(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記式
［Ｐｂ（１−ｒ）（ＢａｘＳｒｙＣａｚ）ｒ］（１−１．５ａ−１．５ｂ−０．５ｃ）（ＸａＹｂ）Ａｃ（Ｚｒ１−ｄＴｉｄ）Ｏ３
を有し、
式中、
ＸおよびＹは、それぞれ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、およびＹｂの少なくとも１つを含む群から選択される希土類金属であり、
Ａは一価のイオンを表し、
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、
ｘ、ｙ、およびｚの少なくとも１つは０より大きく、
０＜ｒ≦０．３であり、
０≦ｄ≦１であり、
０≦ａ≦０．２であり、
０≦ｂ≦０．２であり、
０≦ｃ≦０．２である、
反強誘電性セラミック材料。
【請求項２】
式中、０．０１≦ｒ≦０．２である、
請求項１に記載の反強誘電性セラミック材料。
【請求項３】
式中、
０．０１≦ｘ＜１であり、
０≦ｙ≦０．９９であり、
０≦ｚ≦０．２である、
請求項１または２に記載の反強誘電性セラミック材料。
【請求項４】
式中、
ｙ＝０且つｚ＝０であり、
０．０１≦ｒ≦０．２である、
請求項１に記載の反強誘電性セラミック材料。
【請求項５】
式中、
０＜ｙ≦０．９９であり、
Ｂａ含有量がＳｒ含有量より大きい、
請求項３に記載の反強誘電性セラミック材料。
【請求項６】
式中、
０．０１≦ｘ＜１であり、
０＜ｙ≦０．９９であり、
０＜ｚ≦０．２であり、
Ｂａ含有量がＳｒ含有量より大きく、前記Ｓｒ含有量がＣａ含有量より大きい、
請求項３に記載の反強誘電性セラミック材料。
【請求項７】
式中、０．０１≦ｄ≦０．７０、特に０．０３≦ｄ≦０．５２である、
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の反強誘電性セラミック材料。
【請求項８】
式中、Ａは、Ｎａ、Ｋ、Ｌｉ、およびＡｇの少なくとも１つを含む群から選択される、
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の反強誘電性セラミック材料。
【請求項９】
式中、ＸはＬａを表し、ＹはＮｄを表す、
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の反強誘電性セラミック材料。
【請求項１０】
キャパシタ、特に積層キャパシタへの、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の反強誘電性セラミック材料の使用。
【請求項１１】
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の反強誘電性セラミック材料を含むキャパシタ。
【請求項１２】
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の反強誘電性セラミック材料による少なくとも１層を含む、積層キャパシタ。
【請求項１３】
複数の内部電極が銅で形成された、請求項１２に記載の積層キャパシタ。
【請求項１４】
請求項１２または請求項１３に記載の積層キャパシタを含む、モータ駆動用インバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセラミック材料に関する。
【０００２】
さらに本発明は、この種の材料の使用に関する。
【０００３】
最後に本発明はまた、キャパシタ、特に積層キャパシタを含む。
【背景技術】
【０００４】
キャパシタは、電気工学の多くの領域で使用されている。例えば、モータ駆動のための、並びに、例えば、複数のＤＣ／ＤＣ回路において電圧を上げる、電圧を下げる、および／または電圧を安定させるための、複数のＡＣ／ＤＣ変換器に使用されている。この種の応用においては、複数のダイオードを有する複数の半導体スイッチ（"インバータ回路"と呼ばれる）および追加の回路がしばしば提供される。そこでは、これらの回路の間にキャパシタが配置される。このキャパシタはまた、中間回路キャパシタとも呼ばれる。複数の電圧パラメータおよび複数の電流パラメータを増大させることを目的として、複数のキャパシタを直列接続または並列接続することもまたこれにより可能である。
【０００５】
言及した複数の中間回路キャパシタの場合、複数の追加の回路の間に配置されたキャパシタは、動作可変電流および電圧における急激に発生する変化、および、また量的に有意な変化のどちらの間にも、中間回路電圧を一定に保つ役割を有する。従って、キャパシタの環境の結果として、複数の半導体により、並びに、基板および必要な複数のリード線から生じる複数の要求により、キャパシタの設計に対する可能性が制限されるという問題が概して生じる。このような状況においては、複数のキャパシタに対して所望される理想的な複数のパラメータが、複数の半導体素子を伴う複数の回路における理想的とは言えない二次的な複数の特性を伴う、および／またはそのような複数の特性によって影響されるということが特に問題である。これらの特性は、設計上の複数の制限に大きな影響を及ぼし得る。これらの制限的な二次的特性はまた、"寄生"二次特性とも呼ばれる。
【０００６】
複数の半導体には、異なる複数の構成要素によるいくつかの種類が存在し、そのそれぞれが、特定の複数の利点および不利な点を有する。ケイ素に基づいた複数の半導体スイッチ、例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）または金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、および、ケイ素の代わりとして、特にヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、または炭化ケイ素（ＳｉＣ）のようなその他のベース材料による対応する複数の構成要素が知られている。前述の構成要素は全て、特定の複数の利点にもかかわらず、言及した複数の寄生特性を共有する。これらの特性は、それぞれ所望される機能に対してほとんど相補的である。例えば、公知の式、
Ｕ＝−Ｌｄｌ／ｄｔ
による、複数の高電流の所望される急激な切り替えの場合に、自己インダクタンスおよび複数の線路インダクタンスで形成される低インダクタンスＬと、半導体の自己破壊を引き起こし得る高い（過）電圧との場合でさえも、高電流（大きなｄｌ）の急激な切り替え動作（小さなｄｔ）をもたらす。その結果、この種の要求が恒久的に対処されるべきである場合、複数の適切な設計方策および対抗策が必要である。この問題を解決すべく、一方では複数の過電圧を遮断するため、そして他方では、寄生直列抵抗によって引き起こされる、複数の半導体の複数のゲートキャパシタンスの低減された充電／放電速度を補償するために、中間回路キャパシタは通常大型化される。従って、応用する環境がキャパシタの設計を決定する。
【０００７】
別の寄生特性はリーク電流である。これは、相当な温度上昇を、事実上、常に引き起こす。この温度上昇は、特定の許容される大きさに制限されなければならない。これに関連して、より高い温度において非常に頑丈であり、特に効率のよいものは、まさに複数の半導体である。しかし、過度な温度、および／または材料にストレスを与える繰り返される温度変化が、基板または複数の接続素子、そしてまた特に複数のキャパシタのような、半導体に接続するまたはそれに近接して配置されるような複数の素子において、材料のダメージを最終的に引き起こし得る。または、少なくとも、そうした複数の素子の耐用年数を制限し得る。
【０００８】
熱安定性に関して、複数のキャパシタが複数の狭い許容限界を有し、これらは、高電流および高電圧の場合に特に当てはまる。全てのキャパシタ技術に対し、温度が上昇するに連れてリーク電流は増大し、耐圧は低下するので、この点もまた、設計に対して考慮されなくてはならない。回路中の複数の半導体による熱生成の結果、および、温度上昇に対する複数のキャパシタ自身の寄与のために、いずれの場合にも既に必要となっている大型化に加えて、効果的な冷却を可能として予め定められた温度範囲を守るべく、複数の半導体から特定の距離にこれらのキャパシタを配置することもまた、かねてから必要とされてきた。しかしながら、この間隔をあけることの結果、要求される複数のより長い電気接続が、対応するインダクタンスを常に有する。これは、上記の式の観点において逆効果であり、キャパシタのさらなる大型化を必要とする。
【０００９】
様々なキャパシタ技術が従来技術から知られている。特に、複数のセラミック積層キャパシタ、アルミニウム電解キャパシタ、および金属化フィルムキャパシタである。特定の使用目的に対する複数の評価パラメータとして、特にキャパシタンス、電圧、リップル電流、等価直列抵抗、損失係数、周波数応答、キャパシタンス安定性、および電圧軽減が、温度挙動、信頼性、エネルギー密度、およびコストのように使用される。これらの評価パラメータおよび基準を踏まえて、約１ｋＷから始まる電力範囲においては、複数のアルミニウム電解キャパシタおよび複数の金属化フィルムキャパシタが主として使用され、一方で、この範囲より低い電力範囲においては、複数のセラミックキャパシタが使用される。
【００１０】
複数の構成要素における小型化へ向けた一般的な傾向はまた、エレクトロモビリティにも当てはまる。従って、モータ駆動用の前述の複数のＡＣ／ＤＣ変換器のような複数の構成要素にもまた当てはまる。関連する複数のインバータにおける複数の電子部品に対して、著しくより小型で、より効率のよいものとして設計されるべきとの要求がある。複数のキャパシタに関しては、もしも、複数のインバータにて要求される高電圧において、電圧を増大させても、使用されるべき複数のＸ７Ｒキャパシタのキャパシタンスが低下しない場合には、複数のセラミック積層キャパシタの複数の特性が、複数のアルミニウム電解キャパシタまたは複数の金属化フィルムキャパシタよりも有利であることが維持される（M. Maerz, ＥＣＰＥ 自動車用パワーエレクトロニクスロードマップ（Automotive Power Electronics Roadmap）, ＥＣＰＥ−ＨＯＰＥシンポジウム自動車用パワーエレクトロニクス、ジンデルフィンゲン、２００８年、１０月７−８日）。従って、例えば約４００Ｖの典型的な電圧において、キャパシタンスは、例えば定格値の２５％まで低下する。さらに、ほとんど分極しない複数の成分の追加により、電場の強さだけによってエネルギー貯蔵が起こる。しかしながら、キャパシタンスが最初に上昇し、最大値に到達し、その後でのみ再び低下するような複数の材料が知られている（米国特許第７，７８１，３５８号明細書；C. K. Campellら、IEEE Transactions on Component and Packaging Technologies、Vol. 25 (2), 2002, 211）。複数の動作電圧に対し、分極エネルギーによって、高い程度までエネルギー貯蔵もまた生じる。それにより、複数の応用条件において利用可能な高いキャパシタンス密度が大きな利点であることがわかる。これは、従来の複数のセラミックキャパシタとは対照的である。しかしながら、大きな不利な点として、極めて高価な貴金属のパラジウムまたは銀／パラジウム合金が、これらの材料に対する内部電極として使用される。これは、複数の医療機器におけるもののような個々の応用には受け入れられるが、より広範な経済的応用には適合しない。
【００１１】
パラジウムまたは銀／パラジウム合金の代わりに、複数の内部電極に銅を使用することもまた、複数のキャパシタ中のセラミック材料の組成を適応させることにより最近可能となってきた（国際公開第２０１３／１５２８８７号）。この種の複数のキャパシタが、優れた高周波数特性を示す。さらに、銅は費用効率が高い。内部電極としての銅およびチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）に基づいたセラミックベースの構成要素を有する、対応する複数の積層キャパシタもまた、高性能が要求されるエレクトロニクスで既に使用されている。しかしながら、自己昇温の問題が未だに残っている。
【発明の概要】
【００１２】
提示された従来技術に基づくと、本発明の目的は、高い誘電率を有し、低い自己昇温を有することで複数の半導体のすぐ近くに配置され得る複数のキャパシタ、特に、複数の積層キャパシタを製造するのに適切なセラミック材料を特定することである。
【００１３】
さらに、本発明の目的は、この種の材料の使用を示すことである。
【００１４】
最後に、本発明の目的は、使用中に高性能で低い自己昇温を有するキャパシタを特定することである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
第１の目的は、次の式を有するセラミック材料によって達成される。
［Ｐｂ（１−ｒ）（ＢａｘＳｒｙＣａｚ）ｒ］（１−１．５ａ−１．５ｂ−０．５ｃ）（ＸａＹｂ）Ａｃ（Ｚｒ１−ｄＴｉｄ）Ｏ３
ここで、
ＸおよびＹは、それぞれ、ランタン（Ｌａ）、ネオジム（Ｎｄ）、イットリウム（Ｙ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、および／またはイッテルビウム（Ｙｂ）を含む群から選択される希土類金属である。
Ａは一価のイオンを表し、
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、
ｘおよび／またはｙおよび／またはｚ＞０、
０＜ｒ≦０．３、
０≦ｄ≦１、
０≦ａ≦０．２、
０≦ｂ≦０．２、
０≦ｃ≦０．２
である。
【００１６】
本発明の概念的範囲は、キャパシタにて使用中のセラミック材料の自己昇温が、充電／放電動作が容易になるという点で低減され得る、という着想を含む。反強誘電性材料において、誘電変位がキャパシタ材料の構造状態に依存すること、並びに、巨視的な分極が複数のイオン性ユニットの微視的な配置に引き継がれること、およびその逆のことが、この着想の原点である。このシナリオにおいては、充電または放電動作は、分極波とみなすことができる。その担体は、分極した格子の複数の格子振動である。これらの格子振動は、構造に依存し、固有の振動数およびエネルギー密度を有する。従って、従来技術に従った複数の反強誘電性材料に対する基本的な構造は、複数の頂点にて連結されたチタン酸塩八面体を有するＡＢＯ３タイプのペロブスカイト構造である。ここで、低エネルギーの複数の格子振動は、第１近似における、この八面体の連結された傾斜／回転振動を構成する。セラミックの状態に依存して、八面体の複数の傾斜角度が、それぞれの相状態（反強誘電状態、強誘電状態、または常誘電状態）を決定する。誘電率の大きさおよび損失角の大きさは、それぞれ、振動の振幅および振動の減衰に対応する。
【００１７】
これらの考察に従うと、構造レベルにおいてより容易に励起可能であるべきものは、まさにこれらの集合的な格子振動である。これは、これらの理論的考察の第１の態様を構成する。
【００１８】
これらの考察の第２の態様は、複数の積層キャパシタにおける、費用効率が高い複数の銅製内部電極の所望される使用である。これらのキャパシタに対して、低い焼結温度だけが許容されるという問題が、さらに克服されなければならない。しかしながら、焼結助剤によって焼結を容易にするために必要な複数の欠陥構造は、組成の観点において、狭い許容限界内でのみ変更され得る。これを目的として、複数の一価のドーピングイオンが従来技術に従って使用される。これらのイオンは、大雑把に言って、反強誘電相に不可欠な複数のイオンが価数に対して補償される程度に導入される。本発明の一部として、目標とされた格子動力学の制御が、典型的な焼結助剤を保持しながら、自己昇温を下げる可能性を切り開くことが今や見出された。本発明は、静止位置の周りで傾斜／回転振動がエネルギー的に平坦な進行を有する場合に、自己昇温が最低になるという構想に基づいている。これは、ペロブスカイト構造に適用されると、構造相転移が近似され得ることを意味する。本発明に従うと、これは、鉛（Ｐｂ）がバリウム（Ｂａ）で部分的に置換されることにより達成される。さらなる実施形態においては、複数の格子空間が、ストロンチウム（Ｓｒ）およびカルシウム（Ｃａ）によって補償され得る。しかしながら、構造相変化が反強誘電相の形成を阻止するであろうから、この理由により、相転移は近似され得るだけであり、０＜ｒ≦０．３となるように、Ｂａ、ＳｒおよびＣａの含有量が調整されなければならない。
【００１９】
前述の考察の実際的な実装は、Ｂａ、Ｓｒ、および／またはＣａによるＰｂの部分的な置換を通じて、反強誘電セラミック材料の構造が、一方では使用中にキャパシタの自己昇温が著しく低減され、他方では複数の好ましい銅製内部電極が複数の積層キャパシタにおける応用に使用され得るように調整され得ることを示す。スズ（Ｓｎ）もまたＢａを置き換え得るであろうが、これは提供されない。何故ならば、Ｓｎによって自己昇温を下げることが可能であったとしても、この場合、複数の銅製内部電極の使用による同様に所望される易焼結性が保証されないからである。
【００２０】
本発明に従った、有利な格子の影響または材料の形成にとっては、０．０１≦ｒ≦０．２が好ましい。
【００２１】
セラミック材料が、
０．０１≦ｘ＜１、
０≦ｙ≦０．９９、
０≦ｚ≦０．２、
という値で具現化されることが特に好ましい。
【００２２】
もしもＢａが必然的に提供される場合、最適化された構造によって、キャパシタにおいて使用中の材料の低い自己昇温が生じる。これは、ＳｒおよびＣａが複数の格子空間の最適化のために存在できることによって、さらに向上される。
【００２３】
もしもＢａのみが提供される場合、この材料は、
ｙおよびｚ＝０、
０．１≦ｒ≦０．２
で具現化される。
【００２４】
もしも、Ｂａ含有量がＳｒ含有量より大きい状態で、０＜ｙ≦０．９９の実施形態が提供される場合、積層キャパシタの損失角、従って自己発熱が、特に効果的に最小化され得る。
【００２５】
さらなる向上のために、Ｂａ、そしてまたＳｒおよび／またはＣａの両者の存在が提供され得る。ここで、
０．０１≦ｘ＜１、
０＜ｙ≦０．９９、
０＜ｚ≦０．２、
である。
【００２６】
その結果、損失角、従って積層キャパシタにおけるこの材料の使用中の自己昇温が、８０％まで低減され得る。ジルコニウム（Ｚｒ）およびチタニウム（Ｔｉ）含有量に関して、好ましい仕様は、０．０１≦ｄ≦０．７０、特に０．０３≦ｄ≦０．５２である。
【００２７】
一価のイオンＡは、それ自体は重要ではないものの、好ましくはナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、リチウム（Ｌｉ）、および／または銀（Ａｇ）を含む群から選択される。ここで、Ｎａは、焼結温度を下げるために、従って、複数の銅製内部電極による易焼結性のために、特に有用であることが明らかにされてきた。一価のイオンＡ、特にＮａは、３％から７％まで、または０．０３≦ｃ≦０．０７、好ましくは０．０４≦ｃ≦０．０６という低い含有量で存在することができる。同様な複数の含有量が、最大限１０５０℃まで焼結温度を下げるのに既に十分である。この温度は、複数の銅製内部電極を用いる場合の焼結に対する最大の温度を表す。複数の一価のイオンの中で、Ｎａ、Ｋ、およびＬｉがＡｇよりも非常に好ましい。とりわけ、Ｎａが特に適切なことがわかっている。
【００２８】
希土類金属として、好ましくはランタン（Ｌａ）が、単独で、またはネオジム（Ｎｄ）と組み合わせて使用される。一般的にはＡＢＯ３と示されることができ、ＡおよびＢがそれぞれ複数のＡ空間および複数のＢ空間を表すペロブスカイト構造において、複数の希土類金属は、Ｐｂの代わりに複数のＡ空間を占める。ＬａおよびＮｄは、言及したその他複数の希土類金属と同じく三価であるので、これは、一価のイオンＡによるアクセプタドーピングによって補償されるドナードーピングである。この共ドーピングは、可能な限り最も高い誘電率にとって有利である。Ｌａが特に好ましい。ここで、０．０４≦ａ≦０．１８、特に、０．０４≦ａ≦０．１６、例えば０．０４≦ａ≦０．０７を有する有利な含有量が提供され得る。この場合、ｂ＝０であるよう、Ｎｄは省略され得る。
【００２９】
上記にて示された、本発明に従ったセラミック材料の複数の利点に従って、この材料がキャパシタ中で、特に積層キャパシタ中で好適に使用される。
【００３０】
本発明が、複数の例示的な実施形態の助けを得て、以下において、より詳細に説明される。
【００３１】
以下に説明される複数のセラミック材料が、標準的な複数の混合酸化物処理を用いて、例えば、酸化物、酢酸塩、硝酸塩、および／または炭酸塩に基づいた複数の前駆体を１０００℃から１１５０℃までの温度範囲において焼結することにより得られる。代替的に、複数の金属の酢酸塩および／またはアルコキシドの複数の溶液からゾルを最初に形成すべく、複数のゾル−ゲル処理もまた使用され得る。このゾルは、乾燥および続く焼成によって、最終的な複数のセラミック材料に変換される。
【００３２】
下記の表１に列挙される複数の例は、混合酸化物法に従って製造された。ここで、生成された反強誘電性材料の一般式は以下の通りである。
［Ｐｂ（１−ｒ）（ＢａｘＳｒｙＣａｚ）ｒ］（０．６５）（Ｌａ０．１Ｎｄ０．１）Ｎａ０．１（Ｚｒ０．６Ｔｉ０．４）Ｏ３
異なる含有量のＢａ、Ｓｒ、および／またはＣａが、焼結されるべきであり、このようにして最終的な材料に導入される、複数の開始材料の一部を構成する。
【表１】
0006495913.tif 000002
【００３３】
表１に従うと、Ｂａ、Ｓｒ、および／またはＣａの混合を通じて、損失角が７０％から８０％低減され得る。これは、積層キャパシタに使用された場合に、この材料の自己昇温における対応する低減をもたらす。
【００３４】
もしもＺｒおよびＴｉ含有量が変更され、Ｂａ、Ｓｒ、および／またはＣａ置換を伴うセラミック材料に対する一般式が、例えば以下のように
［Ｐｂ（１−ｒ）（ＢａｘＳｒｙＣａｚ）ｒ］（０．６５）（Ｌａ０．１Ｎｄ０．１）Ｎａ０．１（Ｚｒ０．９Ｔｉ０．１）Ｏ３
である場合、同様な複数の結果もまた得られる。
【００３５】
従って、本発明に従ったセラミック材料およびそれらの間に配置された複数の銅製内部電極を有する複数の積層キャパシタが、スペースを取らない複数の回路における使用に特に十分適している。何故ならば、自己昇温が大いに低減されるからである。このようにして、例えば、複数の半導体ダイオードの間にこの積層キャパシタを配置することが可能である。従って、可能な限り最も小さな損失および最小化された電磁放射を有する、空間最適化された構造を形成する。