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CN1197101C - 绝缘陶瓷及其制备方法和多层陶瓷电容器 - Google Patents

绝缘陶瓷及其制备方法和多层陶瓷电容器 Download PDF

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CN1197101C CNB011368063A CN01136806A CN1197101C CN 1197101 C CN1197101 C CN 1197101C CN B011368063 A CNB011368063 A CN B011368063A CN 01136806 A CN01136806 A CN 01136806A CN 1197101 C CN1197101 C CN 1197101C
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Abstract

一种绝缘陶瓷，包括主组分ABO3和助组分R和M，其中A为Ba、Sr和Ca中的至少一种；B为Ti、Zr和Hf中的至少一种；R为La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu和Y中的至少一种；M为Ni、Co、Fe、Cr和Mn中的至少一种。该绝缘陶瓷在晶界上约有70%或更多的分析点含有组分R和M。该绝缘陶瓷适用于制备多层陶瓷电容器的绝缘陶瓷片，其通过在还原气氛中烧制得到，该绝缘陶瓷在高温和高电压时具有较长的使用寿命，在用于直流电压时，其静电电容量随着时间的变化很小，即使当降低绝缘陶瓷片的厚度时，仍具有令人满意的可靠性。

Description

绝缘陶瓷及其制备方法和多层陶瓷电容器
技术领域
本发明涉及一种绝缘陶瓷，该绝缘陶瓷的制备方法，以及采用该绝缘陶瓷的多层陶瓷电容器，特别涉及有益于降低多层陶瓷电容器的绝缘陶瓷层厚度的改进。
背景技术
多层陶瓷电容器一般采用以下制备方法。
首先，制备含有绝缘陶瓷材料的陶瓷生坯片。在每一个陶瓷生坯片的表面上载有带图案的导电材料以构成内部电极。在制备过程使用的绝缘瓷料主要含有例如BaTiO3。
层压和热压多层包括载有导电材料的陶瓷生坯片的陶瓷生坯片，得到一个整体(单块集成电路)的多层压坯。
然后，将上述多层压坯进行烧制，得到一个多层烧结的压实制品(以下简称为“层压制品”)。所得到的层压制品含有包含导电材料的内部电极。
在层压制品的外表面制造外电极以便与内部电极的特定一端进行导电连接。例如，将含有导电金属粉和玻璃粉的导电浆液涂于层压制品的外表面，然后再对其进行烘烤，由此形成外部电极。
为了降低多层陶瓷电容器的生产成本，通常采用易得的、成本较低的镍、铜和其它碱金属作为内部电极的导电材料。然而，在包括由碱金属构成的内部电极的多层陶瓷电容器的生产过程中，多层压坯必须在中性或还原的气氛中进行烧制，以避免在烧制过程中碱金属的氧化。因此，在多层陶瓷电容器的生产中所采用的绝缘陶瓷必须耐还原。
近几年来，随着电子工业的发展，电子元件越来越小型化，因此要求多层陶瓷电容器必须小型化，并且有更高的电容量。
因此，非常需要一种高介电常数的绝缘陶瓷，随着温度和时间的变化其介电常数变化很小，即使在烧制气氛中作为内部电极使用的碱金属也不被氧化。当每层绝缘陶瓷片的厚度降低时，该绝缘陶瓷仍具有很好的电绝缘性能和令人满意的可靠性。然而，传统的绝缘陶瓷不一定满足上述要求。
例如：日本未审查专利申请公开号5-9066、5-9067和5-9068公开了可作为抗还原的绝缘陶瓷的组合物，所公开的组合物中均含有BaTiO3、一种稀土金属氧化物和Co2O3。虽然，所述的绝缘陶瓷已满足了EIA标准中的X7R特性，而且具有非常高的电绝缘性能，然而当构成电容器的每层绝缘陶瓷片的厚度降低时，例如在厚度降低到5μm或更低，特别是在降低到3μm或更低时，所述的绝缘陶瓷在可靠性上，则不一定满足市场的要求。
日本未审查专利申请公开号6-5460和9-270366均公开了一种具有高介电常数的绝缘陶瓷，其介电常数随温度的变化率较小，而且具有较长的高温使用寿命。然而，前一篇专利申请所公开的绝缘陶瓷，由于在绝缘陶瓷中使用的BaTiO3的颗粒尺寸较大，因此当绝缘陶瓷片的厚度降低时，电容器的可靠性降低，而且静电电容量随时间的变化率较大。同样，后一篇专利申请所公开的绝缘陶瓷在用于直流电压时，当绝缘陶瓷片的厚度降低时，电容器的可靠性降低，而且静电电容量随时间的变化率较大。
为使最终多层陶瓷电容器的尺寸减小，电容量增加，当将绝缘陶瓷片的厚度降低时，在其用于与未降低绝缘陶瓷片厚度时同样的额定电压时，施加到构成电容器的每一片绝缘陶瓷的场强增加，室温和高温的绝缘电阻降低，使得最终绝缘陶瓷电容器的可靠性明显降低。因此，当采用传统的绝缘陶瓷制得的多层绝缘陶瓷片的厚度降低时，额定电压必须降低。
因此，非常需要提供一种多层陶瓷电容器，当降低其绝缘陶瓷片的厚度时，不需降低额定电压，在高场强下具有高的绝缘电阻，而且其可靠性令人满意。
一般地，多层陶瓷电容器均在直流电压下使用，在此条件下，静电电容量随时间的变化而变化。然而，为使多层陶瓷电容器的尺寸减小、电容量增加，随着多层陶瓷电容器的每片绝缘陶瓷片的厚度降低，每片绝缘陶瓷片的直流场强增加，其静电电容量随时间的变化进一步增加。
因此，非常需要提供一种多层陶瓷电容器，其在应用于直流电压时，静电电容量随时间的变化较小。
发明内容
发明概要
因此，本发明的一个目的在于提供一种绝缘陶瓷及其制备方法，该绝缘陶瓷具有较高的介电常数，在用于直流电压时，随着温度和时间的变化其介电常数变化很小；该绝缘陶瓷具有较低的介电损失，具有高的绝缘电阻(R)和静电电容量(C)乘积(CR乘积)，并且在高温和高电压时绝缘电阻具有较长的使用寿命。另外，本发明还提供了采用绝缘陶瓷的多层陶瓷电容器。
具体地说，本发明提供的绝缘陶瓷包括：主组分ABO3，和助组分R和M，其中A为Ba、Sr和Ca中的至少一种；B为Ti、Zr和Hf中的至少一种；R为La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu和Y中的至少一种；M为Ni、Co、Fe、Cr和Mn中的至少一种。该绝缘陶瓷具有包括主组分ABO3的晶粒，和构成晶粒间界面的晶界。在该绝缘陶瓷中，当在每一个从晶粒中任意选取的复合晶粒的外围上的四个等分点进行晶界分析时，在所有这四点上有70％或更多的点存在R和M。
本发明的绝缘陶瓷的助组分还可以包括Si。在这种情况下，当在每一个从晶粒中任意选取的复合晶粒的外围上的四个等分点进行晶界分析时，在所有这四点上有约70％或更多的点存在R，M和Si。
对于晶界的分析，优选采用能量分散X-射线分析法。
由于本发明绝缘陶瓷具有了上述的结构，因此其具有较高的介电常数，在用于直流电压时，随着温度和时间的变化其介电常数变化很小；并具有较低的介电损失；并且在高温和高电压时，具有较高的绝缘电阻和较长的绝缘寿命，尽管实际上绝缘陶瓷具有抗还原能力。
制备绝缘陶瓷的方法优选包括但并不局限于下列方法。本发明还涉及这样一种制备绝缘陶瓷的方法。
绝缘陶瓷的制备方法，包括以下步骤：合成并研磨ABO3，得到ABO3的粉末；制备含R的化合物和含M的化合物，将含R的化合物和含M的化合物混合，煅烧所得到的混合物并研磨经煅烧的混合物，得到经煅烧的助组分的粉末；将ABO3粉末与煅烧后的助组分粉末进行混合，并将得到的混合物制成生坯，然后烧制生坯。
如果目标绝缘陶瓷中还包含上述的Si助组分，则应先制备含Si的化合物，如SiO2，然后在生成经煅烧的助组分粉末这一步中加入到含R化合物和含M化合物的混合物中。
在结构上，通过上述方法得到的绝缘陶瓷与将所有的组分一次性混合和反应的方法相比，其晶界上的组成更均匀。因此，本发明的方法可以很容易地提供一种绝缘陶瓷，其中在晶界上约70％或更多的分析点含有R和M组分或R、M和Si组分。
本发明还涉及采用所述绝缘陶瓷得到的多层陶瓷电容器。
本发明的多层陶瓷电容器包括一层压制品和外电极。所述的层压制品包括经过层压的多层绝缘陶瓷片和沿绝缘陶瓷片之间的界面形成的内电极。在层压制品的外表面上形成外电极，以与内电极的特定一端导电连接。在所述的多层陶瓷电容器中，绝缘陶瓷片包括本发明的绝缘陶瓷和包括碱金属作为导电组分的内电极。
在上述的多层陶瓷电容器中，由于绝缘陶瓷片采用了本发明的绝缘陶瓷，因此即使在绝缘陶瓷片厚度降低时，所得的多层陶瓷电容器仍可保持令人满意的可靠性。
因此，最终的多层陶瓷电容器中每一片绝缘陶瓷片的厚度可以很薄，在不需要降低额定电压的条件下，多层陶瓷电容器的体积可以很小而电容量可以很大。在绝缘陶瓷片的每片厚度降低到大约1μm时，多层陶瓷电容器仍没有问题。
另外，本发明的绝缘陶瓷是耐还原的绝缘陶瓷，并且碱金属可以作为多层陶瓷电容器内电极的导电组分，而没有任何问题。
附图说明
图1是本发明一个实施方案的多层陶瓷电容器1的剖面图。
图2是用能量分散X-射线分光仪(EDX)在实例1的多层陶瓷电容器的绝缘陶瓷片之间的晶界上特定分析点处测定的谱图。
图3-5分别为在比较例1的多层陶瓷电容器的绝缘陶瓷片之间的晶界上任选的第1、第2和第3分析点处的EDX谱图。
具体实施方式
图1是本发明的一个具体实施方案的多层陶瓷电容器1的剖面图。
多层陶瓷电容器1包括层压制品2。层压制品2包括多层绝缘陶瓷片3和多个内电极4和5。绝缘陶瓷片3彼此层压，沿绝缘陶瓷片3间多个特定的表面分别形成内电极4和5，内电极4和5分别延伸到层压制品2的外表面上，并且在层压制品2的内部交替排列。具体地说，内电极4源自层压制品2的端面6，而内电极5源自另一端面7。
在层压制品2的外表面，分别于端面6和端面7上形成外电极8和9。另外，在外电极8和9上分别形成含有一种金属(例如镍或铜)的第一金属沉积层10和11，在第一金属沉积层10和11上分别形成含有一种金属(例如焊锡或锡)的第二金属沉积层12和13。
在多层陶瓷电容器1中，所述的绝缘陶瓷片3包括含有一种以ABO3为主组分，以R和M为助组分的绝缘陶瓷，其中A为Ba、Sr和Ca中的至少一种；B为Ti、Zr和Hf中的至少一种；R为La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu和Y中的至少一种；M为Ni、Co、Fe、Cr和Mn中的至少一种。
该绝缘陶瓷具有包括主组分为ABO3的晶粒，和构成晶粒间界面的晶界。当在每一个从晶粒中任意选取的复合晶粒的外围上的四个等分点进行晶界分析时，在所有这四点上有约70％或更多的点存在R和M。换句话说，在该绝缘陶瓷的晶界上，有约70％或更多的区域含有R和M组分。
该绝缘陶瓷的助组分还可以包括Si。在这种情况下，当在每一个从晶粒中任意选取的复合晶粒的外围上的四个等分点进行晶界分析时，在所有这四点上有约70％或更多的点存在R，M和Si。
如果在绝缘陶瓷的晶界上，有小于70％的分析点含有R和M组分或R、M和Si，那么得到的绝缘陶瓷在加速试验的高温和高电压下，其耐绝缘性的寿命缩短，当绝缘陶瓷片3的厚度降低时，可靠性降低，或在用于直流电压时，静电电容量随时间的变化增大。有关内容可参见后面的实施例。
如果构成主组分的A或B组分或Mg、V、B、Al组分和其他的组分也在晶界中，则得到的绝缘陶瓷的电性能则不会变差。
此处所用的术语“晶界”是指两个以ABO3为主组分的晶粒间的区域，或者是三个或更多个晶粒间的区域(“三点”)。更具体地说，在绝缘陶瓷的横截面中，我们可以很清楚地看到在晶粒之间或之中存在一结晶层，该层定义为晶界。而当晶粒彼此直接连接在一起，不能观察到晶粒之间或之中的层状结构时，我们把晶粒连接点或线周围2nm的区域定义为晶界。
内电极4和5包含作为导电组分的碱金属，例如镍、镍合金、铜或铜合金。
外电极8和9包含通过烧结导电金属粉或含有玻璃粉的导电金属粉得到的烧结层。
多层陶瓷电容器1可以采用以下方法制备：
首先，制备用于构成绝缘陶瓷片3的绝缘陶瓷的原料粉末。该原料粉末优选采用以下方式制备。在此实施方案中，采用还含有Si作为助组分的绝缘陶瓷。
首先，合成并研磨ABO3，得到ABO3的粉末。
分别制备含R组分的化合物(以下统称“含R化合物”)、含M组分的化合物(以下统称“含M化合物”)和含Si化合物。
将含R化合物、  含M化合物和含Si化合物相互混合，将得到的混合物煅烧后再进行研磨，得到一个经煅烧的助组分粉末。
将上述制备的ABO3的粉末与经煅烧的助组分粉末进行混合，所得到的粉末混合物作为绝缘陶瓷的原料粉末。
当采用上述方法，分别制备ABO3粉末和经煅烧的助组分粉末，然后再相互混合得到原料粉末时，以此为原料很容易得到在其晶界上R组分和M组分具有相对均匀分布的绝缘陶瓷。将上述原料粉末制成压坯，然后烧制压坯得到绝缘陶瓷。
相反地，如果绝缘陶瓷的原料粉末是通过将所有的组分例如AO、BO2、R2O3、MO和SiO2一次性混合并反应，或是通过将所有的组分例如ABO3、R2O3、MO和SO2一次性混合并反应来制备的，那么所得绝缘陶瓷的晶界趋于在晶界上具有不均匀的组成。
为了降低绝缘陶瓷片3的厚度，制备该陶瓷所用原料粉末中ABO3粉末的平均粒径优选为约0.05-0.7μm。当用作原料的ABO3粉末的平均粒径符合上述范围时，绝缘陶瓷片3的厚度降低到大约1μm是没有问题的。
下一步，加入有机粘合剂和溶剂，并与含有ABO3粉末和经煅烧的助组分粉末的混合物进行混合，形成浆液。将此浆液制成用于构成绝缘陶瓷片3的生坯片。
采用印刷工艺，例如丝网印刷工艺，分别在特定的陶瓷生坯片上形成导电浆料的薄膜，以构成内电极4和5。这些导电浆料薄膜中含有上述的导电组分镍、镍合金、铜或铜合金。内电极4和5也可以采用除印刷方法外的其他技术制备。这些技术包括例如真空沉积法和电镀法。
将多层包括载有导电浆料薄膜的陶瓷生坯片层压，热压后，并按需要切割。因此，得到一个多层压坯，其包含多个陶瓷生坯片和导电浆料薄膜。在多个陶瓷生坯片之间，导电浆料薄膜沿特定的界面形成，并将构成内电极4和5。每一层导电浆料薄膜的一端暴露在多层压坯的一个端面。
将此多层压坯在还原气氛下烧制，得到一个经过烧结的层压制品2，如图1所示。在层压制品2中，陶瓷生坯片构成绝缘陶瓷片3，导电浆料薄膜构成内电极4和5。
然后在层压制品2的端面6和7上形成外电极8和9，分别与内电极4和5的暴露端进行电连接。
制备外电极8和9的材料包括与内电极4和5相同的材料，另外还可以采用如银、钯和银-钯合金的金属，所述金属粉末中还可以含有玻璃粉，如：B2O3-SiO2-BaO玻璃、Li2O-SiO2-BaO玻璃或B2O3-Li2O-SiO2-BaO玻璃。可根据多层陶瓷电容器1的不同应用和不同应用场所来选择合适的材料。
一般地，外电极8和9是这样制备的：将含导电金属粉末的浆料涂布已经过烧制的层压制品2的外表面上，然后再对涂布的浆料进行焙烧。另外也可以在烧制和焙烧之前，将浆料涂布于多层压坯的外表面，然后进行焙烧，使二者同时烧制，得到层压制品2。
随后，在外电极8和9上镀上如镍或铜的金属，形成第一金属沉积层10和11。然后在第一金属沉积层10和11上再镀上如焊料或锡等，形成第二金属沉积层12和13。在多层陶瓷电容器1的某些应用中，导电层如外电极8和9上的金属沉积层10-13的形成可以省略。
绝缘陶瓷构成多层陶瓷电容器1的绝缘陶瓷片3，该绝缘陶瓷具有含有主组分ABO3的晶粒，和构成晶粒之间或之中界面的晶界。当在每一个从晶粒中任意选取的复合晶粒的外围上的四个等分点进行晶界分析时，在所有这四点上有约70％或更多的点存在R，M和Si。由于具有了上述的结构，因此构成绝缘陶瓷片3的绝缘陶瓷具有较高的介电常数，在用于直流电压时，随着温度和时间的变化其介电常数变化很小，并具有较低的介电损失；并且在高温和高电压时，仍具有较高的绝缘电阻和较长的绝缘电阻寿命。因此，即使在绝缘陶瓷片3的厚度降低时，多层陶瓷电容器1仍具有令人满意的可靠性。可参见以下的实施例。
多层陶瓷电容器1还可以含有一些杂质，如Al、Zr、Fe、Hf、Na和N，它们可能对生产过程中的一些步骤，如绝缘陶瓷原料粉末的制备过程产生污染。然而，这些杂质产生的污染并不会明显地影响多层陶瓷电容器1的电性能。
同样，在制备多层陶瓷电容器1的过程中，内电极4和5还可以含有一些杂质，如Fe，但由这些杂质产生的污染不会明显地影响电性能。
本发明的优点将参照以下的实施例中进行阐述。
实施例1
按以下方法制备多层陶瓷电容器。在该实施例中，ABO3和助组分分别采用BaTiO3和Dy2-(NiO，MnO2)-SiO2。其组成见表1。表1中，各组分的含量以相对于每100摩尔ABO3的摩尔数来表示。
                                                                                       表1
                                  主组分                     助组分 添加组分
ABO3 AO   BO     R     M     Si
  1   实施例 100BaTiO3     1.0Dy2O3     1.0NiO0.5MnO2     2.0SiO2
  对比例 100BaTiO3 100BaO   100TiO2     1.0Dy2O3     1.0NiO0.5MnO2     2.0SiO2
  2   实施例 100(Ba0.97，Sr0.03)TiO3     0.5Sm2O30.5Ho2O3     0.3MnO20.2Fe2O3 5B2O3，1.5SiO2，1.0MgO
  对比例 100(Ba0.97，Sr0.03)TiO3 97BaO，3SrO   100TiO2     0.5Sm2O30.5Ho2O3     0.3MnO20.2Fe2O3 5B2O3，1.5SiO2，1.0MgO
  3   实施例 100(Ba0.90，Ca0.10)(Ti0.90，Zr0.09，Hf0.01)O3     0.8Y2O30.25Tm2O3     1.5NiO     2.0SiO2 1.5MgO
  对比例 100(Ba0.90，Ca0.10)(Ti0.90，Zr0.09，Hf0.01)O3 90BaO，10CaO   90TiO29ZrO21HfO2     0.8Y2O30.25Tm2O3     1.5NiO     2.0SiO2 1.5MgO
  4   实施例 100(Ba0.95，Sr0.05)(Ti0.95，Zr0.05)O3     1.2Er2O3     1.0MnO2 0.05V2O5，2.5SiO20.5MgO2
  对比例 100(Ba0.95，Sr0.05)(Ti0.95，Zr0.05)O3     1.2Er2O3     0.5MgO 0.05V2O5，2.5SiO21.0MnO2
  5   实施例 100(Ba0.97，Sr0.03)TiO3     1.5Yb2O3     1.0CoO0.5Cr2O3     1.0SiO2 0.1B2O3，0.8MgO
  对比例 100(Ba0.97，Sr0.03)TiO3     1.5Yb2O3     0.8MgO     1.0SiO2 0.1B2O3，1.0CoO，0.5Cr2O3
首先，称取一定重量的制备主组分的起始原料TiCl4和Ba(NO3)2，将二者与草酸进行反应，得到一个四水合草酸钛氧基钡盐BaTiO(C2O4)·4H2O的沉淀。将该沉淀在1000℃或更高的温度下加热分解得到BaTiO3，将BaTiO3研磨得到BaTiO3粉末。
在球磨机中，将助组分Dy2O3、NiO、MnO2和SiO2按表1中的比例，分别进行湿混合，将所得的混合物在1000℃煅烧2小时，然后研磨得到经过煅烧的助组分粉末。
按表1所示比例，将BaTiO3粉末和经过煅烧的助组分粉末进行混合，得到作为绝缘陶瓷原料粉末的粉末混合物。
在球磨机中，将聚乙烯醇缩丁醛粘合剂和有机溶剂，如乙醇加入到粉末混合物中并进行湿混合，得到陶瓷浆液。
采用刮片法将陶瓷浆液制成薄片，控制薄片的厚度以保证在最终经过烧制后得到的绝缘陶瓷片的厚度为2μm，由此得到长方形的陶瓷生坯片。
采用丝网印刷法将主要含有镍的导电浆料涂布在上述陶瓷生坯片的部分表面上，形成内电极的导电浆料薄膜。
将多层包括载有导电浆料薄膜的陶瓷生坯片，按导电浆料薄膜分别源自得到的层压制品的左右端面的形式进行层压，得到一个多层的压坯。
将此多层压坯在350℃、氮气中加热烧掉粘合剂，然后在表2所示的温度下，在H2、N2和H2O组成的还原气氛下，在氧气分压为10-9-10-12MPa下进行烧制，得到一个经烧结的多层压坯。
将含有导电组分银和B2O3-Li2O-SiO2-BaO玻璃粉的导电浆料，涂覆在经烧结的多层压坯的两端面上，然后在600℃、氮气下焙烧，使外电极和内电极电连接。
上述制得的多层陶瓷电容器的外观尺寸为：宽为1.6mm、长为3.2mm和厚为1.2mm，置于内电极间的每一层绝缘陶瓷的厚度为2mm。该多层陶瓷电容器包含100层有效绝缘陶瓷片，每层相反电极的面积为2.1mm2。
比较例1
采用实施例1的方法和与实施例1相同组成的原料粉末制备多层陶瓷电容器，所不同的是采用将BaCO3、TiO2、Dy2O3、MnO2和SiO2一次性混合，将得到的混合物在1000℃下进行煅烧，然后研磨经煅烧的混合物来制备陶瓷原料粉末。
                                                                             表2
  烧制温度(℃)   介电常数ε     tanδ(％)     CR乘积(ΩF)         温度特性ΔC/C20(％)        温度特性ΔC/C20(％)     高温使用寿命(hr)   介电常数随时间的变化率(％)
    -25℃     85℃     -55℃     125℃
  1   实施例   1180   3310     2.4     8850     -6.5     -6.5     -8.3     -12.0     220   -1.5
  对比例   1180   3350     2.2     3810     -7.0     -10.0     -8.9     -13.9     21   -19.3
  2   实施例   1200   2880     1.5     9500     -5.5     -5.6     -5.0     -11.6     170   -1.3
  对比例   1200   3150     2.0     4890     -6.2     -7.2     -6.2     -14.1     9   -15.2
  3   实施例   1200   2570     1.4     7980     -3.2     -4.5     -4.5     -10.6     230   -1.1
  对比例   1200   2670     1.6     5200     -3.5     -4.4     -6.1     -13.6     22   -12.3
  4   实施例   1160   2610     1.6     10040     -3.4     -2.2     -3.8     -11.1     190   -1.8
  对比例   1160   2730     1.7     4250     -5.0     -2.4     -6.6     -14.5     10   -8.2
  5   实施例   1220   2890     2.6     8640     -7.3     -6.7     -10.0     -12.5     150   -1.1
  对比例   1220   2940     1.8     4570     -7.3     -7.9     -10.5     -13.5     8   -6.2
实施例2
采用实施例1的方法制备多层陶瓷电容器，所不同的是ABO3和助组分分别采用(Ba0.97Sr0.03)TiO3和(Sm2O3，Ho2O3)-(MnO2，Fe2O3)，如表1所示将添加组分B2O3、SiO2和MgO加入到该原料粉末中，并在表2所示温度下烧制得到的多层陶瓷电容器。在该工序中，ABO3组分所采用的(Ba0.97Sr0.03)TiO3是通过混合BaO、SrO和TiO2，并煅烧所得混合物来制备的。
对比例2
采用实施例2的方法，并采用如表1所示的与实施例2组成相同的原料粉末来制备多层陶瓷电容器，所不同的是原料粉末是通过以下方法制备的，先将BaO、SrO、TiO2、Sm2O3、Ho2O3、MnO2和Fe2O3混合，然后煅烧，得到经煅烧的粉末，将该经煅烧的粉末与SiO2、B2O3和MgO粉末混合，得到原料粉末。
实施例3
采用实施例1的方法制备多层陶瓷电容器，所不同的是分别采用如表1所示的(Ba0.90Ca0.10)(Ti0.90Zr0.09Hf0.01)O3作为ABO3组分，(Y2O3，Tm2O3)-NiO-SiO2作为助组分，MgO作为添加组分，并在表2所示温度下烧制得到多层陶瓷电容器。在该工序中，ABO3组分所采用的(Ba0.90Ca0.10)(Ti0.90Zr0.09Hf0.01)O3是通过混合BaO、CaO、TiO2、ZrO2和HfO2并煅烧所得混合物来制备的。
对比例3
采用实施例3的方法，并采用如表1所示的与实施例3组成相同的原料粉末来制备多层陶瓷电容器，所不同的是原料粉末是通过以下方法制备的，将BaO、CaO、TiO2、ZrO2、HfO2、Y2O3、Tm2O3、NiO和SiO2混合并煅烧，得到经煅烧的粉末，将该经煅烧的粉末与MgO粉末混合，得到原料粉末。
实施例4
采用实施例1的方法制备多层陶瓷电容器，所不同的是分别采用如表1所示的(Ba0.95Sr0.05)(Ti0.95Zr0.05)O3作为ABO3组分，(Er2O3，MnO2)作为助组分，V2O5、SiO2和MgO作为添加组分，并在表2所示温度下烧制得到多层陶瓷电容器。在该工序中，ABO3组分所采用的(Ba0.95Sr0.05)(Ti0.95Zr0.05)O3是通过混合BaO、SrO、TiO2和ZrO2并煅烧所得混合物来制备的。
对比例4
采用实施例4的方法，并采用如表1所示的与实施例4组成相同的原料粉末来制备多层陶瓷电容器，所不同的是原料粉末是通过以下方法制备，先将已制备好的ABO3组分(Ba0.95Sr0.05)(Ti0.95Zr0.05)O3与Er2O3和MgO混合，煅烧得到的混合物，并向经煅烧的粉末中加入添加组分V2O5、SiO2和MnO2，得到原料粉末。
实施例5
采用实施例1的方法制备多层陶瓷电容器，所不同的是分别采用如表1所示的(Ba0.97Sr0.03)TiO3作为ABO3组分，(Yb2O3)-(CoO，Cr2O3)-SiO2作为助组分，B2O3和MgO作为添加组分，并在表2所示温度下煅烧得到的多层陶瓷电容器。在该工序中，ABO3组分所采用的(Ba0.97Sr0.03)TiO3是通过混合BaO、SrO和TiO2并煅烧所得混合物来制备的。
对比例5
采用实施例5的方法，并采用如表1所示的与实施例5组成相同的原料粉末来制备多层陶瓷电容器，所不同的是原料粉末是通过以下方法制备的，将预先制备的ABO3组分(Ba0.97Sr0.03)TiO3粉末、预先合成并煅烧的(Yb2O3)-MgO-SiO2粉末、B2O3粉末、CoO粉末和Cr2O3粉末混合，得到原料粉末。
评价
对实施例1-5和对比例1-5所制备的多层陶瓷电容器的性能进行评价。
首先，测定多层陶瓷电容器的介电常数ε，介电损失(tanδ)和绝缘电阻。介电常数ε和介电损失(tanδ)的测试条件为25℃、1kHz、1Vrms。绝缘电阻在场强为4kV/mm下测定，通过向样品施加20V直流电压2分钟，并在+25℃下测定绝缘电阻，计算静电电容量(C)和绝缘电阻(R)的乘积，即CR乘积。
通过评价在-25℃和85℃的静电电容量相对于20℃时静电电容量的变化值(ΔC/C20)，在-55℃和125℃的静电电容量相对于25℃时静电电容量的变化值(ΔC/C25)，来确定多层陶瓷电容器的静电电容量随温度的变化。
测定多层陶瓷电容器的高温使用寿命。在150℃，30V电压，场强为15kV/mm下测定36个样品的绝缘电阻随时间的变化。在测定过程中，当每个样品的绝缘电阻等于或小于200kΩ时的时间即为使用寿命，36个样品的寿命平均值即为高温使用寿命。
在直流电压为3.15V，125℃、1kHz、1Vrms下，测定多层陶瓷电容器的静电电容量随时间的变化。测定施加直流电压60小时后静电电容量的变化，从而确定相对于125℃初始施加直流电压时的静电电容量的变化率。
表2给出了介电常数ε、tanδ、静电电容量-电阻的乘积(CR乘积)、静电电容量随温度变化的温度特性(ΔC/C20和ΔC/C25)、高温使用寿命和静电电容量随温度的变化。
实施例1-5和对比例1-5制备的多层陶瓷电容器中的绝缘陶瓷片的微细结构分别采用以下方法测定：
将多层陶瓷电容器的每一片陶瓷磨成薄片，然后通过采用透射电镜得到的能量分散X-射线谱图(EDX)对晶界上的多个分析点进行元素分析。更具体地，在电镜可观察的范围内，任取一个晶粒，在该晶粒的外围取四个点，使所分割的四部分面积几乎相等，将该四个点作为分析点。如果需要，也可先粗略地计算一下晶粒外围的长度，然后在该外周上等分四个点，以该四个点作为分析点。有的分析点选择在两个晶粒形成的区域外围上，而有的分析点选择在三个或更多个晶粒形成的区域外围上。由相同晶粒形成的每个晶界上仅分析一个分析点。在上述分析中，采用2nm的电子束探针。
表3给出了实施例1-5和对比例1-5样品的分析点上观测到的R、M和Si单独存在或组合存在的百分比。
                                                     表3
    C2或C3的总量     三组分(C3)           两组分(C2)             一组分
    R+M+Si     R+M     R+Si     M+Si     R     M     Si
    1   实施例     93     90     3     1     3     0     0     3
  对比例     40     23     17     20     15     10     7     8
    2   实施例     73     72     1     5     6     6     4     6
  对比例     58     47     11     12     14     8     6     2
    3   实施例     80     73     7     8     3     5     3     1
  对比例     58     43     15     18     15     2     2     5
    4   实施例     87     80     7     5     5     3     0     0
  对比例     35     20     15     20     20     5     10     10
    5   实施例     77     75     2     4     6     5     2     6
  对比例     41     18     23     15     15     13     10     6
图2为实施例1样品在一分析点上的EDX谱图，图3-5为对比例1样品分别在三个分析点上的EDX谱图，根据谱图得到的数据见表3。
从图2中，可观察到实施例1样品R组分的Dy峰、M组分的Ni峰和Si峰。因此，如果图2的EDX谱图是在一个特定的分析点上测定的，那么可以确定所分析的样品在此分析点上含有R、M和Si三组分。
表3给出了各样品中R、M和Si组分单独被检测到或组合被检测到的分析点分别所占的百分含量。该表给出了实施例1样品中R和M两组分被检测到的分析点，和R、M和Si三组分被检测到的分析点，占据总分析点的93％。
在图2的谱图中，被检测到的Fe可能是样品制备中带来的杂质。
相反，在图3的EDX谱图所示的分析点，即在对比例1样品中同时检测到R组分的Dy峰和M组分的Ni峰的分析点数量较少，并且仅占总分析点的40％。通过在三个晶粒之间(即“三点”)形成的晶界上的点分析样品，得到图3所示的EDX谱图。
在对比例1的样品中，图4和图5所示的不能同时检测到R组分的Dy峰和M组分的Ni峰或Mn峰的分析点数量较大。图4显示在分析点中只检测到M组分的Ni峰和Si峰的谱图实例，而图5显示在分析点中只检测到了R组分的Dy峰的谱图实例。
表3还以同样的方式给出了实施例2-5和对比例2-5的分析点百分比。
从表2的数据可以看到，实施例1-5分别与对比例1-5相比，具有非常令人满意的高温使用寿命和较好的静电电容量随时间变化特性，并在介电常数、tanδ、静电电容量-电阻乘积(CR乘积)和静电电容量随着温度变化等性能上都十分令人满意。
这主要是因为如表3所示，在对比例1-5中，被检测到R和M两组分的分析点和被检测到R、M和Si三组分的分析点，占据总分析点的含量小于约70％，而实施例1-5中则占据总分析点的约70％或更多。
对于本领域的技术人员而言，其它方案和变化将是很明显的，并且本发明不限于上述具体方案。

Claims (20)

1.一种绝缘陶瓷，包含：
ABO3晶粒，其具有构成晶粒间界面的晶界，
其中A选自Ba、Sr、Ca和其组合；B选自Ti、Zr、Hf和其组合；
和
助组分R和M，
其中R选自La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y和其组合，M选自Ni、Co、Fe、Cr、Mn和其组合；
其中当在每一个从晶粒中任意选取的复合晶粒的外围上的四个等分点进行晶界分析时，在所有这四点上有70％或更多的点存在R和M。
2.根据权利要求1所述的绝缘陶瓷，其中A包含Ba，B包含Ti。
3.根据权利要求2所述的绝缘陶瓷，其中R选自Sm、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Y和其组合。
4.根据权利要求3所述的绝缘陶瓷，其中B为Ti。
5.根据权利要求1所述的绝缘陶瓷，其中每100摩尔ABO3中R和M的含量小于5摩尔。
6.一种绝缘陶瓷，包含：
ABO3晶粒，其具有构成晶粒间界面的晶界，
其中A选自Ba、Sr、Ca和其组合，B选自Ti、Zr、Hf和其组合；
和
助组分R、M和Si，
其中R选自La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y和其组合，M选自Ni、Co、Fe、Cr、Mn和其组合；
其中当在每一个从晶粒中任意选取的复合晶粒的外围上的四个等分点进行晶界分析时，在所有这四点上有70％或更多的点存在R、M和Si。
7.根据权利要求6所述的绝缘陶瓷，其中A包含Ba，B包含Ti。
8.根据权利要求7所述的绝缘陶瓷，其中R选自Sm、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Y和其组合。
9.根据权利要求8所述的绝缘陶瓷，其中B为Ti。
10.根据权利要求6所述的绝缘陶瓷，其中每100摩尔ABO3中R、M和Si的含量小于5摩尔。
11.一种制备绝缘陶瓷的方法，包括以下步骤：
提供一种ABO3粉末，
其中A选自Ba、Sr、Ca和其组合；B选自Ti、Zr、Hf和其组合；
提供一种经过煅烧的助组分粉末，包括经煅烧和研磨的含R化合物和含M化合物的混合物，
其中R选自La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y和其组合，M选自Ni、Co、Fe、Cr、Mn和其组合；
将ABO3粉末与经过煅烧的助组分粉末混合，并将得到的混合物制成生压坯；和
烧制该生压坯。
12.根据权利要求11所述的制备绝缘陶瓷的方法，其中A包含Ba，B包含Ti。
13.根据权利要求11所述的制备绝缘陶瓷的方法，其中每100摩尔ABO3中R和M的含量小于5摩尔。
14.根据权利要求11所述的制备绝缘陶瓷的方法，其中ABO3粉末的平均粒径为0.05-0.7μm。
15.根据权利要求11所述的制备绝缘陶瓷的方法，其中经过煅烧的助组分粉末中还包括含Si的化合物。
16.根据权利要求15所述的制备绝缘陶瓷的方法，其中A包含Ba，B包含Ti。
17.根据权利要求15所述的制备绝缘陶瓷的方法，其中每100摩尔ABO3中R、M和Si化合物的含量小于5摩尔。
18.根据权利要求15所述的制备绝缘陶瓷的方法，其中ABO3粉末的平均粒径为0.05-0.7μm。
19.多层陶瓷电容器，包括一个层压制品，该层压制品有一外表面，包括多层绝缘陶瓷片、内电极和外电极，绝缘陶瓷片相互层压，内电极置于绝缘陶瓷片之间的界面上，外电极置于层压制品的外表面上并与内电极的特定一端电连接，其特征在于，绝缘陶瓷片含有权利要求6所述的绝缘陶瓷，内电极含有碱金属。
20.多层陶瓷电容器，包括一个层压制品，该层压制品有一外表面，包括多层绝缘陶瓷片、内电极和外电极，绝缘陶瓷片相互层压，内电极置于绝缘陶瓷片之间的界面上，外电极置于层压制品的外表面上并与内电极的特定一端电连接，其特征在于，绝缘陶瓷片含有权利要求1所述的绝缘陶瓷，内电极含有碱金属。
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