizitätskonstante ε des Gemisches von 8χ nach ε₂. Als nutzliche Näherung dient oft für flussige Gemische ein linearer Zusammenhang ε = ε_xp + ε₂ (1-p) -

Somit nimmt mit der Konzentration der Komponente mit höherer Dielektrizitätskonstante auch die Dielektrizitätskonstante an Orten höherer Feldstarke zu. Als Folge dieser lokal erhöhten Dielektrizitätskonstante nimmt die Felduberhohung und damit auch die Gefahr eines Durchschlags ab. Es stellt sich eine inhomogene Gleichgewichtsverteilung der Komponenten Kl und K2 ein, mit einer von einem Ortsvektor X abhangigen Dielektrizitätskonstante ε(X). Rechnerisch wird diese Verteilung aus einer Minimierung des relevanten thermodynamischen Potentials erhalten. Aus der Diskussion des Resultats ergibt sich eine optimale Wahl des Mischungsverhältnisses der Komponenten sowie der Dielektrizitätskonstanten εi und ε₂.

Für die oben beschriebene Kraft- und Bewegungswirkung ist der Absolutbetrag der Feldstarke massgebend, so dass für das er- findungsgemasse Verfahren sowohl Gleichspannungen als auch Wechselspannungen zwischen die Leiter gelegt werden können. Verallgemeinerungen auf Komponenten mit nicht vernachlassigba- rer Leitfähigkeit geschehen analog zur allgemeinen Theorie der Dielektrophorese, das heisst über die komplexe Dielektrizitätskonstante, welche von einer Frequenz einer wirksamen Wech- selspannung abhangig ist.

Alle beschriebenen Vorgange gelten selbstverständlich und in analoger Weise auch für Mischungen mit mehr als zwei dielektrischen Komponenten.

Für flussige Isolationen und Gasisolationen werden Mischungen von Komponenten mit verschiedenen Dielektrizi ätskonstanten, respektive atomaren Polarisierbarkeiten oder permanenten Dipolmomenten gewählt. Bei Flüssigkeiten sind entweder alle Kom- ponenten flussig, oder aber es liegen eine oder mehrere der Komponenten in fester oder gasformiger Phase vor, welche dis- persiv in der flussigen Phase verteilt sind. Dabei werden die Parameter so gewählt, dass keine elektrorheologischen Instabi- litaten auftreten. Als Dipole einer Komponente wirken, je nach dem Aggregatzustand der Komponente, beispielsweise Partikel, Moleküle oder Ionen mit angelagerten Molekülen.

Um Festkörper-Isolationen herzustellen, werden die Komponenten im flussigem Zustand ms geeignete elektrische Feld gebracht und erstarren im gewünschten inhomogenen Zustand. Auch hier sind beispielsweise alle Komponenten vorerst: flussig, oder aber feste oder gasformige Komponenten sind in einer flüssigen Phase sehr fein verteilt. Die Viskosität von zähflüssigen Gemischen wird beispielsweise über eine Scherkraftabhangikeit durch Vibration des Gemisches erniedrigt. Die zwischen den Leitern angelegte Spannung wird beispielsweise zu Beginn des Verfahrens nicht allzu gross gewählt und wahrend einer mit der Ausbildung der ortsveränderlichen Dielektrizitätskonstante einhergehenden Erhöhung der Durchschlagsfestigkeit vergro- ssert. Die Erstarrung ist beispielsweise eine Aushärtung oder eine Gelierung und wird beispielsweise durch eine durch Erhitzen oder Zugabe eines Hartungsmittels ausgeloste chemische Re- aktion bewirkt, oder durch schnelles Abkühlen des Komponentengemisches verursacht, oder durch einen Aushartungsprozess, der aufgrund der chemischen Eigenschaften des Komponenten mit ihrer Durchmischung beginnt.

Bei der Wahl der Materialien und Mischungsverhaltnisse werden vorzugsweise Sedimentationseffekte, bei homogenen Gemischen vorzugsweise Einflüsse von freien Mischungsenergien und bei heterogenen Gemischen wie auch bei der Elektroden-Benetzung die verschiedenen Grenzflachenenergien respektive das Benet- zungsverhalten berücksichtigt und ausgenutzt.

Dazu werden Materialien und allfallige Additive derart gewählt, dass eine dielektrische Energie relativ zu einem Entropieanteil einer freien Energie möglichst hoch wird. Die diel- ektrische Energie ist ein Mass für die im Dielektrikum gespeicherte elektrische Feldenergie, wahrend der Entropieanteil der freien Energie ein Mass für die Neigung des Gemisches zur Diffusion, das heisst zur Unterdrückung von Inhomogenitäten ist. Es sei beispielsweise eine zylindrische innere Elektrode gegeben, welche auf einem Potential U gegenüber einer im Unendlichen liegenden konzentrischen zylindrischen ausseren Elektrode liegt. Im Falle eines Gemisches von gleichlangen Polymeren unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante betragt ein Mass Z für ein Verhältnis der dielektrischen Energie zum Entropieanteil der freien Energie

Aε V^L N

Z = p k T r¹ wobei Aε eine Differenz der Dielektrizitätskonstante der Mischungskomponenten, N eine Anzahl Monomere pro Polymer, p ei- ne Dichte von Momomeren pro Volumeneinheit, k die Bolzmannkonstante, T eine absolute Temperatur des Gemisches und r ein Radius der inneren zylindrischen Elektrode ist. Vorteilhafterweise werden Materialien und Zusätze derart gewählt, dass Z möglichst gross, insbesondere grosser als eins ist. Dabei ist U kleiner als eine Durchbruchspannung der Anordnung.

Um den Einfluss von Diffusionskraften gegenüber der Kraft des elektischen Feldes weiter zu verkleinern, werden Parameter des Gemisches vorzugsweise in folgender Weise gewählt: Gemass der Theorie der spinodalen Entmischung lasst sich, wie in Figur 10 gezeigt, eine durch zwei Parameter, beispielsweise der Temperatur T und des Mischungsverhältnissses p von Komponenten aufgespannte Ebene aufteilen in erste Gebiete 11, in denen die Komponenten mischbar ist, zweite Gebiete 12, in denen sie nicht mischbar sind, und eventuell dazwischenliegende dritte Gebiete 13 mit metastabilen Zustanden. Eine Grenze zwischen zweiten und dritten Gebieten 12 und 13 wird Spinodale 14 ge- nannt, eine Grenze zwischen ersten und dritten Gebieten 11 und 13 wird Binodale 15 genannt. Die beiden Grenzen treffen sich in einem Extremum bezüglich der Temperatur, einem sogenannten kritischen Punkt 16. Im allgemeinen Fall können Extrema Maxima oder Minima sein. Zusätzlich zu den in der Figur 10 gezeigten Gebieten können beispielsweise für höhere Temperaturen weitere Gebiete auftreten, in denen die Komponenter nicht mischbar sind. Es ist bekannt, dass eine effektive Diffusionskonstante bezüglich p auf der Spinodalen 14 ihr Vorzeichen wechselt und in der Nahe der Spinodalen 14 kleine Werte annimmt. Weiter sollen die Komponenten mischbar sein, da der entmischte Zustand isolationstechnisch nachteilig ist. Aus diesen beiden Gründen wird der Zustand des Gemisches im erfindungsgemassen Herstellungsverfahren vorteilhafterweise im ersten Gebiet 11 und möglichst nahe an der Spinodalen 14 gewählt, also in der Nahe des kritischen Punkts 16. Dadurch wird die effektive Diffusionskonstante positiv und möglichst klein. Die Beeinflussung des Zustandes geschieht beispielsweise durch Temperatur T und Mischungsverhältnis p, oder durch zusätzliche Komponenten oder Additive, oder durch Wahl von Gemischen, welche einen Flory-Huggms Parameter aufweisen, der einem gewünschten Extremum 15 entspricht.

Im Falle dass grossere Feldstarken möglich sind, das heisst, dass Z nicht klein gegen eins ist, verschiebt sich die optimale Wahl des Gemisches vom kritischen Punkt 16 bei gleichbleibender Temperatur zu einem Mischungsvernaltnis mit einem geringeren Anteil der Komponente mit höherer Dielektrizitätskonstante.

Geeignete Komponentensubstanzen sind beispielsweise isolierende Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten, beispielsweise isolierende Ole. Geeignete heterogene Gemische sind beispielsweise sehr fein pulverisierte Ferrolek- trika oder nichtdissoziierende Additive mit grosser Polari- sierbarkeit in isolierendem Gel oder 01. Weitere geeignete Komponenten für homogene oder heterogene flussige Gemische sind beispielsweise Polymere oder Polymerschmelzen, sowie Lo- sungen von flussigen respektive geschmolzenen Polymeren.

Die folgenden Gemische sind Beispiele für erfindungsgemass verwendbare flussige Gemische, wobei die angegebene Temperatur jene des kritischen Punktes des entsprechenden Gemisches ist: ■ Gemisch 1: Annähernd 4 bis annähernd 6 Volumenprozent Polystyrol n Cyclohexan bei ca. 30 °C,

^■ Gemisch 2: annähernd 36 bis annahernα 38 Volumenprozent Ni- trobenzen in n-Hexan bei ca. 20 °C, und

^■ Gemisch 3: annähernd 17 Gewichtsprozente Poly (p-Chlorstyrol) in Ethylcarbitol bei ca. 35 °C. Carbitol^® ist ein Diethy- lenglykolmonoethylether .

Um Festkörper-Isolationen herzustellen werden in einer anderen Variante des erfindungsgemassen Herstellungsverfahrens Dipole in einen isolierenden Festkörper oder ein Festkorpergitter eindiffundiert. Dazu wird beispielsweise der Festkörper einer hohen Temperatur und einer hohen elektrischen Spannung ausgesetzt. Die Temperatur ist so hoch, dass die Diffusion erleichtert wird, aber nicht so hoch, dass das Material zerstört wird, beispielsweise durch eine temperaturbedingte Erniedrigung einer Durchbruchfeidstarke oder durch chemische Veränderungen.

Die Figur 1 zeigt als Beispiel für eine Anwendung des erfin- dungsgemassen Herstellungsverfahrens einen Querschnitt durch eine koaxiale Elektrodengeometrie, beispielsweise ein Koaxialkabel. Diese weist eine innere Elektrode El mit einen inneren Radius rl und eine aussere Elektrode E2 mit einen äusseren Ra- Radius rl und eine äussere Elektrode E2 mit einen äusseren Radius r2 auf. Bei Anlegen einer Spannung U zwischen den Elektroden ergibt sich für ein homogenes Medium zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld, dessen Betrag E nur von einem Radius r abhängig ist, und der für rl<r<r2 bei vorgegebener Spannung U durch E(r) =U/ [r*ln (r2/rl) ] gegeben ist. Der Verlauf von E(r) ist in Figur 2 dargestellt. E(r) ist maximal bei r=rl, minimal bei r=r2, und unabhängig von der Dielektrizitätskonstante des Mediums zwischen den Elektroden.

Der Raum zwischen den beiden Elektroden wird mit einem Gemisch zweier Flüssigkeiten Kl und K2 mit Dielektrizitätskonstanten εi und ε₂, wobei εi > ε₂ ist, gefüllt. Es wird eine elektrische Spannung zwischen den Elektroden angelegt, wonach nach dem oben Gesagten eine inhomogene Dichteverteilung eintritt und daraus eine ortsveränderliche Dielektrizitätskonstante ε(r) des Gemisches resultiert. Vorzugsweise ist die elektrische Spannung möglichst hoch, aber ohne dass ein Durchschlag zwischen den Elektroden auftritt.

Der radiusabhängige Verlauf von ε(r) ist vom Mischungsverhältnis p der Dielektrika abhängig. Für die trivialen Fälle p=l oder p=0 besteht das Fluid zwischen den Elektroden nur aus der Komponente Kl respektive nur aus Komponente K2. Dann ist das Medium homogen und die Feldstärke E(rl) bei der inneren Elektrode maximal.

Zwischen den obigen Extrema von p existiert ein Minimum von E(rl) als Funktion von p. Aus der Abhängigkeit der effektiven Dielektrizitätskonstante ε einer Mischung vom Mischungsverhältnis p und den Dielektrizitätskonstanten εi und ε₂ der Komponenten wird dieses Minimum beispielsweise theoretisch be- stimmt. Im allgemeinen wird sich eine mit r abnehmende Dielektrizitätskonstante einstellen.

Figuren 5, 6 und 7 zeigen einige Falle des radiusabhangigen Verlaufes der Dielektrizitätskonstante ε(r). Beim Verlauf gemass Figur 5 hat sich die Mischung in der Nahe der ausseren Elektrode E2 vollständig entmischt, so dass die Dielektrizitätskonstante dort konstant ε₂ betragt. Beim Verlauf gemass Figur 6 hat sich die Mischung in der Nahe der inneren Elektrode El vollständig entmischt, so dass die Dielektrizitätskonstante dort konstant εi betragt. Beim Verlauf gemass Figur 7 hat sich die Mischung bei beiden Elektroden entmischt. Vorzugsweise wird ein Verlauf gemass Figur 3 erreicht, bei αem die Dielektrizitätskonstante ε(r) zwischen rl und r2 proportional zu 1/r verlauft.

Figur 3 zeigt den theoretisch optimalen Fall, das heisst einen zu 1/r proportionalen Verlauf der Dielektrizitätskonstante ε(r). In diesem Fall ergibt sich ein ortsunabhangiges Feld, dessen Betrag konstant gleich E=U/(r2-rl) ist. Damit ist die ursprüngliche Felduberhohung um einen Faktor rl/r2 vermindert worden. In der Realität wird dieser Verlauf, insbesondere wegen der Diffusion, nur annähernd erreicht.

Figur 4 zeigt den im optimalen Fall resultierenden konstanten Verlauf der Feldstarke E als ausgezogene Gerade. Im Vergleich mit dem von 1/r abhangigen Feldstarkeverlauf aus Figur 2 ist ein Maximum der Feldstärke wesentlich niedriger. Da das Integral von E über den Abstand r2-rl immer die gleiche angelegte Spannung U ergeben muss, ist offensichtlich, dass eine minimale Felduberhohung durch eine konstante Feldstarke E erreicht wird. Realistischerweise ist eine solcher Verlauf nicht erreichbar, und wird die Feldstarke E von rl nach r2 hin sinken. In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemassen Herstellungsverfahrens wird es auf die Isolation in Koaxialkabeln angewandt. Die Komponenten, beispielsweise Zweikomponenten- Polymere, werden dabei im flüssigen Zustand verarbeitet. In einer solchen feldsteuernden Kabelisolation wird, wie oben gezeigt, die übliche 1/r-Feldverteilung homogenisiert, wodurch dünnere Kabelisolationen möglich werden. Das gleiche gilt selbstverständlich auch für starre Koaxialleiter.

Figur 8 zeigt einen Querschnitt durch ein erf ndungsgemasses Koaxialkabel. Es weist einen Innenleiter 1, einen Mantel 2 und ein Isolationselement 3 auf. Die inhomogene Verteilung von Komponenten des Isolationselements 3 mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten ist durch die Verteilung von schwarz und weiss ausgefüllten Kreisen angedeutet. Eine erhöhte Dichte von schwarz ausgefüllten Kreisen bezeichnet eine erhöhte Dichte oder Konzentration einer Komponente mit höherer Dielektrizitätskonstante, wie in ersten Gebieten 4. Eine erhöhte Dichte von weiss ausgefüllten Kreisen bezeichnet eine erhöhte Dichte oder Konzentration einer Komponente mit tieferer Dielektrizitätskonstante, wie in zweiten Gebieten 5. Die Konzentration der Komponente Kl mit höherer Dielektrizitätskonstante ε_x ist in der Nahe des Innenleiters hoher als an anderen Orten des Isolationselements 3, die Konzentration der Komponente K2 mit Dielektrizitätskonstante ε₂, wobei εχ>ε₂ ist, ist in der Nahe des Mantels hoher. Die Komponente Kl ist beispielsweise ein festes oder flexibles Polymer, die Komponente K2 ist beispielsweise ein Polymer oder besteht aus fein verteilten Teil- chen.

In einer anderen bevorzugten Variante des erfindungsgemassen Herstellungsverfahrens werden ein oder mehrere Halbleiterbau- steine eines Leistungshalbleitermoduls, beispielsweise von einem Thyristor, IGBT oder IGCT, mit einer Isoliermasse aus einem erfindungsgemassen Materialgemisch umgössen. Da die Anforderungen an herkömmliche feldsteuernde Materialien wegen der kleinen Dimensionen und engen Toleranzen sehr hoch sind, können die gemass der vorliegenden Erfindung erzeugten Materialien mit raumlich variierender Dielektrizitätskonstante in dieser Situation die Felder sehr effizient absteuern.

Figur 9 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemasses Halbleiterbauelement. Es weist ein oder mehrere Halbleiter 6, ein oder mehrere Basiselemente 7 und ein oder mehrere Basisisolatoren 8 auf. Diese sind durch ein Isolationselement 3 umgeben. Die inhomogene Verteilung von Komponenten mit unter- schiedlichen Dielektrizitätskonstanten ist in gleicher Weise wie oben angedeutet. Die Konzentration der Komponente Kl mit höherer Dielektrizitätskonstante ε_x ist an Orten, an denen bei Verwendung eines linearen, dielektrisch homogenen Isolation- selementes Felduberhohungen auftreten würden, also beispiels- weise in der Nahe von Aussenkanten der Halbleiter 6, hoher als an anderen Orten des Isolationselementes.

Prinzipiell sind erfindungsgemasse Bauteile und das erfin- dungsgemasse Verfahren für alle Isolationsanwendungen verwend- bar. Weitere Beispiele sind Kabelzubehor, Durchführungen, Kondensatoren, Transformator- und Generator-Isolationen. Bezugszeichenliste

El innere Elektrode

E2 aussere Elektrode rl innerer Radius r2 ausserer Radius

1 Innenleiter

2 Mantel

3 Isolationselement

4 Gebiet höherer Dielektrizitätskonstante 5 Gebiet niedrigerer Dielektrizitätskonstante

6 Halbleiter

7 Basiselement

8 Basisisolator

11 erstes Gebiet, Komponenten mischbar 12 zweites Gebiet, Komponenten nicht mischbar

13 drittes Gebiet, metastabiles Gemisch

14 Spinodale

15 Binodale

16 kritischer Punkt

Claims

P A T E N T A N S P R U E C H E

1. Elektrisches Bauteil, welches mindestens zwei Leiter und mindestes ein Isolationselement (3) aufweist, wobei das mindestens eine Isolationselement (3) die Leiter gegeneinander isoliert und mindestens im Betriebszustand eine über das Volumen des Isolationselementes (3) inhomogen verlaufende Dielektrizitätskonstante aufweist, dadurch gekenn- zeichnet, dass sich das mindestens eine Isolationselement (3) aus mindestens zwei Komponenten zusammensetzt, wobei mindestens zwei dieser Komponenten unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten aufweisen.

2. Elektrisches Bauteil gemass Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Konzentration einer ersten Komponente mit einer Dielektrizitätskonstante εi an durchschlagsgefahrdeten Orten hoher ist als an anderen Orten, und dass eine Konzentration einer zweiten Komponente mit einer Dielektrizitätskonstante ε₂ an durchschlagsgefahrdeten Orten niedriger ist als an anderen Orten, wobei εi grösser als ε₂ ist.

3. Elektrisches Bauteil gemass Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Komponenten mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten lineare Dielektrika sind.

4. Elektrisches Bauteil gemass Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Isolationselement (3) aus einem Festkörper gefertigt ist.

5. Elektrisches Bauteil gemass Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Isolationselement (3) aus einem fluiden Gemisch gefertigt ist.

6. Elektrisches Bauteil gemass Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Isolationselement (3) aus einem Gemisch aus mindestens zwei Komponenten gefertigt ist, wobei eine erste Komponente eine Flüssigkeit ist, und eine zweite Komponente in der ersten Komponente oder einer weiteren Komponente verteilte feste Teilchen oder Gase sind.

7. Elektrisches Bauteil gemass Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass das mindestens eine Isolationselement (3) aus einem Festkörper mit eindiffundierten Dipolmolekülen besteht .

8. Elektrisches Bauteil gemass einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Koaxialleiter ist .

9. Elektrisches Bauteil gemass Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Konzentration einer ersten Komponente mit einer Dielektrizitätskonstante εi in der Nähe eines Ir.nenleiters (1) des Koaxialleiters höher ist als in der Nähe eines Mantels (2) des Koaxialleiters, und dass eine Konzentration einer zweiten Komponente mit einer Dielektrizitätskonstante ε₂ in der Nähe des Ir.nenleiters (1) niedriger ist als in der Nähe des Mantels (2), wobei ε_λ grö- sser als ε₂ ist.

10. Elektrisches Bauteil gemass einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Halbleiterbauelement ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bauteils gemass Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Leiter ein fluides Gemisch aus mindestens zwei Komponenten mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten eingebracht wird, dass das Isolationselement (3) einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, bis sich eine ortsabhängige Dichteverteilung der Komponenten aufgrund des elektrischen Feldes eingestellt hat.

12. Verfahren gemass Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Zustand des Gemisches mindestens annähernd auf einer Spinodalen (14) des Gemisches befindet, insbesondere mindestens annähernd in einem Extremum (16) der Spinodalen (14) des Gemisches.

13. Verfahren gemass Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das fluide Gemisch erstarrt, nachdem sich die ortsabhängige Dichteverteilung der Komponenten eingestellt hat.

14. Verwendung eines Materialgemisches mit mindestens zwei, unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten aufweisende Komponenten, wobei eine relative Dichteverteilung der Komponenten ortsabhängig ist, zur Absteuerung von Überhöhungen eines elektrischen Feldes zwischen Leitern.