[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

WO2016003306A1 - Method for manufacturing ferroelectric capacitors - Google Patents

Method for manufacturing ferroelectric capacitors Download PDF

Info

Publication number
WO2016003306A1
WO2016003306A1 PCT/RU2014/000476 RU2014000476W WO2016003306A1 WO 2016003306 A1 WO2016003306 A1 WO 2016003306A1 RU 2014000476 W RU2014000476 W RU 2014000476W WO 2016003306 A1 WO2016003306 A1 WO 2016003306A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
substrate
vacuum
dopant
temperature
barium titanate
Prior art date
Application number
PCT/RU2014/000476
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Игорь Владимирович ЩЕРБАКОВ
Сергей Николаевич РЯЗАНЦЕВ
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Элемент 22"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Элемент 22" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Элемент 22"
Priority to PCT/RU2014/000476 priority Critical patent/WO2016003306A1/en
Publication of WO2016003306A1 publication Critical patent/WO2016003306A1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G7/00Capacitors in which the capacitance is varied by non-mechanical means; Processes of their manufacture
    • H01G7/06Capacitors in which the capacitance is varied by non-mechanical means; Processes of their manufacture having a dielectric selected for the variation of its permittivity with applied voltage, i.e. ferroelectric capacitors

Definitions

  • the invention relates to a technology for manufacturing capacitors with a dielectric made of ceramic based on barium titanate coated with a metal by atomization by vacuum evaporation.
  • silver is used, which is applied to the substrate in the form of a paste.
  • the adhesion of the functional coating to the substrate is provided by heat treatment in which silver diffuses into the surface layer.
  • a more advanced technical solution is a method of manufacturing ferroceramic capacitors containing a ceramic dielectric based on barium titanate, on the metallized surfaces of which fixed electrode current collectors described in patent RU 2354632, 2007
  • the known method includes the operation of forming a ceramic plate (substrate), on the surface of which a mixture is applied in equal proportions of finely dispersed (1-50 ⁇ m) copper powder with the substrate material, and then by hot pressing a plate with a surface composite layer is formed, which serves as an adhesive for fixing copper electrodes.
  • the prepared ferroceramic plate on the surfaces of which a copper layer is deposited, is heated in vacuum, conducting photon annealing for fusion into a monolith of the electrode layer with a copper inclusion of an adhesive layer.
  • the pressure is changed to atmospheric pressure within 15 minutes, cooling the product to a temperature of 25-30 ° C without oxygen.
  • the method provides a 35-40% increase in the adhesion strength of the metal to the surface of the ceramic substrate.
  • the known method does not significantly increase the capacitance of a ferro-ceramic capacitor.
  • the technical problem to which the present invention is directed is to improve the known method for high-performance manufacturing of ferro-ceramic capacitors with increased specific capacitance and breakdown voltage.
  • the required technical result is achieved by the fact that in the method of manufacturing ferroelectric capacitors, including forming a ceramic substrate, mainly based on barium titanate, applying an alloying coating, vacuum deposition of copper electrodes and vacuum annealing of the composite material according to the invention, the alloying coating is applied in the liquid phase by condensation from the vapor stream of vacuum-evaporated metals of a series: titanium, vanadium, chromium, manganese, niobium, at a substrate temperature of 150-350 ° C, after which ku alloying with coating is subjected to vacuum annealing, and the subsequent deposition of copper electrodes carried on directly heated to a temperature not higher than 600 ° C composite substrate.
  • the differences of the proposed method provide, in comparison with existing analogues, an increase by an average of 6 times the specific capacitance of a ferro-ceramic capacitor and 3.5 times the breakdown voltage.
  • the application of the alloying metal to the substrate in the liquid phase from the vapor stream and the subsequent vacuum annealing of the composite material provide effective mass transfer (thermal diffusion) of the alloying metal (dopant) to the substrate while combining surface and bulk diffusion of the alloying metal into the ceramic substrate.
  • the dopant due to activation and mixing of the melt in the liquid bath, the dopant interacts with ferroceramics, forming solid solutions and chemical compounds.
  • the diffusion zone is 120-150 ⁇ m, which, when double-sided doping, provides through doping of the substrate volume and the achievement of maximum targets.
  • the temperature of the substrate array is maintained in the range of 150-350 ° C, while the temperature on the substrate surface reaches the melting temperature of the dopant due to the heat of condensation of the alloying material from the vapor stream, which ensures the state of the dopant on the substrate surface in the liquid phase during alloying .
  • Doping with a dopant of a ceramic plate heated to a temperature of 150-350 ° C ensures the active interaction of the alloying metal in a liquid bath with barium titanate, increasing the penetration depth of the alloying elements into the plate, that is, the combination of surface and volume diffusion of the dopant.
  • the heating temperature of the ceramic substrate during alloying is below 150 ° C, a strong adhesive bond of the alloying metal layer to the ferroceramic material is not ensured.
  • the dielectric loss in the formed capacitor sharply increases.
  • a vacuum annealing is carried out, in which the dopant penetrates deep into the ferroceramics.
  • barrier layers are formed that increase the breakdown voltage, in addition, the dopant fills the pores that cause ionization breakdown. The diffusion process continues until the chemical potentials of the components of the entire prepared structure are equalized.
  • Annealing in vacuum is combined with the application of an alloying metal to maintain the required diffusion temperature, excluding the oxidation of dopant.
  • titanium, vanadium, chromium, manganese, niobium is explained by the fact that they have an ion radius of less than 0.066 ⁇ m, close in size to the ions of the crystal lattice of barium titanate, and an ionization energy of more than 6.7 eV, which allows alloying elements diffuse into the crystal lattice of the substrate material, thereby increasing the capacitance of the capacitor material while shifting the position of the titanium ion in the lattice.
  • the higher ionization energy ensures the activation of the dopant when the barium titanate melt is mixed on the surface of the ceramic substrate when the molten bath is mixed, increasing the polarization of the domains of the composite base and the depth of diffusion, which multiply increases the purpose of the ferroelectric, in particular, breakdown voltage.
  • a feature of the proposed method is that the alloying dopant layer formed on the surface of the ceramic plate serves as an adhesive layer on which the electrode layer of copper deposited is directly formed vacuum spraying, without breaking the process stream in a vacuum chamber.
  • the temperature of the doped substrate does not exceed 600 ° C in order to exclude the interaction of copper with the material of the adhesive layer monolithically bonded to the ceramic base, thereby preventing the deterioration of the performance of the capacitor.
  • Disks with a diameter of 6 mm and a thickness of 300 ⁇ m made of molded and sintered capacitor ferroceramics based on barium titanate of the Y5V temperature stability group (according to the Russian classification of the H30 group) are applied by electron beam spraying with a 8 ⁇ m thick alloy layer.
  • a dopant - titanium (ion radius of 0.064 nm and an ionization energy of 6.82 eV) is applied to sample H30-1 at a substrate temperature of 200 ... 250 ° C
  • a dopant - vanadium (ion radius of 0.059 is applied to the NZO-2 sample nm and ionization energy of 6.71 eV) at a substrate temperature of 190 ... 230 ° C
  • a dopant - chromium (ion radius 0.35 nm and ionization energy of 6.764 eV) at a substrate temperature of 150 is applied to sample H30-3. .220 ° C.
  • a layer of dopant is applied to the second side of the ceramic discs.
  • the dopant layer on the surface of the NZO-1, N30-2, and NZO-3 samples is heated in vacuum from the thermoblock and annealed to obtain barium titanate-based material doped in bulk. Then, a double-sided copper coating is applied to the surface of the samples of the composite material doped with dopant by means of vacuum electron beam deposition at a substrate temperature of not more than 600 ° C.
  • the result is a ceramic capacitor of group H30 in the form of a plate of doped ferroceramics with copper electrodes.
  • Comparison sample NZO-4 is a ceramic capacitor made of molded and sintered capacitor ferroceramics based on barium titanate of the Y5V temperature stability group (according to the Russian classification of the NZO group) without an alloying additive and with silver electrodes deposited by thermal diffusion according to the prototype.
  • a dopant - titanium (ion radius of 0.064 nm and an ionization energy of 6.82 eV) is applied to sample H70-1 at a substrate temperature of 250 ... 300 ° C
  • a dopant - vanadium (ion radius of 0.059 is applied to sample H70-2 nm and ionization energy of 6.71 eV) at a substrate temperature of 200 ... 250 ° C
  • a dopant - chromium (ion radius 0.35 nm and ionization energy of 6.76 eV) at a substrate temperature of 170 is applied to sample H70-3 ... 250 ° C.
  • a layer of dopant is applied to the second side of the ceramic discs.
  • the dopant layer on the surface of samples H70-1, H70-2, and H70-3 is heated in vacuum from the fuser and annealed to obtain 5 barium titanate-based material doped in bulk.
  • a double-sided copper coating is applied to the surface of the samples of the composite material doped with dopant by means of vacuum electron beam deposition at a substrate temperature of not more than 600 ° C.
  • a ceramic capacitor of the H70 group is obtained in the form of a plate of doped ferroceramics with copper electrodes.
  • Comparison sample H70-4 is a ceramic capacitor made of molded and sintered capacitor ferroceramics based on 5 barium titanate of the group for temperature stability Y5V (according to the Russian classification of group H70) without alloying additive and with silver electrodes deposited by thermal diffusion according to the prototype.
  • the table shows that as a result of doping the ferroceramics of the NZO group by the proposed method, compared with the prototype, the dielectric constant (hence, capacity) increased depending on the dopant by 5.0-6.6 times with a simultaneous increase in breakdown voltage by 3.2 -3.6 times.
  • the growth in capacitance was from 5 to 6.8 times with a simultaneous increase in breakdown voltage by 3.6-4.0 times.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Ceramic Capacitors (AREA)
  • Fixed Capacitors And Capacitor Manufacturing Machines (AREA)

Abstract

This invention relates to a technique for manufacturing capacitors with a dielectric made from a barium titanate-based ceramic that is coated with a metal by vacuum evaporation deposition. The present method for manufacturing ferroelectric capacitors comprises moulding a ceramic substrate, preferably based on barium titanate, applying a dopant coating, vacuum depositing copper electrodes and vacuum annealing the composite material. What is novel is that the dopant coating is applied in a liquid phase by condensation from a vapour stream of a metal evaporated in a vacuum, said metal being selected from among: titanium, vanadium, chromium, manganese and niobium, at a substrate temperature of 150-350°C, whereupon the substrate with a dopant coating is subjected to vacuum annealing, and copper electrodes are subsequently applied directly to the composite substrate, which is heated to a temperature not greater than 600°C. By comparison with the prior art, the proposed technical solution provides, on average, a sixfold increase in the specific capacity of a ferromagnetic capacitor and a 3.6-fold increase in breakdown voltage with no increase in dielectric loss.

Description

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ  PREPARATION METHOD
СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРОВ  FERROELECTRIC CAPACITORS
Область техники  Technical field
Изобретение относится к технологии изготовления конденсаторов с диэлектриком из керамики на основе титаната бария, покрытой металлом посредством распыления при его вакуумном испарении.  The invention relates to a technology for manufacturing capacitors with a dielectric made of ceramic based on barium titanate coated with a metal by atomization by vacuum evaporation.
Уровень техники  State of the art
Уровень данной области техники характеризует описанный в книге Рене В. Т. «Электрические конденсаторы», изд. 3, М.: Энергия, 1969, с. 73-75 способ изготовления электрического конденсатора, включающего пластину из сегнетокерамического материала с электродами в виде двухстороннего покрытия электропроводным материалом.  The level of this technical field characterizes described in the book of Rene V. T. "Electric capacitors", ed. 3, M.: Energy, 1969, p. 73-75 a method for manufacturing an electric capacitor comprising a plate of ferroceramic material with electrodes in the form of a double-sided coating with an electrically conductive material.
В качестве электропроводного материала используют серебро, которое наносят на подложку в виде пасты.  As an electrically conductive material, silver is used, which is applied to the substrate in the form of a paste.
Адгезию функционального покрытия с подложкой обеспечивают термообработкой, при которой серебро диффундирует в поверхностный слой.  The adhesion of the functional coating to the substrate is provided by heat treatment in which silver diffuses into the surface layer.
Основным недостатком этого способа является уменьшение емкости конденсатора из-за частичного восстановления керамики в зонах диффузии и последующая деградация емкости и уменьшение пробивного напряжения  The main disadvantage of this method is the reduction in the capacitance of the capacitor due to the partial restoration of ceramics in the diffusion zones and the subsequent degradation of the capacitance and a decrease in breakdown voltage
Более совершенным техническим решением, наиболее близким к предложенному, является способ изготовления сегнетокерамических конденсаторов, содержащих керамический диэлектрик на основе титаната бария, на металлизированных поверхностях которого закреплены электродные токосъемники, описанный в патенте RU 2354632, 2007 г. A more advanced technical solution, the closest to the proposed one, is a method of manufacturing ferroceramic capacitors containing a ceramic dielectric based on barium titanate, on the metallized surfaces of which fixed electrode current collectors described in patent RU 2354632, 2007
Известный способ включает операцию формования керамической пластины (подложки), на поверхности которой наносят смесь в равных долях высокодисперсного (1-50 мкм) медного порошка с материалом подложки, а затем горячим прессованием формируют пластину с поверхностным композитным слоем, который служит в качестве адгезионного для крепления медных электродов.  The known method includes the operation of forming a ceramic plate (substrate), on the surface of which a mixture is applied in equal proportions of finely dispersed (1-50 μm) copper powder with the substrate material, and then by hot pressing a plate with a surface composite layer is formed, which serves as an adhesive for fixing copper electrodes.
Далее преимущественно треть поверхностной композитной прослойки сошлифовывают, обнажая частицы меди для последующего вакуумного напыления при давлении 10~4 Па меди в качестве электродного слоя. Then, predominantly a third of the surface composite layer is ground, exposing copper particles for subsequent vacuum deposition at a pressure of 10 ~ 4 Pa of copper as an electrode layer.
После этого приготовленную сегнетокерамическую пластину, на поверхностях которой нанесен слой меди, нагревают в вакууме, проводя фотонный отжиг для сплавления в монолит электродного слоя с медным включением адгезионной прослойки.  After that, the prepared ferroceramic plate, on the surfaces of which a copper layer is deposited, is heated in vacuum, conducting photon annealing for fusion into a monolith of the electrode layer with a copper inclusion of an adhesive layer.
По достижении плавления металла в верхнем электродном слое покрытия керамической подложки в вакуумной камере, в среде аргона, изменяют в течение 15 минут давление до атмосферного, обеспечивая охлаждение изделия до температуры 25-30 °С без доступа кислорода.  Upon reaching the melting of the metal in the upper electrode coating layer of the ceramic substrate in a vacuum chamber, in an argon atmosphere, the pressure is changed to atmospheric pressure within 15 minutes, cooling the product to a temperature of 25-30 ° C without oxygen.
Способ обеспечивает повышение на 35-40% прочность сцепления металла с поверхностью керамической подложки.  The method provides a 35-40% increase in the adhesion strength of the metal to the surface of the ceramic substrate.
Однако известный способ не позволяет заметно увеличить емкость сегнетокерамического конденсатора.  However, the known method does not significantly increase the capacitance of a ferro-ceramic capacitor.
Кроме того, широкий (до 50мкм) верхний слой подложки насыщен частицами меди, создающими мостики проводимости и внутренней ионизации, что приводит к резкому снижению напряжения. Сущность изобретения In addition, a wide (up to 50 μm) top layer of the substrate is saturated with copper particles, creating bridges of conductivity and internal ionization, which leads to a sharp decrease in voltage. SUMMARY OF THE INVENTION
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является усовершенствование известного способа для высокопроизводительного изготовления сегнетокерамических конденсаторов с повышенными показателями удельной емкости и пробивного напряжения.  The technical problem to which the present invention is directed is to improve the known method for high-performance manufacturing of ferro-ceramic capacitors with increased specific capacitance and breakdown voltage.
Требуемый технический результат достигается тем, что в способе изготовления сегнетоэлектрических конденсаторов, включающем формование керамической подложки, преимущественно на основе титаната бария, нанесение легирующего покрытия, вакуумное напыление медных электродов и вакуумный отжиг композитного материала, согласно изобретению, легирующее покрытие наносят в жидкой фазе путем конденсации из парового потока испаренных в вакууме металлов ряда: титан, ванадий, хром, марганец, ниобий, при температуре подложки 150-350 °С, после чего подложку с легирующим покрытием подвергают вакуумному отжигу, а последующее нанесение медных электродов проводят непосредственно на нагретую до температуры не выше 600 °С композитную подложку.  The required technical result is achieved by the fact that in the method of manufacturing ferroelectric capacitors, including forming a ceramic substrate, mainly based on barium titanate, applying an alloying coating, vacuum deposition of copper electrodes and vacuum annealing of the composite material according to the invention, the alloying coating is applied in the liquid phase by condensation from the vapor stream of vacuum-evaporated metals of a series: titanium, vanadium, chromium, manganese, niobium, at a substrate temperature of 150-350 ° C, after which ku alloying with coating is subjected to vacuum annealing, and the subsequent deposition of copper electrodes carried on directly heated to a temperature not higher than 600 ° C composite substrate.
Отличия предложенного способа обеспечивают в сравнении с существующими аналогами повышение в среднем в 6 раз удельной емкости сегнетокерамического конденсатора и в 3,5 раз пробивного напряжения.  The differences of the proposed method provide, in comparison with existing analogues, an increase by an average of 6 times the specific capacitance of a ferro-ceramic capacitor and 3.5 times the breakdown voltage.
Нанесение легирующего металла на подложку в жидкой фазе из парового потока и последующий вакуумный отжиг композитного материала обеспечивают эффективный массоперенос (термодиффузию) легирующего металла (допанта) в подложку при совмещении поверхностной и объемной диффузии легирующего металла в керамическую подложку. Допант при этом, вследствие активации и перемешивания в жидкой ванне расплава, вступает во взаимодействие с сегнетокерамикой, образуя твердые растворы и химические соединения. The application of the alloying metal to the substrate in the liquid phase from the vapor stream and the subsequent vacuum annealing of the composite material provide effective mass transfer (thermal diffusion) of the alloying metal (dopant) to the substrate while combining surface and bulk diffusion of the alloying metal into the ceramic substrate. In this case, due to activation and mixing of the melt in the liquid bath, the dopant interacts with ferroceramics, forming solid solutions and chemical compounds.
Легирующие элементы, диффундируя в зерна титаната бария Alloying elements diffusing into barium titanate grains
(объемная диффузия), повышают поляризацию доменов подложки, увеличивая диэлектрическую проницаемость, и заполняют вакансии по границам зерен титаната бария (поверхностная диффузия), формируя межзерновые изолирующие слои, чем повышается пробивное напряжение сегнетокерамического конденсаторного материала. (bulk diffusion), increase the polarization of the substrate domains, increasing the dielectric constant, and fill vacancies along the grain boundaries of barium titanate (surface diffusion), forming intergranular insulating layers, which increases the breakdown voltage of a ferro-ceramic capacitor material.
Растворимость металлов-допантов и термодиффузия в подложку их атомов в жидком состоянии намного выше, чем в твердом состоянии, поэтому заметно увеличивается диэлектрическая проницаемость легированной сегнетокерамики.  The solubility of dopant metals and thermal diffusion into the substrate of their atoms in the liquid state is much higher than in the solid state, therefore, the dielectric constant of doped ferroceramics significantly increases.
Так, при толщине керамической пластины подложки 300мм диффузионная зона составляет 120-150 мкм, что при двухстороннем легировании обеспечивает сквозное легирование объема подложки и достижение максимальных показателей назначения.  So, with a thickness of a ceramic substrate plate of 300 mm, the diffusion zone is 120-150 μm, which, when double-sided doping, provides through doping of the substrate volume and the achievement of maximum targets.
При нанесении слоя допанта температура массива подложки поддерживается в диапазоне 150-350 °С, в то время как температура на поверхности подложки достигает температуры плавления допанта за счет теплоты конденсации легирующего материала из парового потока, что обеспечивает состояние допанта на поверхности подложки в жидкой фазе при легировании.  When a dopant layer is deposited, the temperature of the substrate array is maintained in the range of 150-350 ° C, while the temperature on the substrate surface reaches the melting temperature of the dopant due to the heat of condensation of the alloying material from the vapor stream, which ensures the state of the dopant on the substrate surface in the liquid phase during alloying .
Легирование допантом керамической пластины, нагретой до температуры 150-350 °С, обеспечивает активное взаимодействие легирующего металла в жидкой ванне с титанатом бария, увеличивая глубину проникновения легирующих элементов в пластину, то есть совмещение поверхностной и объемной диффузии допанта. Doping with a dopant of a ceramic plate heated to a temperature of 150-350 ° C ensures the active interaction of the alloying metal in a liquid bath with barium titanate, increasing the penetration depth of the alloying elements into the plate, that is, the combination of surface and volume diffusion of the dopant.
Если температура нагрева керамической подложки при легировании будет ниже 150 °С, не обеспечивается прочная адгезионная связь слоя легирующего металла к сегнетокерамическому материалу.  If the heating temperature of the ceramic substrate during alloying is below 150 ° C, a strong adhesive bond of the alloying metal layer to the ferroceramic material is not ensured.
Если температура нагрева керамической подложки при легировании при легировании будет выше 350 °С, резко увеличиваются диэлектрические потери в формируемом конденсаторе.  If the temperature of heating the ceramic substrate during alloying during alloying is higher than 350 ° C, the dielectric loss in the formed capacitor sharply increases.
Для того чтобы диффузия легирующего металла- допанта завершилась полным насыщением, проводят вакуумный отжиг, при котором допант проникает в глубь сегнетокерамики. При этом за счет поверхностной диффузии допанта по границам зерен образуются барьерные слои, увеличивающие пробивное напряжение, кроме того допант заполняет поры, вызывающие ионизационный пробой. Процесс диффузии продолжается до тех пор, пока химические потенциалы компонентов всей приготовленной структуры не сравняются.  In order for the diffusion of the alloying metal-dopant to complete saturation, a vacuum annealing is carried out, in which the dopant penetrates deep into the ferroceramics. In this case, due to surface diffusion of the dopant along the grain boundaries, barrier layers are formed that increase the breakdown voltage, in addition, the dopant fills the pores that cause ionization breakdown. The diffusion process continues until the chemical potentials of the components of the entire prepared structure are equalized.
Отжиг в вакууме совмещают с нанесением легирующего металла для поддержания необходимой температуры диффузии, исключая окисление допанта.  Annealing in vacuum is combined with the application of an alloying metal to maintain the required diffusion temperature, excluding the oxidation of dopant.
Использование в качестве допанта металлов ряда: титан, ванадий, хром, марганец, ниобий объясняется тем, что они обладают радиусом ионов менее 0,066 мкм, близким по размерам к ионам кристаллической решетки титаната бария, и энергией ионизации более 6,7 эВ, что позволяет легирующим элементам диффундировать в кристаллическую решетку материала подложки, обеспечив тем самым повышение емкости конденсаторного материала при смещении положения в решетке иона титана. В решетке титаната бария особую роль играет ион титана, занимая центральное, но несколько смещенное положение, и поляризация диэлектрика обусловлена смещением иона титана при приложении внешнего электрического поля. Внедрение в решетку ионов, близких по радиусу ионам решетки титаната бария, приводит к повышению емкости сегнетокерамического конденсатора. The use of a series of metals as dopant: titanium, vanadium, chromium, manganese, niobium is explained by the fact that they have an ion radius of less than 0.066 μm, close in size to the ions of the crystal lattice of barium titanate, and an ionization energy of more than 6.7 eV, which allows alloying elements diffuse into the crystal lattice of the substrate material, thereby increasing the capacitance of the capacitor material while shifting the position of the titanium ion in the lattice. In the barium titanate lattice, a special role is played by a titanium ion, occupying a central but somewhat shifted position, and the polarization of the dielectric is due to the displacement of the titanium ion when an external electric field is applied. The incorporation into the lattice of ions close in radius to the ions of the lattice of barium titanate leads to an increase in the capacitance of the ferroceramic capacitor.
При легировании керамической подложки металлами с радиусом иона больше 0,066нм и энергией ионизации менее 6,7эВ эффекта повышения емкости не происходит из-за большего размера иона, который не может проникнуть в решетку титаната бария, или по причине недостатка энергии для проникновения в решетку.  When a ceramic substrate is doped with metals with an ion radius greater than 0.066 nm and an ionization energy of less than 6.7 eV, the effect of increasing the capacitance does not occur due to the larger size of the ion, which cannot penetrate the barium titanate lattice, or due to the lack of energy for penetration into the lattice.
Более высокая энергия ионизации обеспечивает активизацию допанта при перемешивании в жидкой ванне расплава титаната бария на поверхности керамической подложки, увеличивая поляризацию доменов композитной основы и глубину диффузии, что кратно повышает показатели назначения сегнетоэлектрика, в частности пробивное напряжение.  The higher ionization energy ensures the activation of the dopant when the barium titanate melt is mixed on the surface of the ceramic substrate when the molten bath is mixed, increasing the polarization of the domains of the composite base and the depth of diffusion, which multiply increases the purpose of the ferroelectric, in particular, breakdown voltage.
Для иллюстрации сказанного приведены радиусы некоторых металлов:  To illustrate the above, the radii of some metals are given:
Ti4+- 0,64А, Cr6+- 0,35А, Mn2+- 0,52А, V5+- 0,59А, Nb5+- 0,6бА;Ti 4+ - 0.64A, Cr 6+ - 0.35A, Mn 2+ - 0.52A, V 5+ - 0.59A, Nb 5+ - 0.6bA;
Ni2+- 0,79А, Fe2+- 0,8θΑ, Со2+- 0,80А, Cu2+- 0,8θΑ, Zr4+- 0,82А, Y3+- 0,97А, соответственно пригодные и непригодные для легирования по предложенному способу изготовления сегнетоэлектрических конденционеров. Ni 2+ - 0.79A, Fe 2+ - 0.8θΑ, Co 2+ - 0.80A, Cu 2+ - 0.8θΑ, Zr 4+ - 0.82A, Y 3+ - 0.97A, respectively suitable and unsuitable for alloying according to the proposed method for the manufacture of ferroelectric condensers.
Особенностью предложенного способа является то, что образующийся на поверхности керамической пластины легирующий слой допанта служит в качестве адгезионной прослойки, на которой непосредственно формируют электродный слой меди, наносимой вакуумным напылением, без разрыва технологического потока в вакуумной камере. A feature of the proposed method is that the alloying dopant layer formed on the surface of the ceramic plate serves as an adhesive layer on which the electrode layer of copper deposited is directly formed vacuum spraying, without breaking the process stream in a vacuum chamber.
При этом температура легированной подложки не превышает 600 °С, чтобы исключить взаимодействие меди с материалом адгезионной прослойки, монолитно связанной с керамической основой, предотвратив тем самым ухудшение служебных характеристик конденсатора.  In this case, the temperature of the doped substrate does not exceed 600 ° C in order to exclude the interaction of copper with the material of the adhesive layer monolithically bonded to the ceramic base, thereby preventing the deterioration of the performance of the capacitor.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения  Preferred Embodiments
Сущность предложенного способа иллюстрируется примерами его выполнения.  The essence of the proposed method is illustrated by examples of its implementation.
Пример N2 1.  Example N2 1.
На диски диаметром 6 мм и толщиной 300 мкм из формованной и спеченной конденсаторной сегнетокерамики на основе титаната бария группы по температурной стабильности Y5V (по российской классификации группы Н30) вакуумным электронно-лучевым напылением наносят слой легирующей добавки толщиной 8 мкм.  Disks with a diameter of 6 mm and a thickness of 300 μm made of molded and sintered capacitor ferroceramics based on barium titanate of the Y5V temperature stability group (according to the Russian classification of the H30 group) are applied by electron beam spraying with a 8 μm thick alloy layer.
При этом на образец Н30- 1 наносят легирующую добавку - титан (радиус иона 0,064 нм и энергия ионизации 6,82 эВ) при температуре подложки 200...250°С, на образец НЗО-2 наносят легирующую добавку - ванадий (радиус иона 0,059 нм и энергия ионизации 6,71 эВ) при температуре подложки 190...230°С, а на образец Н30-3 наносят легирующую добавку - хром (радиус иона 0,35 нм и энергия ионизации 6,764 эВ) при температуре подложки 150...220°С.  In this case, a dopant - titanium (ion radius of 0.064 nm and an ionization energy of 6.82 eV) is applied to sample H30-1 at a substrate temperature of 200 ... 250 ° C, and a dopant - vanadium (ion radius of 0.059 is applied to the NZO-2 sample nm and ionization energy of 6.71 eV) at a substrate temperature of 190 ... 230 ° C, and a dopant - chromium (ion radius 0.35 nm and ionization energy of 6.764 eV) at a substrate temperature of 150 is applied to sample H30-3. .220 ° C.
Аналогично наносят слой легирующей добавки на вторую сторону керамических дисков.  Similarly, a layer of dopant is applied to the second side of the ceramic discs.
Затем слой допанта на поверхности образцов НЗО-1, Н30-2 и НЗО-3 прогревают в вакууме от термоблока - отжигают, получая легированный в объеме материал на основе титаната бария. Далее на поверхность образцов композитного материала, легированного допантом, посредством вакуумного электронно- лучевого напыления наносят двухстороннее медное покрытие при температуре подложки не более 600°С. Then, the dopant layer on the surface of the NZO-1, N30-2, and NZO-3 samples is heated in vacuum from the thermoblock and annealed to obtain barium titanate-based material doped in bulk. Then, a double-sided copper coating is applied to the surface of the samples of the composite material doped with dopant by means of vacuum electron beam deposition at a substrate temperature of not more than 600 ° C.
В результате получают керамический конденсатор группы Н30 в виде пластины из легированной сегнетокерамики с медными электродами.  The result is a ceramic capacitor of group H30 in the form of a plate of doped ferroceramics with copper electrodes.
Образец сравнения НЗО-4 - керамический конденсатор из формованной и спеченной конденсаторной сегнетокерамики на основе титаната бария группы по температурной стабильности Y5V (по российской классификации группы НЗО) без легирующей добавки и с электродами из серебра, нанесенными методом термодиффузии по прототипу.  Comparison sample NZO-4 is a ceramic capacitor made of molded and sintered capacitor ferroceramics based on barium titanate of the Y5V temperature stability group (according to the Russian classification of the NZO group) without an alloying additive and with silver electrodes deposited by thermal diffusion according to the prototype.
Результаты тестирования образцов приведены в Таблице.  The test results of the samples are shown in the Table.
Пример jNb2.  JNb2 example.
На диски диаметром 6 мм и толщиной 300 мкм из формованной и спеченной конденсаторной сегнетокерамики на основе титаната бария группы по температурной стабильности Y5V (по российской классификации группы Н70) вакуумным электронно-лучевым напылением наносят слой легирующей добавки толщиной 10 мкм.  On disks with a diameter of 6 mm and a thickness of 300 μm from a molded and sintered capacitor ferroceramics based on barium titanate of the Y5V temperature stability group (according to the Russian classification of the H70 group), a 10 μm thick alloying layer is deposited by electron beam electron beam sputtering.
При этом на образец Н70-1 наносят легирующую добавку - титан (радиус иона 0,064 нм и энергия ионизации 6,82 эВ) при температуре подложки 250...300°С, на образец Н70-2 наносят легирующую добавку - ванадий (радиус иона 0,059 нм и энергия ионизации 6,71 эВ) при температуре подложки 200...250°С, а на образец Н70-3 наносят легирующую добавку - хром (радиус иона 0,35 нм и энергия ионизации 6,76 эВ) при температуре подложки 170...250°С. Аналогично наносят слой легирующей добавки на вторую сторону керамических дисков. In this case, a dopant - titanium (ion radius of 0.064 nm and an ionization energy of 6.82 eV) is applied to sample H70-1 at a substrate temperature of 250 ... 300 ° C, and a dopant - vanadium (ion radius of 0.059 is applied to sample H70-2 nm and ionization energy of 6.71 eV) at a substrate temperature of 200 ... 250 ° C, and a dopant - chromium (ion radius 0.35 nm and ionization energy of 6.76 eV) at a substrate temperature of 170 is applied to sample H70-3 ... 250 ° C. Similarly, a layer of dopant is applied to the second side of the ceramic discs.
Затем слой допанта на поверхности образцов Н70-1, Н70-2 и Н70-3 прогревают в вакууме от термоблока - отжигают, получая 5 легированный в объеме материал на основе титаната бария.  Then the dopant layer on the surface of samples H70-1, H70-2, and H70-3 is heated in vacuum from the fuser and annealed to obtain 5 barium titanate-based material doped in bulk.
Далее на поверхность образцов композитного материала, легированного допантом, посредством вакуумного электронно- лучевого напыления наносят двухстороннее медное покрытие при температуре подложки не более 600°С. Then, a double-sided copper coating is applied to the surface of the samples of the composite material doped with dopant by means of vacuum electron beam deposition at a substrate temperature of not more than 600 ° C.
0 В результате получают керамический конденсатор группы Н70 в виде пластины из легированной сегнетокерамики с медными электродами.  0 As a result, a ceramic capacitor of the H70 group is obtained in the form of a plate of doped ferroceramics with copper electrodes.
Образец сравнения Н70-4 - керамический конденсатор из формованной и спеченной конденсаторной сегнетокерамики на основе 5 титаната бария группы по температурной стабильности Y5V (по российской классификации группы Н70) без легирующей добавки и с электродами из серебра, нанесенными методом термодиффузии по прототипу.  Comparison sample H70-4 is a ceramic capacitor made of molded and sintered capacitor ferroceramics based on 5 barium titanate of the group for temperature stability Y5V (according to the Russian classification of group H70) without alloying additive and with silver electrodes deposited by thermal diffusion according to the prototype.
Результаты тестирования образцов приведены в Таблице.  The test results of the samples are shown in the Table.
Таблица Table
Figure imgf000010_0001
сопротивление >5 103 >5 103 >5· 103 >3· 103 >5·103 >5 103 >5 103 >з- изоляции, мОм
Figure imgf000010_0001
resistance> 5 10 3 > 5 10 3 > 5 · 10 3 > 3 · 10 3 > 5 · 10 3 > 5 10 3 > 5 10 3 > 3-isolation, mOhm
диэлектрическая 5932 6780 7627 1 160 18780 18644 25423 37: проницаемость dielectric 5932 6780 7627 1 160 18780 18644 25423 37: permeability
Из таблицы видно, что в результате легирования сегнетокерамики группы НЗО предложенным способом, сравнительно с прототипом, диэлектрическая проницаемость (значит, и емкость) выросла в зависимости от легирующей добавки в 5,0-6,6 раз с одновременным увеличением пробивного напряжения в 3,2-3,6 раза. The table shows that as a result of doping the ferroceramics of the NZO group by the proposed method, compared with the prototype, the dielectric constant (hence, capacity) increased depending on the dopant by 5.0-6.6 times with a simultaneous increase in breakdown voltage by 3.2 -3.6 times.
Для группы Н70 рост емкости составил от 5 до 6,8 раза с одновременным увеличением пробивного напряжения в 3,6-4,0 раза.  For group H70, the growth in capacitance was from 5 to 6.8 times with a simultaneous increase in breakdown voltage by 3.6-4.0 times.
При этом диэлектрические потери не увеличились.  In this case, the dielectric loss did not increase.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явно не следует для специалиста по электротехнике, показал, что оно неизвестно, а с учетом практической возможности серийного изготовления сегнетоэлектрических конденсаторов на действующем оборудовании, можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.  A comparative analysis of the proposed technical solution with identified analogues of the prior art, from which the invention clearly does not follow for a specialist in electrical engineering, showed that it is unknown, and given the practical feasibility of serial production of ferroelectric capacitors on existing equipment, we can conclude that the criteria for patentability are met.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM
Способ изготовления сегнетоэлектрических конденсаторов, включающий формование керамической подложки, преимущественно на основе титаната бария, нанесение легирующего покрытия, вакуумное напыление медных электродов и вакуумный отжиг композитного материала, отличающийся тем, что легирующее покрытие наносят в жидкой фазе путем конденсации из парового потока испаренного в вакууме металла из ряда: титан, ванадий, хром, марганец, ниобий, при температуре подложки 150-350 °С, после чего подложку с легирующим покрытием подвергают вакуумному отжигу, а последующее нанесение медных электродов проводят непосредственно на нагретую до температуры не выше 600 °С композитную подложку.  A method of manufacturing ferroelectric capacitors, including forming a ceramic substrate, mainly based on barium titanate, applying an alloying coating, vacuum deposition of copper electrodes and vacuum annealing of a composite material, characterized in that the alloying coating is applied in the liquid phase by condensation from a vapor stream of vacuum-evaporated metal from range: titanium, vanadium, chromium, manganese, niobium, at a substrate temperature of 150-350 ° C, after which the substrate with an alloying coating is subjected to vacuum annealing y, and subsequent deposition of copper electrodes carried on directly heated to a temperature not higher than 600 ° C composite substrate.
PCT/RU2014/000476 2014-06-30 2014-06-30 Method for manufacturing ferroelectric capacitors WO2016003306A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2014/000476 WO2016003306A1 (en) 2014-06-30 2014-06-30 Method for manufacturing ferroelectric capacitors

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2014/000476 WO2016003306A1 (en) 2014-06-30 2014-06-30 Method for manufacturing ferroelectric capacitors

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016003306A1 true WO2016003306A1 (en) 2016-01-07

Family

ID=55019699

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2014/000476 WO2016003306A1 (en) 2014-06-30 2014-06-30 Method for manufacturing ferroelectric capacitors

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2016003306A1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04230011A (en) * 1990-05-31 1992-08-19 Philips Gloeilampenfab:Nv Manufacture of single layer capacitor
JPH06342737A (en) * 1993-05-31 1994-12-13 Iwasaki Electric Co Ltd Manufacture of nonlinear ceramic capacitor
RU2044719C1 (en) * 1991-07-31 1995-09-27 Витебское производственное объединение "Монолит" Method of metallization of piezoceramic member blanks
RU2354632C2 (en) * 2007-02-19 2009-05-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова Method of ceramics metallisation
RU2523000C1 (en) * 2013-01-24 2014-07-20 Общество с ограниченной ответственностью "ЭЛЕМЕНТ-22" Method of manufacturing ferroelectric capacitors

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04230011A (en) * 1990-05-31 1992-08-19 Philips Gloeilampenfab:Nv Manufacture of single layer capacitor
RU2044719C1 (en) * 1991-07-31 1995-09-27 Витебское производственное объединение "Монолит" Method of metallization of piezoceramic member blanks
JPH06342737A (en) * 1993-05-31 1994-12-13 Iwasaki Electric Co Ltd Manufacture of nonlinear ceramic capacitor
RU2354632C2 (en) * 2007-02-19 2009-05-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова Method of ceramics metallisation
RU2523000C1 (en) * 2013-01-24 2014-07-20 Общество с ограниченной ответственностью "ЭЛЕМЕНТ-22" Method of manufacturing ferroelectric capacitors

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11328851B2 (en) Ceramic electronic component and manufacturing method therefor
KR102285241B1 (en) Ceramic multi-layer component and method for producing a ceramic multi-layer component
RU2572840C2 (en) Metal foil with conductive layer and manufacturing method thereof
JP6496581B2 (en) Voltage non-linear resistance element and manufacturing method thereof
FR3020808A1 (en) DIELECTRIC CERAMIC MATERIAL COMPRISING CCTO
EP0208589A1 (en) Cell for an electrical double-layer capacitor, and method of making the same
US20140321030A1 (en) Solid ion capacitor and method for using solid ion capacitor
CN109912304B (en) Bismuth ferrite based ternary solid solution dielectric thin film material and preparation method thereof
RU2523000C1 (en) Method of manufacturing ferroelectric capacitors
JPS6236624B2 (en)
JP6496582B2 (en) Voltage non-linear resistance element and manufacturing method thereof
RU2007119437A (en) HIGH ENERGY CAPACITORS
JP4390456B2 (en) Electrolytic capacitor and manufacturing method thereof
WO2016003306A1 (en) Method for manufacturing ferroelectric capacitors
CN110767450B (en) Thin film capacitor
DE102010022831A1 (en) Double-layer capacitor
TWI719130B (en) Voltage nonlinear resistance element and its manufacturing method
JP5573362B2 (en) Electrode foil, capacitor using this electrode foil, and method for producing electrode foil
DE102011000904A1 (en) Electrical resistor i.e. semiconductor resistor, manufacturing method for electrical insulated heating module, involves applying electrical contacts on surfaces of base body by coating of surfaces of body without thermal activation of body
CN110767473B (en) Flexible energy storage film
JPH06267785A (en) Manufacture of laminated ceramic electronic component
KR100781964B1 (en) Embedded capacitor and method of fabricating the same
JP5222280B2 (en) Capacitor
KR830000439B1 (en) Sintered Body of Semiconductor Ceramic Material
Kyokane et al. Preparation and characteristics of capacitors with organic conductor as solid electrolyte by ion-assisted evaporation

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14896601

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 11281) EPC. EPO FORM 1205A DATED 23.05.17.

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14896601

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1