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CN1100331C - 电介质陶瓷 - Google Patents

作者:亚洲城登录    更新时间:2020-05-27 19:18

  在叠层电容器等所使用的以BaTiO3作为主成分的电介质陶瓷中,为确保高的介电常数和良好的温度特性,据认为,将晶粒作成构成核的铁电材料部分和构成包围核的壳的顺电材料部分共存的核·壳结构是有效的。为形成这种核壳结构的顺电材料部分,添加Mg。

  可是,在历来的添加Mg的核壳结构中,由于对Mg的分布不进行特别的控制,使Mg比较深地扩散。因此,不能得到介电常数充分高、且具有良好温度特性的电介质陶瓷。也就是说,伴随叠层电容器的大容量化,电介质层向薄层化进展,所要求的质量水平极高,但由于过去的电介质陶瓷,不能使叠层电容器的质量得到充分的提高。

  本发明的目的在于,提供一种介电常数充分高、并具有良好温度特性的电介质陶瓷。

  为解决上述课题,达到上述目的,本发明涉及的是一种电介质陶瓷,它是含有由ABO3构成的主成分[其中A表示由Ba(钡)、Ba(钡)+Ca(钙)、Ba(钡)+Ca(钙)+Sr(锶)选择的1种,B表示由Ti(钛)、Ti(钛)+Zr(锆)、Ti(钛)+R(稀土类元素)、Ti(钛)+Zr(锆)+R(稀土类元素)选择的1种{其中R是由Sc(钪)、Y(钇)、Gd(钆)、Dy(镝)、Ho(钬)、Er(铒)、Yb(镱)、Tb(铽)、Tm(铥)、Lu(镥)等选择的1种以上的稀土类元素},O表示氧],和至少含Mg(镁)的添加成分的电介质陶瓷,其特征在于,上述电介质陶瓷的晶粒中的Mg的分布层即Mg的扩散层,在平均粒径的上述晶粒中,由上述晶粒的表面到相对于上述晶粒直径5%~30%的深度的区域形成。

  另外如权利要求2所示出的那样,作为添加成分,除Mg之外,可以添加Li2O(氧化锂)、SiO2(氧化硅)、B2O3(氧化硼)、Cr2O3(氧化铬)、以及Al2O3(氧化铝)之内的至少1种。

  另外,如权利要求3所示出的那样,可将顺电材料部分的深度定为晶粒直径的5%~30%。

  在含Mg的电介质陶瓷中,Mg的分布层即Mg扩散层具有相对于晶粒直径不足5%的深度时,顺电材料部分不能充分形成,使室温介电常数低、并且温度特性差。另一方面,Mg的分布层(Mg扩散层)具有超过30%的深度时,铁电材料部分变得过小,高温下的温度特性变差,另外,因为夹在晶粒和晶粒之间的Mg量少,所以因Mg造成的抑制晶粒成长的效果降低,谋求核壳结构及粒径均一化变得困难。与此相反,按照本发明,Mg的分布层收纳在离晶界的深度为5%~30%的范围时,Mg适量地存在于晶粒和晶粒之间,可得到适当的由Mg抑制晶粒成长的效果,以谋求核壳结构及粒径的均一化。另外,如果Mg的分布层深度按照本发明的规定,则烧结性良好、且介电常数高,并且温度特性良好。因而本发明使特大容量叠层电容器的质量得到了提高。

  实施例为获得叠层电容器的电介质陶瓷,准备含有BaTiO3作为主成分,和MgO、Ho2O3、MnO、SiO2作为添加成分的陶瓷材料。该材料的组成如下。

  BaTiO3(钛酸钡)              100摩尔份额MgO(氧化镁)                 0.6摩尔份额Ho2O3(氧化钬)               0.8摩尔份额MnO(氧化锰)                 0.4摩尔份额SiO2(氧化硅)                1.5摩尔份额接着,将陶瓷材料于纯水中用球磨机混合15小时后干燥,加水和有机粘结剂制成浆体,用逆辊涂布法成型为片状。接着在该片上涂布导电性涂浆并叠层150枚,截断成格子状制作多枚叠层体片。然后将该叠层体片在还原性气氛中于1200℃下烧成3小时,得到试料编号1的叠层电容器。

  用上述方法制作的叠层电容器的电介质陶瓷,其原理如图1所示那样,是由多数的晶粒1的聚集而构成。晶粒1具有由作为顺电材料部分的Mg扩散层(Mg分布层)3包围中心部的铁电材料部分2的核壳结构。而且在烧成的初期Mg处于晶粒的相互之间,随着烧成的进行,Mg的一部分向粒子的内部进行扩散。用分析电子显微镜调查该试料的Mg扩散层3中的Mg的分布,得到图2所示的结果。图2是有关平均粒径D1约400nm(毫微米)的晶粒,Mg扩散层3的深度D2为约70nm。因而,Mg扩散层3的深度D2相对平均粒径D1的比例(D2/D1×100%)为约17.5%,而在平均粒径中D2相对D1的比例为17.5%与全部晶粒的D2/D1×100%之值的平均值实际上具有同样的含义。总之,只要按平均值观察D2/D1×100%的值收纳在5~30%内,就满足了本发明的条件。

  在图2及所述的图3和图4中,横轴表示离晶界(晶粒表面)的距离(nm)和深度相对于粒径(晶粒直径)的比例,纵轴以原子的%表示Mg的浓度。

  另外,测定了静电容量的温度特性ΔC+125及ΔC-55,为-2.1%及-7.1%。其中,静电容量的温度特性ΔC+125及ΔC-55按下式求出。

  而且用同样方法求出了-55℃及+125℃以外温度下静电容量的温度特性,得到图5所示的结果。由图5可知,本发明的电介质陶瓷具有平坦的静电容量温度特性,能够提供高质量的叠层电容器。

  另外,试料编号2、3、4、5的烧成时间为约1小时、约1.5小时、约5小时、约8小时。

  在本发明中,将比介电常数εΥ为2000以上并且静电容量的温度特性ΔC+125及ΔC-55在±10%以下的电介质陶瓷作为合格品。因而,上表试料编号2及5的值处于本发明范围之外,表示为比较例。

  由试料编号1~5及其它试料的结果确认,(D2/D1)×100%的优选范围是5~30%,更佳范围是10~25%,最佳范围是15~20%。

  图3与2同样显示比较例试样编号2的Mg浓度分布。在如试料编号2那样Mg的扩散层3的深度浅时,与晶粒表面的Mg浓度高无关,晶粒内部的Mg浓度低,不能充分获得核壳结构的效果。

  图6与图5同样显示比较例试料编号2的静电容量温度特性。如图6可看出的那样,Mg的扩散层3的深度D2相对平均粒径D1的比例为2.5%时,试料编号2的温度特性极柢,与D2对D1的比例为17.5%的试料编号1的温度特性相比大幅度变差。

  图4与图2同样示出了比较例试料编号5的Mg分布。在如试料编号5那样Mg扩散到深处时,要稳定地获得核壳结构变得困难,而且铁电材料部分过小,高温下的静电容量温度特性差。

  图7与图5同样示出了比较例试料编号5的静电容量温度特性。如同由该图所看出的那样,Mg扩散层3过深时,高温下的温度特性显著恶化。

  上述试料编号1~5的烧成温度定作1200℃,但该烧成温度可由比可烧结温度高且比使扩散过速不能制造核壳结构的温度低的范围内任意选样。在试料编号1的陶瓷材料或以BaTiO3作为主成分的陶瓷材料的场合,1150℃不可能或难以烧成,1400℃下Mg的扩散快不能作成核壳结构。烧成温度1250℃时,若烧成5小时,则得到与试料编号5同样的结果,成为不属于本发明的试料。因而,烧成温度为1250℃时,希望将烧成时间控制在4小时以下。

  (1)Mg扩散层3的深度D2的控制,不限于烧成温度、烧成时间的调整。也可通过调整主成分的Ba、Ti组成比、Mg添加量、其它添加物的添加量、临时烧成条件、烧成气氛(氧分压等)、烧成温度曲线)也可适用于叠层电容器以外的陶瓷电子部件。

  (3)可以按必要在电介质陶瓷材料中添加Mn(锰)、V(钒)、Cr(铬)、Co(钴)、Ni(镍)、Fe(铁)、Nb(铌)、Mo(钼)、Ta(钽)、W(钨)等元素或它们的氧化物或化合物。

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