CN1238317A - 高性能低温烧结高频电介质陶瓷 - Google Patents

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Abstract

本发明在电子陶瓷及其制造领域公开了一种高性能低温烧结陶瓷的配方系统Bi3x－yLayZn2－2x－mAmNb2－x－nBnO7,其中,A=K1+，Li1+，Ba2+，Ca2+，Sr2+，Cu2+，B＝Mn4+，Ti4+，Ta5+，V5+，W6+，0.4≤x≤0.67，0≤y≤0.5，0≤m≤0.2，0≤n≤0.5。这一系统陶瓷材料具有晶体结构和相组成简单，介电常数高，介质损耗小，频率特性好，绝缘电阻和抗电强度高，烧结温度低，烧结温度范围宽。

Description

高性能低温烧结高频电介质陶瓷
本发明涉及一类低温烧结高频用电介质陶瓷的组成及制备工艺，属电子陶瓷及其制造领域。
随着现代电子产品向小型化、大容量化、薄型化、轻量化和表面组装技术(SMT)的发展，多层陶瓷电容器(MLC)以其大比容，高可靠，片式化，适合于从低频到微波范围的集成电路的使用等优势已成为最能适应电子技术飞速发展的元件之一，其市场需求量日益增加，因此必须研究开发高性能低成本的MLC。研究开发高性能低温烧结电介质陶瓷材料是一条有效途径。目前，作为高频MLC介质材料主要有温度补偿型和温度稳定型：温度补偿型陶瓷材料以TiO2为主要成分。TiO2的介电常数约80，介电常数温度系数为-1000ppm/℃,Mg2TiO4-MgTi2O5系统可以将介电常数温度系数调节到100ppm/℃～-750ppm/℃，但介电常数大大降低，仅有12～20。温度稳定型陶瓷材料的主要系统有：BaO-TiO2系，BaO-Ln2O3-TiO2系(Ln=La,Nd,Sm)和A(B’1/3B”2/3)O3(A=Ba,Sr；B’=Mg,Zn,Ni；B”=Nb,Ta),BaO-TiO2系和A(B’1/3B”2/3)O3系的介电常数为20～40,BaO-Ln2O3-TiO2系的介电常数大些，在30～60。总之，上述这几类介质材料介电常数普遍不够高，烧结温度在1250℃以上，需要使用Pt-Pd-Au合金或高钯低银的Ag/Pd内电极浆料。低温烧结陶瓷材料的开发研究使瓷料的烧结温度降至1000℃以下，则有可能使用全银内电极或低钯比例的Ag/Pd内电极，从而大大降低MLC的成本。1970年问世的Bi2O3-ZnO-Nb2O5(BZN)陶瓷材料系统除具有高频电介质应有特性外，还具有与现有其它高频介质材料系统所不同的特点：烧结温度低(～1000℃)，介电常数高(80～150)，介电常数温度系数连续可调(+120～470ppm/℃)。但原有BZN材料系统的不足是介电常数温度系数对烧结温度极为敏感，且小温度系数的瓷料的介电常数温度系数在-55℃～125℃的范围内变化大于40ppm/℃。因而只有解决了这些问题，才有可能使BZN材料实现规模化生产。
本发明的目的是通过离子取代的方法改进现有低温烧结电介质陶瓷Bi2O3-ZnO-Nb2O5材料系统，拓宽其烧结温度范围，使介电常数温度系数在-55℃～125℃的范围内变化小于30ppm/℃，并进一步降低烧结温度(最低可在900℃烧结成瓷)，使之适应高性能低成本MLC大规模生产的需要。
本发明根据焦绿石晶体化学原理和电介质有关理论，采用离子取代的方法对现有Bi2O3-ZnO-Nb2O5基陶瓷进行改进。采用不同电价的阳离子K1+,Li1+,Ba2+,Ca2+,Sr2+,,La3+,Mn4+,Ti4+,Ta5+,V5+,W6+等，部分取代Bi2O3-ZnO-Nb2O5中的Bi3+、Zn2+或Nb5+，研究总结出取代前后Bi2O3-ZnO-Nb2O5基陶瓷焦绿石结构与介电性能变化的规律关系，在此基础上设计开发出晶体结构和相组成简单、介电常数温度系数稳定且系列化的Bi2O3-ZnO-Nb2O5基高性能低温烧结陶瓷材料，可以作为多层陶瓷电容器，直流和交流中、高压多层陶瓷电容器，微波介质谐振器，微波带通滤波器的介质材料使用。
本发明材料系统的分子通式为：Bi3x-yLayZn2-2x-mAmNb2-x-nBnO7，其中，A=K1+,Li1+,Ba2+,Ca2+,Sr2+,Cu2+,B=Mn4+,Ti4+,Ta5+,V5+,W6+,0.4≤x≤0.67,0≤y≤0.5,0≤m≤0.2,0≤n≤0.5。
本发明材料的具体制备工艺是将化学原料Bi2O3,ZnO,Nb2O5,La2O3,K2CO3,Li2CO3,BaCO3,CaCO3,SrCO3,CuO,MnO2,TiO2,Ta2O5,V2O5,WO3等按配方Bi3x-yLayZn2-2x-mAmNb2-x-nBnO7配制后充分混合磨细后，过80～120目筛，经700℃～800℃预烧，并保温2～3小时，将烧块粉碎后磨细过200目筛，即可获得所需瓷料。将瓷料根据需要制成成品后，在900～1000℃烧结成瓷。
本发明提供的高性能低温烧结高频电介质陶瓷具有以下特点：介电常数高(ε=80～150)，介质损耗小(tgδ＜3×10-4)，介电常数温度系数覆盖范围宽(αε=+200ppm/℃～-530ppm/℃)，烧结温度低(900～1000℃)，绝缘电阻大(pv≥1012Ω·cm)，抗电强度高(Eb≥10KV/mm)，工艺简单。并且介电常数温度系数在-55℃～125℃的范围内变化小于30ppm/℃。
本发明的实施例如下：
实施例1：将化学原料Bi2O3,ZnO,Nb2O5,SrCO3按配方：Bi3x-yLayZn2-2x-mAmNb2-x-nBnO7，其中，x=0.61,y=0,m=0.1,n=0，配制后充分混合磨细后，过80～120目筛，经700℃～800℃预烧，并保温2～3小时，将烧块粉碎后磨细过200目筛，即可获得所需瓷料。将瓷料根据需要制成成品后，在900～1000℃烧结成瓷。
该组瓷料的性能达到如下指标：
介电常数温度系数αε=+190ppm/℃，介电常数ε=85，介质损耗tgδ＜3×10-4，绝缘电阻率ρv≥1012Ω·cm，抗电强度Eb≥10KV/mm。
实施例2：将化学原料Bi2O3,ZnO,Nb2O5,MnO2,WO3按配方：Bi3x-yLayZn2-2x-mAmNb2-x-nBnO7，其中，x=0.61,y=0,m=0,n=0.1，按实施例一的工艺过程进行制备。
该组瓷料的性能达到如下指标：
介电常数温度系数αε=0±30ppm/℃，介电常数ε=100，介质损耗tgδ＜3×10-4，绝缘电阻率ρv≥1012Ω·cm，抗电强度Eb≥10KV/mm。
实施例3：将化学原料Bi2O3,ZnO,Nb2O5,Ta2O5按配方：Bi3x-yLayZn2-2x-mAmNb2-x-nBnO7，其中，x=0.5,y=0,m=0,n=0.2,按实施例一的工艺过程进行制备。
该组瓷料的性能达到如下指标：
介电常数温度系数αε=-530ppm/℃，介电常数ε=145，介质损耗tgδ＜3×10-4，绝缘电阻率ρv≥1012Ω·cm，抗电强度Eb≥10KV/mm。
实施例4：将化学原料Bi2O3,ZnO,Nb2O5,La2O3按配方：Bi3x-yLayZn2-2x-mAmNb2-x-nBnO7，其中，x=0.61,y=0.05,m=0,n=0，按实施例一的工艺过程进行制备。
该组瓷料的性能达到如下指标：
介电常数温度系数αε=+110ppm/℃，介电常数ε=87，介质损耗tgδ＜3×10-4，绝缘电阻率ρv≥1012Ω·cm，抗电强度Eb≥10KV/mm。

Claims (5)

1．高性能低温烧结高频电介质陶瓷，本发明的特征是，分子通式为：Bi3x-yLayZn2-2x-mAmNb2-x-nBnO7，其中，A=K1+,Li1+,Ba2+,Ca2+,Sr2+,Cu2+,B=Mn4+,Ti4+,Ta5+,V5+,W6+,0.4≤x≤0.67,0≤y≤0.5,0≤m≤0.2,0≤n≤0.5。
2．根据权利要求1所述的高性能低温烧结高频电介质陶瓷，其特征在于：所述的分子通式Bi3x-yLayZn2-2x-mAmNb2-x-nBnO7，其中x=0.61,y=0,m=0.1,n=0。
3．根据权利要求1所述的高性能低温烧结高频电介质陶瓷，其特征在于：所述的分子通式Bi3x-yLayZn2-2x-mAmNb2-x-nBnO7，其中x=0.61,y=0,m=0,n=0.1。
4．根据权利要求1所述的高性能低温烧结高频电介质陶瓷，其特征在于：所述的分子通式Bi3x-yLayZn2-2x-mAmNb2-x-nBnO7，其中x=0.5,y=0,m=0,n=0.2。
5．根据权利要求1所述的高性能低温烧结高频电介质陶瓷，其特征在于：所述的分子通式Bi3x-yLayZn2-2x-mAmNb2-x-nBnO7，其中x=0.61,y=0.05,m=0,n=0。
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