CN103208365B - 一种温度稳定型异质叠层电介质陶瓷电容器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种温度稳定型异质叠层电介质陶瓷电容器及其制备方法,它是以钛酸锶钡为主体材料,其通式为BaxSr1-xTiO3,加入改性掺杂物和助烧物质,按配比不同分成A、B、C三种不同的主体介质;按AC、ABC、ACA、CAC、ACBCA等组合方式叠层,在控制各层厚度足够小的情况下可以累积叠层或混叠;然后压制烧结剪切被电极,实现制备串联和并联两种异质叠层电介质陶瓷电容器;虽然本发明是由钛酸锶钡构成,但是采用配比不同、厚度不同的多层叠压,每一层对应不同的介电常数、介电损耗、居里温度,所以调节不同的厚度或层数,能够满足电容器X7R的要求。同时本发明电极直接外置,不存在内电极,有效克服电极层和介质层烧结特性的不匹配,导致共烧后陶瓷体分层,翘曲等问题。
Description
技术领域
本发明涉及的以钛酸锶钡为主要成分的叠层电介质陶瓷电容器,特别是一种温度稳定型异质叠层电介质陶瓷电容器及其制备方法,本发明满足X7R温度稳定性的要求,其叠层电介质陶瓷电容器的介电常数可通过异质层的厚度比调节。
背景技术
近年来,随着含铅陶瓷污染问题的突出,绿色环保型陶瓷钛酸锶钡系列陶瓷因具有高介电常数和低介电损耗而变得倍受关注,而且伴随近年来电子技术的发展,叠层陶瓷电容器的宽温度范围高稳定化要求也正在发展变化,由此提出了X7R(以25℃电容为基础,温度在-55℃到+125℃时其容量变化率不超过15%)陶瓷电容器温度稳定性要求。
然而现在的叠层陶瓷电容器多为内置电极的电介质叠层以扩大容量,这样有可能导致内电极层和介质层分离或形成缺陷。同时满足X7R条件的叠层陶瓷电容器其介质层的介电常数一般很少通过层间厚度比来控制。通过理论推导和实验结果证实,叠层电介质陶瓷电容器的介电常数满足:
其中,di和εi分别为第i层厚度和介电常数.d和ε为总的厚度及介电常数。
对于异质叠层陶瓷共烧,目前最大的难度是异质成分烧结特性的不匹配,导致共烧后陶瓷体分层和翘曲的问题。
发明内容
本发明提出一种异质介质材料多层直接叠加而形成,中间无内电极,温度稳定性满足X7R要求,绝缘性好的叠层电介质陶瓷电容器及其制备方法,通过调节异质介质层厚度比可控制电容器介电常数的大小。
本发明应用不同的掺杂物和掺杂量可以调节钛酸锶钡陶瓷介电常数大小和介电损耗大小,在钛酸锶钡中采用不同钡锶比调节居里温度的变化,这种变化基本呈线性关系,为此以确保三种异质钛酸锶钡陶瓷的居里温度在-20℃、30℃、100℃左右。
本发明是这样实现的。它是以钛酸锶钡为主体材料,其通式为BaxSr1-xTiO3,加入改性掺杂物和助烧物质,按配比不同分成A、B、C三种不同的主体介质。按AC、ABC、ACA、CAC、ACBCA组合方式叠层,在保证各层厚度足够小的情况下可以累积叠层或混叠。然后压制烧结剪切被电极,实现制备串联和并联两种X7R异质叠层电介质陶瓷电容器。
A层主体Bax1Sr1-x1TiO3中0.85≤X1≤1.00,对应居里温度为-30℃~0℃,用掺杂物控制其介电常数在6000~12000;掺杂La、Nb、Y、Ta、Ce、Zr、Tm、Sm、Dy、Er、Ho、Eu、Tb、Yb的氧化物的一种或多种,总掺杂量为0.1%~3.0%;
B层主体Bax2Sr1-x2TiO3中0.70≤X2<0.80,对应B层居里温度为10℃~40℃,用掺杂物控制其介电常数在4000~7000;掺杂La、Nb、Y、Ta、Ce、Zr、Tm、Sm、Mn、Fe、Al、Zn、Co、Ni的氧化物的一种或多种,总掺杂量为0.1%~3.0%。
C层主体Bax3Sr1-x3TiO3中0.50≤X3≤0.65,对应C层居里温度为85℃~120℃,用掺杂物控制介电常数在1000~5000;掺杂Mn、Fe、Al、Zn、Co、Ni的氧化物的一种或多种,总掺杂量为0.1%~3.0%;
三层主体材料掺杂浓度差应满足:0.10≤X1-X2≤0.30,0.10≤X2-X3≤0.25,0.20<X1-X3≤0.50。
为了降低介质体的烧结温度和提高异质层间的致密度,在A、B、C种材料的配体粉体中加入少量的助烧物质SiO2、Li2O、B2O3,可单一掺入,也可混合掺入,总掺杂量为0.10%~10.0%。
上述掺杂量均为摩尔比,下同。
本发明的最佳参数为:
在A层主体中X1=0.92±0.03,对应居里温度为-25±5℃,用掺杂物控制其介电常数在9000±3000;掺杂物为La、Nb、Y的氧化物的一种或多种,总掺杂量为1.0±0.10%;
在C层主体中X3=0.55±0.03,对应居里温度为100±5℃,用掺杂物控制介电常数在1000~5000;掺杂物为Mn、Fe、Al的氧化物的一种或多种,总掺杂量为1.0±0.10%;
在B层主体中X2=0.73±0.03,对应居里温度为30±5℃,用掺杂物控制其介电常数在4000~7000;掺杂物为La、Nb、Y的氧化物的一种或多种,总掺杂量为1.0±0.1%摩尔比。
本发明的制备方法为:
1、根据通式BaxSr1-xTiO3和A、B、C各层主体材料的配比及掺杂氧化物原料、助烧物质,按摩尔比称量;
2、分别按A、B、C各层主体材料的称量粉体总重量加入同等质量的去离子水,使用直径为15mm、10mm、5mm,数量比为1:1:5的锆球进行以120r/min转速进行球磨2小时,洗出烘干,在1150℃预烧,再碾磨均匀得A、B、C三种初级粉体;
3、初级粉体在2MPa下进行压片成型,按组合叠层的顺序,用3MPa~10MPa的压力进行叠压成体,
4、将叠压体置于烧结炉,以4℃/min的速率升温至1000℃后,以2℃/min的速率升温至1200C,在1200℃~1300℃烧结4小时,然后以1℃/min速度降温至1000℃后自然冷却。
5、将烧结好的叠层介质陶瓷剪切为需要的形状;
6、最后在剪切好的叠层介质陶瓷表面涂上银浆,在600℃~850℃下烧结形成电极。
7、检测各种参数。
考虑到钛酸锶钡中的锶和钡具有任意比例的混溶性,所以选A、B、C三种异质粉主体均为钛酸锶钡,这样可减小材料间的烧结相融度及烧结不匹配,同时也可以根据钡锶准确计算出各层的居里温度。采用A、B、C三个异质材料,其居里温度不同,可达到平滑介电温度谱曲线的作用。A、B、C三个异质材料的介电常数大小不一样,A最大,B居中,C最小,这样可以通过调节A、C两层的厚度比来控制介电常数在A、C两者介电常数之间变化,使得X7R叠层陶瓷电容器的介电常数大小具有随A、C厚度比变化区域可调节性。B层的引入主要是进一步平滑介电温谱曲线,同时缩小A、C间的烧结差异。
对掺杂量的控制主要是保证介电常数大小匹配和各种异质粉体在预烧时不产生杂相,也保证掺杂量不会对三种异质材料本体的烧结性能影响太大,导致烧结分层或翘曲。助烧剂掺杂量控制在10.0%以下主要是保证烧结成的材料的脆性不会过大。
本发明X7R钛酸锶钡系列陶瓷电容器由A、B、C三种异质体按顺序叠层而成,包含五种基本类型的叠层组合方式:AC、ABC、ACA、CAC、ACBCA,它们各具特点,AC型通过厚度调节介电常数容易,调节范围最大;ABC型引入B层过度陶瓷体相容性更好,烧结效果也更好,但可调节的介电常数范围减小,ACA、CAC型采用对呈对称结构,稳定性好,也便于烧结,通过厚度调节介电常数较容易,ACA型陶瓷体偏顺电可调,CAC陶瓷偏体铁电可调;ACBCA则兼具稳定和可调性结合。虽然本发明只列举了五种基本类型的叠层组合方式,但是在控制单层厚度较小的情况下可以实现反复叠层。叠层后从断面切割形成的X7R电容器可根据需要串联或并联各层电容满足使用需要。其中,并联电容能有效增大电容量或改进温度稳定性。
由于制备使用助烧剂,异质介质层接触界面存在烧结渗透现象,如图2所示,烧结渗透厚度大约为5um~20um,介电测试表明渗透层可以加强介电常数温度稳定性。
本发明具有明显的技术效果。虽然本发明是由钛酸锶钡构成,但是采用配比不同、厚度不同的多层叠压而成的,每一层对应不同的介电常数、介电损耗、居里温度,所以调节不同的厚度或层数,可以很容易满足电容器X7R的要求。
本发明采用多异质介质层直接串联或并联,电极直接外置,不存在内电极,有效克服烧结特性的不匹配,导致共烧后陶瓷体分层和翘曲的问题。
附图说明
图1本发明的X7R叠层陶瓷电容器包含的叠层示意图。其中a)为AC叠层,b)为ABC叠层,c)为ACA叠层,d)为ACBCA叠层,
图2本发明的介质层反复叠层形成的X7R电容器示意图。
图3本发明的反复叠层后从断面切割形成的X7R电容器示意图。
图4本发明AC型X7R叠层陶瓷电容器的断面扫描电子显微镜图像。
图5本发明制备的厚度比为1:0.5:1的ABC型X7R叠层陶瓷电容器介质体的介电常数温谱图。
图6本发明制备的ABCBA型叠层剪切并联陶瓷电容器介质体的介电常数温谱图。
具体实施方式
下面以实施例对本发明进一步说明。
实施例1
1、根据通式BaxSr1-xTiO3和A、B、C各层主体材料的配比及掺杂原料、助烧物质,按摩尔比称量,取TiO2摩尔量为0.20mol进行计算称量;
A层为Ba0.9Sr0.1TiO3+0.15%La2O3+0.3%SiO2,
B层为Ba0.77Sr0.33TiO3+0.15%La2O3+0.15%Fe2O3+0.4%SiO2,
C层为Ba0.55Sr0.45TiO3+0.15%Fe2O3+0.8%SiO2,
原材料粉末为:BaCO3(纯度99.0%)、SrCO3(纯度99.0%)、TiO2(纯度98.0%)、Fe2O3、(纯度99.9%)La2O3(纯度99.99%)、SiO2(纯度99.0%)粉末;
2、分别按A、B、C各层主体材料称量粉体总重量加入同等质量的去离子水,使用直径为15mm、10mm、5mm,数量比为1:1:5的锆球,进行以120r/min转速进行球磨2小时,洗出烘干,在1150℃预烧,再碾磨均匀得A、B、C三种初级粉体;
3、初级粉体在2MPa下进行压片成型,按组合叠层的顺序,用3MPa~10MPa的压力进行叠压成体,
控制A材料厚度为0.5mm,磨具压出厚度为1:0.6,1:1,1:1.25,1:1.6,1:2.5的AC型胚体5片,厚度比为1:0.5:1的ABC型坯体5片,厚度比为1:1:1的ACA和CAC型坯体各5片,再取A材料厚度为0.25mm,压出厚度比为1:0.5:1:0.5:1的ACBCA型叠层坯体5片。将A厚度控制在0.2mm,使用ACBCA型反复叠层坯体5片,总厚度叠加到约15mm。
4、将叠压体置于在之间烧结成,烧结炉以4℃/min的速率升温至1000℃后,以2℃/min的速率升温至1280℃在1280℃烧结4小时后,以1℃/min速度降温至1000℃,后自然冷却。
5、将烧结好的叠层介质陶瓷剪切为需要的形状;
6、最后在剪切好的叠层介质陶瓷表面涂上银浆,在830℃下烧结电极。
7、检测各种参数。
对烧结好的三种类型叠层陶瓷电容器和矩形介质体电容器进行异质层间SEM观察,发现结合致密,在1kHz、10kHz、100kHz下进行温度变化介电常数测量,测量结果进行评估,介电常数温度变化均满足X7R标准(以25℃为基准时的介电常数温度变化率在-55℃~125℃在15%以内)。厚度比为1:0.5:1的ABC型X7R叠层陶瓷电容器介质体的介电常数温谱图如图5所示。
对不同厚度AC测试结果表明,A、C厚度比在1:2到2:1之间均能满足X7R标准。
实施例2
1、根据通式BaxSr1-xTiO3和A、B、C各层主体材料的配比及掺杂原料和助烧物质,按摩尔比称量,取TiO2摩尔量为0.20mol进行计算称量;
A层为Ba0.92Sr0.08TiO3+0.5%Ta2O3+0.1%Y2O3+1.2%SiO2,
B层为Ba0.73Sr0.37TiO3+0.15%Nb2O5+0.1%Fe3O4+0.8%SiO2,
C层为Ba0.55Sr0.45TiO3+1.0%Fe2O3+1.5%SiO2,
原材料粉末为:BaCO3(纯度99.0%)、SrCO3(纯度99.0%)、TiO2(纯度98.0%)、Fe2O3、(纯度99.9%)La2O3(纯度99.99%)、SiO2(纯度99.0%)粉末;
2、分别按A、B、C各层主体材料称量粉体总重量加入同等质量的去离子水,使用直径为15mm、10mm、5mm,数量比为1:1:5的锆球,进行以120r/min转速进行球磨2小时,洗出烘干,在1150℃预烧,再碾磨均匀得到A、B、C三种初级粉体;
3、初级粉体在2MPa下进行压片成型,按组合叠层的顺序,用3MPa~10MPa的压力进行叠压成体,
控制A材料厚度为0.5mm,使用磨具压出厚度为1:0.6,1:1,1:1.25,1:1.6,1:2.5的AC型胚体5片,厚度比为1:0.5:1的ABC型坯体5片,厚度比为1:1:1的ACA和CAC型坯体各5片,再取A材料厚度为0.25mm,压出厚度比为1:0.5:1:0.5:1的ACBCA型叠层坯体5片。将A厚度控制在0.2mm,使用ACBCA型反复叠层坯体5片,总厚度叠加到约15mm。
4、将叠压体置于在之间烧结成,烧结炉以4℃/min的速率升温至1000℃后,以2℃/min的速率升温至1280℃在1280℃烧结4小时后,以1℃/min速度降温至1000℃,后自然冷却。
5、将烧结好的叠层介质陶瓷剪切为需要的形状;
6、最后在剪切好的叠层介质陶瓷两个侧面涂上银浆,在830℃下烧结电极。
7、检测各种参数。
对烧结好的三种类型叠层陶瓷电容器和矩形介质体电容器进行异质层间SEM观察,发现结合致密,在1kHz、10kHz、100kHz下进行温度变化介电常数测量,测量结果进行评估,介电常数温度变化均满足X7R标准(以25℃为基准时的介电常数温度变化率在-55℃~125℃在15%以内)。ABCBA型反复叠层后剪切后的矩形陶瓷电容器介质体的介电常数温谱图如图6所示。
对不同厚度AC测试结果表明,A、C厚度比在1:2到2:1均能满足X7R标准。
Claims (4)
1.一种温度稳定型异质叠层电介质陶瓷电容器,它是以钛酸锶钡为主体材料,其通式为BaxSr1-xTiO3,加入掺杂改性物和助烧物质,其特征在于按配比不同分成A、B、C三种不同的主体介质;按AC、ABC、ACA、CAC、ACBCA方式组合叠层,在保证各层厚度足够小的情况下累积叠层或混叠;然后压制烧结剪切被电极,实现制备串联和并联两种X7R异质叠层电介质陶瓷电容器;
A层主体Bax1Sr1-x1TiO3中0.85≤X1≤1,对应A层居里温度为-30℃~0℃,用掺杂物控制其介电常数在6000~12000;A层掺杂物为La、Nb、Y、Ta、Ce、Zr、Tm、Sm、Dy、Er、Ho、Eu、Tb、Yb元素的氧化物的一种或多种,总掺杂量为0.1%~3.0%;
B层主体Bax2Sr1-x2TiO3中0.70≤X2<0.80,对应B层居里温度为10℃~40℃,用掺杂物控制其介电常数在4000~7000,B层掺杂物为La、Nb、Y、Ta、Ce、Zr、Tm、Sm、Mn、Fe、Al、Zn、Co、Ni元素的氧化物的一种或多种,总掺杂量为0.1%~3.0%;
C层主体Bax3Sr1-x3TiO3中0.50≤X3≤0.65,对应C层居里温度为85℃~120℃,用掺杂物控制介电常数在1000~5000;C层掺杂物为Mn、Fe、Al、Zn、Co、Ni元素的氧化物的一种或多种,总掺杂量为0.1%~3.0%;
三层主体材料的掺杂浓度差应满足:0.1≤X1-X2≤0.3,0.1≤X2-X3≤0.25,0.2<X1-X3≤0.5;
上述掺杂量均为摩尔比。
2.根据权利要求1所述的一种温度稳定型异质叠层电介质陶瓷电容器,其特征在于A、B、C三种主体材料的最佳参数为:
A层主体中X1=0.92±0.03,对应A层居里温度为-25±5℃,用掺杂物控制其介电常数在9000±3000;A层掺杂物为La、Nb、Y元素的氧化物的一种或多种,总掺杂量为1.0±0.1%;
B层主体中X2=0.73±0.03,对应B层居里温度为30±5℃,用掺杂物控制其介电常数在4000~7000;B层掺杂物为La、Nb、Y元素的氧化物的一种或多种,总掺杂量为1.0±0.1%;
C层主体中X3=0.55±0.03,对应C层居里温度为100±5℃,用掺杂物控制介电常数在1000~5000;C层掺杂物为Mn、Fe、Al元素的氧化物的一种或多种,总掺杂量为1.0±0.1%;
上述掺杂量均为摩尔比。
3.根据权利要求1所述的一种温度稳定型异质叠层电介质陶瓷电容器,其特征在于A、B、C三种主体材料中加入少量的助烧物质SiO2、Li2O、B2O3,可单一掺入,也可混合掺入,总掺杂量为0.1%~10.0%摩尔比。
4.一种温度稳定型异质叠层电介质陶瓷电容器的制备方法,其特征在于步骤为:
1)、根据通式BaxSr1-xTiO3和A、B、C各层主体材料的配比及掺杂氧化物原料、助烧物质,按摩尔比称量;
2)、分别按A、B、C各层主体材料的称量粉体总重量加入同等质量的去离子水,使用直径为15mm、10mm、5mm,数量比为1:1:5的锆球进行以120r/min转速进行球磨2小时,洗出烘干,在1150℃预烧,再碾磨均匀得A、B、C三种初级粉体;
3)、初级粉体在2MPa下进行压片成型,按组合叠层的顺序,用3MPa~10MPa的压力进行叠压成体;
4)、将叠压体置于烧结炉以4℃/min的速率升温至1000℃后,以2℃/min的速率升温至1200C,在1200℃~1300℃烧结4小时,然后以1℃/min速度降温至1000℃后自然冷却;
5)、将烧结好的部分介质陶瓷剪切为需要的形状;
6)、最后在剪切好的叠层介质陶瓷表面被上银浆,在600℃~850℃下烧结形成电极;
7)、检测各种参数。
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PB01 | Publication | ||
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CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20160106 Termination date: 20190125 |