【正文】 和燒結(jié)工藝對其介電性能的影響。 關(guān)鍵詞： Cu 粉； 漿料； 電極 ； 介電性能 煙臺大學(xué) 畢業(yè)論文 II Abstract： In this paper, using screen printing method, different kinds of electronic pastes were coated on the BaTiO3 dielectrics and sintered as the electrodes of ceramic capacitor. The dielectric constant and the dielectric loss of the prepared capacitors were measured by the LCR meter. The influences of paste positions and sintering processing parameters on the dielectric properties have been investigated. The experimental results show that the increase of the proportion of conductive phase up to 71% can effectively reduce the dielectric loss of BaTiO3 ceramic capacitors. In addition, when the weight ratio of sheetshape particles and spherical particles in the conducting phase is 1:1, the capacitors have the minimum value of dielectric loss. Moreover, with the increase of nitrogen flow, the dielectric loss decreased. But there is no obvious improvement at high nitrogen concentration. It was also found that there is no improvement in the dielectric properties by adding tungsten and zinc elements to the paste position. Furthermore, the application of a layer of aluminum oxide pressure on the ceramics in the sintering can significantly improve the dielectric properties. Finally, the use of high purity nitrogen can reduce the oxidation of copper powder thus decrease the dielectric loss. Key words： copper powder。 electrode。金屬 Ag作為導(dǎo)電 Ag漿的主要原料，在漿料中的含量超過50%，隨著導(dǎo)電 Ag漿的需求量不斷增加，對 Ag的需求也不斷增加。 Ag價現(xiàn)在達(dá)到了 75007800元 /千克。 而電子產(chǎn)品的價格又不斷走低。 Cu的電導(dǎo)率僅次于 Ag，而它的價格卻相對低廉 得 多 。 這在很大程度上限制了 Ag、 Cu粉的應(yīng)用。 因而 Ag包 Cu粉 被視為導(dǎo)電 漿料 理想的導(dǎo)電 相 , 具有廣闊的應(yīng)用前景。本論文的研究 方向是通過改變玻璃相和有機(jī)載體的組成 及各部分的比例， 對它們的性能進(jìn)行比較，在其中找出性能最佳者作為導(dǎo)電漿料的組成和比例。單位時間內(nèi)消耗的電能叫 介電損耗 。單位體積的 介電損耗 p=γE2 (11) 即電場強(qiáng) 度 一定時， 介電損耗 與電導(dǎo)率成正比。 介電損耗是表示絕緣材料質(zhì)量的指標(biāo)之一 ，是 絕緣材料在電壓作用下所引起的能量損耗。通常用介電損耗角正切衡量。 tanδ 的 具體意義是有耗電容器每周期消耗的電 能與其所儲電能的比值。 介質(zhì)的 tanδ 對濕度很敏感。試樣吸潮越嚴(yán)重 tanδ增大越厲害，工藝上常利用此性質(zhì)判斷瓷體燒結(jié)的好壞。 煙臺大學(xué) 畢業(yè)論文 2 介電損耗 主要由電導(dǎo)損耗、極化損耗、電離損耗和電介質(zhì)不均勻損耗組成。極化損耗是由電介質(zhì)的各種緩慢極化引起的。電離損耗是氣體放電時的放電過程引起的。介質(zhì)均勻性較差的材料損耗也較高 [3]。 電容 電容是表征電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量。電容器從物理學(xué)上講，它是一種靜態(tài)電荷存儲介質(zhì)（就像 一只水桶一樣，你可以把電荷充存進(jìn)去，在沒有放電回路的情況下，刨除介質(zhì)漏電自放電效應(yīng) ， 電荷會永久存在，這是它的特征），它的用途較廣，它是電子、電力領(lǐng)域中不可缺少的電子元件。 電容的符號是 C。 電容與電池容量的關(guān)系 : 1 伏安時 =25 法拉 =3600 焦耳 1 法拉 =144 焦耳 介電常數(shù) 介電常數(shù)是衡量電介質(zhì)極化行為或該 電介質(zhì) 儲存電荷能力的重要參數(shù)，又稱介電系數(shù)或電容率，它的大小反映材料的極化難易和儲能能力。另一種表示方法就是相對介電常數(shù)，如式（ 14） r= 絕 對0εεε （ 14） 介質(zhì)在外加電場時會產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場，原外加電場 (真空中 )與最終介質(zhì)中電場比值即為相對介電常數(shù) (permittivity),以 εr 表示。 各種電子陶瓷室溫時的介電常數(shù)如下 : 裝置瓷、電阻瓷及電真空瓷 :2～ 12 Ⅰ 型電容器瓷： 6～ 1500 Ⅱ 型電容器瓷： 200～ 30000 Ⅲ 型電容器瓷： 7000～二十幾萬 壓電瓷： 50～ 20210 從以上數(shù)據(jù)可以看出，電子陶瓷的介電常數(shù)的數(shù)值范 圍很大，因材料而 異，有不同的使用范圍。 理論分析和實驗研究證實，陶瓷中 參與 極化的質(zhì)點只有電子和離子。 （ 1） 位移式極化 它包括電子位移極化和離子位移極化。 （ 3）界面極化 界面極化是和陶瓷體內(nèi)電荷分布狀況有關(guān)的極化。它的形成原因是陶瓷體內(nèi)存在不均勻性和界面。界面極化只對直流和低頻下的介電性質(zhì)有影響。當(dāng)外加電場的頻率接近此固有頻率時，將發(fā)生諧振。電子或離子振幅增大后將與 其周圍質(zhì)點相互作用，振動能轉(zhuǎn)變成熱量，或發(fā)生輻射，形成能量損耗。 （ 5）自發(fā)極化 自發(fā)極化 一般發(fā)生在溫度低于居里點的鐵電材料， 自發(fā)極化隨著溫度的變化有著特別顯著的極大 值，在這個過程中，產(chǎn)生的能量損耗很大 [4]。電子漿料產(chǎn)品集冶金、 化工、電子技術(shù)、材料于一體，是一種高技術(shù)的電子功能材料?？梢灾瞥呻娙萜?、厚膜集成電路、電阻器等電子元 器 件。 廣泛應(yīng)用于航空、航天、 電子計算機(jī)、通信設(shè)備、汽車工業(yè)、傳感器、高溫集成電路、民用電子產(chǎn)品 等諸多領(lǐng)域。以下簡單介紹幾種常用的電子漿料。cm，價格比 Au、 Pt、Pd 等其它貴金屬 低得多。 Ag 粉作為導(dǎo)電相其突出的 優(yōu)點是 電導(dǎo)率高，導(dǎo)電能力強(qiáng)。 但是， Ag 也存在著一系列的問題，例如 價格 相對其它金屬來說還是比較 昂貴，資源 相對 短缺， 而且 Ag 導(dǎo)體作為厚膜混合電路的導(dǎo)電帶、電容器電極及電阻的端接材料時 , 會產(chǎn)生 Ag+的遷移問題，這樣就限制了Ag 漿料的應(yīng)用， 只能適用于某些特殊場合，不能大規(guī)模的應(yīng)用。 目前已開發(fā)的Au 導(dǎo)體漿料 除了 含玻璃的 Au 導(dǎo)體 漿料外，還有 加入 CuO 等氧化物的無玻璃 Au 導(dǎo)體 漿料 以及同時含有玻璃和氧化物 的 Au 導(dǎo)體漿料 。 Pt族漿料 這類電阻漿料主要用鉑 (Pt)、銥 ( Ir)、釕 (Ru)等貴金屬作電阻材料 , 其中厚膜鉑電阻主要用于測溫元件?，F(xiàn)在的厚膜鉑測溫元件對熱存放的穩(wěn)定性和抗溫度沖擊的穩(wěn)定性都很好。 Ni 漿料 金屬 Ni具有良好的導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性和可焊性。因此 N i導(dǎo)電漿料是一種比較理想的厚膜導(dǎo)電漿料。 Ni粉在漿料中煙臺大學(xué) 畢業(yè)論文 5 含量很高 , 它是決定電極性能的主要因素 [6]。一般 地 , 玻璃粉的含量很低 , 其流變性很好 , 在電極燒結(jié)溫度下 , 流變性很好的玻璃能流過金屬網(wǎng)的細(xì)小空隙 , 使金屬網(wǎng)牢固地附著在基片上。 Cu 漿料 Cu不會像 Ag+那樣 發(fā)生 遷移，其價格卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 Ag的價格。cm,由于 Cu有這方面的特性，它被廣泛 應(yīng)用于導(dǎo)電涂料、電極材料、催化劑等領(lǐng)域。 目前，已經(jīng)開發(fā)出的 Cu電極漿料主要有以下三種： （ 1） 含玻璃的 Cu電極漿料 。 （ 3） 同時添加玻璃和氧化物的 Cu電極漿料 [8] 。 目前 Cu粉的抗氧化處理主要從以下幾 個方面進(jìn)行。偶聯(lián)劑處理等； （ 4） 還可以在 Cu粉外面包覆一層 SiO2Al系薄膜，起到抗氧化作用 在所有的抗氧化處理中，第一種是最常用的，因為它結(jié)合了 Cu和 Ag的優(yōu)點，使?jié){料成本降下來的同時，介電性能也能很好的達(dá)到要求。導(dǎo)電相 ， 顧名思義，起著導(dǎo)電的作用，但是它與陶瓷基體的結(jié)合不是很牢固 。有機(jī)載體主要控制漿料的流變特性，調(diào)節(jié)漿料的粘稠度，使導(dǎo)電相和玻璃相很好的分散開來。 導(dǎo)電相 電 子漿料用的 導(dǎo)電相通常以球狀、片狀或纖維狀分散于基體上，構(gòu)成導(dǎo)電通路。 導(dǎo)電相 的粒徑大小、形狀以及在電子漿料中所占比重都對電子漿料的電性能有很大的影響。 當(dāng)導(dǎo)電相中的 Cu 未被 Ag 包覆完全而發(fā)生氧化時，對介電性能的影響也是很大的。可以 通過 適當(dāng)提高 Ag 粉的含量或是在包覆時盡量混合均勻。一般來說采用 細(xì) 片狀 Cu 粉的 包覆 性能比較好。 煙臺大學(xué) 畢業(yè)論文 6 導(dǎo)電相 是電子漿料的關(guān)鍵成分，它的選擇對介電性能的影響最為重要。并使整個固化膜層與基片牢固的結(jié)合在一起。玻璃相是降低介電損耗的關(guān)鍵因素，它的選取對電子漿料介電性能的影響極其重要。一是構(gòu)成了玻璃的基本骨架；二是調(diào)節(jié)玻璃的物理和化學(xué)性能；三是改進(jìn)玻璃的性能，例如降低玻璃的熔煉溫度。此外介電損耗會隨著 TiO2的增加先降低后略有增加 [11]。 Bi2O3 的熔點約800℃ 。玻璃中 ZnO 的加入可以降低軟化點，并適當(dāng)調(diào)整熱膨脹系數(shù)。 有機(jī)載體 有機(jī)載體是溶解于有機(jī) 溶 劑的 聚合物溶液。以便于轉(zhuǎn)印到瓷片上，形成所需要的電極。 有機(jī)溶劑主要 松節(jié)油、松油醇、丁基卡必醇醋酸酯、鄰苯二甲酸二丁酯。 若采用單一溶劑，其在漿料干燥過程中揮發(fā)性不能調(diào)節(jié)，或揮發(fā)量過大，漿料的穩(wěn)定性下降；或揮發(fā)量過小，導(dǎo)致漿料的干燥時間過 長，因此一般采用混合溶劑的方法來調(diào)整有機(jī)載體的揮發(fā)特性。有時為了改良有機(jī)載體的其他一些性能可以在其中加入一些表面活性劑、流平劑、消泡劑等。但增稠劑含量太少，粘度隨之降低，觸變性變差，其印刷圖形不易固定。 (2) 有機(jī)載體中加入白炭黑和甘油均會引起電阻值的增大。 (4) 載體中加入氫化蓖麻油，其粘度增大，印刷時觸變性好，并抑制漿料的二次流動，印刷圖案邊緣整齊。 在高溫下，有機(jī)載體將逐步揮發(fā)和燃燒，最后全部除盡。另外粉末粒度、比表面積、以及玻璃含量的不同，有機(jī)載體潤濕粉末的差別，都使載體的消耗量發(fā)生變化。 煙臺大學(xué) 畢業(yè)論文 7 研究 目的和意義 研究目的 本 課題根據(jù)電 子 漿料的導(dǎo)電原理，研究 Ag 包 Cu 粉電子漿料各個 組分 中的成 分含量，討論 電子漿料中 玻璃相和 有機(jī)載體 對鈦酸鋇陶瓷電容片性能的影響， 目的是 找到具備優(yōu)良性能的 Ag 包 Cu 粉 電子 漿料的組成 及比例 ；同時本課題還研究了 Ag 電子漿料 各個組分中的成分含量 ， 以及各 Ag 電子漿料的燒結(jié)工藝和燒結(jié)條件， 目的是在不用氮氣氣氛爐的情況下就摸索出 對電子漿料 適宜的玻璃相和有機(jī)載體 以及它們的最佳燒結(jié)溫度 。 研究意義 隨著近年來 Ag 價的不斷攀升， Ag 包 Cu 粉漿料的研究變得越來越緊迫，其中漿料的組成和燒結(jié)工藝對介電性能的影響最大。這對以后的研究工作具有很好的參考價值。 煙臺大學(xué) 畢業(yè)論文 8 2 實驗材料與 實驗 方法 實驗材料 實驗中使用到的藥品試劑如表 21 所示 表 21 實驗藥品及試劑 原料 生產(chǎn)廠家 規(guī)格 BaTiO3基體 聊城新華益電子有限公司 ?85150 Ag 粉 深圳東大來公司 35um 片狀， 35um，球狀 19um，片狀 19um，球狀 Zn 粉 北京市平谷雙燕化工廠 90% 玻璃粉 北京玻璃研究院 — W 粉 國藥化學(xué)試劑有限公司 % 松節(jié)油 上海阿拉丁試劑有限公司 % 丁基卡必醇乙酸酯 上海阿拉丁試劑有限公司 % Ag 包 Cu 粉 深圳東大來公司 35