论文部分内容阅读
多层陶瓷电容器(MLCCs)是重要的电子元件,广泛应用于各电子工业中。本论文以铝酸钡基陶瓷为研究对象,通过掺杂改性成功制备出超宽温电容稳定性的C0G多层陶瓷电容器(MLCCs)用介质材料,对国内当前缺失的使用温度高于200℃和低于–55℃的温度稳定型C0G MLCCs做出了探索工作,同时对宽温稳定型介质材料的组分、晶体结构与性能之间的关系做了大量系统性工作和创新性研究。采用[Zn0.5Si0.5]3+作为掺杂离子完全取代BaAl2O4材料中B位的Al3+,研究体系晶体结构的变化、降烧特性及其介电性能的变化规律。发现当[Zn0.5Si0.5]3+掺杂量占B位离子总数40%时,体系的致密化温度降低了355℃,同时将体系的电容稳定性温区提升至–50℃到450℃。电容稳定性的提高是通过掺杂过程中独特的占位机制引起了BaAl2O4基固溶体结构的变化来实现的。在掺杂过程中,Zn2+离子和Si4+离子并非传统的平均取代,而是Zn2+离子优先占据6c-Wyckoff位置的Al1和2b-Wyckoff位置的Al4,而Si4+离子则优先取代6c-Wyckoff位置的Al2和2b-Wyckoff位置的Al3。由于2b-Wyckoff位置的无序状态导致四面体的扭曲使得陶瓷的第一个介电异常峰出现类弛豫现象,该介电异常峰为二级铁电相变峰,从而改善了该材料的电容稳定性。详细研究了Zn/Ti异价离子部分取代BaAl2O4基陶瓷对介电性能的影响,发现适量的Zn/Ti异价离子对BaAl2O4陶瓷体系具有降低致密化温度和改善介温稳定特性的双重作用,且Zn/Ti的引入进一步将电容稳定性的温区拓宽至–100℃到700℃。[Zn0.5/Ti0.5]3+离子平均占据四个不同的Al3+离子位置,Al1/(Zn,Ti)-O、Al2/(Zn,Ti)-O和Al3/(Zn,Ti)-O键长随着[Zn0.5Ti0.5]3+含量的增加而增长。体系电容稳定性的提高是通过将第一个介电异常峰从123℃移动到–22℃来实现的,介电异常峰的移动由掺杂引起的沿极轴方向B位阳离子原子位移幅值?z减小引起。通过高温阻抗谱和XPS分析发现晶格中存在电子钉扎缺陷偶极子,使得陶瓷具有低介电损耗、超宽温稳定性和超高绝缘电阻。在空气中,体系的氧空位和锌空位处于近似相等的平衡状态,因此材料体系在空气中空穴或弱束缚电子的含量极低,电导损耗极小。其综合性能为:室温介电常数18.4、损耗约为10-3、–100℃至700℃的电容温度系数TCC在–27ppm/℃+10ppm/℃以内、绝缘电阻率6.9×1014Ω·cm。但是,该材料不具备抗还原性,不能与Ni电极进行共烧。进一步制备了室温介电常数为18.5,居里温度大幅降低至-25℃,居里峰显著展宽的新BaAl(2-2x)(Mg0.5Ti0.5)2xO4(x=0.03)陶瓷材料,且体系的致密化温度降低至1260℃。其主晶相仍为铝酸钡,利用移峰剂掺杂制备出电容稳定性满足C0G MLCCs要求的高性能陶瓷材料。从晶体结构和居里峰移动机制分析了移峰剂的移峰效应。从晶体学理论出发,发现移峰剂的引入,引起Al1/(Mg,Ti)-O、Al2/(Mg,Ti)-O和Al3/(Mg,Ti)-O键长增大,导致晶格畸变,键长的增大使得沿极轴方向B位阳离子原子位移幅值?z减小,从而引起居里温度下降。由键价理论,键长越大,键能越弱,从而降低了晶格恢复氧四面体倾斜的恢复力,使得介电常数温度系数TCC幅值减小。不同气氛下电阻率的变化表明该介质陶瓷在高温表现出p型半导行为,且N2-H2中的电导激活能Ea(2.137eV)高于空气中的Ea(1.500eV),说明该陶瓷具备良好的抗还原性,能够实现与Ni电极进行共烧匹配。其综合性能为:室温介电常数18.5、损耗约为10-3、–100℃至700℃的TCC在-22ppm/℃+20ppm/℃以内、绝缘电阻率4.5×1014Ω·cm。采用流延法制备了BAMT MLCCs陶瓷,发现BAMT MLCCs陶瓷比BAMT陶瓷的结晶度要高,晶粒尺寸要小。从截面显微分析面扫图可以看出BAMT MLCCs的叠层结构分明,Ni电极与陶瓷介质界面匹配性良好。最终研制出超宽温电容稳定的高性能贱金属C0G MLCCs,其主要性能指标为:室温介电常数18.7、介电损耗约为10-3、绝缘电阻率7.4×1015Ω·cm、TCC在-20ppm/℃+11ppm/℃以内(–100℃至700℃)。