专利名称：非还原介电陶瓷和使用它的陶瓷电子元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及非还原介电陶瓷和使用它的陶瓷电子元件，比如采用这种非还原介电陶瓷的单片陶瓷电容器和单片LC滤波器。具体地说，本发明涉及一种对非还原介电陶瓷的改进，从而可以与铜或铜合金进行一起燃烧。
另一方面，用于高频波段的陶瓷电子元件，如单片LC滤波器，必须具有内置的高导电性内部导体。因此必须以高导电性材料，如金、银和铜作为内部导体的导电材料。还必须考虑到内置于单片陶瓷电子元件中的内部导体所含的金属能与介电陶瓷共同燃烧。并且，理想的是，内部导体所用的金属要较为廉价。
因为用作导电材料的金或银是比较昂贵的，因此会提高由其形成的陶瓷电子元件的成本。而且，银的熔点较低，约为960℃，因此，在这一温度下烧结陶瓷通常是困难的。另外，诸如内部电极等导体被制成为与单片陶瓷电子元件中的陶瓷相接触，并且以银作为导体可能会导致迁移。
相反，由于铜是较为廉价的，因此所制成的陶瓷电子元件可以保持低成本。由于铜的熔点最高约为1080℃，并且其导电性强，因此适用于作为高频波段中使用的陶瓷电子元件中内置的导体材料。但是在制造过程中用铜作导电材料时，必须在中性或还原性气氛中进行燃烧。因此用在单片陶瓷电子元件中的介电陶瓷除了具有相对较高的介电常数、高Q因子和高温稳定性之外，还必须具有非还原性。
基于BaRE2Ti4O12或基于BaRE2Ti5O14的钨青铜型晶相需要1300-1400℃的高燃烧温度，以进行烧结。因此不可能使用铜作为与这些晶相共同燃烧的导体材料。
另外，如果钨青铜型晶相在中性或还原性气氛中燃烧，因为它的非还原性能不好，由此会变得半导电，从而导致绝缘阻抗和介电损耗性能的恶化。
另外，由于钨青铜型晶相的电容随温度变化的速度高达大约-100ppm/℃，因此含有这种晶相的陶瓷电子元件的应用受到限制。
按照本发明的一个方面，一种非还原介电陶瓷含有至少包括Ba、RE和Ti元素的钨青铜型晶相，以及含有至少包括RE和Ti元素的烧绿石型晶相，其中RE是至少一种稀土元素，并满足关系式0.10≤b/(a+b)≤0.90，其中a是经X射线衍射所得到的钨青铜型晶相的最大峰值强度，b是经X射线衍射所得到的烧绿石型晶相的最大峰值强度。
优选的是，本发明的非还原介电陶瓷所含的主要成分包括钨青铜型晶相和烧绿石型晶相，所含的次要成分包括相对于主要成分中的100摩尔Ti约为3-25摩尔的Mn、相对于100重量份的主要成分约为3-25重量份含B2O3的玻璃成分、相对于主要成分中的100摩尔Ti为约0-25摩尔的Cu、以及相对于主要成分中的100摩尔Ti为约0-25摩尔的V。
优选的是，钨青铜型晶相是本发明的非还原介电陶瓷中BaNd2Ti4O12型晶相和BaNd2Ti5O14型晶相的至少一种。
优选的是，烧绿石型晶相是Nd2Ti2O7型晶相。
BaNd2Ti4O12型晶相、BaNd2Ti5O14型晶相和Nd2Ti2O7型晶相不限于BaNd2Ti4O12、BaNd2Ti5O14和Nd2Ti2O7，例如其中的Nd可以部分的被其他的稀土元素所取代。
按照本发明的另一方面，一种陶瓷电子元件包括含有非还原介电陶瓷的电子元件主体和与该非还原介电陶瓷相接触的导体。所述陶瓷电子元件的电子元件主体可以具有多层结构，其中由非还原介电陶瓷构成的多个介电陶瓷层被层压在一起，或者可以具有所谓的单层结构。
本发明的非还原介电陶瓷可以和铜或铜合金一起燃烧，并且即使在中性或还原气氛中进行燃烧，其绝缘阻抗和介电损耗也不会显著恶化，而且其电容随温度变化的速率低，在±60ppm/℃之内。
因此，当将这种非还原介电陶瓷用于陶瓷电子元件中的电子元件主体，而且所述陶瓷电子元件包括与所述电子元件主体接触的导体时，就能制造就电特性例如绝缘阻抗和介电损耗而言高度可靠的陶瓷电子元件，它同时具有优异的温度稳定性。
优选的，陶瓷电子元件是单片陶瓷电容器，包括由非还原介电陶瓷构成的多个介电陶瓷层，以及至少一对其中夹着一些介电陶瓷层的内部电极。
本发明的陶瓷电子元件可以是单片LC滤波器，它包括由非还原介电陶瓷构成的多个介电陶瓷层，以及在介电陶瓷层之间形成电感L和电容器C的内部电极。
如果将非还原介电陶瓷用作构成介电陶瓷层的陶瓷，则诸如绝缘阻抗和介电损耗等电特性的可靠性就会增强，电容随温度变化的速率也可以降低。因此，本发明的非还原介电陶瓷用作温度补偿型电容器、微波介电谐振器、多层回路元件等的介电材料是有益的。
在本发明的这种陶瓷电子元件中，导体或内部电极优选包括铜元素或铜合金作为导电材料。由于可以将铜或铜合金用作包含在陶瓷电子元件中的导体或内部电极中的导电材料，因此可以保持陶瓷电子元件的低成本，并同时获得优异的高频特性。
图1是本发明一种实施例单片陶瓷电容器的断面图；图2是本发明另一种实施例单片LC滤波器的组装视图；图3是表示图2所示单片LC滤波器的外观透视图；图4是图2所示单片LC滤波器的电路图；图5是表示关于实施例1中试样19的陶瓷X射线衍射图线。
单片陶瓷电容器1包括层状结构2。该层状结构2包括多个介电陶瓷层13和多个内部电极4和5，所述内部电极沿着介电陶瓷层3之间的多个预定界面形成。内部电极4和5延伸至层状结构2的外表面。具体地说，延伸至层状结构2一侧6的内部电极4和延伸至另一侧7的内部电极5交替设置在层状结构2中。
在侧面6和7上分别形成外部电极8和9。外部电极8与内部电极4电连接，外部电极9与内部电极5电连接。
在外部电极8和9上分别形成由镍、铜等构成的第一镀层10和11，然后在上面再形成由焊料、锡等构成的第二镀层12和13。根据单片陶瓷电容器1的用途，可以省略导电层，如镀层10至13的形成。
在单片陶瓷电容器1中，介电陶瓷层3由本发明的非还原陶瓷构成。非还原介电陶瓷含有至少包括Ba、RE和Ti元素的钨青铜型晶相，以及含有至少包括RE和Ti元素的烧绿石型晶相。
就至少包括Ba、RE和Ti元素的钨青铜型晶相，如BaRE2Ti4O12型或BaRE2Ti5O14型钨青铜晶相而言，其燃烧温度高，非还原性不好，并且电容随温度的变化率高，约为-100ppm/℃。
另一方面，就至少包括RE和Ti元素的烧绿石型晶相，如RE2Ti2O7型烧绿石晶相而言，具有优异的非还原性，并且其电容随温度的变化速率是正值，约为150ppm/℃。
因此，通过将一定量的烧绿石型晶相和钨青铜晶相向掺混，就获得了其非还原性优异并且电容随温度变化速率低的非还原陶瓷。
如果烧绿石型晶相的量过大，可使相对介电常数ε降低，电容随温度的变化速率可以正向地增大。因此认为非还原介电陶瓷中的烧绿石型晶相的含量应当处在一个优选的范围内。本发明基于以下的实验已经找到该优选范围。
也就是说，选择非还原介电陶瓷中的烧绿石型晶相含量，使满足关系式0.10≤b/(a+b)≤0.90，其中a是经X射线衍射而得到的钨青铜型晶相的最大峰值强度，b是经X射线衍射而得到的烧绿石型晶相的最大峰值强度。
在含有钨青铜晶相和烧绿石型晶相的非还原介电陶瓷中，通过将烧绿石型晶相的含量设定成满足上述关系式，就可以获得具有相对较高介电常数ε、优异的非还原性和电容随温度的低速变化。
非还原介电陶瓷除了包括钨青铜晶相和烧绿石型晶相的主要成分之外，可以含有作为次要成分的Mn、含有B2O3的玻璃成分、Cu和V。
作为次要成分的Mn含量相对于主要成分中的100摩尔Ti被设定为约3-35摩尔。含有B2O3的玻璃成分含量相对于主要成分中的100重量份被设定为3-25重量份。Cu含量相对于主要成分中的100摩尔Ti被设定为约25摩尔或更少。V含量相对于主要成分中的100摩尔Ti被设定为约25摩尔或更少。
当上述的单片陶瓷电容器1是温度补偿型时，本发明的非还原介电陶瓷获得了明显的效果。
本发明的非还原介电陶瓷可以有效的用于陶瓷电子元件，例如用于高频波段的多层电路元件如单片LC滤波器、微波介电谐振器和介电滤波器。
图2-4表示本发明另一实施方案中的陶瓷电子元件，具体地说，是单片LC滤波器20。该单片LC滤波器20包括陶瓷烧结的压制品21，其中形成下文将要描述的具有电感L和电容器C的电路。陶瓷烧结的压制品21由本发明的非还原介电陶瓷构成。在陶瓷烧结的压制品21的外表面上形成外部电极23a、23b、24a和24b，在外部电极23a、23b、24a和24b内侧设置有图4所示的LC谐振电路。
以下参考图2描述制造陶瓷烧结的压制品21的制造方法，从图2中可以清楚的看出陶瓷烧结的压制品21的结构。
首先，向原料中加入下文将会描述的有机溶媒，以形成陶瓷浆料。通过适当的片形成方法，将该陶瓷浆料形成为陶瓷生片。干燥该陶瓷生片，并将其冲切成预定尺寸，这样就可以制成矩形陶瓷生片21a-21m。
按照需要，在陶瓷生片21a-21m中形成通孔，用以制造通孔电极28。另外，采用丝网印刷导电糊料的方法，形成绕线导体26a和26b、电容器内部电极27a-27c，以及绕线导体26c和26d，在通孔电极28中填入导电糊料。
然后如图2所示，层压陶瓷生片21a-21m，沿厚度方向施加压力，以形成层状结构。燃烧所得到的层状结构，形成陶瓷烧结的压制品21。
如图3所示，采用薄膜形成技术在陶瓷烧结的压制品21上形成外部电极23a、23b、24a和24b，例如采用涂布和烘焙导电糊、气相沉积、电镀或溅射方法。由此获得了单片LC滤波器。
从图2中可以清楚地看出，绕线导体26a和26b构成图4所示的电感单元L1，绕线导体26c和26d构成电感单元L2，内部电极27a-27c构成电容器。
在本实施例的单片LC滤波器中，可以通过低温燃烧获得由本发明的非还原介电陶瓷构成的陶瓷烧结的压制品21，因此可以采用低熔点金属，如铜或铜合金来用于绕线导体26a和26d以及电容器内部电极27a-27c，可以与陶瓷一起在中性和还原气氛中进行燃烧。另外，可以构成具有较高的相对介电常数和在高频下具有高Q因子的单片LC滤波器，因此可以用于高频应用。另外，由于该非还原介电陶瓷的电容随温度变化的速率低，因此可以提供具有优异温度特性的单片LC滤波器。
例1进行试验，以确定非还原介电陶瓷中所含钨青铜晶相和烧绿石型晶相的比例。
首先，制备TiO2和RE2O3粉末作为原料。使用如表1所示的稀土元素。称量预定量的上述原料粉末，利用球磨进行湿混合，然后干燥。然后在900-1000℃条件下在空气中煅烧2小时，获得具有RE2Ti2O7晶相的粉末。
除具有RE2Ti2O7晶相的粉末之外，还制备BaCO3、TiO2、MnCO3、CuO和V2O5粉末。称重这些粉末，以满足表1所示的组分，然后利用球磨进行湿混合，再进行干燥。在900-1100℃条件下在空气中煅烧2小时，得到煅烧粉末。
制备成分为10Li2O-20SiO2-20B2O3-50BaO(重量百分数％)的玻璃粉末。将该玻璃粉末加入到作为主要成分的100重量份的aBaCO3-bTiO2-cRE2Ti2O7，以满足表1所示的组分。然后加入聚乙烯缩丁醛类粘合剂和有机溶剂，如乙醇，利用球磨进行湿混合，得到陶瓷浆料。
利用刮刀涂布方法使所述陶瓷浆料形成为片，得到厚度约为20ìm的陶瓷生片。对于每个试样，层压多个陶瓷生片，然后加压，形成厚度约为0.6mm的生层状结构。
将含有铜作为导电材料的导电糊料涂布在生层状结构的上表面和下表面，然后切割该生层状结构，从而得到10mm见方的平面形状。
在350℃下，使所切割的生层状结构在氮气中被加热，以除去粘合剂，然后在包括H2、N2和H2O的还原气体中，在表1所示的温度下进行燃烧，以获得陶瓷烧结的压制品。
对表1所示每个试样中的陶瓷烧结压制品的电特性进行评价。
具体地说，在频率为1MHz和25℃条件下测量电容和Q因子，然后根据电容计算相对介电常数ε。
通过在25℃下加给250V的DC电压2分钟，测量绝缘阻抗，并计算电阻率。
在25℃和125℃，频率为1MHz的条件下测量电容，然后根据以下公式计算上述温度期间的变化速率(TCC)(ppm/℃)。
TCC＝{(C125-C25)/C25}×{1/(125-25)}×106上式中的C125是125℃时的电容(PF)，C25是25℃时的电容(PF)。
在研钵中研磨每个试样中的陶瓷烧结压制品，利用CuKá-射线(电子管电压40KV；电子管电流30mA)进行粉末X射线衍射。计算b/(a+b)，其中，a是钨青铜型晶相的最大峰值强度，b是烧绿石型晶相的最大峰值强度。在下述条件中进行X射线衍射。
扫描方式连续扫描速度4°/分钟扫描级差0.02°扫描范围20-60°发散狭缝0.5°散射狭缝0.5°光接收狭缝0.15mm该实施例中制成的陶瓷包括BaNd2Ti4O12型晶相作为钨青铜型晶相，以及Nd2Ti2O7型晶相作为烧绿石晶相。
当钨青铜型晶相是BaNd2Ti4O12型晶相时，在(511)面的衍射峰具有X射线衍射的最大峰值强度。当钨青铜型晶相是BaNd2Ti5O14型晶相时，在(151)面的衍射峰具有X射线衍射的最大峰值强度。
当烧绿石型晶相是Nd2Ti2O7型晶相时，在(112)面和(-212)面的衍射结合峰具有X射线衍射的最大峰值强度。
下面的表2示出表1中所示的每个试样的最大峰值强度比例b/(a+b)、相对介电常数ε、电阻率logρ(Ω·m)和电容随温度变化的速率TCC(ppm/℃)。图5表示有代表性的试样19的X射线衍射图线。
如表1和表2所示，可以在还原气氛中在980-1020℃条件下进行试样5-21的非还原介电陶瓷燃烧，电阻率高至1.0×109Ω·m或更高。尽管表2中没有表示，但是在1MHz下的Q因子也高至1000或更高。电容随温度的变化速率低，在±60ppm/℃之内。另外，由于每种特性与峰值强度比例具有基本线性的关系，因此可以假设每种特性是以峰值强度比例为基础的。
相反，当在试样1和2中峰值强度比例小于约0.10时，因为烧绿石型晶相的含量过低，因此在还原气氛中燃烧后的电阻率是低的，电容随温度的变化速率高，约为-80ppm/℃。
当在试样3和4中峰值强度比例大于约0.90时，因为烧绿石型晶相的含量过高，因此相对介电常数ε低，电容随温度的变化率高，约为90-140ppm/℃。
例2在例2中，制造试样用来检查作为次要成分的Mn、玻璃成分、Cu和V含量的影响。
以与例1相同的方式制造陶瓷烧结的压制品，但是各种原料的制造要满足表3所示的组成。
表3也表示例1中所制的试样19。
按照与例1相同的方式评价表3所示的每个试样的陶瓷烧结压制品的特性。其结果如表4所示。
表3和4示出，即使在包括钨青铜晶相和烧绿石晶相即aBaCO3-bTiO2-cRE2Ti2O7的主要成分中加入次要成分，其中所述次要成分是相对于主要成分中的100摩尔Ti的约3-35摩尔的MnCO3、相对于100重量份主要成分约3-25重量份的玻璃成分、相对于主要成分中的100摩尔Ti约0-25摩尔的CuO、相对于主要成分中的100摩尔Ti的约0-25摩尔的VO5/2，也可以在还原气氛中在980-1020℃下进行燃烧。电阻率高至1.0×109Ω·m，而且，尽管表4中没有示出，但是在1MHz下的Q因子也高至1000，或者更高些。电容随温度的变化速率低，在±60ppm/℃之内。另外，由于每种特性与峰值强度比例基本具有线性关系，因此可以假设每种特性是以峰值强度比例为基础的。
虽然已经根据特定实施例描述了本发明，但是对于本领域的技术人员来说，可以进行许多其他的改型和变化以及他种应用。
权利要求
1.一种非还原介电陶瓷，它包含钨青铜晶相，至少包括Ba、RE和Ti；以及烧绿石晶相，至少包括RE和Ti，其中RE是至少一种稀土元素，并且其中0.10≤b/(a+b)≤0.90，a是经X射线衍射而得到的钨青铜型晶相的最大峰值强度，b是经X射线衍射而得到的烧绿石型晶相的最大峰值强度。
2.如权利要求1所述的非还原介电陶瓷，其中，钨青铜型晶相和烧绿石晶相构成主要成分，所述非还原介电陶瓷还包括次要成分相对于主要成分中的100摩尔Ti约为3-35摩尔的Mn；相对于100重量份主要成分约为3-25重量份含B2O3的玻璃；相对于主要成分中的100摩尔Ti约为0-25摩尔的Cu；相对于主要成分中的100摩尔Ti约为0-25摩尔的V。
3.如权利要求2所述的非还原介电陶瓷，其中，钨青铜型晶相至少是BaNd2Ti4O12型晶相和BaNd2Ti5O14型晶相之一。
4.如权利要求3所述的非还原介电陶瓷，其中，烧绿石晶相是Nd2Ti2O7型晶相。
5.如权利要求2所述的非还原介电陶瓷，其中，烧绿石晶相是Nd2Ti2O7型晶相。
6.如权利要求1所述的非还原介电陶瓷，其中，钨青铜型晶相至少是BaNd2Ti4O12型晶相和BaNd2Ti5O14型晶相之一。
7.如权利要求1所述的非还原介电陶瓷，其中，烧绿石晶相是Nd2Ti2O7型晶相。
8.一种陶瓷电子元件，它包含包括权利要求1所述的非还原介电陶瓷的电子元件主体；以及与所述非还原介电陶瓷相接触的导体。
9.如权利要求8所述的陶瓷电子元件，其中，所述导体包含铜元素和铜合金之一。
10.如权利要求8呈单片陶瓷电容器形式的陶瓷电子元件，它包含包括权利要求1的非还原介电陶瓷的多个介电陶瓷层；以及至少一对设置成内部电极的导体，其间有至少一个介电陶瓷层。
11.如权利要求10所述的单片陶瓷电容器，其中，所述内部电极包含铜元素和铜合金之一。
12.如权利要求8所述的单片LC滤波器形式的陶瓷电子元件，它包含包括权利要求1的非还原介电陶瓷的多个介电陶瓷层；以及多个导体，设置作为形成设在介电陶瓷层中的电感和电容器的内部电极。
13.如权利要求12的单片LC滤波器，其中，所述内部电极包含铜元素和铜合金之一。
全文摘要
一种非还原介电陶瓷,含有至少包括Ba、RE和Ti元素的钨青铜晶相,以及至少包括RE和Ti元素的烧绿石晶相,其中RE是至少一种稀土元素。并且满足关系式0.10≤b/(a+b)≤0.90,其中a是经X射线衍射而得到的钨青铜型晶相的最大峰值强度,b是经X射线衍射而得到的烧绿石型晶相的最大峰值强度。一种陶瓷电子元件,包括由非还原介电陶瓷构成的电子元件主体以及与该非还原介电陶瓷相接触的导体。
文档编号C04B35/462GK1365121SQ0210161
公开日2002年8月21日 申请日期2002年1月10日 优先权日2001年1月10日
发明者内藤正浩 申请人:株式会社村田制作所