WO2015173409A1

WO2015173409A1 - Glaskeramik-kondensator für hochspannungsanwendungen

Info

Publication number: WO2015173409A1
Application number: PCT/EP2015/060789
Authority: WO
Inventors: Martin Letz; Nikolaus Schultz; Guenter Weidmann; Michael Kluge; Joern Besinger
Original assignee: Schott Ag
Priority date: 2014-05-16
Filing date: 2015-05-15
Publication date: 2015-11-19
Also published as: DE102014106919B4; DE102014106919A1; WO2015173409A8

Abstract

Kondensator für Hochspannungsanwendungen mit einem Glaskeramikkörper (10) als Dielektrikum und Metallisierungsschichten (11, 13) als Elektroden. Ausgehend von einer Serie von Testkondensatoren werden die Parameterwerte eines zu entwerfenden Kondensators aufgrund von Formeln bestimmt.

Description

Glaskeramik-Kondensator für Hochspannungsanwendungen

Beschreibung Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Kondensatoren mit Glaskeramik als Dielektrikum, und im speziellen auf

Glaskeramik-Kondensatoren für Hochspannungsanwendungen.

Keramikkondensatoren sind bekannt (DE 2210094, DE3825024A1, DE3905444A1 ) , bei denen das Dielektrikum aus einem

scheibenförmigen Keramikkörper besteht. Als

Hauptbestandteil der Keramik werden Metalloxide genannt, die durch Sintervorgänge zusammengebacken werden und deshalb porenbehaftet sind. Metalloxide weisen zwar eine hohe Dielektrizitätskonstante im Verhältnis zu Glas auf, jedoch setzen Poren die Durchschlagfestigkeit von

Keramikkondensatoren herab.

Kondensatoren mit Glaskeramik als Dielektrikum haben gegenüber Keramikkondensatoren eine niedrigere

Speicherfähigkeit oder Energiedichte, sind jedoch in bestimmten Ausführungsformen kostengünstiger herstellbar. So beschreibt die DE 1 951 624 ein Verfahren zur

Herstellung von Stapelkondensatoren, die aus abwechselnden, durch Anwendung von Druck und Temperatur zu einer kompakten Einheit verbundenen Schichten eines Dielektrikums und von Metallschichten aufgebaut sind. Die dielektrischen

Schichten werden aus einem kristallisierbaren Glas in einem organischen Bindemittel erzeugt, wobei die organischen Bestandteile durch Erhitzen ausgetrieben und das Glas zu einer Glaskeramik mittels Wärmebehandlung umgewandelt wird.

In ähnlicher Weise werden die Metallschichten aus

Aufschlämmungen von Metallpartikel während der Herstellung der Stapelkondensatoren gesintert. Herstellungsbedingt enthalten die Schichten somit reichlich Poren, was bei Hochspannungsanwendungen schädliche Auswirkungen hat. Die WO 2005/095301 AI beschreibt eine Glas-Keramik- Zusammensetzung mit mindestens einem Ferrit und mindestens einem Glasmaterial mit einem Gehalt an Wismutoxid in

Anwendungen für passive elektrische Bauelemente. Die Glas- Keramik-Zusammensetzung liegt als Pulvermischung, auch mit einem organischen Binder vermengt, vor, und kann gesintert werden. Nachteilig ist der relativ hohe Porenanteil.

Die DE 10 2008 011 206 AI beschreibt eine Glaskeramik, die ferroelektrische Kristallite mit einem maximalen

Durchmesser von 20 bis 100 nm und mit einem Anteil an der Glaskeramik von über 50 Volumenprozent aufweist. Die

Glaskeramik wird durch Keramisieren aus einem Ausgangsglas hergestellt und ist äußerst porenarm. Solche Glaskeramiken eignen sich als Bestandteil eines Kondensators oder eines Hochfrequenzfilters.

Aus DE 10 2009 024 645 AI ist eine Glaskeramik mit

nanoskaligem Bariumtitanat und ein Verfahren zu deren Herstellung bekannt. Als hauptkristalline Phase der

Glaskeramik wird eine Perowskit-Phase der Formel

Bai-_xZ¹ _xTi₁__yZ² _y0₃ genannt, wobei Z¹ aus Sr, Ca, Ce, Pb, La oder Sm besteht, während Z² aus Zr, Hf, Nb, V, Y, Sc oder Ta ausgewählt ist und x, y Werte zwischen 0 und o,5 aufweisen. Die Größe der Kristallite liegt im Bereich von lOnm bis 50mp, vorzugsweise von 100 nm bis 1 pm. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde anzugeben, wie Glaskeramik-Kondensatoren ausreichend dünn gebaut werden können, um in der Praxis auch für Hochspannungsanwendungen interessant zu sein.

Schwierigkeiten und Bedenken wie folgt sind zu überwinden: Bisherige Glaskeramiken für Hochleistungskondensatoren enthalten Keramiken wie BST (Barium-Strontium-Titanat ) . Kondensatoren mit BaTiC>3, einem ferroelektrischen Material, sind bisher nicht für Hochleistungselektronik verwendet worden, da die ferroelektrische Hysterese zu deutlichen, hohen dielektrischen Verlusten führt. Ferner müsste die Dicke der Glaskeramik sehr hoch sein, damit die

dielektrische Feldstärke in der Glaskeramik 1 bis 3 KV/mm nicht übersteigt. Dies würde bei Anwendungen in einem

Spannungsbereich oberhalb von 10 kV zu einer Dicke des glaskeramischen Dielektrikums im Bereich einiger cm führen, was für die praktische Anwendung unzumutbar ist. Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt aufgrund der Lehre derunabhängigen Ansprüche und wird durch die

Maßnahmen der abhängigen Ansprüche weiter entwickelt und ausgestaltet . Die Erfindung geht von der Entdeckung aus, dass Glaskeramik mit einem Gehalt an ferroelektrischem Material dann für die Hochspannungsanwendungen bei Kondensatoren eingesetzt werden kann, wenn die Glaskeramik äußerst porenarm oder porenfrei ist und das ferroelektrische Material in

Kristallit-Form der Größenordnung weniger Nanometer

vorliegt. Ein Porenanteil im Volumen von kleiner als 0.03% gilt im Rahmen der Erfindung als „äußerst porenarm". Die Kristallite des ferroelektrischen Materials sollten

möglichst die Größe von ferroelektrischen Domänen haben, was beinahe bei den Grenzen von 10 nm bis 100 nm der

Glaskeramik BaTi03 erreicht wird, aber immerhin in der Größenordnung der ferroelektrischen Domänen liegt. Dies bedeutet, dass die Glaskeramik aus der flüssigen Glasphase unter strengen Herstellungsbedingungen gewonnen werden muss, um ferroelektrisches Material zu erzeugen, das bei der Umpolung im Betrieb des Kondensators eine schmale

Hysterese zeigt und damit eine erträgliche Verlustleistung erbringt, um für Hochspannungsanwendungen bei Kondensatoren brauchbar zu sein.

Anstelle von ferroelektrischem Material kann auch

paraelektrisches Material benutzt werden. Dabei können die paraelektrischen Kristallite in der Größenordnung von wenigen pm vorliegen. Dies bedeutet Kristallitgrößen im Bereich 0,1 pm bis 50 pm. Damit sind die Kristallite wesentlich kleiner als die Dicke der dielektrischen

Glaskeramikkörper zur Herstellung der Kondensatoren.

Der dielektrische Glaskeramikkörper bildet ein

scheibenförmiges Substrat, dessen Substratdicke und

Substratradius zusammen mit dem Radius von

Metallisierungsschichten als Elektroden für einen zu entwerfenden Kondensator gemäß der Lehre der Erfindung bestimmbar sind. Die Lehre der Erfindung ist auch anwendbar bei der Herstellung von Kondensatoren, die aus

scheibenförmigen Substraten hersgestellt sind.

Die Erfinder nutzen die Tatsache, dass die

Durchschlagspannung (die Spannung am Kondensator bis zum Durchschlag) eines Glaskeramik-Kondensators bei abnehmender Dicke der Glaskeramik-Schicht steigt. Dies ist eine große Hilfe bei der Konstruktion von Hochleistungskondensatoren kleiner Bauweise bei hoher Durchschlagsspannung. Bei der Bemessung der Glaskeramik-Kondensatoren muss schließlich berücksichtigt werden, dass Feldüberschläge an den Rändern der Glaskeramik verhindert oder zumindest in einem

tolerierbaren Bereich gehalten werden müssen. Damit werden gemäß der Erfindung Glaskeramik-Kondensatoren zur Verfügung gestellt, die von räumlich geringer Dimension sind, bei denen aber Durchschläge des elektrischen Feldes nur in einem tolerierbaren Maß vorkommen oder praktisch ausgeschlossen werden können. Ferner können entsprechende Kondensatoren kostengünstig hergestellt werden.

Gemäß Erfindung wird ein Glaskeramik-Kondensator für

Anwendungen zwischen 3kV und lOOkV, insbesondere zwischen 5kV und 60kV, bei hohen Durchschlagsfeldstärken konstruiert und hergestellt, der als Dielektrikum einen dielektrischen Glaskeramikkörper umfasst, der aus flüssiger Glasphase äußerst porenarm oder porenfrei unter einem Gehalt an ferroelektrischem Material in Kristallit-Form der

Größenordnung 10 nm bis 100 nm, oder an paraelektrischem Material in Kristallit-Form der Größenordnung 0,1 bis 50 pm und mit einem Gehalt an Glasbildner erzeugt worden ist und ein scheibenförmiges Substrat für den Kondensator, oder für einen Teil-Kondensator bildet, wobei das Substrat eine Substratdicke (d) , einen Substratradius ( r i ) sowie eine Scheibenoberseite, eine Scheibenunterseite und einen

Scheibenrand aufweist. Das Ausmaß der Porenfreiheit wird mittels der sogenannten Volumenfüllung angegeben. Letztere beträgt für den dielektrischen Glaskeramikkörper des erfindungsgemäßen Kondensators wenigstens 99,97%. In der Praxis wird eine Volumenfüllung von 99,9999% erreicht. Als hohe Durchschlagsfeldstärke werden solche im Bereich von lOkv/mm bis lOOkv/mm und darüber betrachtet.

Ferner umfasst der Glaskeramik-Kondensator als erste

Elektrode eine erste Metallisationsschicht mit

Metallisierungsradius (r₂) , welche die Scheibenoberseite unter Bildung einer ersten Metallisationskante und unter Freilassung eines oberen Scheibenrandbereiches bedeckt, sowie als zweite Elektrode eine zweite

Metallisationsschicht mit Metallisierungsradius (r₂) , welche die Scheibenunterseite unter Bildung einer zweiten Metallisationskante und unter Freilassung eines unteren Scheibenrandbereiches bedeckt, wobei die erste

Metallisationskante und die zweite Metallisationskante sich beidseitig des Glaskeramikkörpers gegenüberstehen, was die Stelle des größten Durchschlagsrisikos mit einem maximalen elektrischen Feld (E_max) bei einem homogenen Innenfeld (E₀) im Raum zwischen erster und zweiter Metallisationsschicht bildet, wobei zur Bestimmung der elektrischen und

geometrischen Werte eines zu entwerfenden Kondensators zunächst von einer Serie von Test-Kondensatoren mit

vorbestimmter, definierter Geometrie ausgegangen wird, deren Durchschlagfestigkeiten für eine Weibullstatistik ausgemessen werden, wobei mit Werten wie folgt gearbeitet wird :

a) eine tolerable Durchschlagswahrscheinlichkeit (p) , b) ein Substratradius (ri_n) ,

c) eine Substratdicke (d_n) , d) ein Radius Metallisierungsschicht (r_2n) ,

e) Weibull-Gütekennwerte (b_n, E_0n) , wobei „b" die Steigung im doppel-logarithmischen Kennfeld der

Ausfallwahrscheinlichkeit [%] über der E-Feldstärke [kV/mm] bei der Serie von Test-Kondensatoren bezeichnet und

typische Werte bei 3 < b < 6 liegen, jedoch auch bis zu 18 vorkommen können, wenn p sehr klein ist, und E_on des homogenen Innenfelds der Testkondensatoren bedeuten, f) aus Feldberechnungen ermittelte Zahlenwerte ( ) , (ß), (γ) , wobei die Größe von und ß in Abhängigkeit von der

Durchschlagsfestigkeit für zwischen 0,18 und 0,2 sowie für ß zwischen 0,5 und 1 liegen kann, und γ zu 2/3

angenommen werden kann, woraus

g) das maximale elektrische Feld (E_max, ₀) der Serie von Test-Kondensatoren und eine Vergleichsdicke (d₀) ermittelt werden, woraus wiederum

h) die maximal erlaubte Spannung (0) , und das maximale elektrische Feld (E_max) des zu entwerfenden Kondensators bei einer Kondensatorsubstratdicke (d) , gemessen in mm, wie folgt berechnet werden:

Sofern für den Glaskeramikkörper des Kondensators

ferroelektrisches Material in Kristallit-Form verwendet wird, weist der Glaskeramikkörper in einer bevorzugten Ausführungsform folgende Zusammensetzung in Mol% auf:

Si0₂ B₂0₃ BaO CaO A1₂0₃ Ti0₂ Ce0₂ La₂0₃ 9-22 0-3 30-40 0-6 1-12 30-40 0-20 0-2

Hierbei ist wenigstens BaTi0₃ als eine auskristallisierte ferroelektrische Phase zugegen, wobei bei der Glasbildung sich der teilweise Ersatz von Ba durch Ce oder La ergibt.

Sofern für den Glaskeramikkörper des Kondensators

paraelektrisches Material in Kristallit-Form verwendet wird, weist der Glaskeramikkörper in einer bevorzugten Ausführungsform folgende Zusammensetzung in Mol% auf:

Hierbei ist wenigstens Ba4Al₂ ii₀O27 als eine

auskristallisierte paraelektrische Phase zugegen, wobei bei der Glasbildung sich der teilweise Ersatz von Ba durch La und der teilweise Ersatz von Ti durch Zr ergibt.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der

erfindungsgemäße Kondensator je eine ringförmige Zone mit erhöhtem spezifischem Widerstand im Vergleich zum

spezifischen Widerstand der Metallisierungsschichten zwischen erster Metallisationskante und oberem

Scheibenrandbereich, beziehungsweise zwischen zweiter

Metallisationskante und unterem Scheibenrandbereich, auf. Die Geometrie des Kondensator wird durch das Verhältnis des Durchmessers (2r₂) der Metallisierung zur Substratdicke (d) beschrieben. Dieses Verhältnis liegt in einem Bereich zwischen 10 und 300, bevorzugt in einem Bereich zwischen 15 und 200. Das ferroelektrische Material des Kondensators weist eine relative Permittivität im Bereich zwischen 100 und 600, bevorzugt im Bereich zwischen 200 und 500 auf.

Es sei darauf hingewiesen, dass "relative Permittivität " der Normbegriff für die Dielektrizitatszahl oder die dielektrische Konstante ist. Die relative Permittivität ist ein Maß für die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder. Sie ergibt sich als das Verhältnis der Permittivität des jeweiligen Materials zur elektrischen Feldkonstante .

Das dielektrische Material des Kondensators weist eine relative Permittivität im Bereich zwischen 15 und 70, bevorzugt im Bereich zwischen 25 und 50 auf.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des

erfindungsgemäßen Kondensators ist die Dicke des

Glaskeramikkörpers im Bereich der sich gegenüberstehenden Metallisierungskanten vergrößert. Hierdurch wird der

Verlauf der elektrischen Feldlinien „verteilt", das heißt die Dichte der Feldlinien nimmt an der kritischen

Randstelle ab. Dadurch wird die Durchschlagsspannung erhöht.

Der Scheibenrand des Glaskeramikkörpers des Kondensators kann alternativ abgerundet sein, wodurch ebenfalls die Durchschlagsspannung erhöht wird.

In einer weiteren Ausführungsform weist der Kondensator einen Glaskeramikkörper auf, der aus einzelnen aufeinander gestapelten SubstratScheiben als ein Scheibenpaket mit zusätzlichen inneren Metallisierungsschichten auf den einzelnen SubstratScheiben aufgebaut ist. Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kondensators kann dahingehend modifiziert werden, dass die inneren Metallisierungsschichten eine größere Fläche gegenüber den äußerenMetallisierungsschicht einnehmen . Ferner können die einzelnen SubstratScheiben des

Scheibenpakets des Kondensators eine zunehmende

Scheibendicke zur Mitte des Scheibenpakets hin aufweisen.

Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Teile beziehen.

Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch einen Glaskeramik-Kondensator einer ersten Ausführungsform in perspektivischer

Darstellung,

Fig.2 ein Diagramm der normierten maximalen

elektrischen Feldstärke E_max/E₂ zum Verhältnis r₂/d aus Metallisationsradius und Substratdicke

(d) , für die Ausführungsform gemäß Fig. 1,

Fig.3 einen Schnitt durch einen Glaskeramik-Kondensator einer zweiten Ausführungsform in perspektivischer

Darstellung, Fig.4 ein Diagramm der normierten maximalen

elektrischen Feldstärke E_max/E₀ zu dem

spezifischen Widerstand einer zusätzlichen ringförmigen Zone für die Ausführungsform der Fig. 3 beim Anlegen einer Gleichspannung,

Fig.5 ein Diagramm der normierten maximalen

elektrischen Feldstärke E_max/E₀ zu dem

spezifischen Widerstand der zusätzlichen ringförmigen Zone der Ausführungsform gemäß Fig.

3 beim Anlegen einer Wechselspannung,

Fig.6 ein Ersatzschaltbild für die Ausführungsform

gemäß Fig.3,

Fig.7 einen Schnitt durch einen Glaskeramik-Kondensator einer dritten Ausführungsform in perspektivischer Darstellung, Fig. 8 einen Schnitt durch einen Glaskeramik-Kondensator einer vierten Ausführungsform in perspektivischer Darstellung,

Fig. 9 eine elektromikroskopische Aufnahme einer

Keramik, und

Fig. 10 eine elektromikroskopische Aufnahme einer

Glaskeramik mit zwei unterschiedlichen Auflösungen . Herstellung der Glaskeramik

Bei der Glaskeramik handelt es sich um ein Glas, bei dem die Kristallisation aus der Schmelze begonnen hat. Dies setzt voraus, dass vor den Kristallisationsvorgängen bereits eine Keimbildung begonnen hat. Wenn Glaskeramik als Dielektrikum für Kondensatoren verwendet werden soll, dann müssen die Bestandteile der Ausgangsmaterialien so gewählt werden, dass sich ein gleichmäßige und dichte Verteilung von sich bildenden Kristallkeimen ergibt. Wenn aus der Glasschmelze sich Kristallite gebildet haben, beeinflussen diese die relative Dielektrizitätskonstante ε. Je höher der erreichte Wert von ε ist, umso dünner kann das Dielektrikum bei einem Kondensator für eine vorgegebene

Durchschlagsfestigkeit gewählt werden.

Besonderes hohe Werte der relativen

Dielektrizitätskonstanten ε können bei Glaskeramiken mit ferroelektrischem Material in Kristallit-Form erzielt werden. Die Werte sind allerdings nicht konstant, sondern zeigen eine starke Temperaturabhängigkeit (eps = 220, 1/eps dps/dT > 1500 ppm/°K) .

Bei Anwendungen von Kondensatoren mit quasi konstanter relativer Dieletrizitätskonstanten ε kann man

paraelektrisches Material in Kristallit-Form benutzen. In diesem Fall ergibt sich eine schwache

Temperaturabhängigkeit der dielektrischen Eigenschaften (z.B eps = 34, (1) eps d eps/dT/<500 ppm/°K). Geeignete Zusammensetzungen in Mol% zum Erschmelzen einer Glaskeramik mit ferroelektrischer Phase für Kondensatoren wird in Tabelle 1 angegeben. Si0₂ B₂0₃ BaO CaO A1₂0₃ Ti0₂ Ce0₂ La₂0₃

9-22 0-3 30-40 0-6 1-12 30-40 0-2 0-2

Tabelle 2 gibt weitere Zusammensetzungen in Mol% mit paraelektrischer Phase für Glaskeramik an, die als

Dielektrikum in Kondensatoren besonders geeignet sind.

Um zu den aus der Glasschmelze ausgeschiedenen Kristalliten zu gelangen, woraus sich die Glaskeramik ergibt, muss man eine über die Zeit gehende Temperaturbehandlung der

Glaskeramik ausführen. Man kühlt von der Schmelztemperatur des Glases ausgehend bis zum Erreichen einer

Keimbildungstemperatur ab, verharrt bei der

Keimbildungstemperatur ausreichend lange und erhöht die Temperatur bis zum Erreichen der

Kristallisierungstemperatur, bei der man dann verharrt, bis die Kristallite zu der Größe gewachsen sind, die man für die Glaskeramik wünscht.

Die elektronenmikroskopische Aufnahme der Fig. 10 zeigt die Porenlosigkeit der Probe sowie die Feinheit und

Gleichmäßigkeit der Verteilung der Kristallite im

Verhältnis zu Fig. 9, die eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines keramischen Dielektrikums zeigt.

Bei den angegebenen Zusammensetzungen tritt die

Kristallphase BaTi0₃ als Ferroelektrikum auf, und zwar ausgehend von einer kubischen Phase macht BaTi0₃ einen ferroelektrischen Phasenübergang zu einer tetragonalen Phase durch. An der Curietemperatur erreicht die

Dielektrizitätskonstante extrem hohe Werte von 10.000 und mehr. Unterhalb der Raumtempertur befindet sich ein

weiterer ferroelektrische Übergang, bei dem der Kristall von der tetragonalen zur orthorhombischen Symmetrie

übergeht. Letztlich wird die große elektrische

Polarisierbarkeit durch die leichte Verschiebbarkeit des vier-fach positiv geladenen Ti gegenüber seinem Nachbarn, den zwei-fach negativ geladenen

Sauerstoffatomen, erzeugt. Ferroelektrika sind nichtlineare Dielektrika, die eine Hysterese in der Polarisation als Funktion des angelegten elektrischen Feldes zeigen.

Insofern sollte man nicht von einer Dielektrizitäts- "Konstanten" sprechen.

Wenn man ein lineares Dielektrikum in Abhängigkeit des angelegten elektrischen Feldes benötigt, erzeugt man

Ba₄Al₂ i₁₀O27 als paraelektrische Kristallphase.

Ausführungsformen von Glaskeramikkondensatoren

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird nunmehr eine erste

Ausführungsform eines Glaskeramik-Kondensators 1

beschrieben, der gemäß Erfindung konstruiert und

hergestellt werden soll. Dieser umfasst als Dielektrikum einen Glaskeramikkörper 10, der geschnitten und

perspektivisch dargestellt ist. Der dielektrische

Glaskeramikkörper 10 bildet ein scheibenförmiges Substrat mit einer Substratdicke d, mit einem Substratradius ri, mit einer Scheibenoberseite, mit einer Scheibenunterseite und mit einem Scheibenrand.

Der Glaskeramikkörper 10 wurde, wie sich aus dem Vergleich der Fig. 9 zu Fig. 10 ergibt, äußerst porenarm oder porenfrei aus einer flüssigen Glasphase erzeugt.

Die Bariumtitanat-Kristallite in Fig. 10 sind etwas heller als die Restglasphase und etwa 30-50 nm groß. In der Keramik der Fig. 9 sind die Bariumaluminiumtitanat- Kristallite etwa 70 nm groß und es befinden sich viele Poren in dem Keramikkörper, die dunkel erscheinen.

Der Grad der Porenfreiheit wird mittels der Volumenfüllung angegeben. Diese beträgt bei dem Glaskeranikkörper 10

99,9999 %. Der Porenanteil sollte jedenfalls 0.03% nicht übersteigen .

Der Glaskeramikkörper 10 ist mit einem Gehalt an

ferroelektrischem Material in Kristallit-Form der

Größenordnung im Bereich von 10 nm bis 100 nm oder an paraelektrischem Material in Kristallit-Form der

Größenordnung im Bereich von 0,1 pm bis 50 pm erzeugt worden. Die Kristallite sind in einer Restglasphase eingebettet, die etwa zwei Drittel der Glaskeramik

ausmacht. Es wurden für die Glaskeramik mit dem

ferroelektrischen Material BaTi0₃ Kristallitgrößen im Bereich von 30 nm bis 50 nm gemessen. Damit liegt die Größenordnung der ferroelektrischen Kristallite im

Größenordnungsbereich von ferroelektrischen Domänen von etwa 10 nm. Für die Glaskeramik mit paraelektrischem

Material Ba₄Al₂Tii₀O27 sind Kristallitgrößen im Bereich 1 pm bis 10 pm gemessen worden. Die Kristallite sind wesentlich kleiner als die Dicke der Glaskeramikkörper für

Kondensatoren (die in der Größenordnung von 1mm liegen) und die Struktur der Kondensatoren erscheint nach außen

mikroskopisch homogen.

Ein Ausführungsbeispiel für einen Glaskeramikkörper 10 mit der ferroelektrischen Phase BaTiC>3 weist die folgende

Zusammensetzung in wt% und Mol% auf:

Bei der Glasbildung ergibt sich im Falle dieser

Zusammensetzung der teilweise Ersatz von Ba durch Ce oder bei einer ähnlichen Zusammensetzung, jedoch mit einem

Gehalt in La, der teilweise Ersatz von Ba durch La.

Das ferroelektrische Material des Glaskeramikkörpers 10 weist eine relative Permittivität im Bereich zwischen 100 und 600, bevorzugt im Bereich zwischen 200 und 500 auf.

Ein Ausführungsbespiel für einen Glaskeramikkörper mit der paraelektrischen Phase Ba₄Al₂Tii₀O27, La₄Ti₂Si09 oder

La₂Ti₂Si0₉ weist die folgende Zusammensetzung in wt% und Mol% auf:

Si0₂ A1₂0₃ BaO La₂0₃ Ti0₂ Zr0₂ Ce0₂

3, 606 9, 181 34, 28 6, 112 37, 883 8, 668 0, 323

6, 395 9, 595 23,788 1, 999 50, 526 7,496 0,200 Bei der Glasbildung ergibt sich im Falle dieser

Zusammensetzung der teilweise Ersatz von Ba durch La und der teilweise Ersatz von Ti durch Zr. Das paraelektrische Material des Glaskeramikkörpers 10 weist eine relative Permittivität im Bereich zwischen 15 und 70, bevorzugt im Bereich zwischen 25 und 50 auf.

Bezugnehmend auf Fig. 1 ist auf der Oberseite des

Glaskeramikkörpers 10 ein erster Metallisationsbereich 11 mit Radius r₂ aufgebracht, so dass ein oberer

Scheibenrandbereich 12 freigelassen wird. Die Grenze zwischen erster Metallisationsschicht 11 und oberem

Scheibenrandbereich 12 wird durch eine Metallisationskante 15 gebildet. Spiegelbildlich zur Oberseite weist der

Kondensator 1 auf seiner Unterseite einen zweiten

Metallisationsbereich 13 mit Radius r₂ und mit einer zweiten Metallisationskante 16 sowie einen unteren

Scheibenrandbereich 14 auf. Zusammen bilden der erste

Metallisationsbereich 11 und der zweite

Metallisationsbereich 13 die beiden Elektroden des

Kondensators 1.

Die erste Metallisationskante 15 auf der Oberseite des Glaskeramikkörpers 10 und die zweite Metallisationskante 16 auf der Unterseite des Glaskeramikkörpers 10 stehen sich gegenüber und diese Stelle bildet die Stelle des größten Durchschlagsrisikos mit einem maximalen elektrischen Feld E_max bei einem homogenen elektrischen Feld der Feldstärke E₀ in dem Raum zwischen erster und zweiter

Metallisationsschicht 11, 13. Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der normierten maximalen elektrischen Feldstärke E_max/E₀ vom Verhältnis aus Radius r₂ der beiden Metallisationsschichten 11, 13 und Substratdicke d. Die untere Kurve zeigt diesen Verlauf für den Fall, dass an den Kondensator 1 eine Wechselspannung mit einer

Frequenz von 100 Hz angelegt wird, die obere Kurve den Fall einer angelegten Gleichspannung. Beide Kurven zeigen, dass das maximale elektrische Feld E_max mit zunehmendem

Verhältnis r₂/d abnimmt. Dies beinhaltet die überraschende Tatsache, dass der Feldanstieg, das maximale elektrische Feld E_max an der Stelle des größten Durchschlagrisikos abnimmt, je kleiner das Verhältnis r i/d oder r₂/d ist, dass heißt je dünner der Glaskeramikkörper 10 ist. Mit anderen Worten: Die Durchschlagfeldstärke nimmt mit abnehmender Dicke des Glaskeramikkörpers zu, was auch für die

Speicherdichte zutrifft. Mit abnehmender Dicke nimmt aber die Durchschlagsspannung ab.

Vor dem Hintergrund dieser Erkenntnis haben die Erfinder nunmehr eine Skalierungsregel zur Bestimmung der

elektrischen und geometrischen Parameter eines zu

entwerfenden, erfindungsgemäßen Kondensators 1 entwickelt.

Zunächst werden bestimmte Werte für eine Serie von

Testkondensatoren mit Parameterwerten ähnlich zu dem zu entwerfenden Kondensator angenommen, jedoch mit einer bestimmten, definierten Geometrie. Für diese Serie werden die Durchschlagsfestigkeiten gemessen, um eine

Weibullstatistik zu erstellen und das maximale elektrische Feld (E_maXf o ) bei den Textkondensatoren zu ermitteln. Dies stellt die Basis für die Designregeln des neuen, zu entwerfenden Kondensators dar, der geänderte Geometrien aufweisen kann.

Es wird darauf hingewiesen, dass die

Durchschlagsfeldstärken, d. h. das maximale elektrische

Feld, bei dem der Durchschlag durch den Glaskeramikkörper erfolgt, stark von der Geometrie der Kondensatoren abhängig sind. Normalerweise treten Werte um 60kV/mm bis 80kV/mm auf. Bei sehr dünnen Glaskeramiken (Dicken kleiner 0,1 mm) werden Werte größer als lOOkV/mm erwartet. Im Einzelnen sind folgende Werte die Basis von Berechnungsformeln für Nennwerte von Test-Kondensatoren:

a) Eine tolerable Durchschlagswahrscheinlichkeit p,

b) ein Substratradius ri_n in mm,

c) eine Substratdicke d_n in mm,

d) ein Radius r_2n in mm der beiden Metallisierungsschichten, e) Weibull-Gütekennwerte b_n, E_on für die Beschreibung der Verteilung der Ausfallwahrscheinlichkeit der

Testkondensatoren, wobei „b" die Steigung der

Ausfallwahrscheinlichkeit bei zunehmender Feldstärke des

E-Feldes bezeichnet und E_on das homogene elektrische Feld im Inneren der Test-Kondensatoren bedeuten. Im doppel- logarithmischen Kennfeld der Ausfallwahrscheinlichkeit über der elektrischen Feldstärke [kV/mm] bei der Serie der Testkondensatoren kann der Wert von „b" als Steigung abgelesen werden, wobei je niedriger die tolerable

Durchschlagswahrscheinlichkeit, umso höher liegt der Wert von „b" . Typische Werte von „b" liegen zwischen 3 und 6, sehr gute Werte können bis 18 ansteigen. f) Bei numerischen Simulationen haben die Erfinder durch Fitten Zahlenwerte ( ) , ß) , (γ) für Berechnungsformeln ermittelt, wobei zwischen 0,18 und 0,2, ß zwischen 0,5 und 1 liegen können und γ zu 2/3 angenommen werden kann.

Die Berechnungsformeln dienen zur Ermittlung von

Konstruktionsgrößen von Glaskeramik-Kondensatoren, wie Scheibenradius ri , Metallisierungsradius r₂ und

Schichtdicke d des Dielektrikums. Nach den elektrischen Hauptgrößen aufgelöst, lauten die Berechnungsformeln wie folgt :

Nachfolgend werden Werte für ein Ausführungsbeispiel gegeben :

Durchschlagswahrscheinlichkeit P = 10 %

E_maXf0 = 25 kV/mm,

d₀ = 0,5 mm,

r_2n = 10 mm,

Y = 2/3,

ß = 1/2,

= 0,2

b = 3 Mit diesem Parameterwert aus der Testserie kann E_max für den zu konstruierenden Kondensator berechnet werden. Unter nunmehriger Bezugnahme auf Fig. 3 wird im Folgenden eine zweite Ausführungsform eines Glaskeramik-Kondensators 2 beschrieben, für den hinsichtlich Geometrie und

Zusammensetzung die entsprechenden Ausführungen zur ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 gelten, auch werden die gleichen Bezugszeichen für gleiche Elemente benutzt. Jedoch ist zwischen der ersten Metallisationskante 15 und dem oberen Scheibenrandbereich 12 sowie zwischen der zweiten Metallisationskante 16 und dem unteren Scheibenrandbereich 14 jeweils eine zusätzliche ringförmige Zone 21 bzw. 22 mit einem spezifischen Widerstand auf den Glaskeramikkörper 10 durch Beschichtung aufgebracht. Der spezifische Widerstand dieser ringförmigen Zonen 21, 22 mit niedrigem spezifischen Widerstand ist höher als der spezifische Widerstand der beiden Metallisierungsschichten 11, 13.

Wie bereits ausgeführt, tritt ohne solche ringförmigen Zonen 21, 22 der Spitzenwert E_max des elektrischen Feldes zwischen den Metallisationskanten 15, 16 auf. Wenn solche ringförmigen Zonen 21, 22 aufgebracht werden, dann

entspricht dieser Extremfall lediglich einer Vergrößerung des Radius der Metallisationsschichten und führt dazu, dass der Spitzenwert des elektrischen Feldes näher an der äußeren Begrenzung des Glaskeramikkörpers auftritt, was nicht erwünscht ist. Beim anderen Extremfall, wenn der spezifische Widerstand der Zonen 21, 22 sehr hoch ist, dann bleibt es beim Spitzenwert des elektrischen Feldes zwischen den ursprünglichen Metallisationskanten. Durch Variation des spezifischen Widerstands der ringförmigen Zonen 21, 22 ist also der Widerstandswert zu finden, für den der

Spitzenwert des elektrischen Feldes bei gegebener Geometrie und Betriebsfrequenz minimal wird. Dabei verteilen sich die austretenden Rand-Feldlinien auf die Ringzonen 21, 22 und bleiben nicht an der Metallisierungskante konzentriert.

Die Ergebnisse entsprechender Untersuchungen werden in Fig. 4 dargestellt. Fig. 4 zeigt in einem Diagramm die

Abhängigkeit der normierten maximalen elektrischen

Feldstärke E_max /E₀ vom spezifischen Widerstand p_L [ üm] der ringförmigen Zonen 21, 22 bei Anlegen einer Gleichspannung. E₀ = die Feldstärke des homogenen Feldes im Inneren des Kondensators 2. Die Untersuchungen wurden aus

Vergleichsgründen für einen erfindungsgemäßen Kondensator mit einem Glaskeramikkörper als Dielektrikum und für einen Kondensator gleicher Geometrie, aber mit Öl als

Dielektrikum durchgeführt. Für beide betrachteten

Dielektrika ergibt sich nahezu der gleiche günstige Wert für den spezifischen Widerstand der ringförmigen Zonen 21, 22 im Bereich 1 x 10⁸ bis 1 x 10¹⁰ Qm und einem Optimum bei 1 x 10⁹ Qm .

Fig. 5 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit der

normierten maximalen elektrischen Feldstärke E_max/E₀ vom spezifischen Widerstand p_L [ Qm] der ringförmigen Zonen 21, 22 bei Anlegen einer Wechselspannung mit einer Frequenz von 100 Hz. Die Untersuchungen wurden aus Vergleichsgründen für einen erfindungsgemäßen Kondensator mit einem

Glaskeramikkörper als Dielektrikum und für einen

Kondensator gleicher Geometrie, aber mit Öl als Dielektrikum durchgeführt. Aus Fig. 5 folgt, dass es ein Optimum für den dielektrischen Verlust gibt, bei dem die Durchschlagsfestigkeit maximal ist. Jedoch muss im Design noch die Frequenzanforderung berücksichtigt

werden (Ersat zschaltbild) .

Fig. 6 ist ein Ersatzschaltbild für die Ausführungsform gemäß Fig. 3. Die ringförmige Zone bildet ein RC- Serienglied mit ohmschem Widerstand R₂ und Kapazität C₂ zusätzlich zu dem RC-Parallelglied mit ohmschen Widerstand Ri und Kapazität Ci. Wenn ein Kondensator gemäß Fig. 3 entworfen ist, wird überprüft, ob die Soll-Grenzfrequenz oder Cutoff Frequenz f_c nach bekannten Ingenieurregeln eingehalten wird.

Beispiel

Für den Erhalt einer Skalierungsregel für den spezifischen Widerstand einer ringförmigen Zone 21, 22 für einen

Kondensator, der für Arbeitsfrequenzen unterhalb von 1 kHz vorgesehen ist, wurde ein Kondensator mit folgenden Werten festgelegt :

Nennkapazität: 5,5 nF

Nennspannung: 30 kV

Bei Verwendung von Glaskeramik mit einer relativen

Permittivität ε des Dielektrikums von 220 wurden folgende Werte ermittelt:

Elektrische Feldkonstante: 8,85 · 10^~12 As/Vm,

Dicke des Dielektrikums: 1 mm,

Radius r₂ der Metallisationsschicht: 30 mm, Gesamtradius r₃ von Metallisationsschicht und ringförmiger Zone: 34 mm,

Kapazität der ringförmigen Zone C₂ : 1,56 · 1CT⁹ F,

Höhe oder Dicke der ringförmigen Zone h: 5 · 1CT³ mm, elektrischer Widerstand R₂ der ringförmigen Zone: 102 kQ Cutoff Frequenz f_c: 1000 Hz,

Spezifischer Widerstand p des Materials für die ringförmige Zone: 2 kQm. Um eine Cutoff Frequenz f_c von 1000 Hz zu erhalten, muss das Material der ringförmigen Zone passend gewählt werden, wobei gilt:

Ein Material mit einem spezifischen Widerstand p von 2 kQm in einer Dicke von 5pm erfüllt diese Bedingung und kann als Paste durch Beschichtung auf den Glaskeramikkörper

aufgebracht werden.

Die Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 1 und 3 können auf zweierlei Weise variiert werden.

Zum Einen kann die Dicke des Glaskeramikkörpers im Bereich der sich spiegelbildlich gegenüber stehenden

Metallisierungskanten erhöht werden. Die sich ergebende Form des Glaskeramikkörpers wird auch als Rogowski-Profil bezeichnet . Zum Anderen kann der Scheibenrand des Glaskeramikkörpers abgerundet werden. Diese beiden Weiterbildungen führen dazu, dass der Verlauf des elektrischen Feldes im Randbereich des Kondensators abgeflacht wird, was zu einer höheren Durchschlagsspannung führt, dass heißt der elektrische Durchbruch erfolgt erst bei einer höheren Spannung relativ zu dem Fall ohne die Weiterbildung .

Unter nunmehriger Bezugnahme auf Fig. 7 wird eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kondensators

beschrieben. Fig. 7 ist ein Schnitt durch einen Kondensator 3 in perspektivischer Darstellung. Der Kondensator 3 ist an seiner Oberseite mit einer Metallisierungsschicht 11 und an seiner Unterseite mit einer Metallisierungsschicht 13 versehen, wobei jeweils ein Randbereich 12, 14 frei bleibt. Statt des massiven Glaskeramikkörpers 10 der beiden zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele weist der Kondensator 3 einen laminierten Glaskeramikkörper 30 auf, der aus

einzelnen Glaskeramikscheiben 30a mit zwischen ihnen befindlichen Metallisierungsschichten 31 besteht. Der

Kondensator 3 ist somit als ein Scheibenpaket aufgebaut und besteht aus hintereinander geschalteten Einzel- Kondensatoren, wodurch die mögliche GesamtSpannung des Kondensators 3 gegenüber den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1 oder 3 erhöht wird. Gleichzeitig steigt die

Durchschlagsfestigkeit erheblich, wie sich aus der Formel für gespeicherte Energiedichte ergibt:

W = ^ε₀ ε U²/d² [I/m³] ε₀= absolute Dielektrizitätskonstante,

ε= relative Dielektrizitätskonstante, U= angelegte Spannung,

d= Schichtdicke des Dielektrikums.

Die Durchschlagsfestigkeit geht quadratisch in W ein, während ε nur linear in die Formeln des maximalen

elektrischen Feldes E_max und der Energiedichte W eingeht. Es lohnt sich also, einen Kondensator bei gleicher Fläche dünner zu machen. Bei Fig. 7 sind mehrere dünne

Einzelkondensatoren in Reihe geschaltet, somit kann die hohe Durchschlagfestigkeit für hohe Spannungen bei dünnen Kondensatoren nutzbar gemacht werden.

Wird eine ungerade Anzahl von Metallisierungsschichten 31 geplant, so kann die mittlere Schicht aus Symmetriegründen entfallen, wie in Fig. 8 dargestellt.

In einer nicht dargestellten Weiterbildung des

Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 7 oder 8 nehmen die

Metallisierungsschichten im Inneren des Glaskeramikkörpers 30 eine größere Fläche ein (haben einen etwas größeren Radius) , als die erste und die zweite

Metallisierungsschicht auf der obere- bzw. der Unterseite des Glaskeramikkörpers. Um einen nennenswerten Effekt auf die Feldverteilung an der kritischen Stelle, den Randkanten 15, 16 der Metallisierungsschichten zu erlangen, muss das Maß der Vergrößerung der Metallisierungsschichten 31 im Inneren des Glaskeramikkörpers in der Größenordnung der Dicken der einzelnen Glaskeramikscheiben 30a sein. Wenn solche Glaskeramikscheiben 1 mm dick sind, sollten die inneren Metallisierungsschichten 31 einen um etwa 1 mm größeren Radius aufweisen als die erste oder zweite

Metallisierungsschicht 11, 13. Unter nunmehriger Bezugnahme auf Fig. 8 wird eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kondensators

beschrieben. Fig. 8 ist ein Schnitt durch einen Kondensator 4 in perspektivischer Darstellung, der hinsichtlich der Schichtenfolge des laminierten Glaskeramikkörpers 40 aus Glaskeramikscheiben und Metallisierungsschichten gleich aufgebaut ist wie der Kondensator 3 in Fig. 7. Allerdings weisen die einzelnen Scheiben eine zur Mitte des

Scheibenpakets hin zunehmende Dicke auf. Gemessen an der Anzahl der Scheiben weist der Kondensator 4 eine erhöhte Durchschlagsfestigkeit auf.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Konstruktion und Herstellung von

Glaskeramik-Kondensatoren, insbesondere für

Hochspannungsanwendungen zwischen 3kV und lOOkV,

mit folgenden Schritten:

a) Erzeugen wenigstens eines scheibenförmigen

Substrats aus dielektrischer Glaskeramik aus flüssiger Glasphase äußerst porenarm oder porenfrei unter einem Gehalt an ferroelektrischem Material in

Kristallit-Form der Größenordnung zwischen 10 nm und 100 nm oder an paraelektrischem Material in Kristallit-Form der Größenordnung zwischen 0,1 pm und 50 pm, wobei die Glaskeramik eine Restglasphase enthält, in der die Kristallite eingebettet sind und wobei das Dielektrikum einen scheibenförmigen Glaskeramikkörper (10) bildet, oder schichtweise aus mehreren scheibenförmigen Substraten aufgebaut ist, und jedes scheibenförmige Substrat eine Substratdicke (d) , einen Substratradius (r^ sowie eine Oberseite, eine Unterseite und einen

Scheibenrand aufweist,

b) Aufbringen einer ersten Metallisierungsschicht (11) mit Metallisierungsradius (r₂) , welche die Oberseite des jeweiligen scheibenförmigen Substrats unter Bildung einer ersten Metallisationskante (15) und unter Freilassung eines oberen

Scheibenrandbereiches (12) bedeckt,

c) Aufbringen einer zweiten Metallisierungsschicht (13) mit Metallisierungsradius (r₂) , welche die

Unterseite des jeweiligen scheibenförmigen Substrats unter Bildung einer zweiten Metallisationskante (16) und unter Freilassung eines unteren Scheibenrandbereiches (14) bedeckt, so dass die erste Metallisationskante (15) und die zweite Metallisationskante (16) sich beidseitig des Glaskeramikkörpers (10) gegenüberstehen, oder bei einem schichtweise aufgebauten Kondensator die innenliegende Metallisationskante gegenüber der außenliegenden Metallisationskante zum Scheibenrand versetzt sein kann, wobei die sich

gegenüberstehenden Metallisationskanten die Stelle des größten Durchschlagsrisikos mit einem maximalen elektrischen Feld (E_max) bei einem homogenen

elektrischen Feld (E₀) im Raum zwischen erster und zweiter Metallisierungsschicht bilden,

Bestimmen der elektrischen und geometrischen Werte eines zu entwerfenden Kondensators, oder eines Teil-Kondensators im Falle eines schichtweise aufgebauten Kondensators, wobei von einer Serie von Test-Kondensatoren mit vorbestimmter, definierter Geometrie ausgegangen wird, deren

Durchschlagsfestigkeiten für eine Weibullstatistik ausgemessen wurden, wobei mit Werten der Test- Kondensatoren wie folgt gearbeitet wird:

da) eine tolerable Durchschlagswahrscheinlichkeit (P) ,

db) ein Substratradius (r_ln) ,

de) eine Substratdicke (d_n) ,

dd) ein Radius der Metallisierungsschicht (r_2n) , de) Weibull-Gütekennwerte (b_n, E_0n) , wobei „b" die Steigung der Ausfallwahrscheinlichkeit bei zunehmender Feldstärke des E-Feldes bezeichnet und durch Testwerte der Test-Kondensatoren ermittelt wird,

df) aus Feldberechnungen ermittelte Zahlenwerte in Abhängigkeit von der tolerablen

Durchschlagswahrscheinlichkeit (p) , die für zwischen 0,18 und 0,2, für ß zwischen 0,5 und 1, für γ bei 2/3 und für b zwischen 3 und 18 liegen, woraus

dg) das maximale elektrische Feld (E_max, ₀) und eine Vergleichsdicke (do) der Serie von Test- Kondensatoren ermittelt werden, woraus wiederum dh) die maximal erlaubte Spannung (0) und das maximale elektrische Feld (E_max) des zu

entwerfenden Kondensators, oder des Teil- Kondensators im Falle eines schichtweise aufgebauten Kondensators, bei einer Substratdicke des Kondensators oder des Teil- Kondensators (d) in mm wie folgt berechnet werden :

e) Durchführen der Schritte a) b) c) zur Herstellung des entworfenen Kondensators bei Entwurfswerten von 0 und E_max sowie mit den daraus ermittelten Entwurfsgrößen d und r₂.

2. Glaskeramik-Kondensator für Hochspannungsanwendungen zwischen 3 kV und 100 kV, umfassend : wenigstens ein scheibenförmiges Substrat aus

dielektrischer Glaskeramik mit ferroelektrischer Phase oder mit paraelektrischer Phase sowie mit einer Dicke

(d) und mit einem ersten Radius (rl) der Glaskeramik, wobei auf gegenüberliegenden Oberflächen des oder der scheibenförmigen Substraten jeweils als

Elektrodenflächen fungierende Metallisierungsschichten (11, 13) mit einem zweiten Radius (r2) aufgebracht sind derart, dass die Randkanten (15, 16) des oder der scheibenförmigen Substraten der

Metallisierungsschichten (11, 13) einander gegenüber stehen, oder bei einem schichtweise aufgebauten

Kondensator die innenliegende Metallisationskante gegenüber der außenliegenden Metallisationskante zum Scheibenrand versetzt sein kann,

wobei der zweite Radius (r2) kleiner ist als der erste Radius (rl), so dass auf den Oberflächen des

Substrats um die Metallisierungsschichten (11,13) jeweils ein von Metall freier Scheibenrandbereich (12, 14) verbleibt,

wobei die Glaskeramik eine Restglasphase enthält, in der die Kristallite eingebettet sind, und die

Glaskeramik porenfrei ist oder einen Porenanteil im

Volumen kleiner als 0,03 % aufweist,

und wobei der Kondensator bei einer vorgegebener zulässigen Nennspannung 0 und Radius r₂ der

Metallisierungsschichten eine Kapazität C aufweist, welche gegeben ist durch:

^{~ 0 r ' ~}d ^~ ' wobei εο die elektrische Feldkonstante und ε_Γ die relative Dielektrizitätskonstante der Glaskeramik sind, wobei die Dicke d der Glaskeramik bestimmt ist durch :

wobei γ = 2/3 angenommen werden kann und do eine

Vergleichsdicke ist, die aufgrund der Testwerte der Test-Kondensatoren ermittelt wurde, und

wobei ferner das maximale elektrische Feld E_max bestimmt ist durch

^■E,

d ₀

a—+ß

mm wobei , ß, b, r_2n und E_maXf0 als Konstanten zu behandeln sind, von denen CC, ß, b von der tolerablen

Durschlagswahrscheinlichkeit abhängen, mit Werten für CC zwischen 0,18 und 0,2, für ß zwischen 0,5 und 1 und für b zwischen 3 und 18 und r_2n den Metallisierungsradius bei den Testkondensatoren, sowie E_maXf0 das maximale

elektrische Feld bei den Testkondensatoren bedeuten.

3. Glaskeramik-Kondensator nach Anspruch 2, wobei r_2n = 10mm und E_maXf0 = 14KV/mm betragen.

4. Glaskeramik-Kondensator nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Glaskeramik folgende Zusammensetzung in Mol% aufweist :

wobei bei der Glasbildung sich der teilweise Ersatz von Ba durch Ce oder La ergibt und wenigstens BaTi0₃ als eine auskristallisierte ferroelektrische Phase zugegen ist, die in einer Größenordnungvon 10 nm bis 100 nm vorliegt.

5. Glaskeramik-Kondensator nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Glaskeramik folgende Zusammensetzung in Mol% aufweist :

wobei bei der Glasbildung sich der teilweise Ersatz von Ba durch La und der teilweise Ersatz von Ti durch Zr ergibt und wenigstens Ba₄Al₂Tii₀O₂7 als eine

auskristallisierte paraelektrische Phase zugegen ist, die in einer Größenordnung von 0,1 pm bis 50 pm vorliegt .

Glaskeramik -Kondensator nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei je eine ringförmige Zone (21, 22) mit erhöhtem spezifischem Widerstand im Vergleich zum spezifischen Widerstand der Metallisierungsschichten zwischen erster Metallisationskante (15) und oberem Scheibenrandbereich (12), beziehungsweise zwischen zweiter Metallisationsskante (16) und unterem

Scheibenrandbereich, angebracht sind. Glaskeramik-Kondensator nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das Verhältnis des Durchmessers (2r₂) der Metallisierungsschicht (11) zur Substratdicke (d) in einem Bereich zwischen 10 und 300, bevorzugt in einem Bereich zwischen 15 und 200 liegt.

Glaskeramik-Kondensator nach Anspruch 4, wobei das ferroelektrische Material eine relative Permittivität im Bereich zwischen 100 und 600, bevorzugt im Bereich zwischen 200 und 500 aufweist.

Glaskeramik-Kondensator nach Anspruch 5, wobei das paraelektrische Material eine relative Permittivität im Bereich zwischen 15 und 70, bevorzugt im Bereich zwischen 25 und 50 aufweist.

Glaskeramik-Kondensator nach einem der Ansprüche 2 bis

9, wobei die Dicke der Glaskeramik im Bereich der sich gegenüberstehenden Metallisationskanten (15, 16), vergrößert ist.

Glaskeramik-Kondensator nach einem der Ansprüche 2 bis

10, wobei der Scheibenrand der Glaskeramik abgerundet ist .

Glaskeramik-Kondensator nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Glaskeramik aus einzelnen aufeinander gestapelten SubstratScheiben (30a) als ein

Scheibenpaket mit zusätzlich inneren

Metallisierungsschichten (31) auf den einzelnen

SubstratScheiben (30a) aufgebaut ist. 13. Glaskeramik-Kondensator nach Anspruch 2, wobei die inneren Metallisierungsschichten eine größere Fläche gegenüber der ersten oder zweiten

Metallisierungsschicht (11, 13) einnehmen.

14. Glaskeramik-Kondensator nach Anspruch 12 oder 13, wobei die einzelnen SubstratScheiben des

Scheibenpakets zunehmende Scheibendicke zur Mitte des Scheibenpakets hin aufweisen.