CN109942291A

CN109942291A - 一种SrTiO3基晶界层陶瓷电容器及制备方法

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Publication number: CN109942291A
Application number: CN201910191986.8A
Authority: CN
Inventors: 吕明; 贺凡
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2019-06-28
Anticipated expiration: 2039-03-14
Also published as: CN109942291B

Abstract

本发明公开了一种SrTiO₃基晶界层陶瓷电容器及其制备方法，电容器的材质成分包括基本原料和无机单晶颗粒，单晶颗粒的加入量上限为基本原料总质量的20%，基本原料按质量百分比包括SrTiO₃94‑98%、Nb₂O₅0.05‑1%、La₂O₃0.05‑1%、SiO₂0.5‑2%、MgO0.2‑1%、Al₂O₃0.2‑1%和TiO₂0.1‑1%，且基本原料的组分和为100%。将上述原料混均流延成型，还原气氛中烧成，然后在表面涂覆氧化物，空气中氧化烧成，施加电极，得到SrTiO₃晶界层电容器。本发明直接将无机单晶颗粒加入流延成型浆料中，在还原烧成中促进了晶粒的均匀生长，有益于电容器耐电压可靠性的提高。

Description

一种SrTiO3基晶界层陶瓷电容器及制备方法

技术领域

本发明属于陶瓷制备技术领域，具体涉及一种SrTiO₃基晶界层陶瓷电容器及其制备方法。

背景技术

晶界层陶瓷材料是一种利用精确的掺杂工艺与技术，通过还原气氛烧结使电介质陶瓷材料半导化，然后利用氧化剂有选择地氧化晶界，用晶界作为电容器介质的新型介质材料。

SrTiO₃晶界层材料具有介电常数高，其微波片式单层电容器可满足器件小型化的发展趋势。但是，目前国内晶界层陶瓷材料耐电压普遍偏低，使用晶界层介质基片生产的电容器耐电压可靠性不足(一般只具有数百小时的可靠性)，这大大制约了晶界层电容器在可靠性要求苛刻的领域的应用。

从晶体生长角度来看，晶粒大小不均匀对烧结进程和最终产品的性能有着重要的影响，导致晶界层电容器陶瓷耐电压可靠性降低，不利于实际应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，并提供一种SrTiO₃基晶界层陶瓷电容器及其制备方法，能够在烧成时促进陶瓷晶粒生长的均匀性，获得耐电压可靠性较好的SrTiO₃晶界层陶瓷电容器。

本发明的目的通过下述技术方案实现。

一种SrTiO₃基晶界层陶瓷电容器，所述电容器的材质成分包括基本原料和外掺杂无机单晶颗粒，其中所述单晶颗粒的加入量上限为基本原料总质量的20％，所述基本原料按质量百分比包括SrTiO₃ 94-98％、Nb₂O₅ 0.05-1％、La₂O₃ 0.05-1％、SiO₂ 0.5-2％、MgO0.2-1％、Al₂O₃ 0.2-1％和TiO₂ 0.1-1％，且所述基本原料的组分之和为100％。

优选的，当外掺杂的无机单晶颗粒为SrTiO₃时，无机单晶颗粒的加入量上限为基本原料总质量的20％。

优选的，当外掺杂的无机单晶颗粒为BaTiO₃时，无机单晶颗粒的加入量上限为基本原料总质量的15％。

优选的，当外掺杂的无机单晶颗粒为Al₂O₃或SiO₂时，无机单晶颗粒的加入量上限为基本原料总质量的5％。

优选的，外掺杂单晶颗粒的中位粒径在1-20μm范围内。

所述SrTiO₃基晶界层陶瓷电容器采用两步烧结方法制备，具体包含以下步骤：

1)称量基本原料SrTiO₃、Nb₂O₅、La₂O₃、SiO₂、MgO、Al₂O₃和TiO₂并球磨混合均匀得到混合基本原料；

2)将无水乙醇、丁酮和三油酸甘油酯，外掺杂无机单晶颗粒加入步骤1)得到的混和基本原料，搅拌均匀，得到流延成型浆料；

3)将步骤2)得到浆料流延成型，制备生坯片；

4)将生坯片于还原气氛中加热进行烧成得到还原基片；

5)将步骤4)烧成的还原基片表面涂覆氧化剂；

6)将步骤5)涂覆氧化剂的还原基片于空气中进行烧成。

7)在步骤6)中烧成后得到的样品的表面溅射金电极，得到所述SrTiO₃基晶界层电容器。

优选的，所述步骤2)中无水乙醇加入量为基本原料总质量的45-55wt％；丁酮加入量为基本原料总质量的90-110wt％。

优选的，所述步骤2)中三油酸甘油酯加入量为基本原料总质量的2-6wt％。

优选的，所述步骤4)中烧成条件为1400-1500℃保温1-4h。

优选的，所述步骤6)中烧成条件为1000-1100℃保温1-2h。

相对于现有技术，本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明通过在基本原料中加入一定粒径的无机单晶颗粒，在烧成时促进陶瓷晶粒生长的均匀性，获得耐电压可靠性较好的SrTiO₃晶界层陶瓷电容器，一方面工艺简单；一方面为控制陶瓷晶粒生长均匀性进而提高样品耐电压可靠性提供了新思路。

2、所述电容器相对介电常数εr在30000@1kHz以上；损耗tanδ≤250；25℃+250V/mm电场老化强度下，500h后电阻率剩余量在90％以上。

具体实施方式

下面将通过具体实例对本发明的方法作进一步的说明，但本发明不仅限于所述实施例。

实施例1

一种SrTiO₃基晶界层陶瓷电容器的制备，包括以下步骤：

(1)称量基本原料(wt％)：SrTiO₃ 94％、Nb₂O₅ 0.7％、La₂O₃ 1％、SiO₂ 2％、MgO0.8％、Al₂O₃0.9％和TiO₂0.6％，球磨混合均匀，得混合基本原料；

(2)向步骤(1)中混合基本原料中加入相当于基本原料45wt％的无水乙醇，90wt％的丁酮，6wt％三油酸甘油酯，20wt％的中位粒径为20μm的SrTiO₃单晶颗粒，然后搅拌均匀，得到流延成型浆料；

(3)将流延成型浆料流延成型，得到生坯片；

(4)将生坯片于H₂+N₂还原气氛中升温至1400℃保温4h，得到还原基片；

(5)将还原基片表面涂覆氧化剂Bi₂O₃；

(6)将步骤(5)处理的还原基片于空气中升温至1100℃保温1h，得到氧化基片；

(7)在氧化基片表面溅射金电极，得到SrTiO₃基晶界层电容器。

实施例2

一种SrTiO₃基晶界层陶瓷电容器的制备，包括以下步骤：

(1)称量基本原料(wt％)SrTiO₃ 96％、Nb₂O₅ 0.1％、La₂O₃ 0.5％、SiO₂1.5％、MgO0.6％、Al₂O₃ 0.3％和TiO₂ 1％，球磨混合均匀，得混合基本原料；

(2)将步骤(1)中混合基本原料中加入相当于基本原料50wt％的无水乙醇，95wt％的丁酮，5wt％的三油酸甘油酯，15wt％的中位粒径为10μm的BaTiO₃单晶颗粒，并搅拌均匀，得到流延成型浆料；

(3)将流延成型浆料流延成型，得到生坯片；

(4)将生坯片于H₂+N₂还原气氛中升温至1450℃保温2h，得到还原基片；

(5)将还原基片表面涂覆氧化剂Bi₂O₃；

(6)将步骤(5)处理的还原基片于空气中升温至1000℃保温2h，得到氧化基片；

实施例3

一种SrTiO₃基晶界层陶瓷电容器的制备，包括以下步骤：

(1)称量基本原料(wt％)SrTiO₃ 97％、Nb₂O₅ 0.05％、La₂O₃ 0.95％、SiO₂0.6％、MgO 0.8％、Al₂O₃ 0.4％和TiO₂ 0.2％，球磨混合均匀，得混合基本原料；

(2)将步骤(1)中混合基本原料中加入相当于基本原料45wt％的无水乙醇，110wt％的丁酮，4wt％的三油酸甘油酯，2wt％的中位粒径为1μm的Al₂O₃单晶颗粒，并搅拌均匀，得到流延成型浆料；

(3)将流延成型浆料流延成型，得到生坯片；

(4)将生坯片于H₂+N₂还原气氛中升温至1500℃保温1h，得到还原基片；

(5)将还原基片表面涂覆氧化剂Bi₂O₃；

(6)将步骤(5)处理的还原基片于空气中升温至1050℃保温1h，得到氧化基片；

实施例4

一种SrTiO₃基晶界层陶瓷电容器的制备，包括以下步骤：

(1)称量基本原料(wt％)SrTiO₃ 98％、Nb₂O₅0.95％、La₂O₃0.05％、SiO₂ 0.5％、MgO0.2％、Al₂O₃ 0.2％和TiO₂ 0.1％，球磨混合均匀，得混合基本原料；

(2)将步骤(1)中混合基本原料中加入相当于基本原料55wt％的无水乙醇，100wt％的丁酮，2wt％的三油酸甘油酯，5wt％的中位粒径为5μm的SiO₂单晶颗粒，并搅拌均匀，得到流延成型浆料；

(3)将流延成型浆料流延成型，得到生坯片；

(5)将还原基片表面涂覆氧化剂Bi₂O₃；

(7)在氧化基片表面溅射金电极，得到SrTiO3基晶界层电容器。

下述表1为实施例1-4制备得到的SrTiO₃基晶界层电容器的各性能结果。其中，500h后电阻率剩余率是在25℃+250V/mm电场老化强度下测得。

表1本发明的实施例1-4制得的SrTiO₃基晶界层电容器的性能

实施例	介电常数	损耗tanδ	电阻率(×10<sup>8</sup>Ω·m)	500h后电阻率剩余率
					1	35874	218	8.5	91.1％
2	34328	231	9.3	91.5％
					3	32108	236	10.6	92.7％
4	31984	224	11.2	92.5％

实施例制备得到的SrTiO₃基晶界层陶瓷电容器的相对介电常数εr在30000@1kHz以上；损耗tanδ≤250，25℃+250V/mm电场老化强度下，500h电场老化后电阻剩余率均在90％以上，表现出样品具有较好的耐电压可靠性。

综上所述，采用本发明的方法制备的SrTiO₃基晶界层陶瓷电容器介电常数高，耐压稳定性好。且该方法无需特殊设备，仅需在原料中加入一定量一定粒径的无机单晶颗粒即可。

以上实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种SrTiO3基晶界层陶瓷电容器，其特征在于，所述电容器的材质成分包括基本原料和外掺杂无机单晶颗粒，其中所述单晶颗粒的加入量上限为基本原料总质量的20%，所述基本原料按质量百分比包括SrTiO₃ 94-98%、Nb₂O₅ 0.05-1%、La₂O₃ 0.05-1%、SiO₂ 0.5-2%、MgO 0.2-1%、Al₂O₃ 0.2-1%和TiO₂0.1-1%，且所述基本原料的组分之和为100%。

2.根据权利要求1所述SrTiO₃基晶界层陶瓷电容器，其特征在于，当外掺杂的无机单晶颗粒为SrTiO₃时，无机单晶颗粒的加入量上限为基本原料总质量的20%。

3.根据权利要求1所述SrTiO₃基晶界层陶瓷电容器，其特征在于，当外掺杂的无机单晶颗粒为BaTiO₃时，无机单晶颗粒的加入量上限为基本原料总质量的15%。

4.根据权利要求1所述SrTiO₃基晶界层陶瓷电容器，其特征在于，当外掺杂的无机单晶颗粒为Al₂O₃或SiO₂时，无机单晶颗粒的加入量上限为基本原料总质量的5%。

5.根据权利要求1所述SrTiO₃基晶界层陶瓷电容器，其特征在于，所述无机单晶颗粒的中位粒径介于1-20μm。

6.权利要求1-5中任一项所述SrTiO₃基晶界层陶瓷电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）称量基本原料SrTiO₃、Nb₂O₅、La₂O₃、SiO₂、MgO、Al₂O₃和TiO₂，并球磨混合均匀，得到混合基本原料；

2）在步骤1）的混合基本原料中加入无水乙醇、丁酮、三油酸甘油酯和外掺杂的无机单晶颗粒，搅拌均匀得到流延成型浆料；

3）将步骤2）得到浆料流延成型，制备生坯片；

4）将步骤3）的生坯片置于还原气氛中加热进行烧成得到还原基片；

5）在步骤4）的还原基片表面涂覆氧化剂；

6）将步骤5）涂覆氧化剂的还原基片于空气环境中进行烧成；

7）在步骤6）中烧成后得到的样品的表面溅射金电极，得到所述SrTiO₃基晶界层电容器。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中无水乙醇加入量为基本原料总质量的45-55wt%；丁酮加入量为基本原料总质量的90-110wt%。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中，三油酸甘油酯加入量为基本原料总质量的2-6wt%。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中烧成条件为1400-1500℃保温1-4h。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤6）中烧成条件为1000-1100℃保温1-2h。