DE69604103T2 - Temperaturstabile dielektrische keramische Zusammensetzung - Google Patents

Temperaturstabile dielektrische keramische Zusammensetzung

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Description

    Hintergrund der Erfindung
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein temperaturbeständiges Dielektrikum und insbesondere eine bariumtitanathaltige dielektrische Mischung, das oder die dazu verwendet werden kann, mehrschichtige Keramikkondensatoren mit leitenden Innenelektroden aus Basismetallen, wie bspw. Nickel, herzustellen. Die auf diese Weise hergestellten Mehrschichtkondensatoren weisen einen Temperaturgang der Kapazität von weniger als ± 10% über den Bereich von -55ºC bis 125ºC im Vergleich zu dem Wert bei 25ºC auf. Die keramische Mikrostruktur der oben genannten Kondensatoren weist keine zweite Phase auf.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein temperaturbeständiges Dielektrikum und insbesondere eine dielektrische Mischung aus Bariumtitanat, das oder die dazu verwendet werden kann, mehrschichtige Keramikkondensatoren herzustellen, deren leitende Innenelektroden aus Edelmetallen, wie bspw. Palladium oder Palladium/Silber- Legierung, bestehen. Die so hergestellten Mehrschichtkondensatoren weisen einen Temperaturgang der Kapazität von weniger als ± 15% über den Bereich von -55ºC bis 125ºC auf. Die keramische Mikrostruktur der oben genannten Kondensatoren weist keine zweite Phase auf.
  • Stand der Technik
  • Mehrschichtige Keramikkondensatoren sind in der Technik bekannt und werden seit vielen Jahren nach verschiede nen Verfahren gefertigt, die jeweils einander abwechselnde Schichten aus einer dielektrischen Keramikmischung und einem Metall in dem Bauteil ergeben. Das herkömmliche Herstellungsverfahren erfordert das gemeinsame Sintern der dielektrischen Mischung mit dem Metall, um diese Werkstoffe zu nutzbaren Bauelementen zu verbinden. Der gemeinsame Sinterprozess wird im Allgemeinen in einer Luftatmosphäre ausgeführt, und deshalb bestehen die Innenelektroden der Bauelemente generell aus einem Edelmetall wie bspw. Platin, Gold, Palladium oder aus Legierungen von diesen, um während des Sinterprozesses eine Oxidation zu vermeiden.
  • Die hohen Kosten der aus einem Edelmetall bestehenden Innenelektroden haben jedoch zu der Entwicklung keramischer dielektrischer Werkstoffe geführt, aus denen Mehrschichtkondensatoren mit Basismetallelektroden hergestellt werden können (Y. Sakabe, Am. Ceram. Bull 66, 1338-341), wobei das Sintern der Struktur in einer Schutzgasatmosphäre oder einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt wird. Allerdings waren die entwickelten keramischen dielektrischen Werkstoffe nicht besonders stabil im Hinblick auf den Temperaturgang der Kapazität ΔC. Insbesondere wurden Komponenten, die eine Z5U-Charakteristik ΔC = +22% bis - 56% in Bezug auf Kapazitätswerte bei 25ºC über dem Temperaturbereich von +10ºC bis +85ºC oder eine Y5 V-Charakteristik ΔC = +22% bis -82% über dem Bereich von -30ºC bis +85ºC aufwiesen, mit Elektroden aus Nickel oder einer seiner Legierungen kommerziell gefertigt.
  • Vor kurzem wurden verschiedene Wege zur Verbesserung der Temperaturbeständigkeit dielektrischer Keramikstoffe für Mehrschichtkondensatoren mit Innenelektroden aus Nickel wie folgt vorgeschlagen:
  • Der "Japanese Journal of Applied Physics", 30, 2307- 2310 (1991) berichtete über die Eigenschaften von X7R mehrschichtigen Keramikkondensatoren mit Nickelelektroden. Die Bezeichnung X7R steht für ein ΔC = ±15% über dem Temperaturbereich von -55ºC bis +125ºC, so dass diese Komponenten weitaus temperaturbeständiger sind. Die maximale Schwankung von ΔC in diesem Temperaturbereich war -10% bei -55ºC mit einer Dielektrizitätskonstante = 3200 und einem Verlustfaktor = 1,7% bei 25ºC. "Ferroelektrics" 1992, Band 133, S. 133-138 berichtete über einen neuen Werkstoff, der in Mehrschichtkondensatoren eine Dielektrizitätskonstante = 3590 und einen Verlustfaktor = 1,6% hatte, ebenfalls mit X7R-Eigenschaft aber mit einer maximalen ΔC-Schwankung von -12,5% bei +125ºC. Das Japanische Patent Nr. 5-21287 beschreibt weitere Verbindungen, die die X7R-Eigenschaft erfüllen können.
  • Alle Werkstoffe, die im Stand der Technik offenbart sind, verwenden Akzeptor-Dotierungsmittel und Glas aus SiO&sub2;, um die beim gemeinsamen Brennen zusammen mit Nickel erforderliche Beständigkeit gegen Reduktion zu erreichen und die X7R-Temperatureigenschaft zu erzielen. Jedoch hat die andauernde Nachfrage nach elektronischen Schaltanordnungen, die über weite Schwankungsbereiche der Temperatur beständig bleiben, zur Nachfrage nach in dieser Hinsicht stabileren Kondensatoren geführt.
  • Es ist nun ein dielektrischer Werkstoff entwickelt worden, der zur Herstellung von Mehrschichtkondensatoren mit Innenelektroden aus Nickel verwendet werden kann, die einen Temperaturgang der Kapazität innerhalb der Grenzen der X7R-Charakteristik von 2% bis 10% über dem Bereich von 55ºC bis 125ºC aufweisen.
  • Mehrschichtkondensatoren mit stabiler Temperaturcharakteristik werden an sich unter Verwendung dielektrischer Pulver hergestellt, die durch Hinzufügung einer kleinen Menge von Nb&sub2;O&sub5; zusammen mit anderen weniger bedeutenden Zutaten zu einem BaTiO&sub3; Pulver zubereitet werden. Es ist unter Fachleuten der Technik bekannt, dass allen Nb&sub2;O&sub5; enthaltenden Mischungen die Unzulänglichkeit anhaftet, dass die keramische Mikrostruktur nach dem Sintern eine titaniumreiche zweite Phase enthält. Das Auftreten der zweiten Phase ist sehr unerwünscht, wenn Mehrschichtkondensatoren hergestellt werden, bei denen die Dicke der dielektrischen Schicht zunehmend dünner wird.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine temperaturbeständige dielektrische Mischung, die kein Nb&sub2;O&sub5; als Additiv beinhaltet. Die keramische Mikrostruktur ist deshalb nach dem Sintern frei von zweiter Phase.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 ist eine mikroskopische Aufnahme einer Keramik aus einer BaTiO&sub3;-haltigen Mischung, die Nb&sub2;O&sub5; zusammen mit anderen Additiven enthält und die eine an Titanium reiche zweite Phase aufweist.
  • Fig. 2 ist eine mikroskopische Aufnahme einer Keramik aus einer Mischung gemäß dem Beispiel 7, die das Fehlen der zweiten Phase in der erfindungsgemäßen Mischung veranschaulicht.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Demgemäß liefert die vorliegende Erfindung eine dielektrische Keramikpulvermischung, die Bariumtitanat, Magnesiumoxid oder eine Vorläufersubstanz für dieses, Siliciumdioxid oder eine Vorläufersubstanz für dieses, Germaniumdioxid oder einer Vorläufersubstanz für dieses und optional Barium-, Calcium- oder Strontiumoxid oder -Karbonat oder eine Vorläufersubstanz dafür enthält, die jedoch überhaupt kein Nb&sub2;O&sub5; aufweist, wobei aus der Mischung mehrschichtige Keramikkondensatoren mit Innenelektroden aus Nickel oder Nickellegierung hergestellt werden können, die einen Temperaturgang der Kapazität von weniger als ±10% über dem Bereich von -55ºC bis +125ºC im Vergleich zu dem Kapazitätswert bei 25ºC aufweisen, oder aus der mehrschichtige Keramikkondensatoren mit Innenelektroden aus Edelmetall hergestellt werden können, die einen Temperaturgang der Kapazität von weniger als ± 15% über dem Bereich von -55ºC bis +125ºC im Vergleich zu dem Wert bei 25ºC aufweisen, und wobei die Mischung nach dem Sintern keine zweite Phase aufweist.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • Die dielektrische Keramikpulvermischung weist vorzugsweise eine dielektrische Keramikpulvermischung nach Anspruch 1 auf, die zwischen 0,01 und 2,00 Gewichtsprozent Magnesiumoxid oder einer Vorläufersubstanz für dieses, vorzugsweise 0,10 bis 1.00 Gewichtsprozent Magnesiumoxid, zwischen 1 und 6 Gewichtsprozent Barium-, Calcium- oder Strontiumoxid oder -Karbonat oder einer Vorläufersubstanz dafür, zwischen 0,01 und 5,00 Gewichtsprozent Siliciumdioxid oder einer Vorläufersubstanz für dieses, vorzugs weise 0,10 bis 1,00 Gewichtsprozent Siliciumdioxid, und zwischen 0,01 und 2,00 Gewichtsprozent Germaniumdioxid oder einer Vorläufersubstanz für dieses, vorzugsweise 0,50 bis 1,50 Gewichtsprozent Germaniumdioxid, enthält, wobei alle Prozentangaben auf das Gewicht des Bariumtitanatanteils bezogen sind.
  • Geeignete Vorläufersubstanzen des Magnesiumoxids enthalten Magnesiumkarbonat, Magnesiumhydroxid und Magnesiumacetat. Geeignete Vorläufersubstanzen für das Germaniumdioxid enthalten Germaniumacetat, Germaniumoxalat oder Germaniumacetylacetonat. Wenn Germaniumdioxid verwendet wird, kann es in der amorphen oder kristallinen Form eingesetzt werden. Geeignete Vorläufersubstanzen des Siliciumdioxids enthalten Siliciumacetat und Siliciumalkoxide, wie bspw. Siliciumtetraethylat.
  • Im allgemeinen wird Barium als Bariumoxid oder Bariumkarbonat zu der bariumtitanathaltigen Mischung hinzugefügt, um sicherzustellen, dass die Resistivität der Mischung innerhalb der gewünschten Grenzen liegt. Die Resistivität hängt von dem Verhältnis des Bariumanteils zum Titaniumanteil in der Mischung ab, das vorzugsweise größer als 1 : 1 sein sollte. Optionale Additive für die Mischung nach der vorliegenden Erfindung sind Akzeptormittel wie bspw. Mangandioxid, Cobaltoxid oder Zinkoxid, und diese können in einer Menge von bis zu 0,2 Gewichtsprozent enthalten sein. Ein Teil des Magnesiumoxids kann durch Nickeloxid oder Zinkoxid bis zu einer Menge von 0,5 Gewichtsprozent ersetzt werden. Darüber hinaus kann den Mischungen Aluminiumoxid oder Chromdioxid in einer Menge von 0,01 bis 0,1 Gewichtsprozent beigefügt werden. Es können auch Seltenerdoxide, wie bspw. Dysprosium, beigemengt werden, um das Dielektrikum reduktionsbeständig zu machen.
  • Die in der vorliegenden Erfindung verwendete dielektrische Keramikpulvermischung weist vorzugsweise eine mittlere Teilchengröße im Bereich von 0,5 bis 1,5 um auf.
  • Die vorliegende Erfindung schließt in ihren Geltungsbereich Bänder mit ein, die entsprechend herkömmlichen Bandgussverfahren aus einer Aufschlämmung der dielektrischen Keramikpulvermischung, wie oben definiert, gegossen sind. Vorzugsweise weisen diese Bänder vor dem Sintern eine Dicke von ungefähr 0,0040 cm auf.
  • Die vorliegende Erfindung schließt außerdem in ihren Geltungsbereich einen Mehrschichtkondensator mit ein, der aus einer dielektrischen Keramikpulvermischung gemäß der obigen Beschreibung, insbesondere aus mehreren Bändern, wie oben erläutert, hergestellt ist.
  • Die vorliegende Erfindung wird an Hand der folgenden, nicht beschränkenden Beispielen weiter beschrieben.
  • BEISPIEL 1
  • Zu 643,4 g hochreinen Bariumtitanatpulvers (MBB TAM Ceramics Inc.) wurden 3,9 g Magnesiumoxid, 21,03 g Bariumkarbonat, 6,4 g Siliciumdioxid und 6,63 g Germaniumdioxid dazugegeben. Das Gemisch wurde in einer Kugelmühle 1 Stunde lang mit 5000g von mit Yttrium stabilisiertem Mahlmedium aus Zirkonium und mit 800 cm³ entionisierten Wassers gemahlen. Die sich ergebende Aufschlämmung wurde getrocknet und durch ein 425 um-Sieb (40er Sieb) gefiltert.
  • 400 g des resultierenden Pulvers wurde mit 109,9 g Bindemittel Nr. 73210 und 96,0 g Bindemittel Nr. 73211 (beide geliefert durch MSI Ltd., USA) zusammen mit 1920 g yttriumstabilisierten Zirkoniummediums der Korngröße von 1,27 cm (0,5 Inch) in eine Kugelmühle geladen und für 16 Stunden gemahlen, um eine homogen verteilte Aufschlämmung zu erhalten.
  • Die Aufschlämmung hatte eine Viskosität im Bereich von 1500 bis 3000 Zentipoise. Die Aufschlämmung wurde gefiltert und nach Standardverfahren zu einem Band gegossen, das eine Dicke von 0,0040 cm hatte. Das Band wurde dann mit Nickelfarbe, C40524R2, geliefert von Gwent Electronic Materials, Gwent, UK, bedruckt und laminiert, um unter Verwendung von in der Technik allgemein bekannten Verfahren 10 aktive dielektrische Schichten zu schaffen. Mehrere dieser Kondensatoren wurden dann entsprechend den in den folgenden Beispielen dargestellten Bedingungen gemeinsam gesintert.
  • BEISPIEL 2
  • Gemäß Beispiel 1 vorbereitete Kondensatoren wurden bei 4ºC/min von der Umgebungstemperatur bis auf 450ºC für eine Stunde in der Luft aufgeheizt, um die organischen Bindemittel zu entfernen. Die Temperatur wurde dann bei 4ºC/Minute auf 1360ºC in einer Atmosphäre aus Stickstoff, Wasserstoff und Wasserdampf erhöht, so dass der Sauerstoffpartialdruck bei dieser Temperatur 101325 · 10&supmin;¹² Pa (10&supmin;¹² Atmosphären) betrug. Nach 2 Stunden Verweilzeit bei dieser Temperatur wurde der Ofen mit 4ºC/Minute bis auf 250ºC gekühlt, bevor Luft zugegeben wurde, und nach weite rer Abkühlung wurden die resultierenden Mehrschichtkondensatoren herausgenommen.
  • BEISPIEL 3
  • Kondensatoren, die gemäß Beispiel 1 hergestellt wurden, wurden von der Umgebungstemperatur bei 4ºC/Minute auf 800ºC in einer feuchten Stickstoff-Atmosphäre aufgeheizt, um die organischen Bindemittel herauszulösen. Die Atmosphäre wurde dann 2u Stickstoff, Wasserstoff und Wasserdampf geändert, so dass der Sauerstoffpartialdruck bei dieser Temperatur 101325 · 10&supmin;¹² Pa (1012 Atmosphären) betrug. Nach 2 Stunden Verweilzeit bei dieser Temperatur wurde der Ofen mit 4ºC/Minute auf 250ºC gekühlt, bevor Luft zugegeben wurde, und nach weiterer Abkühlung wurden die resultierenden Mehrschichtkondensatoren entfernt.
  • BEISPIEL 4
  • Die organischen Bindemittel wurden teilweise durch Beheizen bei 260ºC für 48 Stunden in Luft aus den Mehrschichtkondensatoren entfernt, bevor die in Beispiel 2 dargestellten Arbeitsgänge angewendet wurden.
  • BEISPIEL 5
  • Die organischen Bindemittel wurden teilweise durch Beheizen bei 260ºC für 48 Stunden in Luft aus den Mehrschichtkondensatoren herausgelöst, bevor das Verfahren, wie in Beispiel 3 erläutert, durchlaufen wurde.
  • BEISPIEL 6
  • Die organischen Bindemittel wurden teilweise durch Beheizen bei 260ºC für 48 Stunden in Luft aus den Mehrschichtkondensatoren entfernt. Danach wurden die Kondensatoren bei 4ºC/min von der Umgebungstemperatur bis auf 450ºC für 1 Stunde in Luft erwärmt, um die verbleibenden Bindemittelreste zu beseitigen. Es wurde eine Atmosphäre aus Kohlenmonoxid und Kohlendioxid eingeführt und die Temperatur bei 4ºC/min bis auf 1360ºC erhöht, so dass der Sauerstoffpartialdruck bei dieser Temperatur 101325 · 10&supmin;&sup8; Pa (10&supmin;&sup8; Atmosphären) betrug. Nach 2 Stunden Verweilzeit bei dieser Temperatur wurde der Ofen mit 4ºC/min auf 250ºC abgekühlt, bevor Luft zugegeben wurde, und nach einer weiteren Abkühlung wurden die Kondensatoren herausgenommen.
  • Abschlusselektroden aus DuPont's Silber-Anstrichmittel Nr. 4822, das eine Mischung aus Silber und Glasfritte in einem Bindemittel ist, wurden an entgegengesetzten Enden des Mehrschichtkondensators angebracht, um abwechselnde Elektrodenschichten zu verbinden. Die Einheiten wurden dann auf ungefähr 810ºC in einer reduzierenden Atmosphäre aufgeheizt, um die elektrischen Kontakte herzustellen.
  • Die Kapazität (C), der Verlustfaktor (DF) und der Temperaturgang der Kapazität (TC) in Abhängigkeit von der Kapazität bei 25ºC wurden dann mit einer Kapazitätsmessbrücke der Bauart HP4274A bei einer Frequenz von 1kHz über den Temperaturbereich von -55ºC bis +125ºC gemessen. Die Dielektrizitätskonstante (K) wurde anhand der Grundbeziehung berechnet:
  • C = (KKoAn) - t
  • worin Ko = Permittivität des freien Raums
  • A = Flächeninhalt der Elektrodenüberlappung
  • n = Anzahl aktiver dielektrischer Schichten
  • t = dielektrische Dicke.
  • Die Kennwerte der Mehrschichtkondensatoren sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Tabelle 1
  • Die Mikrostruktur wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop untersucht, und es gab keine zweite Phase.
  • BEISPIEL 7
  • Mehrschichtige Keramikkondensatoren wurden in der gleichen Weise hergestellt, wie im Beispiel 1 beschrieben wurde, mit der Ausnahme, dass eine Legierung aus 70 Gewichtsprozent Palladium und 30 Gewichtsprozent Silber als Innenelektroden verwendet wurde. Die Mehrschichtkondensatoren wurden dann in Luft bei 1320ºC für 2 Stunden gesintert, nachdem ihre Bindemittel durch Beheizen bei 260ºC für 48 Stunden entfernt wurden.
  • Die Kapazität (C), der Verlustfaktor (DF) und der Temperaturgang der Kapazität (TC) in Abhängigkeit von der Kapazität bei 25ºC wurden dann mit einer Kapazitätsmessbrücke der Bauart HP4274A bei einer Frequenz von 1kHz über den Temperaturbereich von -55ºC bis +125ºC gemessen. Die Dielektrizitätskonstante (K) wurde unter Verwendung der oben näher angegebenen Gleichung berechnet.
  • Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 unten angegeben: Tabelle 2
  • Die Mikrostruktur wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop untersucht, und es gab keine zweite Phase. Eine mikroskopische Aufnahme dieser Struktur ist in Fig. 2 gegeben.

Claims (9)

1. Dielektrische Keramikpulvermischung mit Bariumtitanat, Magnesiumoxid oder einer Vorläufersubstanz für dieses, mit Siliciumdioxid oder einer Vorläufersubstanz für dieses, mit Germaniumdioxid oder einer Vorläufersubstanz für dieses und optional mit Barium-, Calcium- oder Strontiumoxid oder -Karbonat oder einer Vorläufersubstanz dafür, jedoch ohne jegliches Nb&sub2;O&sub5;, wobei aus der Mischung mehrschichtige Keramikkondensatoren mit Innenelektroden aus Nickel oder Nickellegierung hergestellt werden können, die einen Temperaturgang der Kapazität von weniger als ± 10% über den Bereich von - 55ºC bis + 125ºC im Vergleich zu dem Kapazitätswert bei 25ºC aufweisen, oder aus der mehrschichtige Keramikkondensatoren mit Edelmetallinnenelektroden hergestellt werden können, die einen Temperaturgang der Kapazität von weniger als ± 15% über den Bereich von - 55ºC bis + 125ºC im Vergleich zu dem Wert bei 25ºC aufweisen, wobei die Mischung nach dem Sintern keine zweite Phase aufweist.
2. Dielektrische Keramikpulvermischung nach Anspruch 1, mit 0,01 bis 2,00% Magnesiumoxid, mit 1 bis 6% Bariumkarbonat, mit 0,01% bis 5% Siliciumdioxid und mit 0,01 bis 2% Germaniumdioxid, bezogen auf das Gewicht des Bariumtitanatanteils.
3. Dielektrische Keramikpulvermischung nach Anspruch 1, mit einer durchschnittlichen Partikelgröße im Bereich von 0,5 bis 1,5 um.
4. Band, das aus einer Aufschlämmung einer dielektrischen Keramikpulvermischung nach Anspruch 1 gegossen ist.
5. Band nach Anspruch 4, mit einer Dicke von ungefähr 0,0040 cm vor dem Sintern.
6. Mehrschichtkondensator, hergestellt aus einer dielektrische Keramikpulvermischung nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
7. Mehrschichtkondensator, der aus mehreren Bändern nach Anspruch 4 hergestellt ist.
8. Mehrschichtkondensator nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die Innenelektroden aus Nickel oder Nickellegierung sind.
9. Mehrschichtkondensator nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die Innenelektroden aus Palladium oder Palladium- Silber-Legierung sind.
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