Ersatz von Silber durch Kupfer in Keramikkondensatorelektroden: Die doppelseitige kontinuierliche Sputteranlage von Zhenhua Vacuum erreicht seit 14 Jahren eine stabile Massenproduktion.

Bei der Herstellung von Keramikkondensatoren werden Elektroden traditionell durch Bedrucken mit Silberpaste, gefolgt von Trocknung und Sintern, gefertigt. Da Silberpaste einen hohen Silberanteil enthält und relativ dicke Elektrodenschichten erzeugt, ist der Silberverbrauch insgesamt beträchtlich, wodurch Schwankungen der Silberpreise einen direkten Einfluss auf die Kosten des Elektrodenmaterials haben.

In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich der kontinuierliche Anstieg der Silberpreise zu einem unvermeidlichen Faktor für Hersteller von Keramikkondensatoren entwickelt. Basierend auf den internationalen durchschnittlichen Jahrespreisen für Silber lag der durchschnittliche Silberpreis im Jahr 2008 bei etwa 3.350 RMB/kg und wird bis 2025 auf rund 9.190 RMB/kg steigen – eine Steigerung um etwa das 2,7-Fache innerhalb von 17 Jahren.

Neben den hohen Silberkosten treten auch die Grenzen des herkömmlichen Silberpastenverfahrens immer deutlicher zutage. Drucken, Trocknen und Sintern erfordern zahlreiche Prozessschritte, intensive Materialhandhabung und manuelle Tätigkeiten. Gleichzeitig drängen immer strengere Umweltauflagen und die Nachfrage nach automatisierter Fertigung die Hersteller dazu, sowohl Elektrodenmaterialien als auch Beschichtungsverfahren neu zu bewerten. Im Fokus stehen dabei die Reduzierung des Silberverbrauchs, die Verkürzung der Prozesskette und die Erzielung einer hochautomatisierten Massenproduktion.

Während die Branche noch weitgehend auf die Verarbeitung mit Silberpaste setzte, hatten Zhenhua Vacuum und sein Kunde bereits begonnen, den Ansatz „Kupfer als Ersatz für Silber“ zu erforschen.

Vorausschauend gedacht: Die Kundennachfrage war dem Markt voraus.

Im Jahr 2008, als die globale Finanzkrise die Märkte erfasste und die Unsicherheit zunahm, begann ein führender inländischer Hersteller von hochwertigen Keramikkondensatoren, die potenziellen langfristigen Auswirkungen von Rohstoffpreisschwankungen und der Umstellung der Herstellungsprozesse zu bewerten, bevor steigende Silberpreise einen direkten Kostendruck erzeugten.

Der Kunde integrierte daher die Optimierung des Elektrodenprozesses in seine langfristige Fertigungsstrategie: Reduzierung der Abhängigkeit von Silber und der Anfälligkeit gegenüber Preisschwankungen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Produktleistung und Zuverlässigkeit; und gleichzeitige Umstellung der Elektrodenproduktion von manuellen und halbmanuellen Arbeitsgängen auf eine automatisierte, standardisierte Massenproduktion, um die Produktkonsistenz, die Prozessstabilität und die langfristige Lieferfähigkeit zu verbessern.

Der Kunde wandte sich an Zhenhua Vacuum, um gemeinsam einen neuen technischen Weg zu erkunden: Könnte ein alternatives Material zur Herstellung von Keramikkondensatorelektroden verwendet werden, während ein neues Abscheidungsverfahren und automatisierte Produktionsanlagen eine langfristige, stabile und volumenstarke Fertigung ermöglichen würden?

Frühe Erkundungen: Rekonstruktion des Elektrodenprozesses mit Kupfer

Zu Beginn des Projekts gab es keine etablierte Lösung. Das alternative Material musste eine gute elektrische Leitfähigkeit und Kostenvorteile bieten sowie eine ausgezeichnete Haftung der Beschichtung und Langzeitstabilität gewährleisten. Das neue Verfahren musste zudem mit der automatisierten Produktion kompatibel sein.

Nach mehreren technischen Bewertungsrunden erwies sich Kupfer als praktikable Option. Seine elektrische Leitfähigkeit ist vergleichbar mit der von Silber, und die Materialkosten sind deutlich geringer. Allerdings neigt Kupfer bei hohen Temperaturen zur Oxidation, weshalb das herkömmliche Silberpastenverfahren nicht einfach übernommen werden konnte. Abscheidungsmethode, Prozessparameter und Produktionsanlagen mussten komplett neu entwickelt werden.

Zu jener Zeit gab es in China keine etablierten Beispiele für die Massenproduktion von Kupferelektroden für Keramikkondensatoren. Material-, Prozess- und Anlagenentwicklung mussten komplett neu aufgebaut werden. Anstatt auf die endgültige Materiallösung zu warten, engagierte sich Zhenhua Vacuum von Beginn des Projekts an und arbeitete eng mit dem Kunden zusammen, um den technischen Weg zu ebnen. Musterversuche, Beschichtungsprüfung und die Entwicklung des Massenproduktionsprozesses erfolgten parallel zur Anlagenplanung, sodass sich Beschichtungsprozess und Produktionslinie gemeinsam weiterentwickeln konnten.

Letztendlich entschieden sich beide Parteien für Magnetron-Sputtern (PVD) als Kerntechnologie. Der abgeschiedene Film haftet stark auf dem Substrat und ermöglicht die direkte Abscheidung einer Kupferelektrodenschicht auf der Keramikoberfläche ohne das in Silberpaste verwendete organische Bindemittel. Dadurch entfällt der Bedarf an Lösungsmitteln und deren Verdunstung sowie der Hochtemperatur-Sinterprozess. Das Ergebnis ist ein saubereres und umweltfreundlicheres Trockenverfahren im Vergleich zu herkömmlichen Nassverfahren.

Zur Steigerung der Beschichtungseffizienz und des Produktionsdurchsatzes entwickelte Zhenhua eine doppelseitige, kontinuierliche Sputteranlage. Sobald die Keramikbauteile in das Vakuumsystem gelangen, können beide Seiten ohne manuelles Wenden beschichtet werden. Der kontinuierliche Materialtransport verbindet die einzelnen Prozessschritte. Diese Trockenverfahrenslösung ersetzt die mehreren Nassverfahrensschritte „Silberpastenauftrag → Trocknung → Sinterung“ und vereinfacht so die gesamte Prozesskette. Gleichzeitig werden die Chargenkonsistenz und die Produktionseffizienz verbessert.

Die Anlagen wurden 2012 erfolgreich geliefert. Von den ersten technischen Gesprächen und der Prozessentwicklung bis zur Inbetriebnahme und Implementierung der Produktionslinie dauerte das Projekt etwa zwei Jahre.

Langzeitvalidierung: 14 Jahre kontinuierliche Serienproduktion

Die 2012 gelieferte, doppelseitige Sputteranlage ist seit September 2026 beim Kunden in Betrieb und gewährleistet eine stabile Serienproduktion. Die Lösung, bei der Kupfer Silber ersetzt, erfüllt die Anforderungen an Beschichtungsgleichmäßigkeit, Prozessautomatisierung und Großserienfertigung, reduziert die Abhängigkeit vom Edelmetall Silber deutlich und senkt die Kosten für Elektrodenmaterialien. Gleichzeitig entspricht sie den Anforderungen einer saubereren und umweltverträglicheren Produktion. Nach 14 Jahren Dauerbetrieb hat die Anlage die Prozess- und Anlagenlösung hinsichtlich Kosteneffizienz, Beschichtungsqualität, Produktionssicherheit und Stabilität der Serienproduktion langfristig validiert.

Damals befand sich die heimische Industrie noch in der Anfangsphase der Entwicklung und Anwendung von Kupferelektroden, wobei die meisten Hersteller weiterhin auf Silberpaste setzten. In den letzten Jahren hat der steigende Kostendruck durch Silberpaste jedoch den Übergang der Branche hin zu Kupfer anstelle von Silber beschleunigt, wodurch Sputteranlagen zu einer immer gefragteren Lösung für die Herstellung von Keramikkondensatorelektroden geworden sind. Diese technische Entwicklung hat sich – nach 14 Jahren Produktionsvalidierung – von einer frühen, zukunftsweisenden Erkundung zu einem zentralen Industrieschwerpunkt entwickelt.

Für den Kunden ergaben sich die Vorteile langfristig. Neben der direkten Senkung der Materialkosten eliminierte das Produktionssystem seine Abhängigkeit von Silberpreisschwankungen – 14 Jahre vor einem Großteil der Branche. Der Kunde sicherte sich zudem frühzeitig einen Vorsprung in puncto Umweltauflagen und Fertigungsautomatisierung. Während viele Hersteller erst in den letzten Jahren zunehmend unter Druck durch steigende Silberpreise und Prozessumstellungen geraten sind, gewährleistet dieser Kunde mit dieser Technologie bereits seit 14 Jahren eine stabile Produktion.

Dieses Projekt war eine der ersten Anwendungen der doppelseitigen kontinuierlichen Sputtertechnologie von Zhenhua Vacuum für die Herstellung von Chip-Keramikkondensatoren. Angesichts der damaligen industriellen Rahmenbedingungen in China im Jahr 2012 stellte die erfolgreiche technische Umsetzung einen frühen Durchbruch in der Kommerzialisierung der Kupferelektrodentechnologie dar. Sie demonstrierte Zhenhua Vacuums zukunftsorientierten Ansatz in der Prozessentwicklung und Technologieeinführung. Durch die Entwicklung der Anlagen, die erfolgreiche Auslieferung und 14 Jahre stabilen Serienbetriebs etablierte das Projekt eine starke Vorreiterrolle für Zhenhua Vacuum im Bereich der Beschichtung von Keramikkondensatoren und lieferte gleichzeitig wertvolle Langzeiterfahrung für die nachfolgende Anlagenentwicklung, Prozessoptimierung und kontinuierliche Verbesserung.