介电陶瓷材料组合物及包含所述组合物的积层陶瓷电容器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及介电陶瓷材料组合物及包含所述组合物的积层陶瓷电容器。特别地，本发明涉及一种具有低压电性质的介电陶瓷材料组合物，其包含主体物及添加物，主体物为具有钙钛矿结构的金属复合氧化物的陶瓷粉末(BaCO3、CuO、MgO、CaCO3、TiO2及ZrO2)，添加物包含四种成分元素(R1-4)，使其除了可在还原环境下烧结仍不会转变为半导体特性而可使其所制成的积层陶瓷电容器可应用卑金属作为内电极，以及获得具有高介电常数且晶粒较小且均匀的堆栈体之外，其具有低压电特性而大幅弱化其电致伸缩效应，使其在高电场强度电压下也具有良好的介电特性及温度特性。
【专利说明】介电陶瓷材料组合物及包含所述组合物的积层陶瓷电容器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种具有I丐钛矿结构的金属复合氧化物（Metal Composite Oxide)作 为基本组成的介电陶瓷组合物，特别地指一种在还原气氛环境下烧结，不会造成半导体特 性，且具有低压电特性及优异的温度特性的介电陶瓷组合物。本发明还关于一种积层陶瓷 电容器（Multi Layers Ceramics Capacitor, MLCC)，其包含所述介电陶瓷材料组合物。
【背景技术】
[0002] 如图2所示，现有技术的积层陶瓷电容器包含堆栈体20,该堆栈体20包含数个依 序重迭的介电层21，相邻的两个介电层21之间设有内电极22、23,两个相邻的内电极22、 23分别露出于堆栈体20的两侧端。近年来，为了满足系统端产品在轻薄短小的发展，积层 陶瓷电容器趋向高电容-体积率方向开发。一般而言，最直接的作法是经由减低介电层21 的厚度，即介电层21薄层化来达成。但是，当将介电层21薄层化时，高强度电场会被施加 于介电层21，影响介电层21的温度特性、绝缘性、可靠性及介电常数，电致伸缩效应，进而 产生积层陶瓷电容器的耐压性及耐用性问题。
[0003] 其中，电致伸缩效应指施加于介电层21的两侧端的内电极22、23之间的电场产生 时，其将会导致介电层21的材料结构中的电偶极矩（Dipole moment)产生电致伸缩现象， 亦即，该偶极矩将会产生伸张的动作，致使介电层21堆栈体产生形变；特性上，亦可以利用 压电系数（d 33)来表不。
[0004] 特愿平JP11-170961揭露一种不还原介电陶瓷，其是由主要成分及微量稀土元素 与玻璃组成，其主要成分以式ΑΒ0 3表示，其中A选自Ba、Sr、Ca及Mg中的至少一种，且B选 自Ti、Zr及Hf中的至少一种，其可具有高度绝缘电阻，并且在高温或高湿度下具有较佳负 荷特性，其主要平均粒径大小为0. 4 μ m，并可应用于还原或中性气氛进行烧结。
[0005] 此夕卜，为针对高压直流下或高频/高电压交流电场下的材料耐受性 进行改善，特愿平JP2004-052741提及一种介电陶瓷组合物，其含有组成为 100BaJi0 3+xCu0+aR0n+bMn0+cMg0 (其中 R 表示选自 Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、 Ho、Er、Tm、Yb及Lu中的至少一种稀土元素的氧化物），该专利揭露其主要成分为包含具有 钙钛矿结构的单纯钛酸钡的陶瓷组合物。
[0006] 专利TW-I299727提及，为解决积体陶瓷电容器中介电层21的薄层化至1 μ m程度 时所产生的绝缘性、耐压性、高温负载寿命降低及组件可靠性降低，以及采用缩小陶瓷粒子 的平均粒径所导致的相对介电常数降低等问题，该专利揭露一种以（Ba，Ca)Ti0 3为主体物， 加入Mg、Mn、稀土类氧化物、Si、Cu及V为微量添加成分的陶瓷组合物，用以改善上述问题。
[0007] 然而，上述专利皆未能提供关于施加偏压下，如何控制介电层21的压电特性关系 或其堆栈体电致伸缩效应的技术手段，进而改善现有的积层陶瓷电容器的耐用度及应用性 的问题。
【发明内容】
[0008] 有鉴于现有技术的由大量且密集的介电层堆栈所构成的堆栈体的缺陷，亦即在施 加偏压下因介电层的材料所产生的电致伸缩效应大幅提升，进而影响积层陶瓷电容器的应 用性及耐用度的问题，本发明的目的在于提供一种介电陶瓷材料组合物，其在钙钛矿结构 的金属复合氧化物加入包含四种成分的添加物，其除了可在还原环境下烧结仍不会转变呈 现半导体特性而可使其所制成的积层陶瓷电容器可应用卑金属作为内电极，以及获得具有 高介电常数且晶粒较小且均匀的介电层之外，其具有低压电特性而大幅弱化其电致伸缩效 应，避免其所构成的堆栈体在偏压使用下变形，而提升积层陶瓷电容器的应用性及耐用度。
[0009] 为达成以上的目的，本发明提供了一种介电陶瓷材料组合物，其中包含：
[0010] 主体物，其为具有钙钛矿结构的金属复合氧化物，其包含钡（Ba)及钛（Ti);
[0011] 添加物，其包含第一成分、第二成分、第三成分及第四成分，其中，第一成分选自钥 (Mo)、钥（Mo)的氧化物、铌（Nb)及铌（Nb)的氧化物中的至少一种，第二成分选自锰（Μη)、 锰（Μη)的氧化物、铁（Fe)及铁（Fe)的氧化物中的至少一种，第三成分选自钇（Υ)、钇（Υ) 的氧化物、镱（Yb)及镱（Yb)的氧化物中的至少一种，第四成分选自硅（Si)、硅（Si)的氧化 物、镁（Mg)、镁（Mg)的氧化物、铝（A1)及铝（A1)的氧化物中的至少一种。
[0012] 优选地，该主体物还包含选自于由铜（Cu)、镁（Mg)、钙（Ca)及锆（Zr)所构成的群 组中的至少一种元素；进一步而言，在所述主体物中，以钡（Ba)的摩尔数、铜（Cu)、镁（Mg)、 钙（Ca)、锆（Zr)及钛（Ti)的摩尔数总和为基础，钡（Ba)的摩尔分率介于0. 4650至0. 5100 之间，铜（Cu)的摩尔分率介于0.0000至0.0100之间，镁（Mg)的摩尔分率介于0.0000至 0.0200之间，钙（Ca)的摩尔分率介于0.0000至0.0200之间，锆（Zr)的摩尔分率介于 0. 0000至0. 0200之间，且钛（Ti)的摩尔分率介于0. 4700至0. 4900之间；再进一步而言， 在所述主体物中，以钡（Ba)的摩尔数、铜（Cu)、镁（Mg)、钙（Ca)、锆（Zr)及钛（Ti)的摩尔 数总和为基础，铜（Cu)的摩尔分率介于0.0005至0.0050之间。优选地，本发明的介电陶 瓷材料组合物的特征在于，其介电常数介于1500至4500之间，且其压电常数低于150pC/N。
[0013] 其中，为提高本发明的介电陶瓷材料组合物应用于积体陶瓷电容器时的介电特 性，选择过渡元素中的钥（Mo)或铌（Nb)作为所述添加物的第一成分，同时，以所述主体物 的含量为1摩尔计，所述添加物的第一成分的摩尔百分率为〇. 05至0. 14,其可微量置换入 该主体物的钙钛矿晶体结构中，致使其该结构产生膨胀，晶格结构中的c轴增长，其介电常 数亦相对增加。反之，当其含量过高且高于〇. 14摩尔时，将产生晶格不稳定的状态，使其破 坏原有的极化反应。
[0014] 即，优选地，本发明的特征在于，以所述主体物的含量为1摩尔计，所述添加物的 第一成分的摩尔百分率为〇. 05至0. 14。
[0015] 此外，所述添加物的第二成分选择过渡元素中的锰（Μη)或铁（Fe)，且以所述主体 物的含量为1摩尔计，所述添加物的第二成分的摩尔百分率为〇. 80至1. 46,其可使所述主 体物的晶体的晶格产生扭曲（Crystal distortion)，更进一步解释，使晶体呈现不规则状 态而导致整体晶格常数下降，此效应会促使本发明的介电陶瓷材料组合物的乱度增加，令 其电致伸缩效应减小，并稍微降低其介电常数值。当所述添加物的第二成分的摩尔百分率 大于1. 46时，所述主体物的晶格常数下降至等轴状态，使其结构形成正方晶系而失去介电 自发极化反应（Polarization)，虽可使本发明的介电陶瓷材料组合物具有低压电特性，但 反而使其丧失高介电特性；反之，当所述添加物的第二成分的摩尔百分率小于〇. 80时，其 形成乱度的效益并不明显，无法产生多数电偶极矩的伸张拉力相互抵消，则使本发明的介 电陶瓷材料组合物较难符合介电陶瓷的相关产品规范。
[0016] 即，优选地，本发明的特征在于，以所述主体物的含量为1摩尔计，所述添加物的 第二成分的摩尔百分率为〇. 80至1. 46。
[0017] 此外，所述添加物的第三成分选择过渡元素中的钇（Y)或镱（Yb))，且以所述主体 物的含量为1摩尔计，所述添加物的第三成分的摩尔百分率为0. 36至1. 50,在该主体物与 添加物的烧结过程中，钇或镱可于扩散至晶粒的孔洞位置，用以作为控制晶界成长且强化 晶界强度的条件，进而使本发明的介电陶瓷材料组合物在烧结后具有较小且均匀的晶粒， 进一步观察该现象可发现，平均晶粒粒径的下降且均匀化可提升本发明应用于积体陶瓷电 容器时的温度特性，当其摩尔分率大于1. 50时，发现其扩散程度甚况，致使原本的晶粒无 法在相同的热驱动能下产生相同的烧结致密性，因而必须提高烧结温度也将提高生产成 本。
[0018] 即，优选地，本发明的特征在于，以所述主体物的含量为1摩尔计，该添加物的第 三成分的摩尔百分率为〇. 36至1. 50。
[0019] 此外，所述添加物的第四成分选择熔点较低且非晶质的元素，如硅（Si)、镁（Mg) 或铝（A1)，且以所述主体物的含量为1摩尔计，所述添加物的第四成分的摩尔百分率为 1. 28至3. 50,其作为晶粒烧结反应时所需的媒介，通过该熔点低且非晶质的元素的添加， 可使这些元素在高温烧结时呈现液态形式流动在晶粒与晶粒之间提升热传导效果，降低本 发明的介电陶瓷材料组合物的烧结温度。当所述元素添加摩尔百分率小于1. 28时，其液相 元素量的效用不足以降低烧结温度，反之，当所述元素添加摩尔百分率大于3. 50时，将使 本发明的介电陶瓷材料组合物在烧结制造方法中产生过度烧结现象，进而影响本发明的温 度特性。
[0020] S卩，优选地，本发明的特征在于，以所述主体物的含量为1摩尔计，所述添加物的 第四成分的摩尔百分率为1. 28至3. 50。
[0021] 更优选地，以所述主体物的含量为1摩尔计，所述添加物的第一成分的含量为 0. 13至0. 14摩尔百分率。
[0022] 更优选地，以所述主体物的含量为1摩尔计，所述添加物的第三成分的含量为 0. 68至1. 50摩尔百分率。
[0023] 更优选地，以所述主体物的含量为1摩尔计，所述添加物的第四成分的含量为 2. 26至3. 50摩尔百分率。
[0024] 本发明还关于一种积层陶瓷电容器，其包含堆栈体，所述堆栈体包含数个依序重 迭的介电层，相邻的两个介电层之间设有内电极，两个相邻的内电极分别露出于所述堆栈 体的两侧端；其特征在于：所述介电层是由如前所述的介电陶瓷材料组合物所制成。
[0025] 此外，依据本发明的优选实施例，本发明的特征通式以{[(l-x_y-z-m-n)BaC03 +xCu0+yMg0+zCaC03+mTi02+nZr02] + [aR1+bR2+cR3+dR4]}表不。其中，[(l-x-y-z-m-n)BaC 03+xCu0+yMg0+zCaC03+mTi02+nZr0 2]表不所述主体物，[aRi+bl^+cRs+dRj 表不所述添加 物，札表示所述添加物的第一成分，其选自此03或他205中的至少一种、R 2选自MnO或 FeO中的至少一种、R3选自Y203或Yb20 3中的至少一种，且R4选自Si02或MgO或A120 3中 的至少一种。且该式中各摩尔分率满足：0兰X兰1. 00,0兰y兰2. 00,0兰z兰2. 00， 47. 00兰m兰49. 00,0兰η兰2· 00,且a、b、c、d分别为以所述的主体物为1摩尔计的摩尔 百分率，0· 05 刍 a 刍 0· 14,0· 80 刍 b 刍 1. 46,0· 36 刍 c 刍 1. 50,1. 28 刍 d 刍 3. 50。
[0026] 基于上述可知，本发明的介电陶瓷组合物具有低压电特性而大幅弱化其电致伸缩 效应，避免其所构成的介电层在偏压使用下变形，而提升积层陶瓷电容器的应用性及耐用 度。
[0027] 其次，本发明的介电陶瓷组合物具有高介电常数，且可满足电容变化率的相关产 品规范，此外本发明的介电陶瓷组合物可在较低温度进行烧结，并且仍具有高可靠度及温 度特性。
[0028] 再者，本发明的介电陶瓷组合物在还原环境下烧结时，不会产生被还原而转变为 半导体特性的现象，因此如果使用本发明优选实施例的介电陶瓷组合物来制作积层陶瓷电 容器，则积层陶瓷电容器可使用较为廉价的卑金属来作为电极，因而降低积层陶瓷电容器 的成本。
[0029] 此外，本发明的陶瓷组合物同时具有高介电常数以及较小且较均匀的晶粒，因此 本发明的积层陶瓷电容器可达到小型化、薄层化且低压电性质的目标。
【专利附图】
【附图说明】
[0030] 图1为本发明的积层陶瓷电容器的侧视剖面示意图。
[0031] 图2为现有技术的积层陶瓷电容器的侧视剖面示意图。
[0032] 符号说明：
[0033] 10、20 堆栈体
[0034] 11、21 介电层
[0035] 12、13、22、23 内电极
[0036] 14、15 外电极。
【具体实施方式】
[0037] 本发明的介电陶瓷材料组合物，其中包含主体物及添加物；所述主体物为具有钙 钛矿结构（ΑΒ0 3)的金属复合氧化物，其主要包含钡（Ba)及钛（Ti)，且其还可包含选自于由 铜（Cu)、镁（Mg)、钙（Ca)及锆（Zr)所构成的群组的至少一种元素；所述添加物包含第一成 分、第二成分、第三成分及第四成分，其中，第一成分选自钥（Mo)、钥（Mo)的氧化物、铌（Nb) 及铌（Nb)的氧化物中的至少一种，第二成分选自锰（Μη)、锰（Μη)的氧化物、铁（Fe)及铁 (Fe)的氧化物中的至少一种，第三成分选自钇（Y)、钇（Y)的氧化物、镱（Yb)及镱（Yb)的 氧化物中的至少一种，第四成分选自硅（Si)、硅（Si)的氧化物、镁（Mg)、镁（Mg)的氧化物、 铝（A1)及铝（A1)的氧化物中的至少一种。
[0038] 请参阅图1所示，本发明的积层陶瓷电容器包含堆栈体10,该堆栈体10包含数个 依序重迭的介电层11，相邻的两个介电层11之间设有内电极12、13，两个相邻的内电极12、 13分别露出于堆栈体10的两端；其特征在于：介电层11是由前述的介电陶瓷材料组合物 所制成。
[0039] 以下举例说明在本发明的优选实施例中，本发明的介电陶瓷材料组合物的制造方 式。
[0040] 在本发明的优选实施例中，本发明的特征通式以{[ (1-x-y-z-m-n) BaC03+xCu0+yM g0+zCaC03+mTi02+nZr0 2] + [aRl+bR2+cR3+dR4]}表不。其中，[(l-x-y-z_m-n)BaC03+xCu0+yM g0+zCaC0 3+mTi02+nZr02]表示所述主体物，x、y、m、η 分别代表摩尔分率；[aRi+bl^+cI^+dRj 表示所述添加物，Ri、R2、R3、R4分别表示所述添加物的第一成分、第二成分、第三成分及第四 成分，a、b、c、d表示以所述主体物为1摩尔计，所述第一成分、第二成分、第三成分及第四成 分的摩尔百分率。
[0041] 首先，准备碳酸钡（BaC03)、氧化镁（MgO)、氧化铜（CuO)、碳酸钙（CaC0 3)、二氧化钛 (Ti02)的水溶液及氧化锆（Zr02)的水溶液，且各自具有99%以上的纯度。接着，力口入聚氧 乙烯烧基醚憐酸钠盐（Polyoxyethylene alkylether phosphate sodium salt)，湿式混合 以形成陶瓷浆料（Ceramic slip)。然后，将陶瓷浆料以至少大于120°C的温度干燥粉末，并 进行1000?1150°C在大气下环境进行2小时的煅烧以得到正方晶系钙碳矿结构（A-site/ B-siteX). 965)的金属复合氧化物，即所述主体物，且其平均直径为0. 1-0. 35微米的粉末； 依据配比的不同，分为样品A、样品B、样品C、样品D，其配比如表1中所示。
[0042] 最后，模制一种包含所述主体物的粉末以及所述添加物的混合物，并进行烧结形 成介电陶瓷，所述添加物的Ri、R2、R3及R4各自的配比如表2所示，其中，&为氧化钥（M〇0 3) 或氧化铌（Nb205)，R2为氧化锰（MnO)或氧化铁（FeO)，R 3为氧化钇（Y203)或氧化镱（Yb203)， &为氧化硅（Si0 2)、氧化镁（MgO)或氧化铝（A1203)，得到本发明的介电陶瓷材组合物。
[0043] 表1主体物的摩尔分率成分
[0044]
【权利要求】
1. 一种介电陶瓷材料组合物，其中包含： 主体物，其为具有钙钛矿结构的金属复合氧化物，其包含钡（Ba)及钛（Ti); 添加物，其包含第一成分、第二成分、第三成分及第四成分，其中，第一成分选自钥 (Mo)、钥（Mo)的氧化物、铌（Nb)及铌（Nb)的氧化物中的至少一种，第二成分选自锰（Μη)、 锰（Μη)的氧化物、铁（Fe)及铁（Fe)的氧化物中的至少一种，第三成分选自钇（Υ)、钇（Υ) 的氧化物、镱（Yb)及镱（Yb)的氧化物中的至少一种，第四成分选自硅（Si)、硅（Si)的氧化 物、镁（Mg)、镁（Mg)的氧化物、铝（A1)及铝（A1)的氧化物中的至少一种。
2. 根据权利要求1所述的介电陶瓷材料组合物,其中所述主体物还包含选自于由铜 (Cu)、镁（Mg)、钙（Ca)及锆（Zr)所构成的群组中的至少一种元素。
3. 根据权利要求2所述的介电陶瓷材料组合物，其中在所述主体物中，以钡（Ba)的摩 尔数、铜（Cu)的摩尔数、镁（Mg)的摩尔数、钙（Ca)的摩尔数、锆（Zr)的摩尔数及钛（Ti) 的摩尔数总和为基础，钡（Ba)的摩尔分率介于0.4650至0.5100之间，铜（Cu)的摩尔分率 介于0. 0000至0. 0100之间，镁（Mg)的摩尔分率介于0. 0000至0. 0200之间，钙（Ca)的摩 尔分率介于〇. 〇〇〇〇至〇. 0200之间，锆（Zr)的摩尔分率介于0. 0000至0. 0200之间，且钛 (Ti)的摩尔分率介于0. 4700至0. 4900之间。
4. 根据权利要求3所述的介电陶瓷材料组合物，其中在所述主体物中，以钡（Ba)的摩 尔数、铜（Cu)的摩尔数、镁（Mg)的摩尔数、钙（Ca)的摩尔数、锆（Zr)的摩尔数及钛（Ti) 的摩尔数总和为基础，铜（Cu)的摩尔分率为0.0005至0.0050。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的介电陶瓷材料组合物，其中以所述主体物的含 量为1摩尔计，所述添加物的第一成分的含量为〇. 05至0. 14摩尔百分率。
6. 根据权利要求1至4中任一项所述的介电陶瓷材料组合物，其中，以所述主体物的含 量为1摩尔计，所述添加物的第二成分的含量为〇. 80至1. 46摩尔百分率。
7. 根据权利要求1至4中任一项所述的介电陶瓷材料组合物，其中，以所述主体物的含 量为1摩尔计，所述添加物的第三成分的含量为〇. 36至1. 50摩尔百分率。
8. 根据权利要求1至4中任一项所述的介电陶瓷材料组合物，其中，以所述主体物的含 量为1摩尔计，所述添加物的第四成分的含量为1. 28至3. 50摩尔百分率。
9. 根据权利要求5所述的介电陶瓷材料组合物，其中，以所述主体物的含量为1摩尔 计，所述添加物的第一成分的含量为0. 13至0. 14摩尔百分率。
10. 根据权利要求7所述的介电陶瓷材料组合物，其中，以所述主体物的含量为1摩尔 计，所述添加物的第三成分的含量为0. 68至1. 50摩尔百分率。
11. 根据权利要求8所述的介电陶瓷材料组合物，其中，以所述主体物的含量为1摩尔 计，所述添加物的第四成分的含量为2. 26至3. 50摩尔百分率。
12. 根据权利要求1至4中任一项所述的介电陶瓷材料组合物，其介电常数介于1500 至4500之间，且其压电常数低于150pC/N。
13. -种积层陶瓷电容器，其中包含堆栈体，该堆栈体包含数个依序重迭的介电层，相 邻的两个介电层之间设有内电极，两个相邻的内电极分别露出于该堆栈体的两侧端；其特 征在于：所述介电层是由如权利要求1至12中任一项所述的介电陶瓷材料组合物所制成。
【文档编号】H01B3/12GK104098329SQ201310124407
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年4月11日 优先权日:2013年4月11日
【发明者】郭致玮, 萧富昌, 朱立文 申请人:华新科技股份有限公司