電容器用陶瓷介質(zhì)材料

主要起草單位：中華人民共和國(guó)電子部 。 2100433B

1996年9月9日，《電容器用陶瓷介質(zhì)材料》發(fā)布。

1997年5月1日，《電容器用陶瓷介質(zhì)材料》實(shí)施。

陶瓷材料具有優(yōu)越的電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)等性質(zhì)，可用作電容器介質(zhì)、電路基板及封裝材料等。

陶瓷電容器陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)

陶瓷材料是由氧化物或其他化合物制成坯體后，在接近熔融的溫度下，經(jīng)高溫焙燒制得的材料。通常包括原料粉碎、漿料制備、坯件成型和高溫?zé)Y(jié)等重要過(guò)程。陶瓷是一個(gè)復(fù)雜的多晶多相系統(tǒng)，一般由結(jié)晶相、玻璃相、氣相及相界交織而成，這些相的特征、組成、相對(duì)含量及其分布情況，決定著整個(gè)陶瓷的基本性質(zhì)。

陶瓷中的晶相通常指那些大小不同、形狀不一、取向隨機(jī)的晶粒，晶粒的直徑通常為幾微米至幾十微米。晶相可以同屬一種化合物或一種晶系，也可以是不同化合物或不同晶系。陶聲中若存在兩種以上組成和結(jié)構(gòu)互不相同的晶粒時(shí)，則稱(chēng)其為多晶相陶瓷，其中相對(duì)含量最多產(chǎn)品相稱(chēng)為主晶相，其他的稱(chēng)為副品相。其中主晶相的性能基本上決定了材料的性能，如相對(duì)f電常數(shù)、電導(dǎo)率、損耗及熱膨脹系數(shù)等。所以，要獲得性能良好的陶瓷，就必須選擇適當(dāng)?shù)模壕?。此外，還應(yīng)考慮晶粒的大小、均勻程度、晶粒取向、晶界形成及雜質(zhì)分布等情況。

晶粒間界是指兩個(gè)晶粒之間的過(guò)渡區(qū)，在這個(gè)過(guò)渡區(qū)內(nèi)，品格結(jié)構(gòu)的完整性或化學(xué)成分與晶粒體內(nèi)有顯著的區(qū)別。在晶粒間界上通常聚集著大量的位錯(cuò)、熱缺陷與雜質(zhì)缺陷，因而對(duì)陶瓷材料的力學(xué)性能和電學(xué)性能有重大影響。

氣相一般分布于晶界、重結(jié)晶晶體內(nèi)和玻璃相中，它是陶瓷組織結(jié)構(gòu)中很難避免的一部分。其來(lái)源于燒成過(guò)程中各個(gè)晶粒之間不可能實(shí)現(xiàn)完全緊密的鑲嵌，玻璃相也不可能完全填充各個(gè)晶粒的空隙；也可能是由于坯料燒結(jié)時(shí)釋放出氣體而形成的氣孔。氣相會(huì)嚴(yán)重地影響陶瓷材料的電學(xué)性能、力學(xué)性能和熱學(xué)性能。一般希望陶瓷中氣相的含量越少越好。

陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)決定了材料的一系列力學(xué)性能和電學(xué)性能。一致的晶粒組成，微細(xì)晶粒的均勻分布及致密的燒結(jié)體，可使陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度和介電性能達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。

陶瓷電容器電容器瓷介的特點(diǎn)與分類(lèi)

陶瓷電容器（如圖所示）是在陶瓷基體兩面形成金屬層后焊接引線制成的，這些用作電容器的陶瓷材料被稱(chēng)為瓷介。

與其他電容器的介質(zhì)材料相比，介電陶瓷有如下特點(diǎn)：

①介電常數(shù)和介電常數(shù)的溫度系數(shù)及其機(jī)械性能和熱物理性能可調(diào)控，且介電常數(shù)也較大。

②有些介電陶瓷（強(qiáng)介瓷，主要為鐵電瓷）的介電常數(shù)能隨電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化，可以用它制造非線性電容器，有時(shí)稱(chēng)為壓敏電容器。

③原料豐富，成本低，易于大量生產(chǎn)。

除表面層型和晶界層型瓷介外，瓷介最大的缺點(diǎn)是難以做得很薄，故使電容器的容量受到要大限制。此外，瓷介常含有氣隙，致使其抗電強(qiáng)度不高，一般不超過(guò)35kV/mm。

電容器瓷介有多種分類(lèi)方法。按用途可分為：1類(lèi)瓷，用于制造1類(lèi)（高頻）瓷介電容器；2類(lèi)瓷，用于制造2類(lèi)（鐵電）瓷介電容器；3類(lèi)瓷，用于制造3類(lèi)（半導(dǎo)體）瓷介電容器。其中相對(duì)介電常數(shù)較大（ε=12～600）的1類(lèi)瓷稱(chēng)為高介瓷；而把相對(duì)介電常數(shù)更高（ε=10³～10⁴）的2類(lèi)瓷稱(chēng)為強(qiáng)介瓷；而相對(duì)介電常數(shù)較低（ε<10.5）的3類(lèi)瓷稱(chēng)為低介瓷。高介瓷和低介瓷的tanδ很小，適合于制造高頻電路中的電容器，故稱(chēng)之為高頻瓷。由于強(qiáng)介瓷的tanδ大，只適合于制造低頻電路中應(yīng)用的電容器，因而又稱(chēng)之為低頻瓷。工程上一般采用混合分類(lèi)的方法，將電容器瓷分為高介瓷、強(qiáng)介瓷、獨(dú)石瓷和半導(dǎo)體晶界瓷。下面主要介紹幾種低介、高介瓷和強(qiáng)介瓷的性能特點(diǎn)。

陶瓷電容器低介瓷

滑石瓷是一種典型的低介瓷?；墒且蕴烊换?MgO·4SiO₂·H₂O）為主要原料制備而成的，故此取名滑石瓷。它的主晶相是原頑輝石，即偏硅酸鎂（MgO-SiO₂）?；傻呐浞街谐饕煞只?，為改進(jìn)工藝條件及改善瓷料的性能，還引進(jìn)了一系列的添加物，如黏土、菱鎂礦、碳酸鋇等。

滑石瓷是一種低介結(jié)構(gòu)陶瓷，屬于硅酸鹽中的MgO—Al₂O₃一SiO₂系統(tǒng)?；傻奶攸c(diǎn)是介電常數(shù)很低，介質(zhì)損耗很小，工藝性能好，便于制造形狀復(fù)雜的零件。另外，它的礦源豐富，產(chǎn)品成本低，因此一直是應(yīng)用最廣的結(jié)構(gòu)陶瓷之一。

滑石瓷的介電常數(shù)雖然不高，但它具有高的絕緣強(qiáng)度，而且高頻下的介質(zhì)損耗角正切值很低，其tanδ值可低達(dá)（3.5～4）×10^-4，因而可用來(lái)制造各種小容量的高壓電容器、高壓大功率瓷介電容器。滑石瓷還具有較高的靜態(tài)抗彎強(qiáng)度、較小的線膨脹系數(shù)和較好的化學(xué)穩(wěn)定性?；蛇€可用于各種類(lèi)型的絕緣子、線圈骨架、高頻瓷軸、波段開(kāi)關(guān)、電子管座及電阻基體等。它可以用于制造絕大部分的結(jié)構(gòu)零件。

陶瓷電容器高介瓷與強(qiáng)介瓷

高介瓷的主要品種有金紅石瓷、鈦酸鈣瓷、鈦酸鎂系瓷、鈦酸鋯系瓷和鋯酸鹽瓷；強(qiáng)介瓷主要是以鈦酸鋇為主晶相的鈦酸鋇系瓷。

金紅石瓷又稱(chēng)二氧化鈦瓷，其主晶相為金紅石（TiO₂），屬四方（正方）晶系。這種瓷料的相對(duì)介電常數(shù)約為80～90，介電常數(shù)的溫度系數(shù)α_ε為-（750～850）×10^-6/℃，介質(zhì)損耗小，適合于制造高頻瓷介電容器。此外，這種瓷料的成型性能比其他高介電容器瓷好，因而也是制造大功率瓷介電容器的主要瓷料之一。

鈦酸鈣瓷以鈦酸鈣（CaTiO₃）為主晶相，屬鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)。這種瓷料的相對(duì)介電常數(shù)高，約140～150，介質(zhì)損耗小，約為（2～4）×10^-4，它是一種常用的電容器陶瓷，可用于制造對(duì)容量穩(wěn)定性要求不高的槽路電容器、高頻旁路電容器和耦合電容器，還可作為各種電容器瓷料的溫度系數(shù)調(diào)節(jié)劑。鈦酸鈣瓷的相對(duì)介電常數(shù)很高，但介電常數(shù)的溫度系數(shù)卻為很大的負(fù)值，可以制造出一種相對(duì)介電常數(shù)與鈦酸鈣相當(dāng)，而溫度系數(shù)卻和金紅石相當(dāng)?shù)拟佀徕}一鉍化合物一鈦酸鍶系瓷。

鈦酸鎂系瓷主要包括鈦酸鎂瓷、鈦酸鎂一鈦酸鈣系瓷、鈦酸鎂一鈦酸鑭一鈦酸鈣系瓷等。其中鈦酸鎂瓷主晶相為正鈦酸鎂（2MgO·TiO₂）。相對(duì)介電常數(shù)約16～18，α_ε=（30±10）×10^-6/℃，tanδ=（1～3）×10^-4，很適于制造熱穩(wěn)定性高的瓷介電容器。

鈦酸鋯系瓷的主晶相是鈦酸鋯（ZrTiO₃），這類(lèi)瓷具有良好的介電性能，介質(zhì)損耗小，在高溫下的介電性能及穩(wěn)定性?xún)?yōu)于其他瓷介。

鋯酸鹽瓷的主要優(yōu)點(diǎn)是高溫介電性能比含鈦陶瓷高，含鈦的金紅石瓷、鈦酸鎂瓷等通常只能在85℃下工作。工作溫度太高且在直流電場(chǎng)作用下，含鈦陶瓷容易發(fā)生電化學(xué)老化，即絕緣電阻逐漸減小，介質(zhì)損耗逐漸增大，以致最后不能使用。鋯酸鹽瓷大部分能工作在155℃甚至更高溫度下，而很少發(fā)生電化學(xué)老化。在鋯酸鹽化合物中，適宜于制造高頻電容器的材料只有鋯酸鈣和鋯酸鍶兩種。

鈦酸鋇系瓷的相對(duì)介電常數(shù)很高（4 000～6 000），故又稱(chēng)強(qiáng)介瓷，這類(lèi)瓷主要是鐵電瓷。鐵電瓷的特點(diǎn)是相對(duì)介電常數(shù)隨外加電場(chǎng)強(qiáng)度的變化而改變，即具有非線性。根據(jù)非線性強(qiáng)弱?？煞譃閺?qiáng)非線性瓷和弱非線性瓷。弱非線性瓷主要用作電容器介質(zhì)，而制造電壓敏感電容器時(shí)，則采用強(qiáng)非線性瓷。介電陶瓷主要用于制造體積很小、容量上限較大和用于低頻電路的電容器。因此，對(duì)它的主要要求首先是相對(duì)介電常數(shù)大及其溫度穩(wěn)定性好，其次才是抗電強(qiáng)度高和介質(zhì)損耗角正切值小等。而一般規(guī)律是相對(duì)介電常數(shù)越大的強(qiáng)介瓷，其非線性越強(qiáng)，相對(duì)介電常數(shù)隨溫度的變化率也越大。

為陶瓷介質(zhì)，而陶瓷電容的容量會(huì)隨環(huán)境溫度變化而變化，這種容量變化會(huì)影響濾波器的濾波截止率。陶瓷電容的容量溫度變化率是由陶瓷介質(zhì)本身決定的。因此，選擇適當(dāng)?shù)奶沾山橘|(zhì)非常重要。濾波器所用的電容一般為陶瓷電容。由于其物理結(jié)構(gòu)，這種陶瓷電容又稱(chēng)為穿心電容。

穿心電容自電感較普通電容小得多，故而自諧振頻率很高。同時(shí)，穿心式設(shè)計(jì)，也有效地防止了高頻信號(hào)從輸入端直接耦合到輸出端。這種低通高阻的組合，在 1GHz 頻率范圍內(nèi)，提供了極好的抑制效果。 最簡(jiǎn)單的穿心結(jié)構(gòu)是由內(nèi)外電極和陶瓷構(gòu)成的一個(gè)（ C 型）或兩個(gè)電容（ Pi 型）。