СЕГНЕТОКЕРАМИЧЕСКИЙ КОНДЕНСАТОРНЫЙ ДИЭЛЕКТРИК ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРОВ ТЕМПЕРАТУРНО-СТАБИЛЬНОЙ ГРУППЫ
SEGNETOCERAMIC CAPACITOR DIELECTRIC FOR MANUFACTURING OF CERAMIC CAPACITORS OF TEMPERATURE STABLE GROUP

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 (BaTiO<sub>3</sub>)
- 91,6-95,5
Пентаоксид ниобия (Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>)
- 0,91-1,49
Оксид кобальта (Co<sub>3</sub>O<sub>4</sub>)
- 0,18-0,31
Углекислый марганец (MnCO<sub>3</sub>)
- 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 BaTiO<sub>3</sub>
- 95,18-95,43
Пентаоксид ниобия Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
- 1,03-1,05
Оксид кобальта Co<sub>3</sub>O<sub>4</sub>
- 0,22-0,24
Углекислый марганец MnCO<sub>3</sub>
- 0,04-0,06
Стеклофритта
- 1,97-2,03
Ортосиликат цинка Zn<sub>2</sub>SiO<sub>4</sub>
- 1,25-1,50
При этом состав стеклофритты идентичен составу стеклофритты в материале-прототипе и содержит набор следующих оксидов, мас.%:
Bi<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
17-24
PbO
26-33
TiO<sub>2</sub>
15-21
ZnO
21-28
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
4-10.
2
4
Отличительными от прототипа признаками являются введение в состав материала добавки ортосиликата цинка ZnSiO 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».
уд
2
уд
2
2
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>2 м/г. Также приготавливают добавку ортосиликата цинка посредством смешения порошков SiO 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=3÷4 м/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.
20°C,
В таблице приведены следующие электрические характеристики: диэлектрическая проницаемость, ε; относительное изменение диэлектрической проницаемости в интервале температур -60÷+125°С, Δε/ε %; 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
BaTiO<sub>3</sub>
95,43
95,18
95,67
94,93
Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
1,05
1,03
1,05
1,04
Со<sub>3</sub>О<sub>4</sub>
0,24
0,22
0,23
0,23
MnCO<sub>3</sub>
0,06
0,04
0,05
0,05
Стеклофритта
1,97
2,03
2,00
2,00
Zn<sub>2</sub>SiO<sub>4</sub>
1,25
1,50
1,00
1,75
ε<sub>20°С</sub>
3270-3310
3210-3290
3080-3110
3060-3100
2400
tgδ
0,011
0,012
0,010
0,012
Δε/ε<sub>20°C, </sub>%
±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.