2026年9月1日，东京都立产业技术研究中心（简称：东京都产技研）成功开发出可在300℃高温下稳定工作的高温对应型电介质。该材料有望为车载用途等需要在高温环境下运行的电子设备提高可靠性和性能做出贡献，尤其可作为陶瓷电容器材料使用。用作电容器材料时，在室温至300℃的温度范围内，可将静电电容的变化率控制在±15%以内。此外，该高温对应型电介质的合成采用了与传统制造工艺亲和性高的方法，有望发展为实用的材料合成方法。
在车载用途、发电设备、航空航天领域的电力转换系统等要求电子部件在高温环境下具备高可靠性的应用中，需要具有优异高温稳定性的电介质（图1）。广泛用于陶瓷电容器的BaTiO₃系电介质虽具有优异的介电特性，因而被广泛应用于各个领域，但在超过120℃的温度区域，其相对介电常数会显著下降，因此提高高温环境下介电特性的稳定性成为一项课题。为此，该研究开发了一种在高达300℃温度下仍能保持稳定介电特性的高温对应型电介质。这有望提升高温环境下运行电子设备的可靠性和性能。
图1 电子部件按用途分类的使用温度范围
物质根据电阻率大小或载流子浓度（材料中单位体积内存在的自由电子与空穴数量），可分为金属、半导体和绝缘体（表1）。当在电极间夹入绝缘体并施加电场时，虽然几乎无电流流过，但正负电荷会向相反方向发生微小位移，产生电性偏移。这种现象称为“介电极化”，能产生极化的物质称为“电介质”。将陶瓷电介质层与电极交替多层堆叠而成的即为多层陶瓷电容器（图2）。此外，表示极化程度的物理量称为“相对介电常数”，相对介电常数越高，能够储存的电能就越多。
| 电阻率 ρ (Ω cm) (室温) | 载流子浓度 (cm⁻³) (室温) | |
|---|---|---|
| 金属 | ~10⁻⁶ | >10²² |
| 半导体 | 10⁻² ～ 10⁹ | 10¹³ ～ 10¹⁷ |
| 电介质（绝缘体） | ~10¹⁴ | <10¹³ |
图2 介电极化示意图（左）与多层陶瓷电容器（右）
铌磷酸盐系电介质（PNb₉O₂₅）在1960年代有过关于其晶体结构的研究，但此后直至2000年代，物性研究几乎无人问津。近年来，有报道称通过放电等离子体烧结法合成的PNb₉O₂₅表现出高相对介电常数和介电特性的高温稳定性，因而作为电介质具有引人关注的性质。另一方面，采用常用的固相法合成PNb₉O₂₅时，会产生异常晶粒长大和氧空位，导致介电损耗增大和介电特性的高温稳定性下降。
利用玻璃与氧化物界面反应的合成法
该研究通过利用玻璃与氧化物界面反应的液相烧结法合成了PNb₉O₂₅（图3）。该方法的特点在于，从玻璃供给目标晶体的构成成分，同时，不直接参与目标晶体生成的成分则以非晶质形式被有效利用。具体而言，在前驱体玻璃SiO₂-P₂O₅玻璃与Nb₂O₅的界面处，玻璃中的P成分优先向Nb₂O₅侧扩散并发生反应，生成PNb₉O₂₅。另一方面，Si成分扩散较少，以富SiO₂的非晶质形式残留。富SiO₂的非晶质可抑制异常晶粒长大和氧空位的生成，有助于提高介电特性的高温稳定性和绝缘性。关于晶粒尺寸，如图4(a)所示，固相法合成的样品中观察到超过20µm的晶粒，而本方法合成的样品中晶粒尺寸被控制在10µm以下。此外，XPS测量结果显示，固相法合成的样品中Nb以四价和五价混合形式存在，而本方法合成的样品中Nb主要以五价状态存在（图4(b)）。此外，与传统固相法相比，本方法的另一个特点是能够通过更简便的工艺合成目标材料。
图3 传统方法与本研究中的铌磷酸盐系电介质合成工艺示意图
图4 该研究与固相法合成的铌磷酸盐系电介质的比较
(a) 微观结构比较 (b) Nb 3d光谱比较（插图是样品外观照片）
高温对应型电介质的介电特性
相对介电常数随温度变化而变化，静电电容也随之变动。如下式所示的静电电容变化率是衡量静电电容对温度变化稳定性的指标，通常称为温度特性。
ΔC=（CT -CR.T.）/CR.T.
(ΔC: 静电电容变化率，ＣR.T.: 室温下的静电电容，CT: 温度T下的静电电容)
由美国电子工业协会制定并作为陶瓷电容器规格在全球广泛使用的EIA标准，用三位代码规定了温度范围以及该范围内允许的静电电容变化率（表2）。
表2 陶瓷电容器的EIA标准（Class 2）
| EIA代号 | 下限温度 (℃) | 上限温度 (℃) | 静电电容变化率 (%) |
|---|---|---|---|
| X7R | -55 | +125 | ±15 |
| X8R | -55 | +150 | ±15 |
| X9R | -55 | +200 | ±15 |
| X7S | -55 | +125 | ±22 |
| Y5V | -30 | +85 | -82/+22 |
静电电容变化率越小，表明对温度变化具有越稳定的特性，作为高温对应型电介质更为理想。然而，在维持高相对介电常数的同时抑制随温度变化的电容变化并非易事。该研究中，通过将PNb₉O₂₅与富SiO₂非晶质复合化，成功在室温至300℃的温度范围内，将静电电容变化率控制在±15%以内（图5）。
图5 各种电介质温度特性的比较
（插图为 ΔC=±40% 区域的放大图）
高温对应型电介质的电特性
通常，电介质的电导率随温度升高而增加，绝缘性呈下降趋势。因此，即使在高温下也能维持高绝缘性，是高温对应型电介质的重要特性之一。
研究采用交流阻抗法分析了材料的电阻成分，评估了随温度变化的电导率变化。结果表明，采用液相烧结法合成的高温对应型电介质，与其他电介质相比显示出更低的电导率，具有优异的绝缘性（图6）。综合以上结果，此项研究开发的高温对应型电介质有望为提升在严苛温度环境下运行的电容器可靠性和性能做出贡献。
图6 各种电介质的电导率比较
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