Высокочастотный керамический материал (варианты)

 

Изобретение относится к керамическим материалам на основе окислов титана и может быть использовано в производстве многослойных высокочастотных термостабильных керамических конденсаторов с электродами на основе сплава, содержащего Ag и Pd, а также в производстве микроволновых фильтров. В основу настоящего изобретения положено решение задачи создания материала с низкой температурой спекания Т_сп=1080-1120^oС, достаточной для использования серебро-палладиевых электродов с содержанием серебра не менее 70%, имеющего диэлектрическую проницаемость е от 22 до 60, при обеспечении широкого диапазона возможных групп температурного коэффициента ТКЕ. Согласно первому объекту изобретения, высокочастотный керамический материал содержит оксиды при следующем соотношении компонентов, вес.%: оксид цинка 16,0-23,9, оксид ниобия 47,4-75,9, оксид титана (со структурой рутила) 0,9-35,9. Согласно второму объекту изобретения, высокочастотный керамический материал содержит оксид состава (Zn_x Nb_y Ti_z) O₂ в количестве 2-80 вес.%, где x равен 0,17, y равен 0,332, z равен 0,5, при этом в него дополнительно введен ниобат цинка ZnNb₂O₆ в количестве 20-98 вес.%. Низкая температура спекания Т_сп=1080-1120°С полученных материалов позволяет применять электроды с содержанием Pd 30% и менее, что приводит к существенному снижению себестоимости, а также обеспечивает изготовление термостабильных керамических конденсаторов сравнительно малой емкости и термостабильных микроволновых фильтров. Низкие диэлектрические потери tgδ= (0,3-2,5)xl0^-4, в том числе на 10 ГГц не более 2,0х10^-4 для группы МПО, обеспечивают высокую добротность керамических конденсаторов и микроволновых фильтров, в т.ч. многослойных. 2 с.п. ф-лы, 4 табл.

Изобретение относится к керамическим материалам на основе оксидов титана и может быть использовано в производстве многослойных высокочастотных термостабильных керамических конденсаторов с электродами на основе сплава, содержащего Ag и Pd, а также в производстве микроволновых фильтров.

Для оценки новизны и изобретательского уровня заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения.

В конденсаторостроении широко применяются высокочастотные керамические материалы с температурой спекания не выше 1120^oC, что позволяет в качестве внутренних электродов монолитных конденсаторов использовать сплав Ag-Pd с содержанием Pd не более 30%. Комплекс современных требований к радиоэлектронной аппаратуре предъявляет высокие требования к таким характеристикам керамических материалов, как диэлектрическая проницаемость, которая должна обеспечивать выпуск всей гаммы номиналов керамических конденсаторов, в том числе шкалу средних и малых емкостей, что возможно при соответствующем уровне диэлектрической проницаемости, температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, а также тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ) или добротность (Q ~ 1/tg δ). Последний параметр особенно существенен для микроволновых фильтров.

Известен диэлектрический керамический материал, применяемый в производстве фильтров объемных конструкций с высокой температурой спекания (1350-1450^oC), см. патент USA N 5985781, C 04 B 35/495.

Недостатками данного материала является высокая температура спекания, не позволяющая применять его в качестве диэлектрика в производстве многослойных керамических конденсаторов и фильтров с электродами из сплава 70% Ag - 30% Pd.

Известен низкотемпературный высокочастотный материал для производства термокомпенсирующих конденсаторов с низкой температурой спекания, который содержит 91-93% основной композиции и 7-9% фриты, при этом основную композицию составляют 28-36% оксида магния MgO, 31-39% оксида титана TiO₂, 1-4% оксида кальция CaO, 3-5% оксида алюминия Al₂O₃, 12-16% оксида кремния SiO₂, 1-3% оксида одного из редкоземельных металлов из группы Nb, Ta, La, Nd, Y, Pr, см. патент USA N 4506026, C 04 B 35/46, H 01 B 3/12.

По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату данное техническое решение выбрано за прототип настоящего изобретения.

Недостатками прототипа, не позволяющими достичь поставленной нами цели, является сравнительно низкая диэлектрическая проницаемость ε = 16, не позволяющая получить на основе этого материала широкой шкалы термостабильных керамических конденсаторов. Материал имеет также относительно высокий показатель диэлектрических потерь tg δ = (2-4) • 10^-4 на частоте 1 МГц. Кроме того, большое количество входящего в состав материала стекла не позволяет достичь высоких значений добротности на сверхвысоких частотах.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи создания материала с низкой температурой спекания T_сп = 1080-1120^oC, достаточной для использования серебро-палладиевых электродов с содержанием серебра не менее 70%, имеющего оптимальную для создания широкой гаммы получаемых на основе этого материала изделий диэлектрическую проницаемость ε от 22 до 60, при обеспечении широкого диапазона возможных групп температурного коэффициента ТКЕ (П100, П33, МПО, М47, М75, М150, М220, М330) и малых диэлектрических потерь в широком диапазоне частот, вплоть до СВЧ.

Сущность заявляемого изобретения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше технического результата.

Согласно первому самостоятельному объекту изобретения высокочастотный керамический материал, включающий оксид титана TiO₂ со структурой рутила, оксид ниобия Nb₂O₅ и оксид цинка ZnO, характеризуется тем, что он содержит указанные оксиды при следующем соотношении компонентов, вес.%: Оксид цинка - 16,0-23,9 Оксид ниобия - 47,4-75,9 Оксид титана - 0,9-35,9 Согласно второму самостоятельному объекту изобретения высокочастотный керамический материал, включающий оксид титана со структурой рутила, характеризуется тем, что в качестве оксида титана использован оксид состава (Zn_xNb_yTi_z)O₂, где X преимущественно равен 0,17, Y преимущественно равен 0,332, Z преимущественно равен 0,5, при этом в него дополнительно введен ниобат цинка ZnNb₂O₆, при следующем соотношении компонентов, вес.%: Оксид состава (Zn_xNb_yTi_z)O₂ - 2-80 Ниобат цинка ZnNb₂O₆ - 20-98 В этом заключаются совокупности существенных признаков двух независимых вариантов изобретения, объединенных единым изобретательским замыслом, обеспечивающие получение желаемого технического результата в обоих случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны. Единство изобретательского замысла данного изобретения подтверждается тем, что химический состав материала, получаемого разными компонентными вариантами, оказывается сходным. Например, материал, полученный из 40% оксида состава (Zn_xNb_yTi_z)O₂ и 60% ниобата цинка ZnNb₂O₆, имеет следующий химический состав оксидов: ZnO - 19,7, Nb₂O₅ - 62,3, TiO₂ - 18,0, что укладывается в заявленные пределы компонентов материала по первому самостоятельному варианту.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных вариантам настоящего изобретения, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".

За счет реализации отличительных признаков обоих вариантов изобретения (в совокупности с признаками, указанными в ограничительной части формулы) достигаются важные новые свойства объекта изобретения в целом. В предложенном техническом решении достигаются высокие значения всех основных технических характеристик, определяющих пригодность материала для использования в производстве многослойных высокочастотных конденсаторов, а также в производстве многослойных и объемных фильтров - низкая температура спекания, оптимальная диэлектрическая проницаемость и высокая термостабильность и добротность на высоких и сверхвысоких частотах.

Заявителю не известны какие-либо публикации, которые содержали бы сведения о влиянии отличительных признаков каждого из вариантов изобретения на достигаемый технический результат. В связи с этим, по мнению заявителя, можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

Технология получения предложенного соединения по первому варианту заключается в следующем. Исходные компоненты смешивают вибропомолом. Полученную смесь синтезируют при температуре 850-950^oC, после чего измельчают мокрым помолом до необходимой удельной поверхности S_уд = 2 м²/г. Затем приготавливают дисковые образцы, которые спекают в интервале 1080-1120^oC, и измеряют их электрические характеристики.

Технология получения предложенного соединения по второму варианту заключается в следующем. Синтезируют оксид состава (Zn_xNb_yTi_z)O₂, который смешивают с ниобатом цинка в заявленных соотношениях. Полученную смесь измельчают до необходимой удельной поверхности, затем приготавливают дисковые образцы, которые спекают в интервале 1080-1100^oC, и измеряют их электрические характеристики.

Примеры составов заявленного керамического материала по первому независимому варианту приведены в таблице 1.

Примеры составов заявленного керамического материала по второму независимому варианту приведены в таблице 2.

Основные технические характеристики полученных образцов материалов по первому варианту приведены в таблице 3.

Основные технические характеристики полученных образцов материалов по второму варианту приведены в таблице 4.

Из таблицы видно, что заявленный состав керамического материала в обоих независимых вариантах имеет диэлектрическую проницаемость ε = 22,5-60,1, что позволяет получать конденсаторы с широкой шкалой емкостей, позволяет получить широкий диапазон ТКЕ (термостабильных и термокомпенсирующих групп), что обеспечивает возможность производства широкой гаммы керамических конденсаторов, в том числе конденсаторов наиболее перспективной термостабильной группы МПО. Низкая температура спекания T_сп = 1080-1120^oC позволяет применять электроды с содержанием Pd 30% и менее, что приводит к существенному снижению себестоимости, а также обеспечивает изготовление термостабильных керамических конденсаторов сравнительно малой емкости и термостабильных микроволновых фильтров. Низкие (диэлектрические потери tg δ = (0,3 - 2,5)•10^-4, в том числе, на 10 ГГц не более 2,5•10^-4 для группы МПО, обеспечивают высокую добротность керамических конденсаторов и микроволновых фильтров, в т.ч. многослойных.

Предложенный материал может быть получен промышленным способом из известных материалов с использованием известных технологий и технических средств, что обусловливает, по мнению заявителя, его соответствие критерию "промышленная применимость".

Формула изобретения

1. Высокочастотный керамический материал, включающий оксид титана TiO₂ со структурой рутила, оксид ниобия Nb₂O₅ и оксид цинка ZnO, отличающийся тем, что он содержит указанные оксиды при следующем соотношении компонентов, вес.%: Оксид цинка - 16,0 - 23,9
Оксид ниобия - 47,4 - 75,9
Оксид титана - 0,9 - 35,9
2. Высокочастотный керамический материал, включающий оксид титана со структурой рутила, отличающийся тем, что в качестве оксида титана использован оксид состава (Zn_xNb_yTi_z)O₂, где x преимущественно равен 0,17, y преимущественно равен 0,332, z преимущественно равен 0,5, при этом в него дополнительно введен ниобат цинка ZnNb₂O₆ при следующем соотношении компонентов, вес.%:
Оксид состава (Zn_xNb_yTi_z)O₂ - 2 - 80
Ниобат цинка ZnNb₂O₆ - 20 - 98

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2