探究成型工艺对高介单层微波陶瓷电容器性能的影响

<P>摘要:分别采用轧膜与流延两种成型工艺制备了SrTiO3高介单层微波陶瓷电容器材料，对比研究<A href="http://www.51lunwen.org/publishedpapers.html">论文代发网</A>提供<A href="http://www.51lunwen.org/publishedpapers.html">论文代发表</A>服务 <BR>了两种成型工艺对其结构与性能的影响。研究表明：对于轧膜工艺而言，电容器陶瓷材料的εr和密度随着轧膜次数增加呈单峰效应，瓷料脱辊后轧膜70次左右可获得表面平整、结构致密、介电性能良好的电容器陶瓷材料。和流延工艺相比，轧膜工艺制备的电容器陶瓷材料εr较大，电容量温度变化率较小。</P> <P><BR>关键词:钛酸锶；高介单层微波电容器；轧膜工艺；流延工艺</P> <P><BR>Abstract:Single layer microwave ceramic capacitor materials of SrTiO3 with high permittivity was prepared by twokinds of forming process including roll forming process and tape-casting process.The effects of two kinds of formingprocess on the microstructure and properties of prepared capacitor materials were investigated.The results indicate that,theεr and density of capacitor materials have unimodal action with the increasing roll times,and the capacitor material preparedby the roll forming process with 70 roll times possesses flat surface,compact structure and good dielectric properties.Comparing with the tape-casting process,the capacitor material prepared by the roll forming process possesses largerεr,lower percentage of capacitance variation with temperature.<BR>Key words:SrTiO3;single layer microwave capacitor with high permittivity;roll forming process;tape-casting process<BR>目前，陶瓷电容器的主流产品是多层陶瓷电容器（<A href="http://www.51lunwen.org/publishedpapers.html">论文代发网</A>提供<A href="http://www.51lunwen.org/publishedpapers.html">论文代发表</A>服务 <BR>MLCC），但是随着电子设备向小型化、高频化发展，国外的AVX、Johanson、ATC、DLI等公司投入巨资开发微型微波陶瓷电容器。因为该电容器与MLCC相比具有较低的串联等效电阻、高的品质因数和高的可靠性，更能满足微波和毫米波频段电子线路的苛刻要求[1]。并广泛适用于微波集成电路(MIC)、微波单片集成电路(MMIC)，如：放大器、振荡器和混频器等，可实现隔断直流、RF旁路、有源旁路、滤波、阻抗匹配和共面波导等功能。国外的AVX、Johanson、ATC和DLI等公司目前均有产品出售，产品也系列化，产品的电容量在0.1~1 000.0pF，产品的尺寸在(0.400~0.800)mm×(0.400~0.800)mm×(0.127~0.200)mm，其中用量最大、技术难度最大的是高介高稳定的大容量单层微波陶瓷电容器。国内众多电子企业与电子研究所均大量进口，广泛用于计算机通讯、微波和毫米波器件中，年进口金额在千万以上。研制开发大容量单层微波陶瓷电容器，弥补我国高性能、微小型微波陶瓷电容器生产的重大技术缺失，是一项十分紧迫的任务。制作高介单层微波陶瓷电容器的关键之一是致密、平整、厚度小于0.2 mm的薄型高介高稳定陶瓷基片的制备。目前高介单层微波陶瓷电容器的陶瓷基片制备主要有轧膜和流延两种成型工艺。笔者拟对这两种成型工艺进行优化，对比两种成型工艺对高介单层微波陶瓷电容器性能的影响规律，为今后该类电容器的工业化制备奠定基础。1实验SrCO3和TiO2按SrTiO3陶瓷的化学计量比配料，添加微量的Ta2O5、SiO2和Al2O3[2-3]，在球磨机去离子水中球磨24 h，经烘干、过180μm（80目）筛，在1 280℃预烧3 h，在去离子水中进行二次球磨24h，经烘干、过180μm（80目）筛制得瓷料。该瓷料经轧膜或流延工艺分别制得尺寸在15.0 mm×15.0mm×0.2 mm的陶瓷生坯；经在空气中1 310℃排胶2 h后，在N2＋H2还原气氛中1 400~1 450℃烧结3h后，上晶界涂覆料于1 060~1 160℃空气中热处理1 h，最后电极金属化得到高介单层微波陶瓷电容器(以下简称电容器)[4-6]，进行介电性能测试。实验中采用Agilent 4284A型LCR仪测试电容器的常温电容量C和tanδ，并与配套的计算机自动控制系统在1 kHz，1 V下测试电容器的电容温度特性及介温特性，温度实验箱的升温速率为5℃/min，温度范围是–55℃至125℃；陶瓷材料（未被银）的显微结构用Hitachi S530扫描电子显微镜观察。<IMG src="http://guanli.51lunwen.org//static.51lunwenwang.com/2010/1130/201011301115263753.jpg"><BR>2结果与分析<BR>2.1轧膜工艺研究轧膜工艺是先将粘合剂、增塑剂、水及陶瓷粉体拌匀形成塑性料团，然后将其置于轧膜机的两辊轴之间进行混炼，使陶瓷粉料与粘合剂、增塑剂、溶剂充分混合均匀。为了使泥料高度均匀以及粘合剂与粉粒之间有充分的接触，必须保持足够的混炼工作量，反复轧炼，以达到要求的均匀度、致密度、光洁度和厚度[7]。如果轧膜的次数过少，会使得瓷料不够均匀，致密度差，膜片易干裂，气孔率大，严重影响电容器的性能。这样有必要对瓷料脱辊后轧膜次数进行具体的研究。实验中对脱辊后轧膜次数分别为50，70，85和100次的陶瓷所制电容器之性能进行测试对比。表1是轧膜次数对制备的电容器的性能的影响。图1是用不同轧膜次数的陶瓷所制备电容器的电容量温度变化率?C•C–1及tanδ与温度的关系曲线。表1轧膜次数对制备电容器的性能的影响Tab.1 Properties of capacitors prepared by the roll forming process withdifferent roll timestanδ/10–2?C•C–1/%轧膜次数ρ/(g•cm–3)εr/104常温125℃–55℃125℃50 5.152 3.3 0.8 5.4 18.0–6.170 5.203 4.1 0.9 3.1 16.5–2.785 5.306 4.2 1.0 4.9 17.2–5.6100 5.163 3.4 1.1 5.0 19.3–7.7由表1可以看出，在同样的烧结工艺下，电容器的εr和密度ρ与轧膜次数都呈单峰效应。这是由于随着轧膜次数增加，经过多次折叠，90o转向反复轧炼，达到良好的均匀度、致密度、光洁度。生坯平面内陶瓷晶粒接触点增大，生坯密度增大，而生坯密度的高低对陶瓷的致密化烧结即微观结构有直接的影响。在烧结过程中，由于粘合剂挥发比较均匀，有利于陶瓷晶粒均匀生长，故密度较高。密度越大则陶瓷气孔率越少，εr也越大。但轧膜次数不宜过多，如果轧膜次数过多，轧膜过程中水分过度挥发，膜片容易干裂，气孔率增大、不致密。如瓷料脱辊后轧膜100次，电容器的εr反而减小，虽然εr随温度变化不大，但是tanδ随温度变化明显增大。关于这点，从图1可以看出，轧膜次数为70次，125℃时tanδ仅为3.1×10–2。适当优选轧膜次数，能获得在高温tanδ小的薄型介质材料。图1轧膜次数对所制电容器?C•C–1、tanδ与温度的关系的影响Fig.1?C•C–1and tanδof capacitors prepared with different roll timeschange with the temperature2.2轧膜与流延工艺对比研究流延工艺是在陶瓷粉料中加入溶剂进行湿式混磨，再加入粘合剂、增塑剂、润滑剂等进行混磨以形成稳定的、流动性良好的浆料。料浆从料斗下部流至向前移动着的薄膜载体之上，生坯的厚度由刮刀控制。坯膜连同载体进入巡回热风烘