陶瓷材料和包含所述陶瓷材料的電容器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于電容器的陶瓷材料。為了實現(xiàn)將所述材料裝配到具有反鐵電性質(zhì)的多層電容器時減少的自發(fā)熱和高的介電常數(shù)，具有式[Pb(1?r)(BaxSryCaz)r](1?1.5a?1.5b?0.5c)(XaYb)Ac(Zr1?dTid)O3的陶瓷材料被提出，其中X和Y都代表稀土金屬，所述稀土金屬選自由La，Nd，Y，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er和/或Yb組成的組；其中A代表一價離子；x+y+z＝1；x和/或y和/或z>0；0<r<0.3；0<d<1；0<a<0.2；0<b<0.2；0<c<0.2。
【專利說明】陶瓷材料和包含所述陶瓷材料的電容器
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種陶瓷材料。
[0002] 此外，本發(fā)明設(shè)及運種類型材料的用途。
[0003] 最后，本發(fā)明還包括電容器，尤其是多層電容器。
[0004] 電容器被用于電氣工程的很多領(lǐng)域，例如用于電機驅(qū)動裝置的AC/DC變換器，W及 例如，用于在DC/DC電路中提高電壓、降低電壓和/或穩(wěn)定電壓。在運種類型的應(yīng)用中，往往 提供具有二極管的半導(dǎo)體開關(guān)(被稱為"逆變器電路"）和額外的電路，其中電容器被放置在 運些電路之間，運種電容器也被稱為中間電路電容器。為了提高電壓參數(shù)和電流參數(shù)，串聯(lián) 和并聯(lián)多個電容器也由此成為可能。
[0005] 在提到的中間電路電容器的情況中，操作多變電流和電壓時，在急速發(fā)生的并且 數(shù)量上顯著的改變期間，放置在額外電路之間的電容器具有保持中間電路電壓穩(wěn)定的任 務(wù)。通常由此而產(chǎn)生的問題是，因為電容器所處的環(huán)境，電容器設(shè)計的可能性受到了半導(dǎo)體 W及由基板和必需的導(dǎo)線引發(fā)的要求的限制。由此而論，電容器的期望理想?yún)?shù)被具有半 導(dǎo)體元件的電路的低于理想情況的次級屬性伴隨和/或影響就尤其成問題，運些屬性能夠 顯著影響設(shè)計的限制。運些限制性的次級屬性也被稱為"寄生"次級屬性。
[0006] 對于半導(dǎo)體，存在不同組件的若干種類，每一種都具有特定的優(yōu)點和缺點?；谕?的半導(dǎo)體開關(guān)是公知的，例如，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT)或者金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng) 晶體管(M0SFET)，和具有除娃外其他基礎(chǔ)材質(zhì)的相應(yīng)組件，尤其例如神化嫁(GaAs)、氮化嫁 (GaN)或碳化娃(SiC)。所有之前提到的組件，盡管具有特定的優(yōu)點，但是，都具有提到的寄 生屬性。運些屬性對各種期望的功能幾乎都存在。例如，存在運樣的結(jié)果，期望的高電流通 過已知的式子U=-L dlAlt快速轉(zhuǎn)換，即對高電流(大dl)快速的轉(zhuǎn)換操作(小化），甚至是低 感應(yīng)系數(shù)L和高(過)電壓，所述感應(yīng)系數(shù)由自感和線路電感構(gòu)成，所述電壓會造成半導(dǎo)體自 損壞。據(jù)此，如果要求運種類型的問題永久性地得到解決的話，適當?shù)脑O(shè)計措施和反措施是 必需的。為了解決運個問題，中間電路電容器典型地是過大的，一方面是為了切斷過電壓， 另一方面是為了補償由于寄生串聯(lián)阻抗導(dǎo)致的半導(dǎo)體的柵電容減少的充電/放電率。因此， 應(yīng)用環(huán)境決定了電容器的設(shè)計。
[0007] 另一個寄生屬性是泄露電流，其幾乎總是導(dǎo)致巨大的溫度升高，而溫度升高必須 被限制在一定的允許量級內(nèi)。雖然就運一點而言準確地說，半導(dǎo)體在更高的溫度下非常堅 固并且尤其高效，但是，過分的溫度和/或重復(fù)的材料-壓力溫度改變最終會導(dǎo)致運些元件 中的材料損壞，或者至少限制連接到半導(dǎo)體或者位于半導(dǎo)體鄰近位置的材料的使用壽命， 例如基板或者連接器件，尤其是電容器也是如此。
[000引關(guān)于熱穩(wěn)定性，電容器具有窄的限制，尤其是在高電流和高電壓情況下使用時。對 于所有電容器技術(shù)，由于隨著溫度不斷升高，泄露電流升高并且阻斷電壓降低，運點也必須 在設(shè)計時考慮到。因為電路中的半導(dǎo)體產(chǎn)生熱量，W及由于電容器自身對溫度升高的貢獻， 除了在任何情況下都要使電容器過大之外，將電容器安置在距離半導(dǎo)體一定的距離的位 置，W能夠有效冷卻，從而使溫度處于預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)，在先前就已經(jīng)是有必要的了。然而，由 于運樣的間隔，要求的更長的電連接總是具有相應(yīng)的電感，所述電感在上述式子方面是反 生產(chǎn)的，并且使電容器的額外的過大成為必需。
[0009] 在現(xiàn)有技術(shù)中，各種各樣的電容器技術(shù)已經(jīng)被大家所知道，尤其是陶瓷多層電容 器，侶電解質(zhì)電容器和金屬薄膜電容器。具體地，電容、電壓、脈動電流、等效串聯(lián)電阻、損耗 系數(shù)、頻率響應(yīng)、電容穩(wěn)定性和降額電壓被用作用于特殊使用目的的評估參數(shù)，溫度特性， 可靠性，能量密度和成本也是。鑒于運些評估參數(shù)和標準，侶電解質(zhì)電容器和金屬薄膜電容 器主要在能量范圍起于大約IkW的情況下使用，而陶瓷電容器在比所述能量范圍更低的能 量范圍下使用。
[0010] 組件向小型化方向發(fā)展的一般趨勢也適用于電可移動設(shè)備，并且因此，對于一些 組件，如之前提到的用于電機驅(qū)動裝置的AC/DC變換器也是如此。對于與逆變器相關(guān)的電子 組件，存在被設(shè)計的顯著更小且更有效的需求。關(guān)于電容器，如果隨著電壓的升高直到逆變 器要求的高電壓為止將被使用的X7R電容器的電容不會降低，那么，陶瓷多層電容器的性能 優(yōu)于侶電解質(zhì)電容器或者金屬薄膜電容器(M. MSrz，EC陽汽車電力電子路標，ECPE-冊PE汽 車電力電子研討會，2008年10月7-8日）。例如，在典型的電壓大約400V左右，電容因此降低 到例如額定值的25%;另外，能量存儲僅僅通過電場力產(chǎn)生，幾乎沒有任何偏振組件的增 加。然而，已知一些材料，電容最初增加，達到最大值，之后才再次衰減（US 7781358; (C.K. Campel 1等，組件和包裝技術(shù)的IE邸會報，2002年，第25卷第2期，211頁））。對于操作電 壓，能量存儲也通過偏振能達到一個很高的程度。在應(yīng)用條件下，可獲得的高容量密度由此 證明是顯著的優(yōu)點，其與常規(guī)陶瓷電容器相反。然而，由于一個顯著的缺點，相當貴重的金 屬鈕或者銀/鈕合金被用作運些材料的內(nèi)部電極。運在單個應(yīng)用中尚可接受，例如醫(yī)藥設(shè) 備，但是作為廣泛的經(jīng)濟應(yīng)用不可取。
[0011] 替代鈕或者銀/鈕合金，通過調(diào)整電容器中陶瓷材料的組成，使用銅作為內(nèi)在電極 最近也成為可能(W0 2013/152887 A1)。運種類型的電容器呈現(xiàn)出卓越的高頻率性能。另 夕h銅是劃算的。具有銅作為內(nèi)在電極W及基于錯鐵酸鉛(PZT)的陶瓷基組件的相應(yīng)多層電 容器也已經(jīng)在要求高性能的電子設(shè)備中使用。然而，自熱的問題仍然存在。
[0012] 基于所呈現(xiàn)的現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目標是詳細說明具有高的介電系數(shù)并適用于生 產(chǎn)具有低自熱的電容器，尤其是多層電容器，的陶瓷材料，因此，所述陶瓷材料可W被安置 緊鄰半導(dǎo)體。
[001引此外，本發(fā)明的目標是闡明運種類型材料的用途。
[0014] 最后，本發(fā)明的目標是詳細說明在使用過程中具有低自熱高性能的電容器。
[0015] 第一個目標是通過具有下式的陶瓷材料被達成：
[0016] [Pb(l-r)(BaxSry(^lz)r](l-1.5a-1.5b-0.5c)(XaYb)Ac(Z；ri-dTid)〇3
[0017] 其中
[0018] X和Y分別是稀±金屬，所述稀±金屬選自包括銅化a)，欽(Nd)，錠(Y)，館化U)，禮 (Gd)，鋪(Tb)，鋪(Dy)，鐵(Ho)屑犧)和/或鏡(Yb)的組；
[0019] A代表一價離子；
[0020] x+y+z = l；
[0021] X 和/或 y 和/或 z〉0;
[0022] 0<r《0.3;
[0023] 〇《杉1;
[0024] 0《a《0.2;
[00 巧]〇《b《0.2;
[0026] 0《c《0.2。
[0027] 本發(fā)明概念上的范圍包括運樣的想法，電容器中的陶瓷材料使用過程中的自熱可 W被減少，因此充放電操作被促進。運個想法出發(fā)點是，在反鐵電材料中，介電位移依賴于 電容器材料的結(jié)構(gòu)態(tài)，宏觀偏振由離子單位微觀取向進行，反之亦然。在運種情況下，充放 電操作可W被看做是偏振波，偏振波的載體是偏振晶格的晶格振動。運些晶格振動是結(jié)構(gòu) 依賴的并且具有特定的頻率和能量密度。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，反鐵電材料的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是由鐵酸 鹽八面體在頂點連接形成的AB化型巧鐵礦結(jié)構(gòu)，其中能量較低的晶格振動構(gòu)成第一近似所 述八面體禪合的傾斜/轉(zhuǎn)動的振動。取決于陶瓷的形態(tài)，八面體的傾斜角決定了各種相態(tài) (反鐵電相，鐵電相或順電相）。介電常數(shù)和損失角的量級分別對應(yīng)于振幅和振動衰減。
[0028] 根據(jù)所考慮的內(nèi)容，準確地說，運些集合的晶格振動在結(jié)構(gòu)水平上應(yīng)該更加容易 可激發(fā)，運是理論考慮內(nèi)容的第一個方面。
[0029] 考慮的第二個方面是，在多層電容器里期望使用劃算的銅內(nèi)電極。對于運些電容 器，必須要額外克服的問題是僅允許低的燒結(jié)溫度。然而，為了借助于燒結(jié)助劑促進燒結(jié)而 不得不產(chǎn)生的缺陷結(jié)構(gòu)在組成方面只能在很窄的限制范圍內(nèi)進行調(diào)整。為此，根據(jù)現(xiàn)有技 術(shù)，單價滲雜離子被使用，所述離子大概被引入至運樣的程度，W至于對于反鐵電相關(guān)鍵的 離子針對價態(tài)被補償。作為發(fā)明的一部分，現(xiàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，晶格動力學(xué)的有目標控制開啟了在 保持典型的燒結(jié)助劑的同時降低自熱的可能性。本發(fā)明基于運樣的概念，當傾斜/轉(zhuǎn)動的振 動在靜止位置周圍具有能量平的發(fā)展時，自熱將是最低的。應(yīng)用于巧鐵礦結(jié)構(gòu)，運意味著結(jié) 構(gòu)相轉(zhuǎn)化可W被近似。根據(jù)本發(fā)明，運通過將鉛(Pb)部分替換為領(lǐng)(Ba)來實現(xiàn)。在進一步的 實施方案中，晶格間隙可W被鎖(Sr)和巧(Ca)補償。然而，因為結(jié)構(gòu)相轉(zhuǎn)化會阻礙反鐵電相 的形成，由于運個原因，相轉(zhuǎn)化僅僅只能被近似，Ba，Sr和Ca的含量必須被調(diào)整W使0<r《 0.3。
[0030] 先前提到的考慮內(nèi)容的具體實施表明，通過使用Ba，Sr和/或Ca來部分取代饑，反 鐵電陶瓷材料的結(jié)構(gòu)可W被調(diào)整W至于:一方面，在電容器中使用期間自熱顯著減少;另一 方面，優(yōu)選的銅內(nèi)電極可W在多層電容器中應(yīng)用。也可W取代Ba的錫(Sn)不被采用，由于即 使使用Sn可能會降低自熱，但是，在運種情況下，伴隨使用銅內(nèi)電極時的同樣的期望的燒結(jié) 能力不能得到保證。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明，為了對晶格或者材料形成產(chǎn)生有利的影響，0.01《r《0.2是優(yōu)選的。
[0032] 陶瓷材料下值實施是尤其優(yōu)選的：
[0033] 〇.〇1《χ<1;
[0034] 〇《y《〇.99;
[0035] 0《z《0.2。
[0036] 如果Ba是必需采用的，那么由于優(yōu)化的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致所述材料在電容器中使用期間有 低的自熱。運被針對于晶格間隙的優(yōu)化的Sr和化的可能存在進一步加強。
[0037] 如果只有Ba被采用，所述材料呈現(xiàn)：
[003引 y 和z=0;
[0039] 0.1《r《0.2。
[0040] 如果采用〇<y《〇. 99的實施方案，其中Ba含量大于Sr含量，多層電容器中的損失角 W及由此的自熱可W被尤其有效的最小化。
[0041] 為了進一步強化，&1與Sr和/或化同時存在可W被采用，
[0042] 其中
[0043] 〇.〇1《χ<1;
[0044] 〇<y《〇.99;
[0045] 0<z《0.2;
[0046] 因此，在所述材料在多層電容器中使用期間，損失角和由此的自熱可W被減少直 至80%。至于錯(Zr)和鐵(Ti)的含量，優(yōu)選的具體范圍是0.01《(1《0.70，尤其是0.03《(1《 0.52〇
[0047] -價離子A本身并不是決定性的，但是優(yōu)選地選自包括鋼(化）、鐘化）、裡化i)和/ 或銀(Ag)的組，其中，化被證明在降低燒結(jié)溫度方面尤其有用，從而對銅內(nèi)電極的燒結(jié)能力 尤其有用。一價離子A，尤其是化，可WW3%至Ij7%，或者0.03《〇《0.07，尤其是0.04《〇《 0.06的低含量存在。相應(yīng)的含量已經(jīng)足夠來降低燒結(jié)溫度到最大1050°C，其代表了使用銅 內(nèi)電極時的最大燒結(jié)溫度。在一價離子中，化，K和Li比Ag更優(yōu)選，其中W上所有的一價離子 中，Na被證明尤其合適。
[0048] 作為稀±金屬，優(yōu)選地，銅化a)單獨使用或者與欽(Nd)組合使用。在通?？蒞用 AB化表示的巧鐵礦結(jié)構(gòu)中，其中A和B分別代表A空間和B空間，稀±金屬占據(jù)A空間代替Pb。 由于La和ND是Ξ價的，像之前提到的其他稀±金屬，運是一個給體滲雜，所述給體滲雜被受 體滲雜用一價離子A補償。運種共滲雜對最高可能的介電系數(shù)是有利的。La尤其優(yōu)選，其中， 優(yōu)勢的含量是0.04《曰《0.18，尤其是0.04《曰《0.16，例如0.04《曰《0.07可^被采用。在 運種情況下，Nd可W被省略，所Wb = 0。
[0049] 根據(jù)依照本發(fā)明的陶瓷材料的上述闡明的優(yōu)點，所述材料優(yōu)選被使用在電容器 中，尤其是多層電容器。
[0050] 本發(fā)明將在下文中借助示例性的實施方案被更詳細的解釋。
[0051] W下描述的陶瓷材料可W使用傳統(tǒng)的混合氧化過程獲得，即將基于例如氧化物、 醋酸鹽、硝酸鹽和/或碳酸鹽的前驅(qū)體在l〇〇〇°C到115(TC的溫度范圍內(nèi)燒結(jié)?？商鎿Q地，溶 膠-凝膠法也可W用來在初始階段將金屬醋酸鹽和/或金屬醇鹽的溶液形成溶膠，所述溶膠 通過干燥和后續(xù)般燒的手段轉(zhuǎn)化為最終的陶瓷材料。
[0052] 下表1中列出的實施例依照混合氧化的方法被生產(chǎn)，其中制造的反鐵電材料的通 式如下：
[0053] [Pb(i-r)(BaxSryCaz)r] (0.65) (Lao. iNdo.i)Nao.i(Z;r〇.6Tio.4)〇3
[0054] 不同含量的Ba，Sr和/或Ca構(gòu)成部分的起始材料，所述起始材料被燒結(jié)，并且W運 種方式被引入到最終材料中。
[0055] 表1:示例性的實施方案
[0化6]
[0057]如表1，通過Ba，Sr和/或Ca的滲合，丟失角可W被減少70%到80%，運導(dǎo)致材料在 多層電容器中使用時自熱相應(yīng)減少。
[005引如果化和Ti的含量被調(diào)整，還是可W獲得相似的結(jié)果，例如，具有Ba，Sr和/或化替 換的陶瓷材料的通式如下：
[0059] [Pb(i-r)(BaxSryCaz)r] (0.65) (Lao. iNdo.i)Nao.i(Z;r〇.9Tio.i)〇3
[0060] 由于自熱被極大減少，所W，具有根據(jù)本發(fā)明的陶瓷材料和安置于其間的銅內(nèi)電 極的多層電容器尤其適用于空間-節(jié)約電路。W運種方式，例如將多層電容器安置在多個半 導(dǎo)體二極管之間成為可能，從而制造了具有最小的可能損失的空間優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并使電磁福 射最小化。
【主權(quán)項】
1. 一種具有下式的陶瓷材料： [Pb(l-r) ( BaxSiyCaz ) r ] (l-l. 5a-l. 5b-〇. 5c) (XaYb ) Ac ( Ζ??-dTid ) 〇3 其中 X和Y分別是稀土金屬，所述稀土金屬選自包括La，Nd，Y，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er和/或Yb的 組； A代表一價離子； x+y+z = 1 ； x和/或y和/或z>0; 0<r^0.3； O^d^l； 0^a^0.2； 0^b^0.2； 0^c^0.2〇2. 如權(quán)利要求1所述的陶瓷材料，其中 0·01?0·2〇3. 如權(quán)利要求1或2所述的陶瓷材料，其中 0.01彡χ〈1; (Xy^i0.99; 0^z^0.2〇4. 如權(quán)利要求3所述的陶瓷材料，其中 y 和 z = 0; 0·1?0·2〇5. 如權(quán)利要求3所述的陶瓷材料，其中 0<y^；0.99； Ba含量大于所述Sr含量。6. 如權(quán)利要求3所述的陶瓷材料，其中 0.01彡x〈l; 0<y^；0.99； 0<z^0.2； Ba含量大于所述Sr含量，Sr含量大于所述Ca含量。7. 如權(quán)利要求1到6之任一項所述的陶瓷材料，其中 0.010彡(1彡0.70，特別地0.03彡(1彡0.52。8. 如權(quán)利要求1到7之任一項所述的陶瓷材料，其中A選自包括Na，K，Li和/或Ag的組。9. 如權(quán)利要求1到8之任一項所述的陶瓷材料，其中)(代表La，Y代表Nd。10. 如權(quán)利要求1到9之任一項所述的陶瓷材料，其中所述的材料是反鐵電的。11. 一種如權(quán)利要求1到10之任一項所述的陶瓷材料用于電容器，特別是多層電容器的 用途。12. -種包括如權(quán)利要求1到10之任一項所述的陶瓷材料的電容器。13. -種包括至少一層如權(quán)利要求1到10之任一項所述的材料的多層電容器。14. 如權(quán)利要求11所述的多層電容器，其中內(nèi)部電極是由銅形成的。15. -種包括如權(quán)利要求13或者14所述的多層電容器的用于電機驅(qū)動裝置的逆變器。
【文檔編號】H01G4/30GK106029606SQ201580009101
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年2月13日
【發(fā)明人】京特·恩格爾
【申請人】京特·恩格爾