專利名稱：溫度穩(wěn)定型高介電常數(shù)陶瓷介質(zhì)材料及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于電子元器件的陶瓷材料及其制造方法，更具體地說，是一種功能陶瓷材料及其制造方法。
背景技術(shù)：
在電子工業(yè)日新月異飛速發(fā)展的今天，電子信息技術(shù)的集成化和微型化發(fā)展趨勢，正推動電子信息產(chǎn)品日益向薄型化、小型化、數(shù)字化、多功能化，以及高可靠和低成本的方向發(fā)展。陶瓷介質(zhì)電容器以其體積小、性能優(yōu)良、價格低廉的特點(diǎn)，在電容器行業(yè)始終占據(jù)主導(dǎo)地位。而多層陶瓷電容器(MLC)更具有體積小、比容大、可靠性高、內(nèi)部電感小、高頻特性好等優(yōu)點(diǎn)。尤其憑借其易于片式化的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，迅速成為片式電容器的主導(dǎo)品種。隨著表面貼裝技術(shù)(SMT)的興起，MLC芯片演變?yōu)槠蕉鄬犹沾呻娙萜?MLCC)而直接貼裝于PCB板，極大地提高了電路和功能組件的高頻特性。片式多層陶瓷電容器所采用的介質(zhì)陶瓷材料對其性能有著至關(guān)重要的決定作用。
另一方面，利用介質(zhì)陶瓷材料的低損耗、高介電常數(shù)、頻率溫度系數(shù)和熱膨脹系數(shù)小、可承受高功率等特點(diǎn)設(shè)計制作EMI介質(zhì)濾波器是介質(zhì)陶瓷材料在電子領(lǐng)域的又一應(yīng)用。人類生活在特定的電磁環(huán)境中，任何地方均存在電磁干擾。對工業(yè)、民用的大部分電力、電子設(shè)備而言，雷電是主要的電磁波干擾源；而人為干擾源就來源于那些平均工作頻率都在10kHz到1GHz之間的微細(xì)半導(dǎo)體元件上，故稱為電流磁場干擾(EMI)。濾波器是抗電磁干擾最有效的辦法之一。利用介質(zhì)陶瓷材料制作的EMI介質(zhì)濾波器，由數(shù)個1/4波長型諧振器縱向多級串聯(lián)或并聯(lián)的梯形線路構(gòu)成。其顯著特點(diǎn)是插入損耗小、耐功率性好、帶寬窄，特別適合便攜電話、汽車電話、無線電臺、無繩電話以及一體化收發(fā)雙工器等的級向耦合濾波。
目前大多數(shù)的片式多層陶瓷電容器和EMI濾波器適用的電容器其電介質(zhì)采用X7R陶瓷配方。但是此種材料容量溫度特性具有一定的局限性，在-55~+125℃溫區(qū)內(nèi)容量變化率小于±15％，超過+125℃則無法提供穩(wěn)定的介電性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種溫度穩(wěn)定型(X8R)高介電常數(shù)的陶瓷介質(zhì)材料及其制備方法。該陶瓷材料介電性能優(yōu)異，在具有高介電常數(shù)、低介電損耗的同時具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性能，制備介質(zhì)陶瓷粉料的原料價格低廉，并且燒結(jié)可以在中溫進(jìn)行，因而制備成本較低。
本發(fā)明溫度穩(wěn)定型高介陶瓷材料成分為鈦酸鋇，添加劑為氧化鈮、氧化鎂及BaCO3和自制玻璃，自制玻璃成分為MnO2、B2O3、Bi2O3、SiO2。所說的各材料的配方為(以摩爾計)[100-(a+b+c+d)]BaTiO3+a Nb2O5+b MgO+c BaCO3+d G其中G代表自制玻璃，且0.1≤a≤3，0.1≤b≤2，1≤c≤1.5，1≤d≤1.5；玻璃G為e MnO2+fB2O3+g Bi2O3+h SiO2其中8≤e≤17，21≤f≤25，11≤g≤18，46≤h≤57。
本發(fā)明配方中主料BaTiO3所占的摩爾數(shù)為94-97％；添加劑的用量占材料摩爾數(shù)總量的3-6％。
本發(fā)明溫度穩(wěn)定型高介陶瓷材料的制造方法以MnO2、B2O3、Bi2O3、SiO2為原料按照上述自制玻璃配方的比例混合，進(jìn)行熔融、淬冷、球磨、烘干、造粒得到自制玻璃，熔融是以5～6℃/分的升溫速率升至750～950℃保溫1～5小時；再以BaTiO3、氧化鈮和氧化鎂及BaCO3和自制玻璃為原料按照上述的溫度穩(wěn)定型高介陶瓷材料配方所述比例混合，進(jìn)行球磨、烘干、造粒、壓制成型、進(jìn)行燒結(jié)得到陶瓷材料，燒結(jié)是以3℃/分的升溫速率升至500～550℃后，再以5～6℃/分的升溫速率升至1150～1250℃保溫1～10小時。
本發(fā)明提供一種溫度穩(wěn)定型(X8R)高介電常數(shù)的陶瓷介質(zhì)材料及其制備方法。該陶瓷介質(zhì)材料的介電常數(shù)1500以上，損耗小(≤0.8％)，突出特點(diǎn)是容量溫度穩(wěn)定性高，符合X8R特性要求。[按照EIA(Electronic Industries Association)標(biāo)準(zhǔn)，X8R的具體含義如下X代表工作溫區(qū)的低溫極限-55℃，8代表工作溫區(qū)的高溫極限+150℃，R代表在工作溫區(qū)內(nèi)所有溫度點(diǎn)(-55℃～+150℃范圍內(nèi))的電容量相對于室溫20℃時的變化率小于或等于±15％。]利用本發(fā)明的配方和工藝可以獲得性能優(yōu)良的X8R型陶瓷材料，具有較低的合成及燒成溫度。材料的室溫介電常數(shù)1500，損耗≤0.8％，容量溫度變化率≤±15％(-55℃～+150℃)，電阻率＞1012Ω·cm，擊穿電壓＞11KV/mm。燒結(jié)溫度≤1250℃。
在我國，介質(zhì)陶瓷正在不斷的發(fā)展之中。本發(fā)明所提供的陶瓷材料及制造方法是一種新型的陶瓷材料系統(tǒng)，在具有高介電常數(shù)、低介電損耗的同時，具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性能，同時原料價格低廉，并且燒結(jié)可以在中溫進(jìn)行，有良好的市場前景，可以作為同類材料的換代產(chǎn)品。


圖1為實(shí)施例1在1230℃燒結(jié)的樣品的介電常數(shù)隨環(huán)境溫度變化的規(guī)律，圖2為實(shí)施例2在1230℃燒結(jié)的樣品的介電常數(shù)隨環(huán)境溫度變化的規(guī)律，圖3為球磨10小時的樣品的介電常數(shù)隨環(huán)境溫度變化的曲線。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
實(shí)施例1以分析純MnO2、B2O3、Bi2O3、SiO2為原料按照MnO29g、B2O322g、Bi2O313g、SiO256g的比例混合，進(jìn)行熔融，即以6℃/分的升溫速率升至860℃保溫3小時，然后淬冷，用ZrO2球加去離子水球磨15小時，用電熱干燥箱在120℃烘干后過40目篩，得到自制玻璃；再以BaTiO3、氧化鈮和氧化鎂及BaCO3和自制玻璃為原料按照BaTiO396g、Nb2O51.7g、MgO0.6g、BaCO31.1g、玻璃0.6g的比例混合，用ZrO2球加去離子水球磨10小時，用電熱干燥箱在120℃烘干后加石蠟過80目篩，在80MPa壓強(qiáng)下壓制成直徑約20mm，厚度約1mm的圓片狀生坯，再進(jìn)行燒結(jié)，即以3℃/分的升溫速率升至500℃后，再以6℃/分的升溫速率升至1150～1250℃保溫6小時。燒結(jié)后的樣品燒滲銀電極，焊接引線，制成圓片電容器。然后測試并計算介質(zhì)的相對介電常數(shù)ε、損耗角正切tanδ、介電常數(shù)溫度系數(shù)αε、電阻率ρv，擊穿電壓Ub。表1給出了在不同燒結(jié)溫度下制備樣品的主要性能參數(shù)的測量結(jié)果。圖1為1230℃燒結(jié)的樣品的介電常數(shù)隨環(huán)境溫度變化的規(guī)律。
表1樣品的介電性能與燒結(jié)溫度的關(guān)系


實(shí)施例2以分析純MnO2、B2O3、Bi2O3、SiO2為原料按照MnO29g、B2O323g、Bi2O310g、SiO258g的比例混合，進(jìn)行熔融，即以6℃/分的升溫速率升至860℃保溫3小時，然后淬冷，用ZrO2球加去離子水球磨15小時，用電熱干燥箱在120℃烘干后過40目篩，得到自制玻璃；再以BaTiO3、氧化鈮和氧化鎂及BaCO3和自制玻璃為原料按照BaTiO396g、Nb2O51.7g、MgO0.6g、BaCO31.5g、玻璃0.2g的比例混合，用ZrO2球加去離子水球磨10小時，用電熱干燥箱在120℃烘干后加石蠟過80目篩，在80MPa壓強(qiáng)下壓制成直徑約20mm，厚度約1mm的圓片狀生坯，再進(jìn)行燒結(jié)，即以3℃/分的升溫速率升至500℃后，再以6℃/分的升溫速率升至1150～1250℃保溫6小時。燒結(jié)后的樣品燒滲銀電極，焊接引線，制成圓片電容器。然后測試并計算介質(zhì)的相對介電常數(shù)ε、損耗角正切tanδ、介電常數(shù)溫度系數(shù)αε、電阻率ρv，擊穿電壓Ub。表2給出了在不同燒結(jié)溫度下制備樣品的主要性能參數(shù)的測量結(jié)果。圖2給出了樣品的介電常數(shù)隨環(huán)境溫度變化的規(guī)律。
表2樣品的介電性能與燒結(jié)溫度的關(guān)系

實(shí)施例3以分析純MnO2、B2O3、Bi2O3、SiO2為原料按照MnO29g、B2O322g、Bi2O313g、SiO256g的比例混合，進(jìn)行熔融，即以6℃/分的升溫速率升至860℃保溫3小時，然后淬冷，用ZrO2球加去離子水球磨15小時，用電熱干燥箱在120℃烘干后過40目篩，得到自制玻璃；再以BaTiO3、氧化鈮和氧化鎂及BaCO3和自制玻璃為原料按照BaTiO395g、Nb2O52g、MgO0.6g、BaCO31.1g、玻璃1.3g的比例混合，用ZrO2球加去離子水球磨5～15小時，用電熱干燥箱在120℃烘干后加石蠟過80目篩，在80MPa壓強(qiáng)下壓制成直徑約20mm，厚度約1mm的圓片狀生坯，再進(jìn)行燒結(jié)，即以3℃/分的升溫速率升至500℃后，再以6℃/分的升溫速率升至1220℃保溫6小時。燒結(jié)后的樣品燒滲銀電極，焊接引線，制成圓片電容器。然后測試并計算介質(zhì)的相對介電常數(shù)ε、損耗角正切tanδ、介電常數(shù)溫度系數(shù)αε、電阻率ρv，擊穿電壓Uh。表3為樣品介電性能與球磨時間的關(guān)系。圖3為球磨10小時的樣品的介電常數(shù)隨環(huán)境溫度變化的曲線。
表3樣品介電性能與球磨時間的關(guān)系

由圖表可以看出，本發(fā)明所涉及的介質(zhì)陶瓷，介電常數(shù)ε在1400～1650之間，并且可以通過改變燒結(jié)溫度對ε進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般燒結(jié)溫度越高，ε越大。tanδ最大不超過0.011×10-4；tanδ與燒結(jié)溫度相關(guān)，在上述預(yù)燒溫度和燒結(jié)溫度變化范圍內(nèi)，tanδ的最小值為0.006。該陶瓷的介電常數(shù)溫度系數(shù)在-15～+15ppm/℃之間。另外測試還表明體電阻率均大于1012Ω·cm，擊穿電壓均大于11KV/mm。
權(quán)利要求
1.一種溫度穩(wěn)定型高介電常數(shù)陶瓷介質(zhì)材料，其特征在于，所述材料成分為鈦酸鋇，添加劑為氧化鈮、氧化鎂及BaCO3和自制玻璃，所述自制玻璃成分為MnO2、B2O3、Bi2O3、SiO2，所述介質(zhì)材料的配方為(以摩爾計)[100-(a+b+c+d)]BaTiO3+aNb2O5+bMgO+cBaCO3+dG其中G代表自制玻璃，且0.1≤a≤3，0.1≤b≤2，1≤c≤1.5，1≤d≤1.5；自制玻璃G為eMnO2+fB2O3+gBi2O3+hSiO2其中8≤e≤17，21≤f≤25，11≤g≤18，46≤h≤57。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度穩(wěn)定型高介電常數(shù)陶瓷介質(zhì)材料，其特征在于，所述介質(zhì)材料配方中主料BaTiO3所占的摩爾數(shù)為94～97％；添加劑的用量占材料摩爾數(shù)總量的3～6％。
3.一種制備如權(quán)利要求1所述的溫度穩(wěn)定型高介電常數(shù)陶瓷介質(zhì)材料的方法，其特征在于，以MnO2、B2O3、Bi2O3、SiO2為原料按照權(quán)利要求1所述的自制玻璃配方的比例混合，進(jìn)行熔融、淬冷、球磨、烘干、造粒得到自制玻璃，熔融是以5～6℃/分的升溫速率升至750～950℃保溫1～5小時；再以BaTiO3、氧化鈮和氧化鎂及BaCO3和自制玻璃為原料按照權(quán)利要求1所述的介質(zhì)材料配方比例混合，進(jìn)行球磨、烘干、造粒、壓制成型、進(jìn)行燒結(jié)得到陶瓷材料，燒結(jié)是以3℃/分的升溫速率升至500～550℃后，再以5～6℃/分的升溫速率升至1150～1250℃保溫1～10小時。
全文摘要
本發(fā)明溫度穩(wěn)定型高介電常數(shù)陶瓷介質(zhì)材料及其制造方法屬于電子功能材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明材料的主料成分為BaTiO
文檔編號C04B35/622GK1762899SQ20041007237
公開日2006年4月26日 申請日期2004年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月21日
發(fā)明者吳順華, 蘇皓, 王國慶, 李媛, 王爽, 楊浩 申請人:天津大學(xué)