TW201331150A - 用於製作被動元件的陶瓷材料組成 - Google Patents

用於製作被動元件的陶瓷材料組成 Download PDF

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Chun-Te Lee
Kai-yun YANG
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Abstract

一種用於製作被動元件的陶瓷材料組成，包含為鈦酸鋇的主成分，及副成分，其中，以主成分為100mole%計，副成分包括0.2~2mole%的氧化鎂、0.2~5mole%的氧化矽、和0.5~3mole%的氧化鐿，特別的是，主成分是多數顆粒粉末，且副成分是選用含有鎂、矽、鐿等元素的硝酸鹽類溶液或是氫氧化物溶液與主成分混合後，調整酸鹼值及乾燥後煆燒而均勻披覆於顆粒粉末上，這樣的陶瓷材料組成再經過粉碎、過篩與濕式混合後製作出的被動元件，特別是積層陶瓷電容，符合X8R規範的溫度電容特性，而可以改善現有被動元件的可靠度問題。

Description

用於製作被動元件的陶瓷材料組成
本發明是有關於一種陶瓷材料，特別是指一種製作符合X8R特性規範的被動元件的陶瓷材料。
被動元件除了需要比介電常數高、絕緣電阻IR的壽命長、DC偏壓特性良好以外，也常需要良好的溫度特性，特別是近年來用於汽車引擎室內搭載的引擎電子控制單元(ECU)、曲柄角感測器、防鎖死煞車系統(ABS)模組等各種電子裝置的積層陶瓷電容，因為該些電子裝置需要安定地進行引擎控制、驅動控制以及煞車控制，所以用於該些電子裝置的積層陶瓷電容更需要具有良好的電路的溫度安定性。
具體地說，用於這些電子裝置的積層陶瓷電容，早期符合EIA規格的X5R(-55℃~+85℃，ΔC/C=±15%)特性規範時，即可預期能在寒冷的冬季或是炎熱的夏季正常工作，但隨著電子裝置與控制對象機器的連接具有削減線束的傾向，以及電子裝置設置於車外等嚴苛的使用環境變得愈來愈普遍，因此，這些用於電子裝置的積層陶瓷電容的溫度特性必須提升至滿足EIA規格的X8R(-55℃~+150℃，ΔC/C=±15%)特性規範。
用於製作出滿足X8R特性規範的被動元件的陶瓷材料，目前己有例如特開平10-25157號、特開平9-40465號等專利案提出，該些專利案提出的技術大致是用鉍(Bi)、鉛(Pb)等元素置換鈦酸鋇(BaTiO3)中的鋇元素，從而使製作出的被動元件的居禮溫度往高溫側移動。另外，例如特開平4-295048號、特開平4-292458號、特開平4-292459號、特開平5-109319號、特開平6-243721號等專利案則是藉由選擇鈦酸鋇(BaTiO3)、鋯酸鈣(CaZrO3)、氧化鋅(ZnO)、氧化鈮(Nb2O5)的組成比例變化，而滿足X8R特性規範的要求。
然而，由於含有鉛、鉍、鋅等元素的陶瓷材料在空氣下燒結時，需要使用例如銀、鈀、金、鉑等貴金屬作為內電極，而無法應用使用鎳作為內電極的還原氣氛下進行燒結，所以有製程昂貴的缺點。另外，選擇鈦酸鋇(BaTiO3)、鋯酸鈣(CaZrO3)、氧化鋅(ZnO)、氧化鈮(Nb2O5)的組成比例變化作為材料，雖然可以配合用鎳作為內電極而在還原氣氛下進行燒結製作積層陶瓷電容，但是當欲製作的積層陶瓷電容的層體薄化至5μm時，其可靠度就因為層體過薄而無法滿足X8R特性規範的溫度電容特性需求。
因此，本發明之目的，即在提供一種可以採用鎳作為內電極而在還原氣氛下進行燒結製作積層陶瓷電容，且製作的積層陶瓷電容的層體可薄化至5μm仍滿足X8R特性規範的溫度電容特性需求的用於製作被動元件的陶瓷材料組成。
於是，本發明一種用於製作被動元件的陶瓷材料組成，包含一為鈦酸鋇(BaTiO3)的主成分，及一副成分，以該主成分為100mole%計，該副成分包括0.2~2mole%的氧化鎂(MgO)、0.2~5mole%的氧化矽(SiO2)、和0.5~3mole%的氧化鐿(Yb2O3)。
本發明用於製作被動元件的陶瓷材料組成的目的及解決其技術問題還可採用於下技術措施進一步實現。
較佳地，該主成分是多數顆粒粉末，該副成分均勻披覆該些顆粒粉末。
較佳地，該主成分的化學式是BamTiO2+m，0.993≦m≦1.006。
較佳地，以該主成分為100mole%計，該副成分還包括0.1~1mole%的氧化釔(Y2O3)。
較佳地，以該主成分為100mole%計，該副成分還包括0.1~1mole%的氧化錳(MnO)。
較佳地，以該主成分為100mole%計，該副成分還包括不大於0.5mole%的氧化釩(V2O5)。
較佳地，以該主成分為100mole%計，該副成分還包括0.1~2mole%的鋯酸鈣(CaZrO3)。
較佳地，以該主成分為100mole%計，該副成分還包括1~4mole%的碳酸鋇(BaCO3)。
較佳地，所述之用於製作被動元件的陶瓷材料組成是選擇分別含有鎂、矽、鐿、釔、錳、釩、鋯、鈣，及鋇的硝酸鹽類，及/或氫氧化物溶液的其中至少一與主成分混合後，調整酸鹼值以及乾燥後煆燒而成披覆於該主成分的副成分。
本發明之功效在於：藉由鈦酸鋇構成的主成分，及配合至少包括0.2~2mole%的氧化鎂、0.2~5mole%的氧化矽、和0.5~3mole%的氧化鐿的副成分，在經過粉碎、過篩與濕式混合後，可以配合使用鎳的內電極於還原氣氛燒結製作得到積層陶瓷電容，且製得的積層陶瓷電容於層體薄至5μm仍符合X8R特性規範的溫度電容特性需求。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
本發明用於製作被動元件的陶瓷材料組成的一較佳實施例包含一為鈦酸鋇的主成分，及一副成分，該主成分是多數顆粒粉末，化學式是BamTiO2+m，0.993≦m≦1.006，該副成分是選擇分別含有鎂、矽、鐿、釔、錳、釩、鋯、鈣，及鋇的硝酸鹽類，及/或氫氧化物溶液與主成分混合後，調整酸鹼值以及乾燥後煆燒而均勻披覆於該等顆粒粉末，以該主成分為100mole%計，該副成分包括0.2~2mole%的氧化鎂(MgO)、0.2~5mole%的氧化矽(SiO2)、0.5~3mole%的氧化鐿(Yb2O3)、0.1~1mole%的氧化釔(Y2O3)、0.1~1mole%的氧化錳(MnO)、不大於0.5mole%的氧化釩(V2O5)、0.1~2mole%的鋯酸鈣(CaZrO3)，及1~4mole%的碳酸鋇(BaCO3)，在經過粉碎、過篩與濕式混合後，可以配合使用鎳的內電極於還原氣氛燒結製作得到積層陶瓷電容。
在副成分中，氧化鎂影響電容溫度特性與平坦化效果，含量太少會使得容量溫度變化率大，含量太多則燒結性變差，故相對於主成分含量為100mole%時在0.2~2mole%較佳；氧化矽主要作為燒結助劑，而在層體薄化時具有改善初期絕緣電阻(IR)的不良率的效果，含量太少會使得容量溫度特性變差，絕緣電阻亦會降低，含量太多時除了絕緣電阻壽命不足之外，藉電場數也會急遽的降低，故相對於主成分含量為100mole%時在0.2~5mole%較佳；氧化鐿的存在使居禮溫度(Curie Temperature)往高溫方向移動，含量太少時除了無法令居禮溫度往高溫方向移動外，還會使得容量溫度特性變差，含量太多則燒結性變差，另外，氧化鐿還具有價格相對低廉、特性改善的效果明顯的優點，故相對於主成分含量為100mole%時在0.5~3mole%較佳；氧化釔主要改善絕緣電阻與絕緣電阻壽命，且對容量溫度特性的負面影響較少，但是含量太多時亦會導致燒結性變差，另外，氧化釔也具有價格相對低廉、特性改善的效果明顯的優點，故相對於主成分含量為100mole%時在0.1~1mole%較佳；氧化錳可促進燒結效果，並提升絕緣電阻與絕緣電阻壽命，但含量太多時亦會對容量溫度特性出現不良影響，故相對於主成分含量為100mole%時在0.1~1mole%較佳；氧化釩使居禮溫度以上的容量溫度特性平坦化，並提高絕緣電阻壽命，含量太少不足以產生影響，含量太多使絕緣電阻顯著地降低，故相對於主成分含量為100mole%時不大於0.5mole%較佳；鋯酸鈣使居禮溫度往高溫側移動並讓容量溫度特性平坦化，也具有改善電容電阻乘積(CR積)和直流絕緣破壞強度的功效，但含量過高會讓絕緣電阻壽命和容量溫度特性顯著變差，故相對於主成分含量為100mole%時在0.1~2mole%較佳；碳酸鋇能表現電容溫度特性與平坦化效果，並提高燒結緻密度，含量太少時容量溫度變化率變大，含量過多也同樣會使燒結性變差，故相對於主成分含量為100mole%時在1~4mole%較佳。
參閱圖1、圖2，另外要特別說明的是，本發明用於製作被動元件的陶瓷材料組成1，由於副成分是用含有鎂、矽、鐿、釔、錳、釩、鋯、鈣，及鋇等元素的硝酸鹽類，及/或氫氧化物溶液，與成顆粒粉末的主成分混合後，再調整酸鹼值以及乾燥後煆燒得到，所以副成分12是均勻披覆於主成分顆粒粉末11上，如圖1所示，此與圖2所示現有的陶瓷材料組成大多是各組成化合物分別成大小不一的顆粒粉末2形式不同，藉著此等過程使副成分12均勻披覆於主成分顆粒粉末11的陶瓷材料組成1，於再粉碎、過篩與濕式混合後，除了可以配合使用鎳的內電極於還原氣氛燒結製作得到積層陶瓷電容外，還能使積層陶瓷電容因為材料組成均勻性更加之故，而能在符合X8R特性規範的前提下展現更優異的電性表現；此外，由於本發明陶瓷材料組成不含鋅、鉍、鉛等元素，所以在空氣下燒結時不需要使用例如銀、鈀、金、鉑等貴金屬作為內電極，而可以在使用鎳作為內電極的還原氣氛下進行燒結，所以可以有效降低製程成本。
更詳細地，以製作副成分包括氧化鎂、氧化矽和氧化鐿的陶瓷材料組成為例，是採用商用200nm鈦酸鋇粉末為主成分，與理水球磨24小時(固含量60%)，流出備用；另外，量取硝酸鐿(Yb(NO3)3)2mole%、硝酸鎂(Mg(NO3)2)1.28mole%溶於理水並攪拌30分鐘；同時準備四乙矽酸(Si(C2H5O)4)1.89mole%溶於酒精並攪拌30分鐘；然後將上述三液混合後以加入氨水的方式將pH值調節至9並混拌均勻，之後以80℃噴霧乾燥即可得到粉末半成品，最後再於空氣爐中以700℃持溫2小時，即製得副成分為氧化鎂、氧化矽和氧化鐿且均勻披覆於主成分顆粒粉末的材瓷材料組成。
再以製作副成分包括氧化鎂、氧化矽、氧化鐿、氧化釔、氧化錳、氧化釩、鋯酸鈣，和碳酸鋇的陶瓷材料組成為例，是採用商用200nm鈦酸鋇粉末為主成分，並量取氧化鋯(ZrO2)粉末0.54mole%、氧化釩粉末0.12mole%與理水球磨24小時(固含量60%)，流出備用；另外，量取硝酸鐿(Yb(NO3)3)2mole%、硝酸鎂(Mg(NO3)2)1.28mole%、硝酸釔(Y(NO3)3)0.64mole%、硝酸鈣(Ca(NO3)2)0.54mole%、醋酸鋇(Ba(CH3COO)2)2.45mole%、醋酸錳(Mn(CH3COO)2)0.44mole%溶於理水並攪拌30分鐘；同時準備四乙矽酸(Si(C2H5O)4)1.89mole%溶於酒精並攪拌30分鐘；然後將上述三液混合後以加入氨水的方式將pH值調節至9並混拌均勻，之後以80℃噴霧乾燥即可得到粉末半成品，最後再於空氣爐中以700℃持溫2小時，即製得副成分為氧化鎂、氧化矽、氧化鐿、氧化釔、氧化錳、氧化釩、鋯酸鈣，和碳酸鋇且均勻披覆於主成分顆粒粉末的材瓷材料組成。
以下分別以五實驗例與五比較例製作得到的積層陶瓷元件(層體厚度為5μm)的物理特性表現，驗證用本發明用於製作被動元件的陶瓷材料組成，該等實驗例與比較例的組成分別表列於下表，其中，實驗例是經過本發明得到副成分均勻披覆於主成分顆粒粉末的陶瓷材料組成，比較例則是如圖2所示由一般球磨或固態反應生成各組成化合物分別成大小不一的顆粒粉末形式的陶瓷材料組成。
上述五實驗例與五比較例製作得到的積層陶瓷元件(層體厚度為5μm)的物理特性表現表列如下。
由實驗結果可知，就可靠度(IR life time)而言，實驗例的壽命均較比較例來的長，特別是實驗例1是較推薦的組成，可靠度(IR life time)高達124小時；此外，本發明令含副成份的元素的硝酸鹽類，及/或氫氧化物溶液與主成分混合後，調整酸鹼值以及乾燥後煆燒而均勻披覆於該等顆粒粉末所成的陶瓷材料組成確實有效提高元件可靠度(IR life time)，且即使製作的積層陶瓷元件的層體厚度為5μm時，仍符合X8R的規範，並同時具有高元件可靠度。
綜上所述，本發明主要是提出包含鈦酸鋇主成分，及至少包括0.2~2mole%的氧化鎂、0.2~5mole%的氧化矽、和0.5~3mole%的氧化鐿的副成分的陶瓷材料組成，且其中主成分是多數顆粒粉末，而副成分是選用含有鎂、矽、鐿等元素的硝酸鹽類溶液或是氫氧化物溶液與主成分混合後，調整酸鹼值及乾燥後煆燒而均勻披覆於顆粒粉末上，由本發明的陶瓷材料組成再經過粉碎、過篩與濕式混合後製作出的被動元件，特別是積層陶瓷電容，不但符合X8R規範的溫度電容特性，而可以改善現有被動元件的可靠度問題，同時即使層體薄化至5μm仍能保證符合X8R規範的溫度電容特性；此外，本發明的陶瓷材料組成因為組成成分不含鉛、鉍、鋅等元素，所以可以應用鎳的內電極於還原氣氛下燒結製作，而可以降低製程成本，確實達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1．．．陶瓷材料組成
11．．．主成分顆粒粉末
12．．．副成分
2．．．組成化合物的顆粒粉末
圖1是一示意圖，說明本發明用於製作被動元件的陶瓷材料組成的一較佳實施例的結構；及
圖2是一示意圖，說明一般陶瓷材料的結構。
1．．．陶瓷材料組成
11．．．主成分顆粒粉末
12．．．副成分

Claims (9)

  1. 一種用於製作被動元件的陶瓷材料組成，包含：一為鈦酸鋇的主成分；及一副成分，以該主成分為100mole%計，該副成分包括0.2~2mole%的氧化鎂、0.2~5mole%的氧化矽、和0.5~3mole%的氧化鐿。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之用於製作被動元件的陶瓷材料組成，其中，該主成分是多數顆粒粉末，該副成分均勻披覆該些顆粒粉末。
  3. 依據申請專利範圍第2項所述之用於製作被動元件的陶瓷材料組成，其中，該主成分的化學式是BamTiO2+m，0.993≦m≦1.006。
  4. 依據申請專利範圍第3項所述之用於製作被動元件的陶瓷材料組成，其中，以該主成分為100mole%計，該副成分還包括0.1~1mole%的氧化釔。
  5. 依據申請專利範圍第4項所述之用於製作被動元件的陶瓷材料組成，其中，以該主成分為100mole%計，該副成分還包括0.1~1mole%的氧化錳。
  6. 依據申請專利範圍第5項所述之用於製作被動元件的陶瓷材料組成，其中，以該主成分為100mole%計，該副成分還包括不大於0.5mole%的氧化釩。
  7. 依據申請專利範圍第6項所述之用於製作被動元件的陶瓷材料組成，其中，以該主成分為100mole%計，該副成分還包括0.1~2mole%的鋯酸鈣。
  8. 依據申請專利範圍第7項所述之用於製作被動元件的陶瓷材料組成，其中，以該主成分為100mole%計，該副成分還包括1~4mole%的碳酸鋇。
  9. 依據申請專利範圍第8項所述之用於製作被動元件的陶瓷材料組成，其中，是選擇分別含有鎂、矽、鐿、釔、錳、釩、鋯、鈣，及鋇的硝酸鹽類，及/或氫氧化物溶液的其中至少一與主成分混合後，調整酸鹼值以及乾燥後煆燒而成披覆於該主成分的副成分。
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