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

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。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有钙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

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。

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 (d₃₃)来表示。

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ABO₃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0.4μm，并可应用于还原或中性气氛进行 烧结。

此外，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100Ba_mTiO₃+xCuO+aRO_n+bMnO+cMgO(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。

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1μm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)TiO₃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。

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

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。

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：

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，第一成分选自钼(Mo)、钼(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(Mn)、锰(Mn)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(Al)及铝(Al)的氧化物中的至少一 种。

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。

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，选择过渡元素中的钼(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0.05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0.14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。

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0.05至0.14。

此外，所述添加物的第二成分选择过渡元素中的锰(Mn)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0.80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0.80 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。

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0.80至1.46。

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。

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0.36至1.50。

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(Al)，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。

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，所述添加物的第四成分的摩尔百分率为1.28至3.50。

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。

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。

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。

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。

此外，依据本发明的优选实施例，本发明的特征通式以 {[(1-x-y-z-m-n)BaCO₃+xCuO+yMgO+zCaCO₃+mTiO₂+nZrO₂]+[aR₁+bR₂+cR₃+dR₄]}表示。其中，[(1-x-y-z-m-n)BaCO₃+xCuO+ yMgO+zCaCO₃+mTiO₂+nZrO₂]表示所述主体物，[aR₁+bR₂+cR₃+dR₄]表 示所述添加物，R₁表示所述添加物的第一成分，其选自MoO₃或Nb₂O₅中的至少一种、R₂选自MnO或FeO中的至少一种、R₃选自Y₂O₃或 Yb₂O₃中的至少一种，且R₄选自SiO₂或MgO或Al₂O₃中的至少一种。 且该式中各摩尔分率满足：0≦x≦1.00，0≦y≦2.00，0≦z≦2.00， 47.00≦m≦49.00，0≦n≦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≦a≦0.14，0.80≦b≦1.46， 0.36≦c≦1.50，1.28≦d≦3.50。

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。

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。

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。

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。

附图说明

图1为本发明的积层陶瓷电容器的侧视剖面示意图。

图2为现有技术的积层陶瓷电容器的侧视剖面示意图。

符号说明：

10、20 堆栈体

11、21 介电层

12、13、22、23 内电极

14、15 外电极。

具体实施方式

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(ABO₃)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，第一成分选自钼(Mo)、钼(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(Mn)、锰(Mn) 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(Al)及铝(Al) 的氧化物中的至少一种。

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。

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。

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)BaCO₃+xCuO+yMgO+zCaCO₃+mTiO₂+nZrO₂]+[aR1+bR 2+cR3+dR4]}表示。其中，[(1-x-y-z-m-n)BaCO₃+xCuO+ yMgO+zCaCO₃+mTiO₂+nZrO₂]表示所述主体物，x、y、m、n分别代表 摩尔分率；[aR₁+bR₂+cR₃+dR₄]表示所述添加物，R₁、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。

首先，准备碳酸钡(BaCO₃)、氧化镁(MgO)、氧化铜(CuO)、碳酸钙 (CaCO₃)、二氧化钛(TiO₂)的水溶液及氧化锆(ZrO₂)的水溶液，且各自具 有99%以上的纯度。接着，加入聚氧乙烯烷基醚磷酸钠盐 (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℃的温度干燥粉 末，并进行1000～1150℃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-site>0.965)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。

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R₁、R₂、R₃及R₄各自的配比 如表2所示，其中，R₁为氧化钼(MoO₃)或氧化铌(Nb₂O₅)，R₂为氧化锰 (MnO)或氧化铁(FeO)，R₃为氧化钇(Y₂O₃)或氧化镱(Yb₂O₃)，R₄为氧化 硅(SiO₂)、氧化镁(MgO)或氧化铝(Al₂O₃)，得到本发明的介电陶瓷材组 合物。

表1主体物的摩尔分率成分

表2以主体物的含量为1摩尔计，添加物的第一成分、第二成分、第 三成分及第四成分的摩尔百分率

以下举例说明在本发明的优选实施例中，本发明的积层陶瓷电容 器的制造方式。

称重前述的主体物的样品A、样品B、样品C及样品D，以及添 加物的R₁、R₂、R₃及R₄的粉体，各粉体具有99%以上的纯度，以获得 样品A₁、样品A₂、样品A₃、样品B₁、样品B₂、样品B₃、样品C₁、样 品C₂、样品C₃、样品D₁、样品D₂及样品D₃；其中，样品A_1-3含有样 品A，B_1-3含有样品B、样品C_1-3含有样品C，样D_1-3含有样品D，而 各样品(A_1-3、B_1-3、C_1-3、D_1-3)所含有的添加物(R_1-4)的比例如表2中所 示；接着将各样品(A_1-3、B_1-3、C_1-3、D_1-3)加入一种酸聚胺酰胺(Acid  polyamine amides)分散剂、一种聚偏二氯乙烯(Polyvinylidene chloride) 黏合剂及一种溶剂（如乙醇(Ethanol)）进行球磨机湿式混合以形成陶瓷 浆料(Ceramic slip)。

请参阅图1所示，将陶瓷浆料以刮刀(Doctor blade)法或其它涂布方 式制成厚度为3.5～5.0微米的薄层状介电层11。并将一种主成分为镍金 属的导电性膏状物印刷于该薄层状介电层11上以形成内电极12、13。

将数个上述的具有镍内电极12、13的薄层状陶瓷介电层11堆栈 制成堆栈体10的生胚产品，堆栈的过程中使薄层状介电层11的内电 极12、13交替露出于侧边。在250～400℃附近的氮气环境下将生胚产 品中的黏结剂烧除后，并在1150～1250℃的还原环境下使堆栈体10生 胚产品进行烧结，进而完成堆栈体10的制作，该还原环境包含氢气、 氮气、湿气及氧分压为10^-18至10^-7大气压(MPa)的空气。将此制得的堆 栈体10利用扫描电子显微镜(SEM)加以观察并测量其晶粒大小。而后 将铜膏沾附于该堆栈体10的两侧端，并与各内电极12、13相接，并 在720～900℃的氮气环境使其致密化，形成具有与内电极12、13连接 的外电极14、15的样品，最后通过电镀，在各外电极14、15的外表 面上形成保护层，则完成本发明的积层陶瓷电容器的制作。

以下说明本发明的特性量测方式及结果。

在室温下使用自动桥接量测仪器(测试频率1KHz，测试电压1V_rms) 同时量测各样品的静电电容(C)，通过该静电电容可计算介电常数(ε)。 并且，利用自动桥接量测仪器(测试频率1KHz，测试电压25V_rms)量测 60秒以显示其绝缘电阻值，其电阻值为符合X7R特性至少须大于60 MΩ(IR)。此外，量测样品其电容随温度改变的变化率，温度范围介于 -55℃至125℃间相对于25℃下的静电电容所测得的变化率。其上述电 性皆符合EIA spec.中的X7R特性。并且，使用自动桥接量测仪器(测 试应力场强度250N)量测此样品的压电常数(d₃₃)。

各样品所计算的介电常数(Dielectric constant；ε[F/m])、绝缘电阻 值(Insulation resistance；IR[MΩ])、随温度的静电电容变化率(Ratio of  Cap.change due to temperature；ΔC/C[%])与压电系数(Piezoelectric  constant；d₃₃[pC/N])如表3所示。

表3各样品的介电常数、绝缘电阻值、随温度的静电电容变化率与压 电常数

如表3结果所示，本发明的优选实施例的介电陶瓷材料组合物具 有介电常数在1500F/m以上的水平，且可满足EIA spec.中的X7R关 于随温度改变的电容变化率的产品规范。此外，请参阅图1所示，本 发明的优选实施例的陶瓷组合物的压电常数至少可低于150pC/N以下 的水平，表示其电致伸缩效应相对减小，使其所形成的介电层11在电 场效应下的变形量小，换言之，该介电层11有较佳的耐用性与应用性， 连带地，使包含该介电层11的积层陶瓷电容器具有较佳的耐用性与应 用性。而且，本发明优选实施例的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内电极12、13，因而降低积层陶瓷电容 器的成本。

其中，在本发明的优选实施例中，如表1至表3所示，样品B₁、 样品B₂及样品B₃三者的介电常数、绝缘电阻值、随温度的静电电容变 化率，既可达成与其它组分的相同水平，亦可达成压电特性低于100 pC/N以下的水平。因此为本发明的最佳介电陶瓷材料组合物，或其应 用于制造小型化积层陶瓷电容器。