CN101654360B - 陶瓷粉体组合物、陶瓷材料及其所制成的多层陶瓷电容器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种陶瓷粉体组合物、陶瓷材料及其所制成的多层陶瓷电容器。该陶瓷粉体组合物包括含有钛酸钡(BaTiO₃)的主成份以及玻璃质成份，含有BaTiO₃的主成份还包含其他金属氧化物包括AO、MnO、B₂O₅以及Re₂O₃，元素A选自镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)及钡(Ba)所组成的群组，元素B选自钒(V)、铌(Nb)及钽(Ta)所组成的群组，元素Re选自钇(Y)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、及镱(Yb)所组成的群组，玻璃质成份由氧化物SiO₂-TiO₂-XO所组成，其中X选自钡(Ba)、钙(Ca)、锶(Sr)镁(Mg)、锌(Zn)及锰(Mn)所组成的群组。

Description

陶瓷粉体组合物、陶瓷材料及其所制成的多层陶瓷电容器

技术领域

本发明涉及一种陶瓷粉体组合物、陶瓷材料及其所制成的多层陶瓷电容器，且特别涉及一种可符合X8R温度范围的陶瓷粉体组合物、陶瓷材料及其所制成的多层陶瓷电容器。

背景技术

近年来，由于电子元件的发展趋势朝向小型化、芯片化、多功能化及高容量化，各种整合型技术开始受到重视，电容器亦不例外，除了元件薄小化与多层化的设计已是不可避免的趋势外，高电容值及微小管芯结构的介电材料设计要求也日益严谨，因此陶瓷电容器的发展亦朝向在最小体积发挥最大功能的方向进行开发。

商用陶瓷电容器的应用以Class II为主，可略分为Y5V、X5R、X7R等规格，其中以X7R规格较为严谨，X7R基本上所要求的规格是指在温度范围于-55℃～125℃间(以25℃为基准)，其相对容值变化量小于15％。目前，可符合X7R规格的材料，其中之一为钛酸钡(BaTiO₃)系统，是以钛酸钡为主体配方，并额外添加一些微量的修饰剂，如Ta₂O₅、Nb₂O₅、Nd₂O₅、CoO、NiO、CeO₂与MnCO₃等，以修饰其烧结体的介电特性。

然而，符合X7R规格的陶瓷电容器，仅适用于温度范围介于-55℃～125℃之间的环境，如果在作业环境系统高于125℃的状态下，如：石油探勘、汽车或航空的电子设备应用等，对X7R规格的陶瓷电容器于高温环境下使用有一定的忧虑，而具有相对的使用限制。

发明内容

有鉴于此，本发明所欲解决的问题在于克服X7R使用限制上的问题，而提供一种可符合X8R温度范围(即温度范围于-55℃～150℃间其相对容值变化率小于15％)的陶瓷粉体组合物、陶瓷材料及其所制成的多层陶瓷电容器。

为解决上述问题，本发明所提出的技术手段在于，本发明提供一种介电质陶瓷粉体组成物，包括主成份以及玻璃质成份，主成份由100BaTiO₃+αAO+βMnO+γB₂O₅+δRe₂O₃组成，其中α、β、γ与δ为莫耳比例常数，0.8≦α≦2.5，0≦β≦0.4，0.06≦γ≦0.6，0.3≦δ≦5，且元素A选自镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)及钡(Ba)所组成的群组，元素B选自钒(V)、铌(Nb)及钽(Ta)所组成的群组，元素Re选自钇(Y)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、及镱(Yb)所组成的群组，玻璃质成份，由氧化物SiO₂-TiO₂-XO所组成，该化学式亦可表示为X(Si_1-θTi_θ)O₃，其中0≦θ≦0.4，且X选自钡(Ba)、钙(Ca)、锶(Sr)镁(Mg)、锌(Zn)及锰(Mn)所组成的群组，且该玻璃质成份与该BaTiO₃的摩尔比例常数值介于0～0.02之间。

上述发明实施例中，陶瓷粉体组合物还包含掺杂物氧化锆(ZrO₂)，此掺杂物氧化锆的添加量与该BaTiO₃的摩尔比例常数值介于0～0.025之间。

本发明另外提供一种陶瓷材料，是由上述的陶瓷粉体组合物所烧结而成，其烧结温度为1150～1250℃。

本发明另外提供一种多层陶瓷电容器，包含：陶瓷介电质，是由上述的陶瓷粉体组烧结而成；多个内部电极，大体上平行延伸于该陶瓷介电质内；以及至少一外部电极，曝露于该陶瓷介电质外，并电性连接这些内部电极。

上述发明实施例中，多层陶瓷电容器的容值变化量符合X8R温度范围，亦即在温度范围于-55℃～150℃之间，其相对容值变化量小于15％。

运用本发明所获得的功效在于，本发明透过钛酸钡系统的主成份与玻璃质成份之间的相互搭配，提供一种可符合X8R温度范围的陶瓷粉体组合物、陶瓷材料及其所制成的多层陶瓷电容器，其可克服X7R陶瓷电容器在高温时使用限制上的问题。此外，因添加玻璃质成份至钛酸钡系统中，可降低制作过程中的烧结温度，减低因材料不同而产生应力现象，而提升工艺稳定性。

附图说明

图1为多层陶瓷基板结构的结构剖面图；以及

图2为添加1.25％的XST于1250℃烧结时，多层陶瓷电容器的容值变化率与温度的关系图。

附图标记说明

1   多层陶瓷电容器

110 电容陶瓷体

111 内部电极

112 介电陶瓷层

120 外部电极

具体实施方式

以下将参照相关图示，说明依本发明优选实施例的陶瓷粉体组合物，为使便于理解，下述实施例中的相同元件以相同的符号标示来说明。

本发明的陶瓷粉体组合物是以特定比率含有钛酸钡系统的主成份与玻璃质成份作为主成分。

钛酸钡系统的主成份，是由BaTiO₃、AO、MnO、B₂O₅、Re₂O₃组成，元素A选自镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)及钡(Ba)所组成的群组，元素B选自钒(V)、铌(Nb)及钽(Ta)所组成的群组，元素Re选自钇(Y)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、及镱(Yb)所组成的群组。

玻璃质成份，是由氧化物SiO₂-TiO₂-XO所组成(简称XST)，X选自钡(Ba)、钙(Ca)、锶(Sr)镁(Mg)、锌(Zn)及锰(Mn)所组成的群组，

为获得可符合X8R温度范围的陶瓷粉体组合物，钛酸钡系统的主成份所包含的AO、MnO、B₂O₅、Re₂O₃，其中AO与该BaTiO₃的摩尔比例常数值介于0.008～0.025之间，MnO与该BaTiO₃的摩尔比例常数值介于0～0.004之间，B₂O₅与该BaTiO₃的摩尔比例常数值介于0.0006～0.006之间，且Re₂O₃与该BaTiO₃的摩尔比例常数值介于0.003～0.05之间。

玻璃质成份XST，其化学式亦可表示为X(Si_1-θTi_θ)O₃，其中0≦θ≦0.4，其中玻璃质成份与该BaTiO₃的摩尔比例常数值介于0～0.02之间。

此外，陶瓷粉体组合物还包含掺杂物氧化锆(ZrO₂)，此掺杂物氧化锆的添加量与该BaTiO₃的摩尔比例常数值介于0～0.02之间。

本发明的陶瓷粉体组合物主要可应用于多层陶瓷电容元件。请参考图1，为本发明的陶瓷粉体组合物应用于多层陶瓷电容器，其多层陶瓷电容器的结构剖面图。图中多层陶瓷电容器1，包含电容陶瓷体110以及外部电极120，电容陶瓷体110包含数层介电陶瓷层112以及沿着介电陶瓷层的表面形成的数层内部电极111，外部电极120形成于电容陶瓷体110外，并与部分的内部电极111电性连接。

在此应用中，陶瓷材料所构成的上述的介电陶瓷层112，是由本发明的陶瓷粉体组合物所烧结而成，烧结温度为1150～1250℃。将本发明的陶瓷粉体组合物烧结而成上述的介电陶瓷层112，其构成的多层陶瓷电容器的容值变化量符合X8R温度范围，亦即在温度范围于-55℃～150℃之间，其相对容值变化量小于15％。

以下举出实验例1至实验例8来说明本发明，但是本发明并不仅限于以下的实验例。

实验例1

使用如表1的添加比例，观察添加不同比例的玻璃质添加量的结果。将各组成物混合均匀形成浆料后，在烧结后量测烧结体的密度，将其与其理论密度比较，结果列于表2。

随着玻璃质添加量的增加，ζ≧0.47时，其密度≧5.74g/cm³，以BaTiO₃的密度计算的基础(致密度＝实际密度/BaTiO₃的理论密度6.02g/cm³)，致密度可≧96％。当ζ≧1.25，在致密度曲线中可以发现，其密度≧5.85g/cm³，以BaTiO₃的密度计算的基础(致密度＝实际密度/BaTiO₃的理论密度6.02g/cm³)，致密度可≧97％，并符合X8R规格。

表1：改变XST添加量的组成配方表

表2：在1250℃烧结下，不同XST添加量的特性

实验例2

使用如表3的添加比例，观察改变MgO与XST添加量的结果。如上述步骤，将各组成物混合均匀形成浆料后，在烧结后量测烧结体的介电性质，结果列于表4。

表3：改变MgO与XST添加量的组成配方表

表4：在1250℃烧结下，改变MgO与XST添加量的各项介电性质

实验例3

使用如表5的添加比例，观察添加不同比例的MnO的结果。如上述步骤，将各组成物混合均匀形成浆料后，在烧结后量测烧结体的介电性质，结果列于表6。

表5：改变MnO添加量的组成配方表

表6：在1250℃烧结下，改变MnO与XST添加量的介电性质

实验例4

使用如表7的添加比例，观察添加不同比例的V₂O₅添加量的结果。如上述步骤，将各组成物混合均匀形成浆料后，在烧结后量测烧结体的介电性质，结果列于表8。

表7：改变V₂O₅添加量的组成配方表

表8：在1250℃烧结下，改变V₂O₅添加量的各项介电性质

实验例5

使用如表9的添加比例，观察添加不同比例的Y₂O₃添加量的结果。如上述步骤，将各组成物混合均匀行成浆料后，在烧结后量测烧结体的介电性质，结果列于表10。

表9：改变Y₂O₃添加量的组成配方表

表10：在1250℃烧结下，改变Y₂O₃添加量的各项介电性质

实验例6

使用如表11的添加比例，观察添加不同比例的ZrO₂添加量的结果。如上述步骤，将各组成物混合均匀形成浆料后，在烧结后量测烧结体的介电性质，结果列于表12。

表11：改变ZrO₂添加量的组成配方表

表12：在1250℃烧结下，改变ZrO₂添加量的各项介电性质

实验例7

此外，针对上述的A4与A5组，分别在三种不同的烧结温度(1150℃、1200℃、1250℃)条件下进行烧结，实验结果发现烧结温度可以有效的降低到1150℃，其仍符合X8R规格。

表13：不同烧结温度下，以及不同XST添加量的各项介电性质与密度表

实验例8

利用A4组成制作成多层陶瓷电容器，添加1.25％的XST于1250℃烧结，多层陶瓷电容器容值变化率与温度的关系图，如图2所示，其多层陶瓷电容器亦符合X8R规格。

由实验结果可知，本发明通过钛酸钡系统的主成份与玻璃质成份之间的相互搭配，如此可提供一种可符合X8R温度范围的陶瓷粉体组合物、陶瓷材料及其所制成的多层陶瓷电容器，除了可克服X7R陶瓷电容器在高温时使用限制上的问题，亦因添加玻璃质成份至钛酸钡系统中，可降低工艺过程中的烧结温度，减低因材料不同而产生应力现象，具有提升工艺稳定性的功效。

综上所述，乃仅记载本发明为呈现解决问题所采用的技术手段的优选实施方式或实施例而已，并非用来限定本发明专利实施的范围。即凡与本发明权利要求字面相符，或依本发明权利要求所做的等同变化与修饰，皆为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种介电质陶瓷粉体组合物，包括：

主成份，由100BaTiO₃+αAO+βMnO+γB₂O₅+δRe₂O₃组成，其中α、β、γ与δ为莫耳比例常数，0.8≤α≤2.5，0.001≤β≤0.4，0.06≤γ≤0.6，0.3≤δ≤5，且元素A选自镁、钙、锶及钡所组成的群组，元素B选自钒、铌及钽所组成的群组，元素Re选自钇、铽、镝、钬、铒、铥及镱所组成的群组；以及

玻璃质成份，由氧化物SiO₂-TiO₂-XO所组成，其中X选自钡、钙、锶(Sr)、镁、锌及锰所组成的群组，且该玻璃质成份与该BaTiO₃的摩尔比例常数值介于0.001～0.02之间。

2.如权利要求1所述的介电质陶瓷粉体组合物，其中该玻璃质成份亦表示为X(Si_1-θTi_θ)O₃，其0＜θ≤0.4。

3.如权利要求1所述的介电质陶瓷粉体组合物，还包含掺杂物氧化锆。

4.如权利要求3所述的介电质陶瓷粉体组合物，其中该掺杂物氧化锆的添加量与该BaTiO₃的摩尔比例常数值介于0.001～0.02之间。

5.一种陶瓷材料，由权利要求1所述的介电质陶瓷粉体组合物所烧结而成。

6.如权利要求5所述的陶瓷材料，其中该陶瓷材料的烧结温度为1150～1250℃。

7.一种多层陶瓷电容器，包含：

陶瓷介电质，由权利要求1所述的介电质陶瓷粉体组合物烧结而成；

多个内部电极，平行延伸于该陶瓷介电质内；以及

至少一外部电极，曝露于该陶瓷介电质外，并电性连接这些内部电极。

8.如权利要求7所述的多层陶瓷电容器，其中该多层陶瓷电容器的容值变化量符合X8R温度范围，亦即在温度范围于-55℃～150℃之间，相对容值变化量小于15％。

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