Сегнетокерамический конденсаторный диэлектрик для изготовления керамических конденсаторов температурно-стабильной группы
Изобретение относится к технологии изготовления многослойных керамических конденсаторов температурно-стабильной группы H20. Техническим результатом изобретения является разработка диэлектрического материала с высокой диэлектрической проницаемостью и низкой температурой спекания. Согласно изобретению конденсаторный диэлектрик содержит титанат бария 95,18÷95,43%, пентаоксид ниобия 1,03÷1,05%, оксид кобальта 0,24÷0,22%, углекислый марганец 0,04÷0,06%, стеклофритту 1,97÷2,03% и ортосиликат цинка 1,25÷1,50%. 1 табл.
Заявленное изобретение относится непосредственно к электронной технике и может быть реализовано в производстве многослойных керамических конденсаторов, предназначенных для применения в радиоэлектронных приборах различного назначения.
Одной из важнейших проблем в развитии конденсаторостроения является повышение удельных характеристик конденсаторов, а также снижение их стоимости. В случае изготовления многослойных керамических конденсаторов, составляющих примерно 90% от числа выпускаемых керамических конденсаторов, необходимо применять диэлектрики с как можно большей диэлектрической проницаемостью, а в качестве материала электродов конденсаторов использовать сплавы серебро-палладий с содержанием серебра не менее 70% взамен платино-палладиевых сплавов. В конкретном случае для многослойных конденсаторов это означает, что температура спекания керамики не должна превышать 1150°С.
Таким образом, для решения поставленной задачи нужны керамические диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью и низкой температурой спекания.
В настоящее время, для изготовления конденсаторов температурно-стабильной группы Н20, применяются сегнетокерамические материалы Т-1000 и Т-2000 на основе твердых растворов титанатов бария и висмута.
Однако эти материалы имеют недостаточно высокую диэлектрическую проницаемость ε~1500÷2000.
Известен термостабильный сегнетокерамический материал, заявленный в патенте РФ №2035780 (кл. H01G 4/12, С04В 35/46, опубл. 20.05.95). Он имеет низкую температуру спекания ~1150°С, но недостаточно высокую диэлектрическую проницаемость 2200÷2450 при относительном изменении ее в интервале температур (-50÷+125)°С ±15%.
Наиболее близким по составу и технической сущности аналогом заявляемого изобретения, выбранным нами в качестве прототипа, является керамический диэлектрик по патенту США №4540676 (кл. С04В 35/46, опубл. 10.09.85).
Материал-прототип имеет группу температурной стабильности X7R (по российской классификации Н20), диэлектрическую проницаемость 2400 и температуру спекания 1150°С.
В состав материала-прототипа входят нижеследующие компоненты, (мас.%):
| Титанат бария (BaTiO3) | - 91,6-95,5 |
| Пентаоксид ниобия (Nb2O5) | - 0,91-1,49 |
| Оксид кобальта (Co3O4) | - 0,18-0,31 |
| Углекислый марганец (MnCO3) | - 0-0,11 |
| Стеклофритта | - 2,59-7,31 |
Низкая температура спекания материала обеспечивается добавкой стеклофритты, в состав которой входят оксиды свинца, висмута, цинка, титана и бора. Недостатком известного материала является его сравнительно невысокая диэлектрическая проницаемость.
Целью заявляемого изобретения является разработка керамического конденсаторного материала с более высокой диэлектрической проницаемостью при сохранении группы температурной стабильности Н20 и низкой температурой спекания - 1150°С и ниже.
Осуществление изобретения позволит получить конденсаторные сегнетокерамические материалы с низкой температурой спекания, с величиной диэлектрической проницаемости 3200-3300 при относительном изменении диэлектрической проницаемости в интервале температур -60÷+125°С не более ±20% (группа Н20).
Для достижения указанной цели известный керамический материал для температурно-стабильных конденсаторов, содержащий титанат бария, пентаоксид ниобия, оксид кобальта, углекислый марганец и стеклофритту, дополнительно содержит ортосиликат цинка при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Титанат бария BaTiO3 | - 95,18-95,43 |
| Пентаоксид ниобия Nb2O5 | - 1,03-1,05 |
| Оксид кобальта Co3O4 | - 0,22-0,24 |
| Углекислый марганец MnCO3 | - 0,04-0,06 |
| Стеклофритта | - 1,97-2,03 |
| Ортосиликат цинка Zn2SiO4 | - 1,25-1,50 |
При этом состав стеклофритты идентичен составу стеклофритты в материале-прототипе и содержит набор следующих оксидов, мас.%:
| Bi2O3 | 17-24 |
| PbO | 26-33 |
| TiO2 | 15-21 |
| ZnO | 21-28 |
| B2O3 | 4-10. |
Отличительными от прототипа признаками являются введение в состав материала добавки ортосиликата цинка Zn2SiO4 в количестве 1,25-1,50 мас.% и изменение содержания всех ингредиентов, входящих в состав материала.
В настоящее время нам не известно такое же техническое решение, что позволяет считать предлагаемый керамический материал отвечающим критерию «новизна».
Предлагаемая добавка ортосиликата цинка располагается между зернами керамики и частично входит в состав оболочки сложного титано-ниобата бария, покрывающей зерна основного компонента - титаната бария, образуя тем самым зонально-оболочечную структуру керамики. Добавка позволяет уменьшить количество стеклофритты, что приводит к повышению диэлектрической проницаемости материала при сохранении ее температурной стабильности и в то же время обеспечивает низкую температуру спекания керамики.
Таким образом, заявляемый состав сегнетокерамического материала для термостабильных конденсаторов с низкой температурой спекания, как совокупность существенных признаков, составляет неразрывную причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом - повышением диэлектрической проницаемости материала при сохранении группы температурной стабильности и, следовательно, отвечает критерию «изобретательский уровень».
Заявляемый керамический материал приготавливается по следующему технологическому процессу. Сначала приготавливают стеклофритту путем сплавления оксидов, входящих в ее состав, затем - резкого охлаждения расплава и последующего измельчения полученной массы до удельной поверхности Sуд>2 м2/г. Также приготавливают добавку ортосиликата цинка посредством смешения порошков SiO2 и оксида цинка, последующего спекания порошка при температуре 1300°С, дробления и помола полученной массы. Основные компоненты керамики, стеклофритту и добавку ортосиликата цинка в заданном соотношении загружают в шаровую мельницу с полиуретановой или капролоновой футеровкой и производят их смешение и помол в водной среде с применением мелющих тел в виде шаров или цильпебсов из керамики, стойкой к истиранию. Затем массу высушивают. Удельная поверхность массы должна составлять Sуд=3÷4 м2/г.
В полученную массу вводят связку (2%-ный раствор метилцеллюлозы в количестве 11-12%) и методом прессования изготавливают образцы в виде дисков. Образцы обжигают в интервале температур 1100÷1150°С, затем на них наносят электроды методом вжигания серебросодержащей пасты при температуре Т~800°С и измеряют электрические характеристики.
Реальность и обоснованность заявляемого соотношения ингредиентов подтверждается данными таблицы.
В таблице приведены следующие электрические характеристики: диэлектрическая проницаемость, ε; относительное изменение диэлектрической проницаемости в интервале температур -60÷+125°С, Δε/ε20°C, %; тангенс угла диэлектрических потерь, tgδ, а также температура спекания образцов.
| Таблица | |||||
| Состав, мас.% характеристика | Пример 1 (мин) | Пример 2 (макс.) | Пример 3 (запредельные значения) | Пример 4 (запредельные значения) | Материал-прототип |
| BaTiO3 | 95,43 | 95,18 | 95,67 | 94,93 | |
| Nb2O5 | 1,05 | 1,03 | 1,05 | 1,04 | |
| Со3О4 | 0,24 | 0,22 | 0,23 | 0,23 | |
| MnCO3 | 0,06 | 0,04 | 0,05 | 0,05 | |
| Стеклофритта | 1,97 | 2,03 | 2,00 | 2,00 | |
| Zn2SiO4 | 1,25 | 1,50 | 1,00 | 1,75 | |
| ε20°С | 3270-3310 | 3210-3290 | 3080-3110 | 3060-3100 | 2400 |
| tgδ | 0,011 | 0,012 | 0,010 | 0,012 | |
| Δε/ε20°C, % | ±15*) | ||||
| -60°С | -17,2 | -18,1 | -13,0 | -18,6 | |
| +125°С | -4,2 | -6,5 | +3,3 | -9,7 | |
| Температура спекания, °С | 1100-1140 | 1100-1140 | 1100-1140 | 1100-1140 | 1150 |
| *) В интервале температур - 55÷+125°С. |
Из таблицы следует, что материал предлагаемого состава обладает более высокой диэлектрической проницаемостью и при этом обеспечивается ее температурная стабильность на уровне группы Н20, а температура спекания материала не превышает 1150°С.
Таким образом, технический результат достигается при соблюдении заявляемого соотношения между компонентами и не достигается при его нарушении. Так, уменьшение содержания ортосиликата цинка до 1% и увеличение его содержания до 1,75% и более приводит к понижению диэлектрической проницаемости.
Сегнетокерамический конденсаторный диэлектрик для изготовления керамических конденсаторов температурно-стабильной группы, содержащий татанат бария, пентаоксид ниобия, оксид кобальта, углекислый марганец и стеклофритту, отличающийся тем, что материал дополнительно содержит добавку ортосиликата цинка при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Титанат бария | 95,18-95,43 |
| Пентаоксид ниобия | 1,03-1,05 |
| Оксид кобальта | 0,22-0,24 |
| Углекислый марганец | 0,04-0,06 |
| Стеклофритта | 1,97-2,03 |
| Ортосиликат цинка | 1,25-1,50, |
при этом состав стеклофритты идентичен составу стеклофритты в
материале-прототипе и содержит набор следующих оксидов, мас.%:
| Bi2O3 | 17-24 |
| PbO | 26-33 |
| TiO2 | 15-21 |
| ZnO | 21-28 |
| В2О3 | 4-10 |
