电子行业的大米----多层陶瓷电容器
2020-12-23 08:32:27
多层陶瓷电容器（MLCC），也可称为片式电容器、积层电容、叠层电容等，属于陶瓷电容器的一种。MLCC具有体积小、电容量大、高频使用时损失率低、适合大量生产、价格低廉以及稳定性高等特点。近年来，消费电子、通信设备及汽车行业蓬勃发展，特别是手机、电动车的用量和销量增长带动MLCC 需求强劲。根据《MLCC陶瓷粉体材料行业分析报告》统计，普通4G手机的MLCC用量约300-400颗，iPhone7的MLCC用量约900颗，而iPhone的MLCC用量达到1000-1100颗。平均每台纯电动车需要1.7万颗到1.8万颗，比一般燃油车3000颗到3700颗增加近6倍。目前来看，消费电子、汽车电子等行业仍将快速发展，而多层陶瓷电容器作为“电子行业的大米”，前景十分看好。
图1 风华高科是国内被动元件生产巨头，图为其生产的各类陶瓷电容器
简单的平行板电容器基本结构是由一个绝缘的中间介质层加上外部两个导电的金属电极，而MLCC的结构主要包括三大部分：陶瓷介质，金属内电极，金属外电极。从结构上看，MLCC是多层叠合结构，可以看作多个简单平行板电容器的并联体。结构示意图如图所示。
图2多层陶瓷电容器的结构
MLCC制造的工艺流程：以电子陶瓷材料作为介质，将预制好的陶瓷浆料通过流延方式制成要求厚度的陶瓷介质薄膜，然后在介质薄膜上印刷内电极，并将印有内电极的陶瓷介质膜片交替叠合热压，形成多个电容器并联，并在高温下一次烧结成一个不可分割的整体芯片，然后再芯片的端部涂覆外电极浆料，使之与内电极形成良好的电气连接，形成MLCC的两极。
图3 多层陶瓷电容器生产工艺流程
从图3的工艺流程可以看出，MLCC的生产与陶瓷粉体息息相关，而其中涉及的包括电介质陶瓷瓷粉的制备、流延成膜陶瓷膜的薄膜化以及陶瓷粉料与金属共同烧结技术，都将极大影响最终MLCC的品质。接下来我们简要介绍这几项技术。
电介质陶瓷粉料制备技术
目前，MLCC的主要原料是钛酸钡、氧化鈦、钛酸镁、钛酸镁等，形成 COG、Y5V、X7R、NPO等种类，依电气特性应用各不相同决定 MLCC 的特性，来决定不同的烧结温度与烧结气体。此外，从MLCC成本结构角度，瓷粉在整个MLCC中成本占比较大，尤其是高容MLCC的生产，高容MLCC对于瓷粉的纯度、粒径、粒度和形貌有严格要求。
图4 多层陶瓷电容器的成本结构
国瓷材料（300285）是继日本堺化学之后全球第二家成功运用高温高压水热工艺批量生产高纯度、纳米级钛酸钡粉体的厂家，也是国内最大的高纯纳米级电子陶瓷材料钛酸钡系列产品和MLCC用系列功能陶瓷材料的生产商。围绕水热法超细粉体核心技术，公司完成了电子陶瓷、陶瓷墨水、结构陶瓷、催化剂、电子浆料五大业务布局，打造多元材料平台。截至2018年底，国瓷材料MLCC配方粉产销两旺，产能达到1万吨/年以上。
图5 国瓷材料供应的不同MLCC配方粉
国内的研究力量也在探讨超细钛酸钡的制备。广东工业大学的鲁圣国教授课题组对通过水热法制备了四方相钛酸钡，并发现反应温度的提高，溶液的黏度降低以及液体的饱和蒸汽压增大共同促进反应的进行，有利于合成高四方相含量的钛酸钡；此外，乙醇的添加促进体系中脱水反应的进行，也能提高钛酸钡的四方相含量。
图6 鲁圣国制备钛酸钡所用到的主要原料
图7 鲁圣国教授课题组采用水热法制备四方钛酸钡的工艺流程
但是，中高端电介质瓷粉产业化生产的关键技术仍掌握在日本为首发达国家。日本厂家（例如村田）根据大容量(10μF以上)的需求，在粒径为100纳米的湿法 BaTiO3 基础上添加稀土金属氧化物改性，形成高可靠性的X7R 陶瓷粉料，最终制作出 10μF-100μF小尺寸（如 0402、0201 等）MLCC。
图8 MLCC配方粉是通过钛酸钡基础粉改性得到
介质薄层化技术
提升电容量是MLCC替代其他类型电容器的有效途径，在一定的体积上如何制造更大电容量的MLCC，一直是MLCC领域的重要研发课题。
MLCC的电容量与内电极交叠面积、电介质瓷料层数及使用的电介质陶瓷材料的相对介电常数成正比关系，与单层介质厚度成反比关系。因此，在一定体积上提升电容量的方法主要有两种，其一是降低介质厚度，介质厚度越低，MLCC的电容量越高；其二是增加MLCC内部的叠层数，叠层数越多，MLCC的电容量越高。
陶瓷粉体与金属电极共烧技术
MLCC元件在生产过程中，陶瓷介质和印刷内电极浆料需进行叠合共烧，因此不可避免地需解决不同收缩率的陶瓷介质和内电极金属如何在高温烧制环节中不分层、开裂的问题，即所谓的陶瓷粉料和金属电极共烧问题。共烧问题的解决，一方面需在烧结设备上进行持续研发；另一方面也需要MLCC瓷粉供应商在瓷粉制备阶段就与MLCC厂商进行紧密的合作，通过调整瓷粉的烧结伸缩曲线，使之与电极匹配良好、更易于与金属电极共同烧结。
总结
多层陶瓷电容器作为被动元件中的重要一员，广泛应用于消费电子、汽车电子等诸多领域。在多层陶瓷电容器的生产过程中，与陶瓷粉体相关的配方粉制备、介质薄膜化以及陶瓷粉体与金属电极共烧技术对于MLCC的影响很大。在这其中，其钛酸钡基础粉的制备及其改性是MLCC上游产业最关键的一环。
参考文献
钛酸钡纳米粉体的制备、改性及其陶瓷和厚膜的性能研究，广东工业大学，黄咏安。
By：火宣