СЕГНЕТОКЕРАМИЧЕСКИЙ КОНДЕНСАТОРНЫЙ ДИЭЛЕКТРИК ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРОВ ТЕМПЕРАТУРНО-СТАБИЛЬНОЙ ГРУППЫ Российский патент 2011 года по МПК H01G4/12 C04B35/46 

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 S_уд>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 S_уд=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/ε_20°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   ε_20°С 3270-3310 3210-3290 3080-3110 3060-3100 2400 tgδ 0,011 0,012 0,010 0,012   Δε/ε_20°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.

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.

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,