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Kondensator und Verfahren zur Herstellung desselben
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Kondensator und insbesondere auf einen hermetisch abgeschlossenen Kondensator mit einem Dielektrikum aus semikristallinem Material sowie auf ein Verfahren zur Herstellung solcher Kondensatoren.
Es sind bereits Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren bekannt, bei welchen als dielektrisches Material Glasstreifen verwendet werden, die mit Metallfolien in abwechselnder Folge unter Bildung eines Stapels angeordnet sind ; diese Anordnung ist zwischen Glasumhüllungen eingeschlossen, die bei entsprechender Temperatur und unter Druckanwendung mit den Zuleitungen und untereinander verschweisst werden, so dass ein hermetisch abgeschlossener Kondensator entsteht. Ein derartiges Verfahren istbeispielsweise in der USA-Patentschrift Nr. 2, 696, 577 beschrieben.
Die Entwicklungstendenz bei elektrischen Bauteilen verläuft immer mehr in Richtung einer Verbesserung der Umhüllung und damit einer weiteren Verkleinerung der einzelnen Bauelemente. Das bedeutet aber für die Herstellung von Kondensatoren, dass das Dielektrikum zwischen denMetallfolien in immer dünneren Schichten erzeugt werden muss. Dies ist jedoch nur möglich, wenn es gelingt, Materialien mit besseren Dielektrizitätskonstanten und dielektrischen Festigkeiten zu verwenden. Es ist bekannt, dass bestimmte keramische Produkte diese Bedingungen erfüllen. Die Anwendung keramischer Körper in der bekannten Form bei der Herstellung von Kondensatoren bringt jedoch keinen Fortschritt mit sich, weil diese Körper bisher durch Sintern und Brennen erzeugt werden.
Bei diesen Herstellungsverfahren erfordert die angestrebte hohe Gleichförmigkeit und Homogenität sowie eine niedrige Porosität des Produktes einen ganz beträchtlichen Zeitaufwand zur Regulierung der Teilchengrösse durch wiederholtes Vermahlen des Gemisches. Ausserdem brauchen die geformten Körper Brenntemperaturen von 1100 bis 1300 C, so dass die Verwendung der gebräuchlichen Silber-und Kupferelektroden in denselben nicht möglich ist, sondern nur teure Platin- oder Palladiumelektroden an den Körpern in ungebranntem Zustand angebracht werden können.
Die Erfindung vermeidet alle diese Nachteile und ermöglicht es nun, für den Aufbau von Kondensatoren anStelle der bekannten keramischen Körper semikristalline Körper einzusetzen, wie sie in der nicht vorveröffentlichten österr. Patentschrift Nr. 234 867 beschrieben sind. Diese semikristallinen Körper haben eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante und geben gleichzeitig die Möglichkeit, den bei der Erzeugung von Glaskondensatoren bekannten hermetischen Abschluss auch hier zu erzielen. Auf diese Weise kann man Schichtkondensatoren mit einer grossen Anzahl von dielektrischen Schichten zur Erzielung einer hohen Kapazität je Volumseinheit herstellen.
Der aus mehreren elektrisch leitenden Schichten aufgebaute Kondensator gemäss der Erfindung ist somit dadurch gekennzeichnet, dass diese Schichten voneinander durch ein semikristallines Dielektrikum aus einem keramischen Körper getrennt sind, welcher, auf Oxydbasis bezogen, 30-90 Kation-Mol-o der Oxydbestandteile von mindestens einer ferroelektrischen Verbindung der Sauerstoff-Oktaeder-Familie ent- hält, und dass mindestens 30Kation-Mol-'%) dieses Körpers die ferroelektrische Verbindung als eine in einer andernPhase gleichförmig dispergierten Kristallphase enthalten, wobei die Kristallphase aus einem dieselbe Oxydzusammensetzung wie der Körper aufweisenden und mindestens ein glasbildendes Oxyd enthaltenden homogenen Glas in situ kristallisiert ist.
Als glasbildendes Oxyd kann in dem semikristallinen keramischen Körper vorzugsweise mindestens
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eines der Oxyde SiO, B Og und POg vorhanden sein. Als ferroelektrische Kristallphase kann vorteilhaft eineverbindung der Perowskittype, der Pyrochlortype oder deren Gemischen dienen, wobei Bariumtitanat BaTiO3 bevorzugt wird. Ausser den Oxydbestandteilen der ferroelektrischen Verbindungen und Sitz, B203 und POg können mindestens 3 Kation-Mol-% eines Metalloxyds enthalten sein. Gemäss einer besonderen Ausführungsform können als Metalloxyd 3-30 Kation-Mol-% AlO 5 enthalten sein.
Es wurde gefunden, dass man aus dem beschriebenen semikristallinen keramischen Material Platten bis zu einerDicke von etwa 12, 7 mm pressen kann, die als Glas abgekühlt und der darauffolgenden Wärmebehandlung unterworfen werden können. Es wurde gefunden, dass die Viskositäten im geschmolzenen Zustand so niedrig, nämlich etwa im Bereich von 1 bis 10 Poise bei 1350-14000C liegen, dass die Massen ganz besonders gut für den Schleuderguss oder zur Herstellung dünner Glasplatten durch W alzen geeignet sind.
Solche dünne Glasplatten eignen sich vorzüglich als dielektrische Schichten für Kondensatoren der in der Fig. 2 der Zeichnung gezeigten Art.Für diesen Verwendungszweck können in an sich bekannter Weise zwischen die dünnen Glasplatten Streifen aus Metallfolie eingelegt oder die Platten vor dem Schichtaufbau mit einem elektrisch leitenden Überzug versehen werden. Die Glasschichten werden dann, wie in der USA-Patentschrift Nr. 2, 405, 529 beschrieben, unter Druck durch Erhitzen auf etwa 7000C miteinander verbunden, um die Metallschichten dazwischen einzuschliessen, worauf das Glas durch die vorstehend beschriebene Wärmebehandlung in den semikristallinen Zustand übergeführt wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren besteht nun im wesentlichen darin, dass beim Aufbau eines Kondensators dünneGlasstreifen und vorgeformteGlasteile der in der vorgenannten österr.Patentschrift Nr.234 867 beschriebenen Zusammensetzung für die dielektrische Zwischenschicht und für die äussere Umhüllung verwendet werden und die aus den Bestandteilen des Kondensators zusammengesetzte Anordnung auf eine Temperatur gebracht wird, bei welcher das Glas erweicht, die Teile der Umhüllung miteinander, mit den Verbindungsdrähten und vorzugsweise auch mit den dielektrischen Zwischenschichten verschmelzen, wonach durch eihe anschliessende Wärmebehandlung, die von der Zusammensetzung des verwendeten Glases abhängt, das Glas in den semikristallinen Zustand übergeführt wird.
Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zunächst in abwechselnder Folge Schichten eines elektrisch leitenden Materials und der zur Bildung des semikristallinenKörpers dienenden Masse angeordnet werden, dass jede zweite derleitenden Schichten an eine metallische Zuleitung und die übrigen leitenden Schichten an eine zweite metallischezuleitung angeschlossen werden, worauf dieAnordnunggeniigendhoch über denErweichungspunkt der den semikristallinenKörper bildenden Masse erhitzt wild, um sie zu erweichen, die Kanten der Masseschichten miteinander zu verschmelzen und mit den metallischen Zuleitungen dicht zu verbinden, dass die Anordnung hierauf einer zwischen der Spitzentemperatur der Kristallisation der ferroelektrischen Verbindung und einer Temperatur etwa 500C unter dem tiefsten Wert der ersten,
durch Schmelzen verursachten Einsenkung der DTA-Kurve des Glases liegenden Temperatur während eines Zeitraumes von mindestens einer Stunde bei der niedrigeren dieser Temperaturen bis zu mindestens einer halben Minute bei der höheren dieser Temperaturen ausgesetzt wird, um die ferroelektrische Verbindung zu kristallisieren, und dass sodann die Anordnung abgekühlt wird. Der Ausdruck DTA bedeutet differenzierte thermische Analyse. Bei diesem Verfahren wird vorzugsweise ein Glas verwendet, das als glasbildendes Oxyd mindestens eines der Oxyde Sitz. Bis und P2O5 enthält.
Die Erfindung ist in der Zeichnung näher erläutert. Darin veranschaulicht Fig. 1 die einzelnen Teile eines erfindungsgemässen Kondensators vor dem Verschweissen, während Fig. 2 einen erfindungsgemässen Kondensator nach dem Verschweissen und der zur Überführung des Glases in den semikristallinen Zustand dienenden Wärmebehandlung zeigt.
Wie Fig. 1 erkennen lässt, ist die Anordnung der Schichten 10, 13, 13 aus dielektrischem Material, vonLeiterstreifen 11 und Zuleitungen 12 grundsätzlich dieselbe wie im fertigen Kondensator gemäss Fig. 2, jedoch vor dem endgültigen Zusammenbau und Verschweissen der Schichten vom erfindungsgemä- ssen Kondensator. Dieser besitzt dann, wie Fig. 2 zeigt, eine dünne Schicht aus einem semikristallinen dielektrischen Material 10, einen dünnen Streifen oder Film aus einem Metall oder einem andern elektrisch leitenden oder halbleitenden Material 11 in enger Berührung mit den sicn gegenüberliegenden Flächen der Schicht 10 sowie band-oder drahtförmige Zuleitungen 12, diemitdeneinandergegen- überliegenden Kanten der Leiterstreifen 11 in festem elektrischemKontakt stehen.
Eine äussere Schicht aus semikristallinem dielektrischem Material 13 umgibt die Leiterstreifen 11 und die dielektrische Schicht 10 und schliesst dieselben ein ; die Aussenschicht 13 ist mit den Zuleitungen 12 durch Schmelzen dicht verbunden. Es ist klar, dass diese neuartige Anordnung nur durch einen Aufbau möglich wird, bei welchem die dielektrische Schicht 10 und die äussere Umhüllung 13 im Zeitpunkt des Zu- sammenbaues aus Glas bestehen, das in der Folge erweicht und mit den Zuleitungen 12 verbunden
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wird, worauf erst das Glas gemäss der weiter oben beschriebenen Wärmebehandlung in den semikristallinen Zustand übergeführt wird.
Selbstverständlich ist ein auf solche Weise hergestellter Kondensator nicht auf ein einzelnes Paai Leitcrstreifen 11 beschränkt, sondern kann aus einer Vielzahl von abwechselnd angeordneten Leiterstrcifen mit entsprechend angeschlossenen einzelnen Zuleitungen bestehen. Jeder dieser Streifen wird hiebei durch die dazwischengeschichteten dielektrischen Lagen und durch die äussere, mit den dielektrischen Lagen in Verbindung stehende und einen Teil derselben ausmachende dielektrische Umhüllung isoliert und von dieser Umhüllung umgeben. In diesem Falle sind die Eingangs-und Ausgangsklemmen mit zwei der zahlreichen elektrisch leitenden Schichten verbunden ; die übrigen leitenden Schichten können in an sich bekannter Weise verbunden werden, so dass man eine Parallel-, Reihen-oder eine kombinierte Parallel- und Reihenschaltung erhält.
Die Umhüllung kann mit den dielektrischen Zwischenschichten beim Zusammenpressen in der Wärme verschmelzen und einen Teil dieser Schichten bilden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kondensator mit mehreren elektrisch leitenden Schichten, dadurch gekennzeichnet, dass diese Schichten voneinander durch ein semikristallines Dielektrikum aus einem keramischen Körper getrennt sind, welcher, auf Oxydbasis bezogen, 30-90 Kation-Mol-% der Oxydbestandteile von mindestens einer ferroelektrischen Verbindung der Sauerstoff-Oktaeder-Familie enthält und dass mindestens
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Verbindungförmig dispergierte Kristallphase enthalten, wobei die Kristallphase aus einem, dieselbe Oxydzusammensetzung wie der Körper aufweisenden und mindestens ein glasbildendes Oxyd enthaltenden homogenen Glas in situ kristallisiert ist.
2. Kondensator mit mehreren elektrischleitendenSchichtennachAnspruch l, dadurch gekennzeichnet, dafssdassemikristallinekeramischeDielektrikumausserdenOxydbestandteilenderferroelek-
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zur Bildung des semikristallinen Körpers dienenden Masse angeordnet werden, dass jede zweite der leitenden Schichten an eine metallische Zuleitung und die übrigen leitenden Schichten an eine zweite me-
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seschichten miteinander zu verschmelzen und mit den metallischen Zuleitungen dicht zu verbinden, dass die Anordnung hierauf einer zwischen der Spitzentemperatur der Kristallisation der ferroelektrischen Verbindung und einer Temperatur etwa 500C unter dem tiefsten Wert der ersten,
durch Schmelzen verursachtenEinsenkung der DTA-Kurve des Glases liegenden Temperatur während eines Zeitraumes von mindestens einer Stunde bei der niedrigeren dieser Temperaturen bis zu mindestens einer halben Minute bei der höheren dieser Temperaturen ausgesetzt wird, um die ferroelektrische Verbindung zu kristallisieren, und dass sodann die Anordnung abgekühlt wird.
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