CN1921038A - 无磁性高压片式多层陶瓷电容器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无磁性高压I类片式多层陶瓷电容器及其制备方法。该无磁性高压I类片式多层陶瓷电容器包括内电极、介质层以及端电极，其中，介质层、内电极、端电极分别由无磁性的介电陶瓷材料、无磁性的内浆材料、无磁性的端浆材料制成，其均不含有锰、铬、铁、钴、镍和其它有磁性的金属材料，介质层的层数为偶数，每一介质层的厚度为2－15密耳；而且在制备该无磁性片式多层陶瓷电容器的混浆、层压、排胶以及端电极烧端等过程中，均使用非磁性的器具。本发明的产品具有高Q值，并可以在高磁场下工作。

Description

无磁性高压片式多层陶瓷电容器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种片式多层陶瓷介质电容器及其制作方法，更具体地讲，本发明涉及一种无磁性高压I类片式多层陶瓷介质电容器及其制作方法。

背景技术

所谓的I类片式陶瓷电容器是指温度系数概括了电介质为正温度系数、负温度系数、零温度系数的片式多层陶瓷电容器。它们广泛应用在高频率，高Q值等电子线路中。目前国内厂家生产的I类高压陶瓷电容器大多是圆片高压电容器，也有部分是片式多层高压电容器，但是由于端电极材料含有镍元素，从而使得产品无法在高磁场下工作，加上Q值较低，因此无法满足高磁场、高功率、高电压、低损耗方面的要求。

因而，有必要提供一种适应部分高端电子元器件市场对于元件在高电压、高磁场、高功率、高频率、低损耗等方面要求的I类多层陶瓷介质电容器。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有无磁性、高Q值、高电压等特性的I类片式多层陶瓷介质电容器，从而解决现有的多层陶瓷介质电容器无法在高磁场、高功率环境下工作的难题。

为了达到上述的发明目的，本发明的解决方案是：提供一种无磁性高压I类片式多层陶瓷电容器，其包括内电极、与内电极交叉叠层的、由介电陶瓷材料粉末制成的介质层以及与导出的内电极相连接的端电极，其中：介质层是由一种无磁性的介电陶瓷材料制成的，该无磁性介电陶瓷材料的主成分和无机助熔剂中均不含有锰、铬、铁、钴、镍和其它有磁性的金属材料，而且该介质层的层数为偶数，每一该介质层的厚度为2-15密耳(2-15mil，1密耳为千分之一英寸)；内电极是由一种无磁性的内浆材料制成的，该无磁性内浆材料含有Ag/Pd粉和无机添加物，同时不含有锰、铬、铁、钴、镍和其它有磁性的金属材料；端电极是由一种无磁性的端浆材料制成的，该无磁性端浆材料含有Ag/Pd粉和无机添加物，同时不含有锰、铬、铁、钴、镍和其它有磁性的金属材料。另外，该无磁性片式多层陶瓷电容器是通过具有如下特征的工艺制得的：在混浆、层压、排胶以及端电极烧端的过程中，均使用非磁性的器具。

上述的无磁性介电陶瓷材料应选用高压特性、高频特性良好的I类瓷粉材料。例如，无磁性介电陶瓷材料的为钛酸镁、硅酸镁、钛酸钡、钛酸钙、钛酸锌镁或其混合物，优选为钛酸镁和硅酸镁的混合物，其中可以添加少量的稀土元素如钛酸锶、钛酸钕等；其无机助熔剂可以为氧化硼、氧化锌或氧化硅，优选为氧化硼和氧化锌的混合物。对于氧化硼和氧化锌的混合物，其混合的重量比在1∶4至4∶1之间，优选在1∶2至3∶1之间。要求选用的瓷粉的主成分及添加成分(有机溶剂和无机助熔剂等)中不含有常规瓷粉中的锰、铬、钴、镍和其他有磁性的金属粉。在实际生产时，应首先选择温度特性满足CG特性(CG特性即温度系数是0±30ppm/℃)或CP特性(CP特性即温度系数是90±20ppm/℃)的片式多层陶瓷介质电容器用瓷粉，其次还要判断所选的瓷粉材料是否满足以下四个指标：

①单位厚度击穿电压(V/mil)；

②单位厚度加一定直流电压后的容量变化率；

③单位厚度圆片陶瓷电容器或标准对比片式多层陶瓷介质电容器

的加速寿命失效率数据；以及

④单位尺寸圆片陶瓷电容器的Q值性能。

本发明的无磁性高压I类片式多层陶瓷电容器中，内电极选用银钯电极。内电极的厚度优选控制在1-2μm之间，以确保足够的厚度和高Q性能以及确保高压下不会发热击穿。

与上述无磁性介电陶瓷材料匹配良好的内电极浆料是含有Ag/Pd粉和无机添加物的无磁性内浆材料，其中，无机添加物可以为无机玻璃料或含少量氧化锆的无机玻璃料。内电极浆料的主成分粉及添加成分(有机溶剂和无机玻璃料等)中应该不含有常规内浆中的铁、铬、钴、锰、镍和其他有磁性的金属粉，同时要注意满足以下三点：

①其金属含量及其他无机组分添加量要使得其可以满足高压电容器的内电极厚度及连续性的要求；

②其TMA分析(热膨胀分析曲线)数据与瓷料制作的膜片TMA分析数据要接近；

③其具有足够的工艺适用范围，可以满足正常生产的需要。

本发明的无磁性高压I类片式多层陶瓷电容器中，端电极可以为无导线型端电极或带有厚度为0.1-0.5mm的片状导线的端电极。如果带有片状导线，则片状导线要具有优良的导电性、具有良好的可焊性以及不含铁、镍等磁性材料元素。片状导线可以与陶瓷电容器正面平行，宽度与陶瓷电容器宽度相同；导线材料采用可焊接、导电性能优越的材料，一般采用铜片外面电镀锡方式，或直接采用铅锡合金。

本发明中，端电极由一种无磁性的端浆材料制成，该无磁性端浆材料含有Ag/Pd粉和无机添加物，无机添加物可以为无机玻璃料、氧化铅或氧化铜，优选为含少量氧化铅或氧化铜的无机玻璃料。端电极浆料主要要满足以下三点：

①其金属含量及其他无机组分添加量使其可以满足内外电极良好连接及良好端头附着力的要求；

②端电浆料不含锰、铬、铁、钴、镍和其它有磁性的金属材料；

③端电极材料具有良好可焊性。

另外，无磁性内浆材料中Ag/Pd粉和无机添加物的固含量范围可以分别为40％-60％和2.5-7.5％。

另一方面，本发明还提供了一种制备上述无磁高压I类片式多层陶瓷电容器的方法，包括：混浆、制作介质膜片、交替叠印内电极和介质层、层压、切割、排胶、烧结、封端电极、烧端工序，其中：在混浆配料过程中，使用非磁性的储浆煲；在丝印层压过程中，使用非磁性的载板，而且所使用的丝网的边角均具有一定的弧度；在排胶装钵过程中，使用非磁性的铲；在端电极的烧端过程中，使用非磁性的无机氧化物承烧板。

在上述方法制作介质膜片的过程中，优选采用薄膜流延的方式，以钢带流延中磁性钢带的磁性影响。

在上述方法封端电极的过程中，优选对封端的电机进行磁性屏蔽或采用无磁性的封端设备。

进一步地，在上述的方法中，非磁性的储浆煲可以为尼龙煲、PVC煲或者其它不受制剂腐蚀的塑料煲；非磁性的载板可以为非磁性合金载板；非磁性的铲可以为高强度塑料铲或非磁性合金铲；非磁性的无机氧化物承烧板可以为氧化铝承烧板或氧化锆承烧板。

另外，对于本发明的无磁性高压I类片式多层陶瓷高压电容器，为得到高Q值、高耐电压的产品，在设计产品本体时主要考虑以下三个方面：

A：对于工作电压＜1000V的产品，可采用常规错位方式的丝网；而对于工作电压≥1000V的产品，可采用悬浮丝网电极设计；

B：设计丝网时要将所有的图形的边角设计成具有一定的弧度，这样以减少高压下尖峰放电的几率，以提高电容器的可靠性；

C：较厚的介质厚度，以提高产品的耐电压。根据产品的工作电压与应用介质材料的耐压性能，介质厚度一般在2-15mil之间。

而加工过程的控制主要是在制作无磁片式多层陶瓷介质电容器的过程中避免有磁物质对产品产生磁化，尤其要控制如下工序：

(1)配料过程中，常规装浆料使用不锈钢的钢煲，为了避免有磁性的钢煲对浆料产生磁化影响，从而对产品产生磁性影响，本发明将钢煲更换为尼龙煲、PVC煲或者其它不受制剂腐蚀的塑料非磁性储浆煲，避免有磁性物质与产品接触；

(2)膜片流延过程中，常规的膜片流延方式为钢带流延，膜片流延过程中易受到有磁性钢带的磁性影响，本发明采用薄膜流延方式，可以避免在膜片流延过程中膜片受到有磁性钢带的磁性影响；

(3)在丝印层压过程中，现有技术均使用高强度的不锈钢载板，该载板易摩擦产生磁性，本发明则使用无磁性、高强度、高韧性的合金载板或其它非磁性、高强度、高韧性的载板，避免产品在该产生过程中被磁化；

(4)排胶装钵过程中，常规技术使用不锈钢的钢铲进行装钵，该钢铲易摩擦产生磁性，本发明则将其更换为高强塑料铲、无磁性合金铲或其它无磁性材料的铲进行装钵，避免产品在装钵过程中被磁化；

(5)封端过程中，常规技术中使用的封端电机、电动磁性振盘等均会产生磁场，对加工的产品形成磁化，本发明则对封端的电机进行磁性屏蔽，同时将电动磁性振盘改为人工操作或其它非磁性操作，从而屏蔽磁场对产品的磁性影响；或采用其它无磁性的封端设备如ARP-D型台湾封端机；

(6)端电极的烧端过程中，常规技术中烧端的承烧装置为镍、铬的合金网，本发明将承烧装置更换为无机材料的承烧板，如氧化铝、氧化锆承烧板，杜绝镍的合金网对烧端的产品产生磁性影响。

本发明通过选用合适的瓷料、内电极浆料以及内部电极排布设计，并采用独特的端电极材料与烧结工艺，采用具有良好焊接性能的片状金属导线连接外电极，使得产品具备良好的耐高压性能以及可焊接性能。与一般的I类片式多层陶瓷高压电容器相比，本发明由于选用的材料、工艺及片状金属导线的引入，可以确保产品的Q值，使其具有高Q值，适合高频环境下应用；同时由于有效地规避了铁、镍等材料的引入，从而确保了产品可以在高磁场下正常工作；而且本发明使用的是低K值高耐压瓷粉，得到的产品具有更好的可靠性。

从实际应用的角度来看，本发明具有投资较小和适用性强等技术特点。在传统的片式高压I类多层陶瓷电容器制作技术、设备的基础上，只需要针对材料选型、丝网设计、产品设计、部分工序工艺方面作一些改进工作即可，而且本发明可以很容易就被应用到片式高压I类多层陶瓷电容器生产线上。利用本发明，可以很容易地制作出1206规格以上、多种符合标准或非标准尺寸的高压无磁性I类多层陶瓷电容器产品，在高Q无磁性方面与传统片式高压I类多层陶瓷电容器制作技术相比具有明显的优势。

下面结合具体的实施方式来进一步地说明本发明。这些具体实施方式只是用于更好地理解本发明，而不是对本发明的限制。本领域的普通技术人员在参照本发明的基础上，完全可以作出一些改动或者改进，但这些改动或者改进仍在本发明的保护范围内。

具体实施方式

下面以制作4030CG101J302N产品为例，具体说明本发明的实施过程。

                     实施例1

选定瓷料：

选取粒度分布均匀、中温烧结的钛酸镁和硅酸镁混合物的瓷料，烧结温度在1080-1160之间，采用传统工艺方法制作标准样品，其介质厚度设计成1mil，然后测试产品的击穿电压，要求击穿电压在1200-2000V/mil，采用200V-500V电压施加在50-200粒标准样品上面，要求1000小时内的失效率为0，2000小时内的失效率在1％以内。测试温度系数，要求满足CG要求，即满足0±30PPM/℃要求；或CP要求，即满足90±20PPM/℃要求。测试Q值性能，要求Q值＞25000(1MHZ)。

选定内电极浆料：

确定瓷粉后，根据瓷粉来确定匹配的内浆，选用钯银比例在30/70的内电极浆料，要求内浆的金属含量在40％-50％之间，无机玻璃料添加量在3.0-3.5％之间，要求内浆能够保证在印刷时银重控制在17-25mg/in²之间，要求内浆与瓷粉的烧结线收缩率差距在5％以内，TMA曲线基本吻合。

确定设计：

设计外围尺寸满足4030规格要求的一级悬浮丝网底片，丝网常数为5.5395。

确定介质厚度：

3000V产品要求介质击穿电压大于1.2×3000V＝3600V，瓷粉的介电强度为1500V/mil，丝网的为一级悬浮丝网，则单层介质上应该可以承受的电压应该大于1800V，则最低介质厚度为1800/1500＝1.2mil，考虑到设计余量的需要，介质厚度应该大于2mil。

无机助熔剂为氧化硅。

介质厚度确定后，计算设计层数，介电常数按照15计算：

N＝CT/KM＞10×10¹×2/(15×5.5395)＝2.4

式中，C为容量，K为介电常数，M为丝网常数(与丝网有效正对面积有关)，N为设计层数(即并联的电容数目)，T为介质厚度。

由于要保证屏蔽结构，这样设计层数必须是偶数层，这样设计层数最少也要达到4层。本实施例中采用4层设计，返回到公式中计算，介质厚度为3.33mil。

采用全银端浆封端、烧端后，手工焊接上两条片状导线(片厚0.1mm)，尺寸为：10mm(长度)×7.5mm(宽度)×3.5mm(厚度)；导线材料为锡铅合金，锡铅比为80±15/20±15。端电极由无磁性的端浆材料制成，该无磁性端浆材料含有Ag/Pd粉和无机添加物，无机添加物可以为无机玻璃料、氧化铅或氧化铜。

制备过程控制中要注意几个方面的过程工艺参数：

(1)丝印银重控制在22±3mg/in²，保证丝印图形的完整，避免锯齿等问题；

(2)倒角后要注意保持电容端角圆滑，这样可以保证封端后不容易产生露瓷问题；

(3)封端后要保证端头不能过大，端头长度控制在0.80±0.25mm；

(4)电镀工序避免延伸问题；

(5)测试分选时要注意放电问题，要控制湿度在40％以下；

(6)各工序加工不可引入铁、镍等磁性材料；

(7)手工焊接导线注意热冲击对于电容的影响。

                      实施例2

与实施例1相同，只是全银端浆封端、烧端后，电容器上不再焊接上两条片状导线。

                      实施例3

与实施例1相同，只是内浆的金属含量在45％-50％之间，无机添加量在5.0-5.5％之间，两条片状导线的片厚为0.5mm。

                      实施例4

与实施例1相同，只是内浆的金属含量在55％-60％之间，无机添加量在7.0-7.5％之间。

                      实施例5

与实施例1相同，只是电容器为6层设计，介质厚度为6.66mil。

                      实施例6

与实施例1相同，只是电容器为16层设计，介质厚度为13.32mil。

                      实施例7

与实施例1相同，只是选取瓷料中除钛酸镁和硅酸镁外，还含有少量的钛酸钕。

                      实施例8

与实施例1相同，只是选取瓷料中除钛酸镁和硅酸镁外，还含有少量的钛酸钙。

                      实施例9

与实施例1相同，只是选取瓷料中除钛酸镁和硅酸镁外，还含有少量的钛酸锌镁。

Claims (10)

1、一种无磁性高压片式多层陶瓷电容器，包括内电极、与内电极交叉叠层的、由介电陶瓷材料粉末制成的介质层以及与导出的内电极相连接的端电极，其特征在于：

所述介质层是由一种无磁性的介电陶瓷材料制成的，该无磁性介电陶瓷材料的主成分和无机助熔剂中均不含有锰、铬、铁、钴、镍和其它有磁性的金属材料，而且所述介质层的层数为偶数，每一所述介质层的厚度为2-15密耳；

所述内电极是由一种无磁性的内浆材料制成的，该无磁性内浆材料含有Ag/Pd粉和无机添加物，同时不含有锰、铬、铁、钴、镍和其它有磁性的金属材料；

所述端电极是由一种无磁性的端浆材料制成的，该无磁性端浆材料含有Ag/Pd粉和无机添加物，同时不含有锰、铬、铁、钴、镍和其它有磁性的金属材料；

而且，所述的无磁性片式多层陶瓷电容器是通过具有如下特征的工艺制得的：在混浆、层压、排胶以及端电极烧端的过程中，均使用非磁性的器具。

2、如权利要求1所述的陶瓷电容器，其特征在于，所述的内电极的厚度控制在1-2μm之间。

3、如权利要求1所述的陶瓷电容器，其特征在于，所述的端电极为无导线型端电极或带有厚度为0.1-0.5mm的片状导线的端电极。

4、如权利要求1-3之一所述的陶瓷电容器，其特征在于，所述无磁性介电陶瓷材料的主成分为钛酸镁、硅酸镁、钛酸钡、钛酸钙、钛酸锌镁或其混合物，优选为钛酸镁和硅酸镁的混合物。

5、如权利要求1-3之一所述的陶瓷电容器，其特征在于，所述无磁性介电陶瓷材料的无机助熔剂为氧化硼、氧化锌或氧化硅，优选为氧化硼和氧化锌的混合物。

6、如权利要求1-3之一所述的陶瓷电容器，其特征在于，所述的无磁性内浆材料中的无机添加物为无机玻璃料或含氧化锆的无机玻璃料。

7、如权利要求1-3之一所述的陶瓷电容器，其特征在于，所述的无磁性端浆材料中的无机添加物为无机玻璃料、氧化铅或氧化铜。

8、如权利要求1-3之一所述的陶瓷电容器，其特征在于，所述的无磁性内浆材料中Ag/Pd粉和无机添加物的固含量范围分别为40％-60％和2.5-7.5％。

9、一种制备如权利要求1-8之一所述的无磁性高压I类片式多层陶瓷电容器的方法，包括：混浆、制作介质膜片、交替叠印内电极和介质层、层压、切割、排胶、烧结、封端电极、烧端工序，其特征在于，混浆配料过程中，使用非磁性的储浆煲；在丝印层压过程中，使用非磁性的载板，而且所使用的丝网的边角均具有一定的弧度；排胶装钵过程中，使用非磁性的铲；端电极的烧端过程中，使用非磁性的无机氧化物承烧板。

10、如权利要求9所述的方法，其特征在于，在制作介质膜片的过程中，采用薄膜流延的方式；在封端电极的过程中，对封端的电机进行磁性屏蔽或采用无磁性的封端设备；所述的非磁性的储浆煲为尼龙煲、PVC煲或者其它不受制剂腐蚀的塑料煲；所述的非磁性的载板为非磁性合金载板；所述的非磁性的铲为高强度塑料铲或非磁性合金铲；所述的非磁性的无机氧化物承烧板为氧化铝承烧板或氧化锆承烧板。