[发明专利]一种掺玻璃粉高储能密度的无铅铁电厚膜及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电子材料与器件技术领域，涉及一种具有高储能密度的无铅铁电厚膜材料的制备与玻璃粉掺杂优化，适用于高功率大容量存储电容器的开发和应用。

背景技术

近些年来，伴随着各个行业对于微电子技术需求的迅猛增长，微电子行业得以迅速的发展。然而微电子器件走向微型化、集成化的关键技术之一是制备高功率大容量电容器。制备高功率大容量电容器则要求电介质材料在具有高的能量存储密度的同时能够快速的存放电。高的能量存储密度要求电介质材料具有高的击穿场强以及较大的极化值，传统的铁电块体材料由于所需的工作电压较高以及击穿场强较小，限制了其应用；而薄膜材料虽具有较高的击穿场强，但由于厚度的限制，使得整体的储能较低。所以铁电厚膜材料成为解决这一问题的重要途径。

目前市场上使用最多的高功率大容量电容器基本上都是以含铅材料为电介质的电容器。众所周知，铅元素在生产、使用、废品回收过程中会对人体产生危害及对环境造成严重的污染。世界各国对无铅化已经达成了高度的一致。不论是含铅的电介质材料（如PZT，PLZT等），还是无铅的电介质材料（如BNT，KNN等），其纯组分的储能密度均难以达到实际所需的水平，通常会通过掺杂或加入烧结助剂改善优化其性能。玻璃粉作为一种常用的烧结助剂，在改善材料微观结构，实现低温液相烧结，提高材料致密度等方面有重要的作用。因而，玻璃粉添加的无铅铁电厚膜材料将在高功率大容量电容器制备方面发挥重要的作用。

发明内容

本发明目的在于提供一种高致密度，高击穿场强以及高极化强度的无铅铁电厚膜的制备及玻璃粉掺杂优化方法，制得的厚膜材料可用于高功率大容量存储电容器。

本发明的技术方案：

本发明包括以下化学组分，按质量比，（Na_{0.5*（1+x）}Bi_0.5*(1+y)）TiO₃：玻璃粉：粘结剂=1: 0.05~0.3：0.3~0.6，其中：0≤x≤0.05，0≤y≤0.1。

所述玻璃粉为以BaCO₃、HBO₃、SiO₂为原料，按摩尔比BaO：B₂O₃：SiO₂=3.5~5.5: 2~6: 0.5~2.5的混合物。

一种掺杂玻璃粉的高储能密度的无铅铁电厚膜的制备方法，包括如下步骤，其中步骤3）与4）顺序可交换：

1)粉体制备

采用固相反应法合成（Na_{0.5*（1+x）}Bi_0.5*(1+y)）TiO₃粉体，其中： 0≤x≤0.05，0≤y≤0.1，以3~10℃ /min升温至800~900℃，保温2~5小时，随炉冷却后球磨5~10小时，过300目筛备用；

2)玻璃粉制备

以BaCO₃、HBO₃、SiO₂为原料，按摩尔比，BaO：B₂O₃：SiO₂=3.5~5.5: 2~6: 0.5~2.5混合，以3~10℃ /min升温至1000~1300℃，保温0.5~3小时，水淬，过300目筛备用；

3)底电极制备

采用丝网印刷法在氧化铝基片上制备Ag-Pd电极；

4)浆料配制

将1）步骤制备的粉体与2）步骤制备的玻璃粉，按质量比，（Na_{0.5*（1+x）}Bi_0.5*(1+y)）TiO₃粉体：玻璃粉：粘结剂=1: 0.05~0.3：0.3~0.6配制，研磨混合均匀制得厚膜浆料；

5)厚膜制备

a.将4）步骤制得的厚膜浆料采用丝网印刷法印制在3）步骤中制得的Ag-Pd电极上，得到厚膜生坯；

b.将a步骤制得的厚膜生坯在550℃保温5小时排除粘结剂，在800~950℃保温3~13小时进行烧结，制得半成品；

6）上电极制备

在5）步骤制得的半成品上印制Ag上电极，在600~700℃下烧结，20分钟，制得成品。

本发明的有益效果：