TW502260B - Semiconducting ceramic material and electronic part employing the same - Google Patents

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Description

502260 A7 B7 五、發明説明(1 ) 發明背景 發明領域’ 本發明涉及半導性陶瓷材料和使用它的電子元件,特別 涉及具有正電阻溫度係數的鈦酸鋇(BaTi03)半導性陶瓷材料 和使用這種陶資材料的例如熱敏電阻的電子元件。 以往,具有正電阻溫度係數(下面簡稱為PTC)的BaTi03半 導性陶瓷材料已經廣泛地應用於PTC熱敏電阻中,例如應用 陰極射線管的消磁或者加熱器中的元件。而且,為了擴大 其使用範圍,強烈要求提高BaTi03半導性陶瓷材料的耐壓, 並建議將例如錳(Μη)和鈣(Ca)等元素添加到陶瓷材料中。 但是,通過以往的組成和製造方法使BaTi03半導性陶瓷 材料充分耐壓是困難的,並且為了獲得高耐壓*必須增加 半導性陶瓷片的厚度。特別當將半導性陶瓷片結合到電子 元件、例如單片PTC熱敏電阻中時,陶瓷片厚度的增加不能 超過一定的厚度。因此強烈地要求提高的每單位厚度的半 導性陶瓷材料耐壓值。 發明概要 因此,本發明人根據耐壓和電阻的溫度特性之間的關 係,對PTC特性的BaTi〇3半導性陶瓷材料(下面,稱為“PTC BaTi03半導性陶瓷材料”)進行了廣泛深入的研究,發現將 在第1溫度範圍和第2溫度範圍之間的邊界上的邊界溫度(下 面稱為“TN溫度”,參照圖1)控制成高於居裏溫度(Curie temperature) 180°C或者更高之溫度,導致即使在室溫下電阻 與存在的類似半導性陶瓷材料相同,但耐壓卻顯著地提 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) -4 - 502260 A7 B7 五、發明説明(2 ) 高。第1溫度範圍高於居裏溫度,並且在這種範圍内陶瓷材 料具有正電阻溫度係數,第2溫度範圍高於第1溫度範圍, 並且在這種範圍内陶瓷材料具有負電阻溫度係數。 以往的製造BaTi03半導性陶瓷材料的方法顯示在TN溫度 與居裏溫度之間的100-150°C的差。本發明表明將液相成分 抑制成最小,並將焙燒溫度控制成陶瓷沒有被完全燒結的 溫度,對提高TN溫度並導致高的耐壓是有效的。本發明是 基於這種發現而實現的。所謂“沒有被完全燒結”是指被 燒結的陶瓷粒子具有一定量的粒間空間的狀態。反之,所 謂“被完全燒結”是指被燒結的陶瓷粒子具有高密度,使 得實際上用普通的電子顯微鏡看不見粒間空間的狀態。 本發明的目的在於提供一種能高耐壓的PTC的BaTi〇3半導 性陶瓷材料,本發明的另一個目的在於提供一種半導性陶 瓷材料的製造方法。本發明的另外一個目的在於提供一種 使用這種半導性陶瓷材料的電子元件。 本發明第1發明的半導性陶瓷材料,包含鈦酸鋇(BaTi03) 並具有正電阻溫度係數(PTC)特性, 在第1溫度範圍和第2溫度範圍之間的邊界上的邊界溫度. 是高於居裏溫度180°C或者更高之溫度,其中 第1溫度範圍高於居裏溫度,並且在這種範圍内陶瓷材料 具有正電阻溫度係數, 第2溫度範圍高於.第1溫度範圍,並且在這種範圍内陶瓷 材料具有負電阻溫度係數。 較好的是,用彭(Sm)原子代替一部分的鋇(Ba)原子,或 _;_ζ5^_ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐) 502260 A7 B7 五、發明説明(3 ) 者包含用η表示的大約0.0005莫耳(mol)比的二氧化矽 (Si02),和可選擇地包含用r2表示的大約0到0.0001莫耳(mol) 比的錳(Μη),以及基於作為主要成分的BaTi03的莫耳(mol) 比0 在本發明中,居裏溫度是指從正方晶到立方晶或者從立 方晶到正方晶的晶相轉移溫度。 本發明另一個發明的電子元件, 包括内部電極和前述的半_性陶資材料, 所述内部電極和所述半導性陶瓷材料相互重疊。 本發明另一個發明的半導性陶瓷材料的製造方法,包括 對被賦予半導性性能的鈦酸鋇(BaTi03)源材料與二氧化矽 (Si02)和可選擇的鏟(Μη)進行混合而形成的混合物, 對產生的混合物進行娘燒, 對煅燒後得到的混合物與有機粘合劑進行混合, 對產生的混合物進行壓坯而形成坯塊, 在私/沁氣氛中並在低於混合物被完全燒結的溫度下,對 坯塊進行焙燒, 在空氣中對焙燒後的坯塊再次進行氧化。 較好的是,在大約1000°C溫度下再次進行氧化, 較好的是,焙燒溫度大約是1225-1275°C。 雖然陶瓷材料被完全燒結的溫度依賴于它的化學成分, 但本發明的半導性陶瓷材料在1350°C被完全燒結。 如以往那樣,當TN溫度與居裏溫度之間的差小於等於180 °C時,不能得到充分的耐壓。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) -6 - 502260 A7 B7 五、發明説明(4 ) 圖示簡單說明 參照附圖以及後述的實施例的詳細描述,能進一步理解 本發明的目的、特徵和優點。 圖1表示正電阻溫度係數(PTC)的BaTi〇3半導性陶瓷材料 的電阻-溫度特性圖。 圖2表示實施例1 - 3和比較例1的陶瓷材料的電阻-溫度特 性圖。 圖3表示單片PTC熱敏電阻的圖解圖。 發明之實施形態 下面,參照附圖對實施本發明的最佳實施形態進行說 明。 實施例 以BaC〇3、Ti〇2、Sm2〇3、MnC〇3和Si〇2為原材料混合成混 合物,例如混合成 (Ba〇.998Sm〇.〇〇2)i.〇〇2Ti〇3+X* Mn +Y· Si〇2 將這種粉狀混合物調在水中用氧化錘球磨細5小時,接著 在1100°C下煅燒2小時。對煅燒後得到的混合物與有機粘合 劑進行混合,對產生的混合物在乾燥條件下進行壓链,在 h2/n2氣氛中並在預先決定的溫度下對形成的坯塊進行焙 燒,在空氣中並在1000°C溫度下對焙燒後的坯塊再次進行 氧化,製造陶瓷試料。板據準備的試料,對焙燒溫度進行 修正。獲得4類試料。通過根據Μη的添加量X和Si02的添加 量Y來控制PTC特性的以往方法,獲得比較例1的試料.本發 明通過將Μη和Si02的量限制成較小並以相對低的溫度進行 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 502260 A7 B7 五、發明説明(5 ) 焙燒,獲得實施例1-實施例3的試料。 表1表示試料對於Μη的添加量(X)、Si02的添加量(Y)、焙 燒溫度、TN溫度、TN溫度與居裏溫度之間的差、室溫電 阻、PTC特性(0°C-400°C溫度的最大電阻(Rmax)對於25°C的 電阻(R25)的比值(ratio)經捨入或最接近的整數,並以整數位 數表示)和耐壓的特性。圖2表示試料的電阻-溫度特性。 表1 Μη 的添加量 X Si02 的添加量 Y 烚燒 溫度 (°C) TN 溫度 ΓΟ TN溫度與 居裏溫度 的差(°C) 室溫 電阻 (Ω) PTC特性 Rmax/R25 (位) 耐壓 (V/mm) 實施例1 0 0 · 0005 1225 370 250 0.1 6 1200 實施例2 0 - 00005 0 · 0005 1250 340 220 0.1 6 1100 實施例3 0 - 0001 0-0005 1275 300 180 0.1 6 900 比較例1 0 - 0005 0-01 1350 260 140 0.1 6 350 裝 訂
由表1和圖2可見,儘管試料具有與比較例相同的室溫電 阻和PTC特性,但通過將Μη和Si02的量限制成最小程度並以 相對低的溫度進行焙燒,使實施例1-實施例3的耐壓顯著地 提高。 比較例 以BaCo3、Ti02、Sm203、MnC03和Si02為原材料混合成混 合物,例如混合成 (Ba〇.998Sm〇.〇〇2)i.o〇2Ti〇3+X· Mn + Y· Si〇2 將這種粉狀混合物調在水中用氧化锆球磨細5小時,接著 在1100°C下烺燒2小時。對烺燒後得到的混合物與有機粘合 劑進行混合,並形成片。以Ni為内部電極,並印刷在各個 片上。然後,對多個塗Ni的片進行疊層,並在H2/N2的還原 氣氛中對產生的疊層進行焙燒,然後在大氣中用800°C對這 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) -8 - 502260 A7 B7 五、發明説明(6 ) 些焙燒後的疊層進行加熱,並通過焙燒形成Ni外部電極和 同時對半導性陶瓷材料進行再氧化作用,產生圖3所示的單 片PTC熱敏電阻10(試料)。產生4種試料。通過根據Μη的添 加量X和Si02的添加量Υ來控制PTC特性的以往方法,獲得 比較例2的試料.本發明通過將Μη和Si02的量限制成最小並 以相對低的溫度進行焙燒,獲得實施例4-實施例6的試料。 圖3所示的單片PTC熱敏電阻10(試料)包括疊層體12。在疊 層體12中,對由前述半導性材料組成的半導性材料層14和 由Ni組成的内部電極16進行交互疊層。配置疊加在交替層 上的電極16,使其伸出疊層體12的第1側面,並配置電極16 的剩下的部分,使其伸出疊層體12的第2侧面。將外部電極 18a配置在疊層體12的第1側面上,並將外部電極18b配置在 疊層體12的第2側面上。因此,將外部電極18a連接到疊加 在交替層上的電極16上,將外部電極18b連接到叠加在電極 16的剩下的部分上。 表2表示試料對於Μη的添加量(X)、Si02的添加量(Y)、焙 燒溫度、TN溫度、TN溫度與居裏溫度之間的差、室溫電 阻、PTC特性(Rmax/R25)和耐壓的特性。 表2 Μη的添 加量X SiOA 添加量 Y 焙燒 溫度 (°C) TN 溫度 ΓΟ TN溫度與 居裏溫度 的差(°C) 室溫 電阻 (Ω) PTC特性 Rmax/R25 (位) 耐壓 (V/mm) 實施例4 0 0 · 0003 1200 370 250 0.1 3.2 450 實施例5 0 · 00004 0 · 0003 1225 340 220 0.1 3.1 420 實施例6 0 · 00007 0 · 0003 1250 300 180 0.1 3.0 350 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4规格(210 X 297公釐) -9 - 502260 A7 B7 五、發明説明(7 ) 比較例2 0 · 0005 0 · 01 1300 260 140 0.1 1.5 53 由表2可見,儘管試料具有與比較例2相同的室溫電阻和 PTC特性,但通過將Μη和Si02的量限制成最小程度並以相 對低的溫度進行焙燒,使實施例4-實施例6的耐壓顯著地提 高。 如前所述,本發明能提供耐壓高的具有正電阻溫度係數 (下面簡稱為PTC)的BaTi〇3半導性陶瓷材料和使用它的電子 元件,例如使用這種陶瓷材料的PTC熱敏電阻。 元件符號說明 12 疊層體 14 半導性材料層 16 内部電極 18a 外部電極 18b 外部電極 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) -10-

Claims (1)

  1. 502260 A8 . B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1. 一種半導性陶瓷材料,包含鈦酸鋇(8&1:丨03)並具有正電 阻溫度係數特性,其中, 在第1溫度範圍和第2溫度範圍之間的邊界上定義的邊 界溫度是高於居裏溫度180°C或者更高之溫度,其中 第1溫度範圍高於居裏溫度,並且在這種範圍内陶瓷材 料具有正電阻溫度係數, 第2溫度範圍高於第1溫度範圍,並且在這種範圍内陶 瓷材料具有負電阻溫度係數。 2 . —種電子元件,.其係包括内部電極和如申請專利範圍1 所述的半導性陶瓷:材料, 所述内部電極和所述半導性陶瓷材料相互重疊。 3 .如申請專利範圍第1項之半導性陶瓷材料,其中,用釤 (Sm)原子代替一部分的鋇(Ba)原子。 4. 如申請專利範圍第1項之半導性陶瓷材料,其中, 包含用q表示的大約0.0005莫耳(mol)比的二氧化矽 (Si02),和可選擇地包含用r2表示的大約0到0.0001莫耳 (mol)比的錳(Mn),以及基於作為主要成分的BaTi03的克 分子(mol)比。 5. —種半導性陶瓷材料的製造方法,包括: 混合鈦酸鋇(BaTi03)源材料、紙予鈦酸鋇(BaTi03)半導 性性能的材料和二氧化矽(Si02)以及可選擇地加入錳(Μχι) 而形成混合物, 對形成的混合物進行煅燒, 將烺燒後得到的混合物與有機粘合劑進行混合, -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 502260 A8 B8 C8 D8 、申請專利範圍 對形成的混合物進行壓坯而形成坯塊, 在H2/N2氣氛中並在低於混合物被完全燒結的溫度下, 對坯塊進行焙燒, 在空氣中對焙燒後的坯塊再次進行氧化。 6·如申請專利範圍第5項之半導性陶瓷材料的製造方法, 其中二氧化矽(Si02)對於鈦酸鋇(BaTi03)的莫耳(mol)比 是 0.0005。 7 .如申請專利範圍第5項之半導性陶瓷材料的製造方法, 其中,鏟(Μη)對於欽酸鋇(BaTi〇3)的莫耳(mol)比是0到 0.0001 ° -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐)
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