Dielektrikekeramiken

Dielektrikekeramiken sind keramische Materialien mit hohem elektrischen Widerstand und der Fähigkeit, elektrische Energie in einem Dielektrikumsfeld zu speichern. In der Elektronik dienen sie hauptsächlich als Dielektrika in Kondensatoren, insbesondere in Mehrlagen-Keramikkondensatoren (MLCCs). Ferroelektrische und Relaxor-Keramiken spielen eine zentrale Rolle in Hochfrequenz- und Energiespeicheranwendungen aufgrund ihrer teils sehr hohen Permittivität.

Typische Ausgangsstoffe sind keramische Oxide mit Perowskit- oder verwandten Strukturen, etwa BaTiO3, SrTiO3, Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) oder Nb- und Ta-haltige Systeme. Die Mikrostruktur—Körnergröße, Porosität, Korngrenzen—und die chemische Dotierung beeinflussen die relative Dielektrizitätskonstante εr, den Verlustfaktor (tan δ) und das Temperaturverhalten. Sinterung, Phasenstabilisierung und Additivierung dienen der Optimierung von Eigenschaften wie εr, Verlust und Alterung.

Wichtige Kenngrößen sind εr, der Verlust tangent δ, Frequenz- und Temperaturabhängigkeiten sowie die Spannungsfestigkeit. Ferroelektrische Keramiken zeigen oft eine hohe εr nahe dem Curie-Punkt, sind aber temperatur- und feldabhängig. Relaxor-Keramiken bieten teils eine bessere Temperaturstabilität und geringere Verluste, wodurch sich Anwendungen in breiten Temperaturfenstern gestalten lassen.

Herstellung umfasst Pulverherstellung, Formgebung, Sinterung und ggf. Nachbearbeitung. Anwendungen reichen von klassischen Kondensatoren über MLCCs bis zu piezoelektrischen Sensoren, Aktuatoren und RF-Komponenten. Mikrostrukturell optimierte Keramiken nutzen verschiedene Korngrößen, Dotierungen und Funktionsschichten, um Verlust, Alterung, Spannungsfestigkeit und Feldabhängigkeit zu steuern.

Zudem wird vermehrt an bleifreien Systemen gearbeitet, um Umweltauflagen zu erfüllen. Die Entwicklung hochleistungsfähiger Dielektrikekeramiken zielt auf höhere Kapazitäten, bessere Temperaturstabilität und geringere Energieverluste in modernen elektronischen Geräten.