一种陶瓷介电材料、陶瓷电容器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种陶瓷介电材料、陶瓷电容器及其制备方法，属于材料技术领域；本发明专利技术的陶瓷介电材料包括以下摩尔质量百分数的组分：钛酸钡94.0

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷介电材料、陶瓷电容器及其制备方法


[0001]本专利技术属于材料
，尤其涉及一种陶瓷介电材料、陶瓷电容器及其制备方法。

技术介绍

[0002]钛酸钡(BaTiO3)是片式多层陶瓷电容器(MLCC)中Ⅱ类电容器的基体材料，具有较高的介电常数。近年来，移动电子设备的小型化使得MLCC逐渐向小型化、大容量的方向发展。对钛酸钡基陶瓷材料的各种性质提出了更高要求。下列公式为MLCC电容计算方法，其中C为电容，N为介质层数，ε0为真空介电常数，ε
r
为材料介电常数，S为电极面积，d为介质层厚。
[0003][0004]由于特定规格MLCC尺寸固定，一般不通过改变电极面积来增大电容，因而若要得到大容量的钛酸钡基MLCC，一般从以下几个方面来实现：1、增大钛酸钡基陶瓷材料的介电常数，一般通过改变掺杂体系或增大晶粒尺寸来实现；2、增加叠层数量，即介质层数N，即等同于减小介质层厚度d。
[0005]由于特定规格MLCC尺寸的限制，同时，每一介质层至少需要五颗晶粒的厚度来保证基体材料的稳定性，所以在超薄层MLCC器件制作过程中，增大晶粒尺寸和减小介质层厚度相悖。另外，在介质层厚度一定的情况下增大晶粒尺寸会导致晶界数量减少，可能会导致可靠性的降低，但减少晶粒尺寸，又难以形成稳定的芯
‑
壳结构，难以达到X5R的规格。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种具有稳定电容特性和高可靠性且更易叠层的陶瓷介电材料、陶瓷电容器及其制备方法。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种陶瓷介电材料，所述陶瓷介电材料包括以下摩尔质量百分数的组分：钛酸钡94.0
‑
98.0％、玻璃相1.2
‑
2.5％、抗还原剂0.5
‑
1.0％、碱金属化合物0.5
‑
1.5％、稀土元素的氧化物0.5
‑
3.0％；所述稀土元素的氧化物包括Dy2O3、Y2O3和Tm2O3。
[0008]本专利技术提供的陶瓷介电材料选择稀土元素的氧化物做掺杂剂，对钛酸钡进行改性，并添加玻璃相、抗还原剂、碱金属化合物来细化颗粒，从而制备得到具有稳定电容特性和高可靠性且更易叠层的陶瓷介电材料；本专利技术选用Y、Dy、Tm的的氧化物形式作为主体材料钛酸钡的掺杂元素，能够降低居里温度、增加介电常数，并且加入的稀土元素的氧化物会影响钛酸钡晶粒的形成，形成“芯
‑
壳”结构，从而降低居里温度时的峰值，也可以显著降低容温变化率。
[0009]作为本专利技术所述陶瓷介电材料的优选实施方式，以陶瓷介电材料的总摩尔计，所述Dy2O3占0.3
‑
1.2％，所述Y2O3占0.2
‑
1.0％，所述Tm2O3占0.2
‑
0.7％。
[0010]在化学元素周期表中，Dy、Y、Tm元素的离子半径从大到小排列，其中，Dy
3+
离子半径
为0.0908nm，其中Y
3+
的离子半径为0.0893nm，Tm
3+
的离子半径为0.087nm，Ba
2+
和Ti
4+
的离子半径分别为0.0135nm和0.068nm，这些稀土元素在钛酸钡晶体中的取代机制基本相同；其中，取代Ti位后较大的离子半径会使钛酸钡晶格参数增加，从而得到较大的四方性，有助于提高介电常数，但是较大的四方性会增加MLCC在直流偏压下的电容损失率；当Dy
3+
取代Ba位时，Ti
4+
转化为Ti
3+
并形成传导电子，以保持电荷中性，这种额外的电子有助于提高介电常数；Y
3+
和Tm
3+
离子形成的“芯
‑
壳”结构，可以增加壳部的浓度，从而提高了产品在高温下的稳定性；并且，半径更小的Tm
3+
离子可以溶解在Ba和Ti位的两个位点，因此可以控制四方性不会大幅度增加，从而控制直流偏压下的损失率；除此之外，小半径的稀土离子固溶度降低，方便在烧结制度中控制壳层厚度，以获得较大的芯部体积占比，进而抬高在高温段的介温曲线，在压峰后进一步提高介电常数；综合三者稀土元素Dy、Y、Tm的作用机理，将上述三者稀土元素的氧化物选择在上述范围内，从而能够在增加四方性的同时避免四方性过度增加，保证高介电常数、高温度稳定性的陶瓷介电材料的合成。
[0011]作为本专利技术所述陶瓷介电材料的优选实施方式，所述玻璃相包括BaSiO3。
[0012]本专利技术选用BaSiO3作为烧结助剂，补充Ba源的同时，在制备的过程中也产生液相，从而能够均匀的包裹每个颗粒，降低和加宽烧结温度，同时也能够防止颗粒过度长大，并促进BaTiO3的传质过程从而提高产品的致密度；并且，内电极表面的液相可以阻碍金属元素向介质层扩散，增强后续产品的可靠性，增加了本专利技术在MLCC应用领域的优异性。
[0013]作为本专利技术所述陶瓷介电材料的优选实施方式，所述抗还原剂包括V2O5。
[0014]在将陶瓷介电材料用于后续陶瓷电容器制备时，在还原烧结的过程中Ti
4+
离子在还原气氛下烧结时还原成Ti
3+
产生氧空位，从而降低剩余极化强度，V2O5的加入能够让可以发生变价的V取代钛酸钡(BT)中的Ti位，从而抑制氧空位的产生，提高剩余极化强度。
[0015]作为本专利技术所述陶瓷介电材料的优选实施方式，所述碱金属化合物包括MgO。
[0016]MgO的添加能够细化晶粒，防止后续利用陶瓷介电材料制备陶瓷电容器时在烧结过程中的晶粒过分长大。
[0017]作为本专利技术所述陶瓷介电材料的优选实施方式，所述钛酸钡的粒径为180
‑
200nm。
[0018]钛酸钡作为陶瓷介电材料的主体材料，能够降低工艺复杂程度，节约成本，同时为了能够得到超薄层的陶瓷电容器，在原料阶段优选钛酸钡的粒径为180
‑
200nm，以控制得到的陶瓷介电材料的粒径在190
‑
220nm，从而能够保证后续在制备陶瓷电容器中烧结的陶瓷晶粒的粒度为200
‑
250nm，进一步使得制备得到的陶瓷电容器的介电层的厚度在1μm以下。
[0019]作为本专利技术所述陶瓷介电材料的优选实施方式，所述陶瓷介电材料包括以下摩尔质量百分数的组分：钛酸钡94.0
‑
98.0％、玻璃相1.2
‑
2.0％、抗还原剂0.8
‑
1.0％、碱金属化合物0.5
‑
1.0％、Dy2O30.4
‑
0.8％、Y2O30.4
‑
0.8％、Tm2O30.3
‑
0.6％。
[0020]当组分的摩尔百分数含量在上述范围内时，制备得到的陶瓷介电材料是超纯超细且本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷介电材料，其特征在于，所述陶瓷介电材料包括以下摩尔质量百分数的组分：钛酸钡94.0
‑
98.0％、玻璃相1.2
‑
2.5％、抗还原剂0.5
‑
1.0％、碱金属化合物0.5
‑
1.5％、稀土元素的氧化物0.5
‑
3.0％；所述稀土元素的氧化物包括Dy2O3、Y2O3和Tm2O3。2.根据权利要求1所述的陶瓷介电材料，其特征在于，以陶瓷介电材料的总摩尔计，所述Dy2O3占0.3
‑
1.2％，所述Y2O3占0.2
‑
1.0％，所述Tm2O3占0.2
‑
0.7％。3.根据权利要求1所述的陶瓷介电材料，其特征在于，所述玻璃相包括BaSiO3，所述抗还原剂包括V2O5，所述碱金属化合物包括MgO。4.根据权利要求1所述的陶瓷介电材料，其特征在于，所述钛酸钡的粒径为180
‑
200nm。5.根据权利要求1所述的陶瓷介电材料，其特征在于，所述陶瓷介电材料包括以下摩尔质量百分数的组分：钛酸钡94.0
‑
98.0％、玻璃相1.2
‑
2.0％、抗还原剂0.8
‑
1.0％、碱金属化合物0.5
‑
1.0％、Dy2O30.4
‑
0.8％、Y2O30.4
‑
0.8％、Tm2O30.3
‑
0.6％。6.如权利要求1

【专利技术属性】
技术研发人员：付振晓，张蕾，曹秀华，黄雄，王朋飞，于淑会，刘伟峰，孙蓉，
申请(专利权)人：深圳先进电子材料国际创新研究院，
类型：发明
国别省市：