DE102014106919B4

DE102014106919B4 - Verfahren zur Konstruktion und Herstellung von Glaskeramik Kondensatoren für Hochspannungsanwendungen und nach dem Verfahren bemessener und hergestellter Glaskeramik-Kondensator

Info

Publication number: DE102014106919B4
Application number: DE102014106919.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Letz; Nikolaus Schultz; Günter Weidmann; Michael Kluge; Jörn Besinger
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2014-05-16
Filing date: 2014-05-16
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2034-05-17
Also published as: WO2015173409A1; DE102014106919A1; WO2015173409A8

Abstract

Verfahren zur Konstruktion und Herstellung von Kondensatoren für Hochspannungsanwendungen zwischen 3 kV und 100 kV, mit folgenden Schritten: a) Erzeugen eines dielektrischen Glaskeramikkörpers (10) aus flüssiger Glasphase äußerst porenarm oder porenfrei unter einem Gehalt an ferroelektrischem Material in Kristallit-Form der Größenordnung weniger Nanometer oder an paraelektrischem Material in Kristallit-Form der Größenordnung bis wenige μm, wobei die Glaskeramik eine Restglasphase enthält, in der die Kristallite eingebettet sind und wobei der Glaskeramikkörper (10) einscheibenförmiges Substrat bildet, das eine Substratdicke (d), einen Substratradius (r1) sowie eine Scheibenoberseite, eine Scheibenunterseite und einen Scheibenrand aufweist, b) Aufbringen einer ersten Metallisationsschicht (11) mit Metallisierungsradius (r2), welche die Scheibenoberseite unter Bildung einer ersten Metallisationskante und unter Freilassung eines oberen Scheibenrandbereiches (12) bedeckt, c) Aufbringen einer zweiten Metallisationsschicht mit Metallisierungsradius (r2), welche die Scheibenunterseite unter Bildung einer zweiten Metallisationskante und unter Freilassung eines unteren Scheibenrandbereiches (14) bedeckt, so dass die erste Metallisationskante und die zweite Metallisationskante sich beidseitig des Glaskeramikkörpers (10) gegenüberstehen, was die Stelle des größten Durchschlagsrisikos mit einem maximalen elektrischen Feld (Emax) bei einem homogenen Innenfeld (E0) im Raum zwischen erster und zweiter Metallisationsschicht bildet, d) Bestimmen der elektrischen und geometrischen Werte eines zu entwerfenden Kondensators, wobei von einer Serie von Test-Kondensatoren mit vorbestimmter, definierter Geometrie ausgegangen wird, deren Durchschlagsfestigkeiten für eine Weibullstatistik ausgemessen werden, wobei mit Werten wie folgt gearbeitet wird: da) eine tolerable Durchschlagswahrscheinlichkeit (p), db) ein Substratradius (r1n), dc) eine Substratdicke (dn), dd) ein Radius der Metallisierungsschicht (r2n), de) Weibull-Gütekennwerte (bn, E0n), df) empirisch ermittelte Zahlenwerte (α = 0,189, β = 0,958, γ = 2/3), woraus dg) das maximale elektrische Feld (Emax, 0) der Serie von Test-Kondensatoren und eine Vergleichsdicke (d0) ermittelt werden, woraus wiederum ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Konstruktion und Herstellung von Kondensatoren für Hochspannungsanwendungen und auf Glaskeramik-Kondensatoren, die nach dem Verfahren bemessen und hergestellt werden.
Kondensatoren mit Glaskeramik als Dielektrikum sind bekannt. 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 A1 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 A1 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.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, wie Glaskeramik-Kondensatoren ausreichend dünn gebaut und insgesamt bemessen werden sollen, und dennoch für Hochspannungsanwendungen geeignet sind.
Schwierigkeiten und Bedenken wie folgt sind zu überwinden: Bisherige Glaskeramiken für Hochleistungskondensatoren enthalten Keramiken wie BST (Barium-Strontium-Titanat). Kondensatoren mit BaTiO₃, 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 des Anspruchs 1 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 sollen in der Größenordnung der ferroelektrischen Domänen liegen, dass heißt in Grenzen von 10 nm bis 100 nm bei der Glaskeramik BaTiO₃ liegen. Dies bedeutet, dass die Glaskeramik aus der flüssigen Glasphase unter strengen Herstellungsbedingungen gewonnen werden muss, um ferroelektrisches Material zu erzeugen, das bei der Umpolung 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 μm vorliegen. Dies bedeutet Kristallitgrößen im Bereich 0,1 μm bis 50 μm. 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 Erfinder nutzen die Tatsache, dass die Durchschlagspannung (die Spannung 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.
Erfindungsgemäß wird ein Kondensator für Anwendungen zwischen 3 kV und 100 kV, insbesondere zwischen 5 kV und 60 kV, bei hohen Durchschlagsfeldstärken bereitgestellt, 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 weniger Nanometer oder an paraelektrischem Material in Kristallit-Form der Größenordnung bis wenige μm und mit einem Gehalt an Glasbildner erzeugt worden ist und ein scheibenförmiges Substrat bildet, das eine Substratdicke (d), einen Substratradius (r₁) 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 10 kv/mm bis 100 kv/mm und darüber betrachtet.
Ferner umfasst der 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 (r_1n),
c) eine Substratdicke (d_n),
d) ein Radius Metallisierungsschicht (r_2n),
e) Weibull-Gütekennwerte (b_n, E_0n),
f) empirisch ermittelte Zahlenwerte (α = 0,189, β = 0,958, γ = 2/3), 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 (U ^), das maximal erlaubte elektrische Feld (E ^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 wt% auf:

Komponente SiO₂ B₂O₃ BaO CaO Al₂O₃ TiO₂ CeO₂

wt% 10,012 0,933 53,889 1,074 6,444 27,317 0,33
Hierbei ist wenigstens BaTiO₃ in der Glaskeramik 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 folgende Komponenten auf:

SiO₂ Al₂O₃ BaO La₂O₃ TiO₂ ZrO₂
Hierbei ist wenigstens Ba₄Al₂Ti₁₀O₂₇ in der Glaskeramik 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 Metallisierungskante und oberem Scheibenrandbereich, beziehungsweise zwischen zweiter Metallisierungskante 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.
In Folge des ferroelektrischen Materials des Kondensators weist dieser 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 Dielektrizitätszahl 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.
In Folge des paraelektrischen Materials des Kondensators weist dieser 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 Scheiben als ein Scheibenpaket mit zusätzlichen inneren Metallisierungsschichten auf den einzelnen Scheiben aufgebaut ist.
Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kondensators kann dahingehend modifiziert werden, dass die inneren Metallisierungsschichten eine größere Fläche gegenüber der ersten oder zweiten Metallisierungsschicht einnehmen. Auf diese Weise wird ausgenutzt, dass die Durchschlagsspannung bei dünnen Glaskeramik-Schichten höher ist als bei dickeren Schichten.
Ferner können die einzelnen Scheiben 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:
1 einen perspektivischen Schnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung,
2 für die Ausführungsform gemäß 1 in einem Diagramm die Abhängigkeit der maximalen elektrischen Feldstärke bezogen auf die elektrische Feldstärke im Inneren vom Verhältnis des Metallisationsradius zur Substratdicke,
3 einen perspektivischen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung,
4 in einem Diagramm die Abhängigkeit der maximalen elektrischen Feldstärke bezogen auf die elektrische Feldstärke im Inneren vom spezifischen Widerstand der zusätzlichen ringförmigen Zone des Ausführungsbeispiels gemäß 3 bei Anlegen einer Gleichspannung,
5 in einem Diagramm die Abhängigkeit der maximalen elektrischen Feldstärke bezogen auf die elektrische Feldstärke im Inneren vom spezifischen Widerstand der zusätzlichen ringförmigen Zone des Ausführungsbeispiels gemäß 3 bei Anlegen einer Wechselspannung,
6 ein Ersatzschaltbild für die Ausführungsform der Erfindung gemäß 3,
7 einen perspektivischen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform der Erfindung,
8 einen perspektivischen Schnitt durch eine vierte Ausführungsform der Erfindung.
Unter Bezugnahme auf 1 wird nunmehr eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kondensators 1 beschrieben. 1 ist ein perspektivischer Schnitt durch einen solchen Kondensator 1. Dieser umfasst einen Glaskeramikkörper 10 als Dielektrikum.
Der dielektrische Glaskeramikkörper 10 bildet ein scheibenförmiges Substrat mit einer Substratdicke d, einem Substratradius r₁, sowie einer Scheibenoberseite, einer Scheibenunterseite und einen Scheibenrand.
Der Glaskeramikkörper 10 wurde äußerst porenarm oder porenfrei aus einer flüssigen Glasphase erzeugt. Der Grad der Porenfreiheit wird mittels der Volumenfüllung angegeben. Diese beträgt in der Praxis 99,9999%. Der Porenanteil sollte jedenfalls 0.03% nicht übersteigen. Der Glaskeramikkörper hat einen Gehalt an ferroelektrischem Material in Kristallit-Form der Größenordnung weniger Nanometer (im Bereich von 10 nm bis 100 nm) oder an paraelektrischem Material in Kristallit-Form der Größenordnung bis wenige μm (im Bereich von 0,1 μm bis 50 μm). In der Praxis werden für die Glaskeramik BaTiO₃ Kristallitgrößen im Bereich von 30 nm bis 50 nm gemessen. Damit liegt die Größenordnung der Kristallite im Größenordnungsbereich der ferroelektrischen Domänen dieser Glaskeramik von etwa 10 nm. Für die Glaskeramik Ba₄Al₂Ti₁₀O₂₇ sind Kristallitgrößen im Bereich 1 μm bis 10 μm gemessen worden. Die Dicke von Glaskeramikkörpern zu Zwecken der Erfindung beträgt etwa 1 mm. Damit sind die Kristallite wesentlich kleiner als die Dicke solcher Glaskeramikkörper für Kondensatoren und die Struktur der Kondensatoren erscheint nach außen mikroskopisch homogen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Glaskeramik 10 eine Restglasphase enthält, in welchem die Kristallite eingebettet sind.
Weist der Glaskeramikkörper 10 eine ferroelektrische Phase, wie zum Beispiel BaTiO₃ auf, wird die folgende Zusammensetzung in wt% bevorzugt:

Komponente SiO₂ B₂O₃ BaO CaO Al₂O₃ TiO₂ CeO₂

wt% 10,012 0,933 53,889 1,074 6,444 27,317 0,33
Bei der Glasbildung ergibt sich im Falle dieser Zusammensetzung der teilweise Ersatz von Ba durch Ce oder 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.
Weist der Glaskeramikkörper paraelektrische Phasen wie zum Beispiel Ba₄Al₂Ti₁₀O₂₇, La₄Ti₂SiO₉ oder La₂Ti₂SiO₉ auf, wird die folgende Zusammensetzung in wt% bevorzugt:

Komponente SiO₂ Al₂O₃ BaO La₂O₃ TiO₂ ZrO₂

wt% 3,607 9,184 34,528 6,114 37,897 (8,671
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.
Auf der Oberseite des Glaskeramikkörpers ist eine erste Metallisationsschicht 11 aufgebracht. Diese Schicht bedeckt die Oberseite des Glaskeramikkörpers 10 derart, dass ein oberer Scheibenrandbereich 12 freigelassen wird. Die Grenze zwischen erster Metallisationsschicht 11 und oberem Scheibenrandbereich 12 wird durch eine Metallisationskante gebildet. Der erste Metallisationsbereich 11 weist einen Radius r₂ auf.
Spiegelbildlich zur Oberseite weist der Kondensator 1 auf seiner Unterseite einen zweiten Metallisationsbereich 13 mit einer zweiten Metallisationskante sowie einen unteren Scheibenrandbereich 14 auf. Der zweite Metallisationsbereich 13 hat ebenfalls einen Radius r₂.
Zusammen bilden der erste Metallisationsbereich 11 und der zweite Metallisationsbereich 13 die beiden Elektroden des Kondensators 1.
Die erste Metallisationskante auf der Oberseite des Glaskeramikkörpers 10 und die zweite Metallisationskante auf der Unterseite des Glaskeramikkörpers 10 stehen sich gegenüber. Die Stelle, an der sich die beiden Metallisationskanten gegenüber stehen, 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.
Die Abhängigkeit der auf die Feldstärke E₀ bezogenen maximalen elektrischen Feldstärke E_max/E₀, vom Verhältnis aus Radius r₂ der beiden Metallisationsschichten 11, 13 und Substratdicke d wird in 2 gezeigt. 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 r₁/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 r₁/d oder r₂/d ist, dass heißt je dünner der Glaskeramikkörper 10 ist.
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_max,0) 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 stark von der Geometrie der Kondensatoren abhängig sind. Normalerweise treten Werte um 60 kv/mm bis 80 kV/mm auf. Bei sehr dünnen Glaskeramiken (Dicken kleiner 0,1 mm) werden Werte größer als 100 kV/mm erwartet. Im Einzelnen wird mit folgenden Werten gearbeitet:

a) Eine tolerable Durchschlagswahrscheinlichkeit p,
b) einen Substratradius r_1n in mm,
c) eine Substratdicke d in mm,
d) einen Radius r_2n der beiden Metallisierungsschichten,
e) Weibull-Gütekennwerte b_n, E_on für die Beschreibung der Verteilung der Ausfallwahrscheinlichkeit der Testkondensatoren und
f) empirisch ermittelte Zahlenwerte (α = 0,189, β = 0,958, γ = 2/3), die sich durch Fitten bei numerischen Simulationen ergeben.

Aus diesen Werten wird das maximale elektrische Feld E_max,0 der Testkondensatoren sowie eine Vergleichsdicke d₀ in mm errechnet.
Auf Basis dieser Werte werden wiederum die maximal erlaubte Spannung U ^ sowie das maximale elektrische Feld E_max des zu entwerfenden Kondensators für den Fall einer gegebenen Substratdicke d in mm wie folgt errechnet.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 3 wird im Folgenden ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kondensators beschrieben. 3 zeigt einen perspektivischen Schnitt durch ein solches zweites Ausführungsbeispiel. Gezeigt wird ein Kondensator 2 mit einem Glaskeramikkörper 10, für den hinsichtlich Geometrie und Zusammensetzung die entsprechenden Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 gelten. Auf der Oberseite des Glaskeramikkörpers 10 ist eine erste Metallisationsschicht 11 mit einer ersten Metallisationskante, auf der Unterseite eine zweite Metallisationsschicht 13 mit einer zweiten Metallisationskante angebracht. Der Kondensator 2 weist ebenfalls einen oberen Scheibenrandbereich 12 sowie einen unteren Scheibenrandbereich 14 auf. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist zwischen der ersten Metallisationskante und dem oberen Scheibenrandbereich 12 sowie zwischen der zweiten Metallisationskante und dem unteren Scheibenrandbereich 14 jeweils eine zusätzliche ringförmige Zone 21 mit einem spezifischen Widerstand auf den Glaskeramikkörper 10 durch Beschichtung aufgebracht. Der spezifische Widerstand dieser ringförmigen Zone 21 ist höher als der spezifische Widerstand der beiden Metallisierungsschichten.
Wie bereits ausgeführt, tritt ohne eine solche ringförmige Zone 21 der Spitzenwert des elektrischen Feldes an der Metallisationskante auf. Wenn eine solche ringförmige Zone aufgebracht ist, dann entspricht dies im Falle eines gut leitenden Ringes lediglich einer Vergrößerung des Radius der Metallisationsschicht und führt dazu, dass der Spitzenwert des elektrischen Feldes näher an der äußeren Begrenzung des Glaskeramikkörpers auftritt, was nicht erwünscht ist. Bei hohem spezifischem Widerstand der Zone 21 bleibt es beim Spitzenwert des elektrischen Feldes an der ursprünglichen Metallisationskante. Durch Variation des spezifischen Widerstands der ringförmigen Zone 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 Ringzone 21 und bleiben nicht an der Metallisierungskante konzentriert.
Die Ergebnisse entsprechender Untersuchungen werden in 4 dargestellt. 4 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit der maximalen elektrischen Feldstärke E_max bezogen auf die Feldstärke E₀ des homogenen Feldes im Inneren des Kondensators 2 vom spezifischen Widerstand ρ_L [Ωm] der ringförmigen Zone 21 bei Anlegen einer Gleichspannung. 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 Zone 21 im Bereich 1 × 10⁸ bis 1 × 10¹⁰ Ωm und einem Optimum bei 1 × 10⁹ Ωm.
5 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit der maximalen elektrischen Feldstärke E_max bezogen auf die Feldstärke E₀ des homogenen Feldes im Inneren des Kondensators 2 vom spezifischen Widerstand ρ_L [Ωm] der ringförmigen Zone 21 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 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 (Ersatzschaltbild).
6 ist ein Ersatzschaltbild für die Ausführungsform gemäß 3. Die ringförmige Zone bildet ein RC-Serienglied mit ohmschem Widerstand R₂ und Kapazität C₂ zusätzlich zu dem RC-Parallelglied mit ohmschen Widerstand R₁ und Kapazität C₁. Wenn ein Kondensator gemäß 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 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: 1,56·10^–9 F
Höhe oder Dicke der ringförmigen Zone h: 5·10^–3 mm
elektrischer Widerstand R₂ der ringförmigen Zone: 102 kΩ
Cutoff Frequenz f_c: 1000 Hz
Spezifischer Widerstand ρ des Materials für die ringförmige Zone: 2 kΩm
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 ρ von 2 kΩm in einer Dicke von 5 μm erfüllt diese Bedingung und kann als Paste durch Beschichtung auf den Glaskeramikkörper aufgebracht werden.
Die Ausführungsbeispiele gemäß den 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 7 wird eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kondensators beschrieben. 7 ist ein perspektivischer Schnitt durch einen Kondensator 3, der an seiner Oberseite mit einer Metallisierungsschicht 11 versehen ist. Diese Schicht 11 deckt nicht die gesamte Oberfläche ab, sondern lässt einen Randbereich 12 übrig. Statt des Glaskeramikkörpers 10 der beiden zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele weist der Kondensator 3 einen Glaskeramikkörper 30 auf, der aus einzelnen Glaskeramikscheiben 30a mit zwischen ihnen befindlichen Metallisierungsschichten 31 besteht. Der Kondensator 3 ist somit als ein Scheibenpaket aufgebaut. Der Kondensator 3 besteht also aus hintereinander geschalteten Einzel-Kondensatoren, wodurch die Gesamtspannung des Kondensators 3 gegenüber den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 oder 3 erhöht wird. Gleichzeitig steigt die Durchschlagsfestigkeit erheblich, wenn der Kondensator bei gleicher Fläche dünner wird. Bei 7 sind mehrere Einzelkondensatoren in Reihe geschaltet, somit kann die hohe Durchschlagfestigkeit für hohe Spannungen nutzbar gemacht werden.
Wird eine ungerade Anzahl von Metallisierungsschichten 31 geplant, so kann die mittlere Schicht aus Symmetriegründen entfallen, wie in 8 dargestellt.
In einer nicht dargestellten Weiterbildung des Ausführungsbeispiels gemäß 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, der Randkante der Metallisierungsschicht 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 8 wird eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kondensators beschrieben. 8 ist ein perspektivischer Schnitt durch einen Kondensator 4, der hinsichtlich der Schichtenfolge aus Glaskeramikscheiben und Metallisierungsschichten gleich aufgebaut ist wie der Kondensator 3 in 7. Allerdings weisen die einzelnen Scheiben eine zur Mitte des Scheibenpakets hin zunehmende Dicke auf.
Bezugszeichenliste

1: Kondensator
2: Kondensator
3: Kondensator
4: Kondensator
10: Glaskeramikkörper
11: erste Metallisationsschicht
12: oberer Scheibenrandbereich
13: zweite Metallisationsschicht
14: unterer Scheibenrandbereich
21: ringförmige Zone
30: Glaskeramikkörper
30a: Glaskeramikscheiben
31: Metallisierungsschichten
40: Glaskeramikkörper

Claims

Verfahren zur Konstruktion und Herstellung von Kondensatoren für Hochspannungsanwendungen zwischen 3 kV und 100 kV, mit folgenden Schritten: a) Erzeugen eines dielektrischen Glaskeramikkörpers (10) aus flüssiger Glasphase äußerst porenarm oder porenfrei unter einem Gehalt an ferroelektrischem Material in Kristallit-Form der Größenordnung weniger Nanometer oder an paraelektrischem Material in Kristallit-Form der Größenordnung bis wenige μm, wobei die Glaskeramik eine Restglasphase enthält, in der die Kristallite eingebettet sind und wobei der Glaskeramikkörper (10) einscheibenförmiges Substrat bildet, das eine Substratdicke (d), einen Substratradius (r₁) sowie eine Scheibenoberseite, eine Scheibenunterseite und einen Scheibenrand aufweist, b) Aufbringen einer ersten Metallisationsschicht (11) mit Metallisierungsradius (r₂), welche die Scheibenoberseite unter Bildung einer ersten Metallisationskante und unter Freilassung eines oberen Scheibenrandbereiches (12) bedeckt, c) Aufbringen einer zweiten Metallisationsschicht mit Metallisierungsradius (r₂), welche die Scheibenunterseite unter Bildung einer zweiten Metallisationskante und unter Freilassung eines unteren Scheibenrandbereiches (14) bedeckt, so dass die erste Metallisationskante und die zweite Metallisationskante sich beidseitig des Glaskeramikkörpers (10) 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, d) Bestimmen der elektrischen und geometrischen Werte eines zu entwerfenden Kondensators, wobei von einer Serie von Test-Kondensatoren mit vorbestimmter, definierter Geometrie ausgegangen wird, deren Durchschlagsfestigkeiten für eine Weibullstatistik ausgemessen werden, wobei mit Werten wie folgt gearbeitet wird: da) eine tolerable Durchschlagswahrscheinlichkeit (p), db) ein Substratradius (r_1n), dc) eine Substratdicke (d_n), dd) ein Radius der Metallisierungsschicht (r_2n), de) Weibull-Gütekennwerte (b_n, E_0n), df) empirisch ermittelte Zahlenwerte (α = 0,189, β = 0,958, γ = 2/3), woraus dg) das maximale elektrische Feld (E_max, ₀) der Serie von Test-Kondensatoren und eine Vergleichsdicke (d₀) ermittelt werden, woraus wiederum dh) die maximal erlaubte Spannung (U ^), das maximal erlaubte elektrische Feld (E ^₀) und das maximale elektrische Feld (E_max) des zu entwerfenden Kondensators bei einer Kondensatorsubstratdicke (d) in mm wie folgt berechnet werden:
e) Durchführen der Schritte a) b) c) zur Herstellung des entworfenen Kondensators bei Entwurfswerten von U ^, E ^₀, und E_max sowie mit den daraus ermittelten Entwurfsgrößen d und r₂.
Kondensator für Hochspannungsanwendungen zwischen 3 kV und 100 kV konstruiert und hergestellt gemäß dem Verfahren des Anspruches 1, umfassend: einen schreibenförmigen Glaskeramikkörper (10) mit einer Dicke (d) und einem ersten Radius (r₁), auf dessen gegenüberliegenden Oberflächen jeweils als Elektrodenflächen fungierende Metallbeläge (11, 13) mit einem zweiten Radius (r₂) angeordnet sind derart, dass die Randkanten der Metallbeläge (11, 13) einander gegenüber stehen, wobei der zweite Radius (r₂) kleiner ist als der erste Radius (r₁), so dass auf den Oberflächen des scheibenförmigen Glaskeramikkörper (10) um die Metallbeläge (11, 13) jeweils ein von Metall freier Scheibenrandbereich (12, 14) verbleibt, wobei der Glaskeramikkörper (10) ferroelektrisches Material in Kristallit-Form in der Größe von 10 nm bis 100 nm aufweist, wobei der Glaskeramikörper eine Restglasphase enthält, in der die Kristallite eingebettet sind, und der Glaskeramikkörper porenfrei ist oder einen Porenanteil im Volumen kleiner als 0,03% aufweist, wobei ferner der Glaskeramikkörper (10) folgende Zusammensetzung in wt% aufweist: SiO₂ B₂O₃ BaO CaO Al₂O₃ TiO₂ CeO₂ 10,012 0,933 53,889 1,074 6,444 27,317 0,33

woraus sich wenigstens BaTiO₃ als eine auskristallisierte ferroelektrische Phase ergibt und bei der Glasbildung sich der teilweise Ersatz von Ba durch Ce oder La einstellt.
Kondensator für Hochspannungsanwendungen zwischen 3 kV und 100 kV konstruiert und hergestellt gemäß dem Verfahren des Anspruches 1, umfassend: einen scheibenförmigen Glaskeramikkörper (10) mit einer Dicke (d) und einem Radius (r₁), auf dessen gegenüberliegenden Oberflächen jeweils als Elektrodenflächen fungierende Metallbeläge (11, 13) mit einem zweiten Radius (r₂) angeordet sind derart, dass die Randkanten der Metallbeläge (11, 13) einander gegenüberstehen, wobei der zweite Radius (r₂) kleiner ist als der erste Radius (r₁), so dass auf den Oberflächen des scheibenförmigen Glaskeramikkörpers (10) um die Metallbeläge (11, 13) jeweils ein von Metall freier Scheibenrandbereich (12, 14) verbleibt, wobei das Dielektrikum (10) der Glaskeramikkörper paraelektrisches Material in Kristallit-Form in der Größe von 0,1 μm bis 50 μm aufweist, wobei die Glaskeramik eine Restglasphase enthält, in der die Kristallite eingebettet sind, und der Glaskeramikkörper porenfrei ist oder einen Porenanteil im Volumen kleiner als 0,03% aufweist, wobei ferner der Glaskeramikkörper folgende Komponenten aufweist: SiO₂ Al₂O₃ BaO La₂O₃ TiO₂ ZrO₂

woraus sich wenigstens Ba₄Al₂Ti₁₀O₂₇ als eine auskristallisierte paraelektrische Phase ergibt und bei der Glasbildung sich der teilweise Ersatz von Ba durch La und der teilweise Ersatz von Ti durch Zr einstellt.
Kondensator nach Anspruch 2 oder 3, wobei je eine ringförmige Zone (21) mit erhöhtem spezifischem Widerstand im Vergleich zum spezifischen Widerstand der Metallisierungsschichten zwischen erster Metallisierungskante und oberem Scheibenrandbereich (12), beziehungsweise zwischen zweiter Metallisierungskante und unterem Scheibenrandbereich, angebracht sind.
Kondensator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Verhältnis des Durchmessers (2r₂) der Metallisierung (11) zur Substratdicke (d) in einem Bereich zwischen 10 und 300, bevorzugt in einem Bereich zwischen 15 und 200 liegt.
Kondensator nach einem der Anspruche 2, 4 oder 5, wobei der Kondensator infolge der ferroelektrischen Phase eine relative Permittivität im Bereich zwischen 100 und 600, bevorzugt im Bereich zwischen 200 und 500 aufweist.
Kondensator nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Kondensator infolge der paraelektrischen Phase eine relative Permittivität im Bereich zwischen 15 und 70, bevorzugt im Bereich zwischen 25 und 50 aufweist.
Kondensator nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Dicke des Glaskeramikkörpers im Bereich der sich gegenüberstehenden Metallisierungskanten vergrößert ist.
Kondensator nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei der Scheibenrand des Glaskeramikkörpers (10) abgerundet ist.
Kondensator nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei der Glaskeramikkörper (30) aus einzelnen aufeinander gestapelten Scheiben (30a) als ein Scheibenpaket mit zusätzlich inneren Metallisierungsschichten (31) auf den einzelnen Scheiben (30a) aufgebaut ist.
Kondensator nach Anspruch 10, wobei die inneren Metallisierungsschichten eine größere Fläche gegenüber der ersten oder zweiten Metallisierungsschicht (11, 13) einnehmen.
Kondensator nach Anspruch 10 oder 11, wobei die einzelnen Scheiben des Scheibenpakets zunehmende Scheibendicke zur Mitte des Scheibenpakets hin aufweisen.