DE3930623A1

DE3930623A1 - Verfahren zur herstellung eines monolitischen keramik-kondensators

Info

Publication number: DE3930623A1
Application number: DE3930623A
Authority: DE
Inventors: Shunsuke Nakaya; Harunobu Sano; Yoshiaki Kohno
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1988-09-13
Filing date: 1989-09-13
Publication date: 1990-03-15
Also published as: DE3930623C2; GB2224392A; US4982485A; JPH0278211A; GB8920617D0; GB2224392B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines monolitischen Keramik-Kondensators, der einen Keramikkörper enthält mit einer Mehrzahl von darin schichtförmig eingebetteten Innenelektroden und mit an den beiden Endflächen des Keramikkörpers angeformten Außenelektroden.

Gewöhnlich enthält ein monolitischer Keramik-Kondensator einen in Schichtbauweise hergestellten Keramikkörper oder Keramik-Schichtkörper, der aus übereinander angeordneten dielektrischen Keramikschichten und Innen elektroden besteht. An den beiden Endflächen, an denen die Innenelektroden freiliegen, sind hauptsächlich aus Silber bestehende Außenelektroden angeformt, an denen der Kondensator durch Löten elektrisch verbunden wird.

Bei Zuverlässigkeitstests hat sich herausgestellt, daß sich die elektrischen Eigenschaften des monolitischen Keramik-Kondensators während des Lötvorgangs dadurch verschlechtern, daß sich ein im geschmolzenen Lötmittel enthaltenes Metall, beispielsweise Zinn, in Richtung der Innenelektroden-Schichten bewegt und daß elektroche mische Reaktionen oder ähnliches auftreten. Lötmittel enthalten in erster Linie Zinn, das sich gewöhnlich mit verschiedenen Metallen leicht legieren läßt und dadurch bewirkt, daß intermetallische Verbindungen mit den Außenelektroden auftreten. Ein Teil derartiger interme tallischer Verbindungen diffundiert allmählich in den monolitischen Keramik-Kondensator hinein und zwar über Diffusionswege oder -bahnen der Innenelektroden oder der Trennschichten zwischen den Innenelektroden und den dielektrischen Keramikschichten. Dies führt zu einer extremen Verschlechterung der elektrischen Eigenschaf ten des Kondensators, beispielsweise des Isolationswi derstands. Demgemäß besteht ein Bedarf an einem zuverlässigen monolytischen Keramik-Kondensatoren, bei denen die oben beschriebene Diffusion in die oder ent lang der Innenelektroden nicht mehr auftreten.

In der US-PS 46 04 676 ist ein monolytischer Keramik- Kondensator offenbart, der zwischen den Außenelektroden und den beiden Endflächen des Keramik-Schichtkörpers leitende Keramikfilme (leitende Metalloxidschichten) aufweist. Diese leitenden Keramikfilme verhindern die Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften, insbe sondere des Isolationswiderstands, in dem eine Reduktion eines dielektrischen Keramikmaterials nicht möglich ist. Diese vorhandenen leitenden Keramikfilme verhindern also, daß Teile des Lötmittels in die oder entlang der Innenelektroden eindiffundieren.

Dadurch werden zwar die Innen- und Außenelektroden elektrisch miteinander verbunden, strukturell aber durch die Keramikfilme voneinander getrennt, die einen gerin gen Metallduffusions-Koeffizienten aufweisen. Es ist also nicht möglich, daß ein mit den Außenelektroden in Kontakt gekommenes Lötmittel bzw. das hauptsächlich darin enthaltene Zinn in die oder entlang der Innen elektroden eindiffundiert. Dadurch sind die elektrischen Eigenschaften des geschichteten Keramik-Kondensators stabil.

Das oben aufgeführte Patent offenbart allerdings ledig lich ein Verfahren zum Auftragen eines dünnen Films, wie beispielsweise Kathoden-Zerstäubung oder Sputtern, als eine Möglichkeit zur Auftragung des leitenden Keramik films. Ferner ist es notwendig, zur Herstellung der leitenden Keramikfilme in speziellen Bereichen, wie beispielsweise die Oberflächenteile des Keramik- Schichtkörpers, an denen die Innenelektroden freiliegen, sowohl Masken als auch kostspielige Ausrüstungen zu verwenden, wie einen Kathodenzerstäubungs-Apparat. Des weiteren wird zur Ausbildung der leitenden Keramikfilme eine verhältnismäßig lange Zeit benötigt. Dies alles verteuert die Herstellung des monolitischen Keramik- Kondensators erheblich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines monolitischen Keramik- Kondensators anzugeben, das mit technisch einfachen Mitteln eine effektive Herstellung eines gegen Eindif fundieren geschützten Keramik-Kondensators ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Lösung ist im Patentanspruch 1 an gegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines monolitischen Keramik-Kondensators umfaßt die Verfah rensschritte:

- Erstellen eines Keramikkörpers in Schichtbauweise, mit einander entgegengesetzten Endflächen und mit ersten und zweiten Innenelektroden, die parallel zu dem Keramikkörper angeordnet sind und entweder an der einen oder an der anderen Endfläche freiliegen. Auf den jeweiligen Endflächen werden leitende Keramikfilme durch einen Brennvorgang angeformt. Das Anformen der leitenden Keramikfilme kann entweder gleichzeitig mit dem Brennvorgang des Keramikkörpers, oder nach dessen Brennvorgang durchgeführt werden. Auf die leitenden Keramikfilme werden in der beschriebenen Art und Weise Außenelektroden aufgeformt.

Falls der Brennvorgang des Keramikkörpers bzw. Keramik- Schichtkörpers vor dem Ausbilden der leitenden Keramik filme durchgeführt wird, bestehen die leitenden Keramikfilme vorzugsweise aus einem leitenden Keramik material, dessen Brenntemperatur niedriger ist als die des Keramik-Schichtkörpers.

Vorzugsweise enthält das leitende Keramikmaterial der leitenden Keramikfilme mindestens ein Element aus der Gruppe La₂O₃, SrCO₃ und MnCO₃.

Zur Ausbildung der leitenden Keramikfilme wird entweder eine das leitende Keramikmaterial enthaltende Paste an den beiden Endflächen des Keramik-Schichtkörpers aufge tragen, oder es werden Scheiben dieses Materials an den Endflächen befestigt.

Erfindungsgemäß werden daher die leitenden Keramikfilme dadurch erhalten, daß das leitende Keramikmaterial auf ausgewählten Bereichen des Keramik-Schichtkörpers auf gebracht wird und diese Anordnung gebrannt wird. Dieses Brennverfahren wird beispielsweise auch zur Herstellung des Keramik-Laminats verwendet, um einen monolitischen Keramik-Kondensator herzustellen. Daher kann ein mono litischer Keramik-Kondensator erfindungsgemäß durch Anwenden lediglich einer Technik erhalten werden, die im wesentlichen identisch ist mit derjenigen zur Herstel lung bekannter monolitischer Keramik-Kondensatoren. Er findungsgemäß wird kein spezieller Apparat oder keine spezielle Ausrüstung benötigt, um den monolitischen Keramik-Kondensator herzustellen, und es kann die Her stellung sehr effektiv durchgeführt werden. Hinzu kommt, daß die leitenden Keramikfilme in einer kürzeren Zeit als bei bekannten Dünnfilm-Auftragungsverfahren herge stellt werden. Dies alles führt zu einer wesentlichen Reduzierung der Herstellungskosten.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. Es zei gen:

Fig. 1 einen Querschnitt eines monolitischen Keramik- Kondensators, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine dielektrische Kera mikschicht, die im monolitischen Keramik-Kon densator gemäß Fig. 1 enthalten ist; und

Fig. 3 eine Explosionszeichnung zur Erläuterung des in Fig. 1 dargestellten Keramik-Schichtkör pers.

Ein in Fig. 1 dargestellter monolitischer Keramik-Kon densator enthält einen in Schichtbauweise hergestellten Keramikkörper bzw. Keramik-Schichtkörper 1, der eine Mehrzahl von dielektrischen Keramikschichten 2 mit Innenelektroden 3 enthält. An beiden Endflächen des Keramik-Schichtkörpers 1 sind auf leitenden Keramikfil men 5 Außenelektroden 6 aufgeformt. Auf diesen Außen elektroden 6 können dünne Plattierungslotschichten 7 aufgetragen werden. Dieser monolitische Keramik-Konden sator ist chipförmig in Form eines rechteckigen Pa rallelepipeds ausgebildet.

Im folgenden werden die Verfahrensschritte zur Herstel lung dieses Kondensators beschrieben.

Zuerst wird der Keramik-Schichtkörper 1 hergestellt. Der Keramik-Schichtkörper 1 wird gebildet durch mehrere dielektrische Keramikschichten (ungebrannte Scheiben) 2, die jeweils erhalten werden durch Aufschlämmen eines Pulvers und durch Ausbreiten dieser Aufschlämmung in dünnen Schichten. Die jeweiligen Innenelektroden 3 werden gebildet durch Auftragen einer Pd-Paste (Palladium-Paste) auf einer Oberfläche einer dielektri schen Keramikschicht 2. Anschließend wird die benötigte Anzahl derartiger dielektrischer Keramikschichten 2 mit Innenelektroden 3 aufeinandergestapelt und oben und unten jeweils durch eine dielektrische Keramikschicht 4 ohne Innenelektroden 3 abgedeckt (siehe Fig. 3). Dieses Laminat wird gepreßt, geschnitten und gebrannt, wodurch der Keramik-Schichtkörper 1 erhalten wird.

Anschließend werden beide Endflächen des Keramik- Schichtkörpers 1 mit leitenden Keramikfilmen 5 abge deckt, was im folgenden näher beschrieben wird. Die leitenden Keramikfilme 5 werden gebildet durch Auftragen einer Paste, die hergestellt wird durch Mischen von Glasfritte mit beispielsweise La₂O₃, SrCO₃ oder MnCO₃. Diese Paste wird auf beide Endflächen des Keramik- Schichtkörpers 1 aufgetragen und diese Anordnung wird bei einer bestimmten Temperatur gebrannt. Andererseits können zur Herstellung der leitenden Keramikfilme 5 aus leitendem Keramikmaterial bestehende Scheiben an beiden Endflächen des Keramik-Schichtkörpers 1 angebracht wer den.

Als nächstes werden auf den entsprechenden leitenden Keramikfilmen 5 die Außenelektroden 6 aufgeformt. Die Außenelektroden 6 werden gebildet durch Auftragen einer leitenden Paste, die Pulver eines Metalls wie Silber enthält. Diese Paste wird auf die leitenden Keramikfilme 5 aufgebracht und es wird diese Anordnung gebrannt.

In einem folgenden Schritt werden dünne Plattierungs lotschichten 7 auf die Außenelektroden 6 durch Lötme tallauftragung aufgetragen.

Genauer gesagt, es wird als Bindemittel PVA (Polyvinylalkohol) einer Mischung zugeführt, die besteht aus 63 Mol-% Nd₂Ti₂O₇, 14 Mol-% BaTiO₃ und 23 Mol-% TiO₂. Diese Mischung wird unter Hinzufügen eines Netz mittels, eines Dispergiermittels und von Wasser durch geknetet, um eine Aufschlämmung zu erhalten, die zur Herstellung von ungebrannten Scheiben für die dielek trischen Keramikschichten 2 verwendet wird. Diese Auf schlämmung wird mit einem Abstreichmesser in 35 µm dicke ungebrannte Scheiben geschnitten. Anschließend wird auf einer Oberfläche der ungebrannten Scheiben mittels eines Siebdruckverfahrens die Pd-Paste aufgedruckt, um die Innenelektrode 3 (siehe Fig. 2) zu erhalten. Eine Mehrzahl derartiger ungebrannter Scheiben mit Innen elektroden 3 werden aufeinandergestapelt in einer Anzahl, die abhängig ist von der gewünschten elektro statischen Kapazität. In diesem Fall werden die unge brannten Scheiben derartig gestapelt, daß Kanten 2 a, die mit ersten Enden der Innenelektroden 3 fluchten, im Wechsel mit Kanten 2 b angeordnet werden, von denen zweite Enden der Innenelektroden 3 beabstandet sind (siehe Fig. 3). Anschließend wird diese Anordnung unter Hitzeeinwirkung gepreßt. Gemäß dieser Ausführungsform werden 11 ungebrannte Scheiben mit Innenelektroden 3 übereinandergestapelt. Dieses Laminat wird in eine Chipform geschnitten mit den Abmessungen 7 mm×5 mm, und es wird daraufhin bei einer Lufttemperatur von 1250°C gebrannt.

Anschließend werden die leitenden Keramikfilme 5 auf den Endflächen des bereits gebrannten Keramik-Schichtkörpers 1 aufgetragen. Ein leitendes Keramikmaterial für diese Keramikfilme 5 wird hergestellt durch Hinzufügung von Glasfritte in eine Mischung, die besteht aus 34 Mol-% La₂O₃, 15 Mol-% SrCO₃ und 51 Mol-% MnCO₃. Diese Mischung wird zu einer Paste verarbeitet, die auf beiden Endflä chen des Keramik-Schichtkörpers 1 aufgebracht wird. Der darauffolgende Brennvorgang wird bei einer Temperatur von 1200°C durchgeführt.

Durch Auftragen einer Silberpaste auf die leitenden Keramikfilme 5 und durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 820°C werden die Außenelektroden 6 auf geformt. Anschließend werden die Außenelektroden 6 mit einer dünnen Plattierungslotschicht 7 überzogen, wodurch der in Fig. 1 dargestellte monolitische Keramik-Kon densator fertiggestellt ist.

Zum Nachweis der elektrischen Zuverlässigkeit eines derartig hergestellten monolitischen Keramik-Kondensa tors wurden eine Probe eines Ausführungsbeispiels und eine Referenz-Probe unter den gleichen Bedingungen einem Zuverlässigkeitstest unterzogen. Dabei bestand die Referenz-Probe aus einem monolitischen Keramik-Konden sator, der sich vom erfindungsgemäßen Kondensator lediglich dadurch unterschied, daß keine leitenden Keramikfilme vorhanden waren. Bei diesem Test wurden die ursprünglichen Isolationswiderstände der entsprechenden Proben gemessen. Anschließend wurden diese Proben bei einer hohen Temperatur einem Schnellade-Lebensdauertest unterzogen, bei dem die Proben für 2000 Stunden bei einer Temperatur von 150°C mit einer Spannung von 50 V beaufschlagt wurden. Nach Ablauf der 2000 Stunden wurden die Isolationswiderstände erneut gemessen.

In der folgenden Tabelle sind die Meßergebnisse aufge führt.

Tabelle

Wie aus der Tabelle erkennbar, verschlechterte sich der Isolations-Widerstand (IR) der Referenz-Probe nach der Durchführung des Lebensdauertests auf unter 10⁴ Ohm, während der Isolations-Widerstand (IR) des erfindungs gemäßen monolitischen Keramik-Kondensators sich kaum verringerte.

Dadurch hat sich gezeigt, daß in dem erfindungsgemäßen monolitischen Keramik-Kondensator das in den Plattie rungslotschichten 7 enthaltene Zinn, das ein großes Diffusionsvermögen aufweist und mit den Außenelektroden 6 in Kontakt steht, kaum die Innenelektroden 3 oder Teile dieser Elektroden erreichen kann, da zwischen dem Keramik-Schichtkörper 1 und den Außenelektroden 6 die leitenden Keramikfilme 5 angeordnet sind. Dadurch werden die elektrischen Eigenschaften des durch den Keramik- Schichtkörper 1 gebildeten Kondensators stabil gehal ten.

Dieses erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines monolitischen Keramik-Kondensators ist nicht nur auf die oben beschriebenen Verfahren und Ausführungsformen beschränkt, sondern kann auf verschiedene Art und Weise variiert werden.

Beispielsweise kann, obwohl der Herstellungsvorgang der leitenden Keramikfilme 5 vor dem Brennvorgang des Kera mik-Schichtkörpers 1 wie oben beschrieben durchgeführt wird, der Keramik-Schichtkörper 1 gleichzeitig mit den leitenden Keramikfilmen 5 gebrannt werden.

Da zur besseren Benetzbarkeit mit Lötmittel die Plat tierungslotschichten 7 aufgetragen sind, können auf den Außenelektroden 6 Nickel-Zinn-Schichten, Nickel-Lötmit tel-Schichten, Kupfer-Zinn-Schichten und Kupfer-Lötmit tel-Schichten aufgetragen werden, um ein Auslaugen des in den Außenelektroden 6 enthaltenen Silbers zu verhin dern.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines monolitischen Keramik-Kondensators, bei dem ein Keramikkörper (1) in Schichtbauweise, mit einer ersten und einer dieser gegenüber angeordneten zweiten Endfläche und mit ersten und zweiten Innenelektroden (3) bereit gestellt wird, die innerhalb des Keramikkörpers (1) parallel zueinander angeordnet sind und jeweils an der ersten bzw. zweiten Endfläche freiliegen; und bei dem der Keramikkörper (1) gebrannt wird, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

- Ausbilden von leitenden Keramikfilmen (5) auf den beiden Endflächen des Keramik-Schichtkörpers (1) mittels eines Brennvorgangs; und
- Anformen von Außenelektroden (6) auf die jewei ligen leitenden Keramikfilme (5).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenn vorgang des Keramikkörpers (1) vor dem Anformen der leitenden Keramikfilme (5) durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenn vorgang des Keramikkörpers (1) gleichzeitig mit dem Brennvorgang zur Ausbildung der leitenden Keramik filme (5) durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die leiten den Keramikfilme (5) ein leitendes Material verwen det wird, dessen Brenntemperatur geringer ist als diejenige des Keramikkörpers (1).

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die lei tenden Keramikfilme (5) ein leitendes Keramikmate rial verwendet wird, das mindestens ein Element aus der Gruppe La₂CO₃, SrCO₃ und MnCO₃ enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Aus bildung der leitenden Keramikfilme (5) eine ein leitendes Keramikmaterial enthaltende Paste auf die erste und auf die zweite Endfläche des Keramikkör pers (1) aufgetragen und der so erhaltene Keramik körper gebrannt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Aus bildung der leitenden Keramikfilme (5) leitendes Keramikmaterial enthaltende Scheiben auf der ersten bzw. zweiten Endfläche des Keramikkörpers (1) auf gebracht werden und der so erhaltene Verbundkörper gebrannt wird.