DE102004045009B4 - Elektrisches Bauelement und dessen Verwendung - Google Patents

Abstract

Elektrisches Bauelement mit:
– einem keramischen Grundkörper (1), der mehrere keramische Schichten (2) sowie zwischen den keramischen Schichten angeordnete Innenelektroden (3) aufweist,
– mehreren an der Oberfläche des Grundkörpers aufgebrachten Außenanschlüssen (4),
– einer resistiven Schicht (5), die ein Material enthält, das eine nichtlineare Spannungsabhängigkeit der Leitfähigkeit aufweist, wobei
– die resistive Schicht die Außenanschlüsse außerhalb des Grundkörpers elektrisch miteinander verbindet und mittels Dünnschichttechnik erzeugt ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement, insbesondere einen keramischen Vielschichtkondensator (MLCC) und dessen Verwendung als Netzfilter.
• Für innovative Stromversorgungssysteme, wie zum Beispiel AC/DC- und DC/DC-Wandler, sowie für Vorschaltgeräte und Netzfilter werden in der Regel kompakte und dünne bzw. flache Bauweisen mit hoher Leistungsdichte verlangt. Für solche Anwendungen sind keramische Vielschichtkondensatoren, insbesondere SMD (Surface Mounted Device)-Kondensatoren mit Betriebsspannungen bis zu 400V/DC (mittlerer Spannung) und hohen Kapazitätswerten im Bereich von 1 bis 10 μF in Kombination mit einer flachen Bauweise (Komponentendicke von weniger als 3mm) besonders attraktiv. Dagegen sind elektrolytische Kondensatoren aufgrund ihres sperrigen Designs und ihrer sperrigen Form, welche eine Gestaltung der Komponentendicke von weniger als 5 Millimeter nahezu unmöglich macht, weniger anwendbar.
• Die Herstellung von keramischen Hochleistungsvielschichtkondensatoren mit kapazitiven Werten über 1 μF in Flachbauweise ist anspruchsvoll. Das keramische Material und das Elektrodendesign sind dabei wichtige Punkte, welche berücksichtigt werden müssen um solche Kapazitäten zu erreichen.
• Wenn ein hochgeladener Kondensator innerhalb einer kurzen Zeit entladen wird, wie beispielsweise im Falle eines Kurzschlusses, kann der Impuls des hohen Stroms eine hohe mechanische Belastung auf den Kondensator erzeugen, welche zu seinem Ausfall und letztendlich auch zur Zerstörung der mit ihm verbundenen elektronischen Komponente führen kann. Diese Entladungsprobleme sind entsprechend für kompakte, durch eine Flachbauweise gekennzeichnete Kondensatoren für mittlere bis hohen Spannungen mit hoher Leistungsdichte und starken elektrischen Feldern zunehmend wichtig.
• Aus US 2004/0042155A1 ist ein keramischer Vielschichtkondensator bekannt, welcher in der Lage ist, nieder- bis hochfrequente Induktivitäten sowie einen kontrollierten, äquivalenten Reihenwiderstand (ESR) aufzuweisen. Die Terminierungen des keramischen Vielschichtkondensators weisen dabei mehrere Schichten auf, unter denen eine resistive Schicht ausgebildet sein kann, insbesondere um eine erhöhte Impedanzkontrolle des Kondensators zu erreichen. Es wird die Verwendung eines verlustbehafteten dielektrischen Materials zwischen den Elektroden des Kondensators vorgeschlagen, wobei der Widerstand des Elektronstroms im Dielektrikum reduziert und dabei der Dissipationsfaktor des Kondensators erhöht wird, welches zu einer erhöhten Impedanz des Kondensators führt.
• Aus DE 10224565 A1 ist ein keramischer Vielschichtbauelement bekannt, welcher eine mit Kontaktflächen verbundene Widerstandsstruktur aufweist. Das Bauelement ist kompakt ausgebildet, da Überschneidungen verschiedener Widerstandsstrukturen vermieden werden.
• Aus DE 101 46 947 B4 ist ein elektrisches Bauelement bekannt, bei dem zumindest auf Teilen der Oberfläche des Grundkörpers ein Material aufgebracht ist, dessen spezifischer elektrischer Widerstand mit steigender Temperatur abnimmt.
• Es liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Bauelement anzugeben, welches bei hohen Spannungen möglichst stabil betrieben werden kann.
• Aus WO98/21731 ist ein Bauelement bestehend aus zwei eigenständigen Chipkomponenten bekannt, nämlich aus einem Vielschichtvaristor und einem Vielschichtkondensator, wobei diese Komponente übereinander und zwischen zwei Außenkontakten des Bauelements angeordnet sind. Zwischen den Komponenten ist eine Glasfritte enthaltende Schicht vorhanden.
• Die Erfindung wird durch die Merkmale der jeweiligen unabhängigen Ansprüche gelöst.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich neben der nachfolgenden Beschreibung auch aus den Unteransprüchen.
• Es wird ein elektrisches Bauelement angegeben, das einen keramischen Grundkörper mit mehreren keramischen Schichten und zwischen den keramischen Schichten angeordneten Innenelektroden aufweist. An der Oberfläche des Grundkörpers sind mehrere Außenanschlüsse aufgebracht und es ist eine resistive Schicht vorgesehen, die ein Material enthält, das eine nichtlineare Spannungsabhängigkeit der Leitfähigkeit aufweist. Die resistive Schicht ist mittels Dünnschichttechnik erzeugt und verbindet die Außenanschlüsse außerhalb des Grundkörpers elektrisch miteinander.
• Ein solches elektrisches Bauelement hat den Vorteil, dass die an den Terminierungen angelegten Spannungen in einem außerbetrieblichen Zustand des Bauelements kontrolliert reduziert werden können, da zwischen den Terminierungen mittels des nichtlinear resistiven Körpers ein Pfad für einen kontrollierten Stromleck bereitgestellt ist.
• Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das elektrische Bauelement trotz seiner Hochspannungsverträglichkeit und seiner Fähigkeit, sich, wie oben genannt, kontrolliert zu entladen, äußerst klein realisiert bzw. hergestellt werden kann. Dazu ist es besonders günstig, wenn der resistive Körper als Schicht ausgebildet wird.
• Mittels des nichtlinear resistiven Materials kann ein Varistoreffekt erreicht werden, welcher dafür sorgt, dass hohe Stromimpulse kontrolliert abgefangen bzw. abgeführt werden können.
• Gemäß einer Ausführungsform ist das elektrische Bauelement ein Vielschichtkondensator. Dieser kann als Netzfilter verwendet werden.
• Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele und Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
• 1 einen keramischen Vielschichtkondensator mit zwei durch einer resistiven Schicht verbundenen Terminierungen.
• 1 zeigt ein elektrisches Bauelement als keramischer Vielschichtkondensator mit einem keramischen Grundkörper 1, welcher an seinen beiden Stirnseiten mit Terminierungen 4 bzw. Kontaktkörpern versehen ist. Der keramische Grundkörper besteht vorzugsweise aus mehreren Keramikschichten 2 und weist in seinem Inneren mehrere Elektroden 3 auf, welche jeweils an einem Ende 7 mit einer Terminierung 4 kontaktiert sind. Die Elektroden 3 können innerhalb des keramischen Grundkörpers in einer alternierenden Sequenz, kammförmig oder ineinander verschachtelt bzw. -greifend angeordnet sein. Die Elektroden, welche mit einem Ende 7 mit einer gemeinsamen Terminierung kontaktiert sind, bilden einen Elektrodenstapel.
• Um hohe Kapazitätswerte zusammen mit einer hohen Leistungsdichte sowie eine Flachbauweise des Kondensators zu erreichen, ist es günstig, wenn der Abstand zwischen den betrieben zu werden, typischerweise im Bereich von 100 bis 1000V (für Netzspannungen von 110–380 V AC mit Sicherheitspuffer nach oben). Die Kombination einer möglichst kleinen Bauweise, hohe Kapazitätswerte sowie Leistungsdichte des Kondensators sowie die Anforderung seiner Anwendung bei den genannten Spannungsbereichen führt zu einem Aufbau und einem Speicher von großen Ladungsmengen sowie elektrischer Energie innerhalb des Kondensators.
• Für eine erhöhte Stabilität bzw. Sicherheit des Kondensators sowie zur Verhinderung eines möglichen Ausfalls des Kondensators oder Zerstörung aufgrund einer schnellen Entladung, wird bevorzugt, dass eine Entladung der Spannung zwischen den Terminierungen des elektrischen Bauelements in einer kontrollierten Art und Weise im außerbetrieblichen Zustand des Kondensators erzielt wird. Falls beispielsweise eine Stromversorgung oder ein Ladegerät nach seiner Inbetriebnahme abgeschaltet wird, kann ein Kondensator mit einer hohen Leistungsdichte sowie einer hohen Kapazitanz in der Form eines Filters die Ladung bzw. die elektrische Energie der Stromversorgung für einen längeren Zeitraum speichern. Die Ladungszeit kann dabei zwischen mehreren Minuten und mehreren Stunden liegen.
• Für das genannte voraussehbare Entladungsverhalten des keramischen Vielschichtkondensators mittels eines kontrollierten Stromlecks über einen geeigneten Pfad werden die Terminierungen 4 mittels eines resistiven Materials in der Form eines resistiven Körpers 5 miteinander verbunden. Als Schicht wird der resistive Körper vorzugsweise zumindest auf Teile der Oberfläche des keramischen Grundkörpers aufgebracht. Eine resistive Schicht kann zwischen den Terminierungen jeweils auf beiden, sich gegenüberliegenden Oberflächen des keramischen Grundkörpers aufgebracht sein. Die resistive Schicht 5 und/oder die Oberfläche des keramischen Grundkörpers 1 kann zumindest teilweise mit einer isolierenden Schicht 6, insbesondere für Passivierungszwecke, versehen werden. Die Isolierschicht 6 kann dabei zwischen dem keramischen Grundkörper und der resistiven Schicht 5 angeordnet sein.
• Das Material des resistiven Körpers bzw. Schicht kann aus einer Vielfalt von anorganischen oder organischen Materialien bestehen, wobei die Zusammensetzung des Materials so gewählt ist, dass sie einen minimalen Widerstand aufweist, ohne dass die Kapazität oder die Leistungsfähigkeit des Kondensators unterdrückt wird, dennoch aber einen ausreichenden Widerstand aufweist, so dass eine geeignete Entladungszeit des Kondensators ohne beschädigenden Nebeneffekten erreicht werden kann.
• Es ist günstig, wenn das resistive Material nichtlinear resisitv bzw. ein Varistormaterial und der keramische Vielschichtkondensator als Filter, insbesondere als Netzfilter realisiert ist. Während ein solches Varistormaterial bei normalen und außerbetrieblichen Betriebszuständen (stabile Betriebszustände) als üblicher Widerstand fungiert, kann das Varistormaterial den Kondensator und die mit dem Kondensator verbundenen Schaltkreise bzw. Netzwerke vor hohen Stromimpulsen (unstabile Betriebszustände) unter Verwendung des Varistoreffekts schützen. Während einer solchen starken, impulsartigen elektrischen Belastung wird das Varistormaterial zunehmend elektrisch leitend bzw. übt einen geringer werdenden Widerstand aus und kann den Strom beispielsweise in die Erde führen und damit den Kondensator schützen.
• Als nichtlinear resisitve bzw. Varistormaterialien kommen beispielsweise ZnO-Bi-Oxid, wobei Bi-Oxid für ein Wismuth-Oxid steht, ZnO-Pr-Oxid, wobei Pr-Oxid für ein Praseodym-Oxid steht, SrTiO₃-Keramiken in Betracht.
• Die Verwendung von linear resistivem Material kann dagegen von Vorteil sein, da es ohne Weiteres auf die Oberfläche des keramischen Grundkörpers aufgebracht werden kann und die Gestaltung der Zusammensetzung des Materials besonders einfach ist.
• Beispiele von linear resistive Materialien finden sich unter organischen bzw. Komposit-Materialien wie z.B. Polymere wie Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Epoxy Harze, Poletheretherkton, Nylon 66, Polycarbonat, Polyester, Polyethermid, Polyethersulfon, Polyphenylensulfid (PPS), Polybutylen-Terephthalat (PBT), jeweils vorzugsweise gefüllt bzw. zusammengesetzt mit leitfähigen, kohlenstoffhaltigen Materialien wie z.B. Russ oder Kohlefaser oder zusammengesetzt mit metallischen Materialien wie Stahlpartikeln, Stahlfasern oder Aluminiumpartikeln. Geeignete anorgansiche Materialien sind dagegen z.B. keramikartige Materialien wie Siliziumcarbid, Wolframcarbid, Titannitrid, Rutheniumdioxid oder Ruthenate wie (Bi, PB)₂Ru₂O₇, oder glasartige Materialien wie Lithiumoxid-Kaliumkarbonat-Borosilikat-Gläser.
• Das aus einer Vielfalt von anorganischen und organischen Materialien auswählbare resistive Material kann anhand mehrerer Verfahren auf die Oberfläche des keramischen Grundkörpers aufgebracht werden, wie beispielsweise mittels Dick- oder Dünnschichttechnologie, Drucken bzw. Siebdrucken, Spritzen, Tauchen, CVD (Chemical Vapor Deposition Verfahren) und PVD (Physical Vapor Deposition Verfahren). Eine Kombination von Dick- und Dünnschichtverfahren wäre auch denkbar, beispielsweise wenn der resistive Körper als vielschichtiger Körper ausgebildet wird, bei dem eine erste Lage oder Schicht aus einem Keramikmaterial mittels eines Dickschichtverfahrens und eine zweite Lage als Elektrode mittels PVD (Dünnschichtverfahren) aufgebracht wird.
• Das folgende Beispiel stellt bevorzugte Eigenschaften der resistiven Schicht bzw. Materials dar. In einem ersten Fall wird von einem Batterieladegerät mit einer Ausgangsleistung von 10 W und in einem zweiten Fall von einem Batterieladegerät mit einer Ausgangsleistung von 1 W ausgegangen. Die Batterieladegeräte weisen mit resistiven Schichten versehene keramische Vielschichtkondensatoren als Filter auf, welche den ggf. gleichgerichteten Wechselstrom (AC) aus einer Stromversorgung dämpfen, um diesen in einen Gleichstrom (DC) umzuwandeln. Dabei wird Folgendes vorausgesetzt:
• 1. Die Leistungsverluste der Batterladegeräte, welche durch das resistive Material eingeführt werden, sollten vorzugsweise 1 % nicht übersteigen.
• 2. Die Betriebsspannungen der Filter liegen bei 400 V/DC.
• 3. Die Entladungszeit t der Filter wird auf t = 4 Minuten eingestellt, wobei vorzugsweise 1/3 dieser Zeit eine zweite, in der Regel ausreichende Entladungszeit τ ergibt, also 3τ ≤ 4 Minuten, sodass die gewünschte Entladungszeit τ 80 Sekunden beträgt.
• Bei einer Ausgangsleistung von 10 W des ersten Batterieladegeräts sollte der gesamte Leistungsverlust der resistiven Schicht 0,1 W nicht überschreiten (1 % von 10 W). Mittels der Gleichung P_R = U²/R, wobei P_R der Leistungsverlust der resistiven Schicht, U die auf das Filter angelegte Spannung und R der Widerstand der resistiven Schicht ist, kann der minimale Widerstand der resistiven Schicht als R_10W 400²V²/0,1 W angegeben werden. Dadurch ergibt sich für das resistive Material ein bevorzugter, minimaler Widerstandswert von R_10W ≥ 1,6·10⁶ Ω.
• Im zweiten Fall des Batterieladegeräts mit einer Ausgangsleistung von 1 W, sollte der gesamte Leistungsverlust der resistiven Schicht 0,01 W nicht überschreiten. Mit der genannten Gleichung führt diese Einschränkung zu einem bevorzugten, minimalen Widerstandswert der resistiven Schicht von R_1W ≥ 1,6·10⁷ Ω.
• Für eine Kapazitanz von C = 10 μF des Filters bzw. der Filter kann mittels der Formel R ≤ τ/C = (80 Sekunden)/(10·10^–6 F) allerdings ein maximaler Widerstandswert von R_10μF ≤ 8·10⁶ Ω ermittelt werden. Sollte dagegen die Kapazitanz des Filters lediglich 1 μF betragen, kann ein maximaler Widerstandswert von R_1μF ≤ 8·10⁷ Ω ermittelt werden.
• Durch den Vergleich der hiermit bei unterschiedlichen Bedingungen ermittelten vier Widerstandswerte des resistiven Materials wird klar, dass eine Kapazitanz eines Filters bzw. Kondensators von 10 μF mit dem 10 W Batterieladegerät auf alle Fälle kompatibel ist. Im Falle des 1 W Batterieladegeräts sind Filter bzw. Kondensatoren mit einer Kapazitanz von 1 μF kompatibel, die Kombination dagegen eines 1 W Batterieladegeräts mit einem 10 μF-Filter jedoch nicht kompatibel. Die maximal erlaubte Kapazitanz in diesem Falle wäre statt dessen 5 μF, da ansonsten die Entladungszeit t die genannte 4-Minuten bzw. 80-Sekunden-Grenze überschreiten würde.
• Durch die Verwendung eines keramischen Vielschichtkondensators mit einer elektrischen Verbindung zwischen den Terminierungen, welche lineare oder nicht lineare resistive Materialien enthält, wird es möglich, das Entladungsverhalten des Kondensators zu kontrollieren. Hiermit kann die Stabilität bzw. Sicherheit des Kondensators gefördert werden, und die Wahrscheinlichkeit eines Kondensatorausfalls oder einer Kondensatorfehlfunktion weitestgehend minimiert werden. Der Vielschichtkondensator kann zudem Kapazitäten von 1 bis 10 μF aufweisen, welches bei einer minimierten Bauweise äußerst hoch ist.
• Das hier vorgestelle elektrische Bauelement kann mit dem die Terminierungen verbindenden resistiven Körper in mehrfacher Ausführung in einem Array integriert werden. Auch kann es einzeln oder als Array in einem Chip integriert sein. Das elektrische Bauelement bzw. der Kondensator sollte vorzugsweise Klasse 1 und Klasse 2 Temperatureigenschaften (EIA-198-D) aufweisen, wie zum Beispiel COG, X7R, Z5U und Y5V.

Claims (10)

1. Elektrisches Bauelement mit: – einem keramischen Grundkörper (1), der mehrere keramische Schichten (2) sowie zwischen den keramischen Schichten angeordnete Innenelektroden (3) aufweist, – mehreren an der Oberfläche des Grundkörpers aufgebrachten Außenanschlüssen (4), – einer resistiven Schicht (5), die ein Material enthält, das eine nichtlineare Spannungsabhängigkeit der Leitfähigkeit aufweist, wobei – die resistive Schicht die Außenanschlüsse außerhalb des Grundkörpers elektrisch miteinander verbindet und mittels Dünnschichttechnik erzeugt ist.
2. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem auf die resistive Schicht (5) zumindest teilweise eine Isolierschicht (6) aufgebracht ist.
3. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Oberfläche des keramischen Grundkörpers (1) zumindest teilweise mit einer Isolierschicht (6) beschichtet ist.
4. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 3, bei dem die resistive Schicht (5) auf die Isolierschicht (6) aufgebracht ist.
5. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die resistive Schicht (5) zumindest auf Teile der Oberfläche des keramischen Grundkörpers (1) aufgebracht ist.
6. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die resistive Schicht (5) anorganisches Material enthält.
7. Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die resistive Schicht (5) organisches Material enthält.
8. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die resistive Schicht (5) Varistoreigenschaften aufweist.
9. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ein Vielschichtkondensator ist.
10. Verwendung eines elektrischen Bauelements nach Anspruch 9 als Netzfilter.