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陶瓷材料|MLCC片式多层陶瓷电容器应用及制作工艺介绍

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陶瓷材料|MLCC片式多层陶瓷电容器应用及制作工艺介绍

2021-06-21

被动元件是电子产品不可或缺的基本零

电子元器件按是否影响电信号特征进行分类,可分为被动元件与主动元件。其中被动元件无法对电信号进行放大、振荡、运算等处理和执行,仅具备响应功能且无需外加激励单元。按被动元件的电路功能,又可进一步细分为电路类器件及连接类器件。

电子元器件分类情况

电阻、电容、电感是三种最主要的电路类被动元件,电容的主要功能在于旁路,去藕,滤波和储能,电阻则被用于分压、分流、滤波和阻抗匹配,电感的主要用途为滤波、稳定电流和抗电磁干扰,这些均是电子产品正常工作过程中必不可少的功能,被动元件是电子产品中不可或缺的基本零部件。

主要被动元件及其功能

 

电容分类繁多, MLCC 用途最广

被动元件是电子产品中不可或缺的基本零部件,电阻、电容、电感是三种最主要的电路类被动元件。电容应用范围广泛,根据电介质的不同,可分为陶瓷电容、铝式电容、钽式电容、薄膜电容等,其中陶瓷电容市场占比最高,超过 50%。MLCC作为最主要的陶瓷电容,成为被动电子元件中使用最为广泛、用途最广、使用量最大的电子元件。受消费电子、工业、通信、汽车等应用领域的需求驱动,MLCC 市场增长动力足。

国内电容器市场需求结构

MLCC概述

片式多层陶瓷电容器(MLCC)是由印好电极(内电极)的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来,经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片,再在芯片的两端封上金属层(外电极),从而形成一个类似独石的结构体,故也叫独石电容器。

MLCC诞生于上世纪60年代,最先由美国公司研制成功。目前,MLCC主要生产厂家:美国基美(KEMET);日本村田、京瓷、丸和、TDK;韩国三星;台湾国巨、华新科、禾伸堂;大陆有名的则是宇阳、风华高科、三环。其中,国内厂商---宇阳科技的MLCC(01005、0201、0402尺寸)产量比超过90%,位居世界第一位,总产量也跃居全球前三,目前宇阳已成为国内产能最大和全球微型化前三的MLCC厂商。

MLCC 除有电容器"隔直通交"的通性特点外,其还有体积小,比容大,寿命长,可靠性高,适合表面安装等特点。随着 MCLL 可靠性和集成度的提高,其使用的范围越来越广,广泛地应用于各种军民用电子整机和电子设备,如电脑、电话、程控交换机、精密的测试仪器,目前已经成为应用最普遍的陶瓷电容产品。

MLCC的分类

1. 根据所采用的陶瓷介质的类型分类

根据所采用的陶瓷介质的类型,MLCC可划分为两大类:Class 1和Class 2两类。

※Class 1类

具有极高的稳定性,其电容量几乎不随时间、交流信号、外加直流偏压的变化而改变,同时具有极低的介质损耗,即高Q值。适用于对容量高精度和应用频率要求较高的谐振电路。根据电容量的温度系数,有可分为温度稳定型和温度补偿型两种。

※Class 2类

具有很高的体积比容量,适用于旁路、耦合、滤波以及对容量稳定性要求不高的鉴频电路。在DC-DC(AC)变换器和开关电源滤波电路中逐步取代钽电解电容、铝电解电容。

2. 按照温度特性、材质、生产工艺、填充介质的不同分类

按照温度特性、材质、生产工艺、填充介质的不同,MLCC可以分成如下几种:NPO、COG、Y5V、Z5U、X7R、X5R等。它们的主要区别如下:

-C0G、NPO电容器具有高温度补偿特性,适合作旁路电容和耦合电容

-X7R电容器是温度稳定型陶瓷电容器,适合要求不高的工业应用

-Z5U电容器特点是小尺寸和低成本,尤其适合应用于去耦电路

-Y5V电容器温度特性最差,但容量大,可取代低容铝电解电容

可见,在相同的体积下由于填充介质不同所组成的电容器的容量就不同,随之带来的电容器的介质损耗、容量稳定性等也就不同,所以在使用电容器时应根据电容器在电路中作用不同来选用不同的电容器:NPO、COG温度特性平稳、容值小、价格高;Y5V、Z5U温度特性大、容值大、价格低;X7R、X5R则介于以上两种之间。

3. 按照材料SIZE封装大小分类

MLCC按材料SIZE封装大小,大致可以分为3225、3216、2012、1608、1005、0603、0402,0201,01005等等。 数值越大,SIZE就更宽更厚。

MLCC的制造工艺

1. MLCC 应用范围广,制作工艺复杂

MLCC 广泛运用于各种高、低频电容中,具有高可靠性,高精度,高集成,低功耗,大容量,小体积和低成本等特点,起到退耦、耦合、滤波、旁路和谐振等作用,适用范围覆盖军民用电子整机和电子设备,如电脑、手机、程控交换机、精密的测试仪器等。

MLCC 结构示意图

MLCC 由平行的陶瓷材料和电极材料层叠而成,每一层陶瓷都被上下两个平行电极夹住形成一个平板电容,内部电极和外部电极相连起每个电容,叠层的电容越多,存储的总电量越大.

MLCC 截面图

MLCC 具有各种不同规格,而各产品间的差异主要在于电容值(单位电压下贮存电量)、尺寸(1210 以上、0805、0603、0402、0201 等规格)、温度稳定性(Y5V、X7R 及 NPO 等)、操作电压上限、安规认证、ESR(电容/充放电所需时间)及 Q 值(对输入能量的耗损程度)等特性。

随着电子产业迅速发展,MLCC 的发展也呈现多元化:

(1)为了适应便携式通信工具的需求,向大容量、尺寸小型化的方向发展。通过金属电极材料、提高介电常数、高层化技术、纳米微粒技术等可提高容量,通过小尺寸产品的 SMT 技术、高精度积层技术等可将 MLCC 尺寸做小做薄。

(2)为了适应某些电子整机和设备向大功率高耐压的方向发展(军用通信设备居多),向高耐压大电流、大功率、超高Q值低 ESR 型的中高压片式电容器发展。高压可靠性试验技术、耐热设计技术、排容技术等可推进 MLCC该方面的发展。

(3)为了适应线路高度集成化的要求,向多功能复合片式电容器(LTCC)发展,低温共烧技术、复合材料技术、三次元回路设计技术的研发也逐渐成为热点。

2. MLCC技术壁垒高,对核心原材料、制造工艺等环节要求高

MLCC 的成本由原材料、包装材料、人工和设备折旧等构成,其中原材料成本占比最大,在 30%-65%之间。从材料结构来看,主要分为陶瓷粉料与内外电极,上游材料不仅价格高且直接影响产品性能。

MLCC 成本结构

主要原料是钛酸钡、氧化钛、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,产能主要集中在日韩台企业。

陶瓷粉料的核心在于纯度、颗粒大小和形状,另一方面在生产过程中的环保要求也日益受重视。高纯、超细和高性能陶瓷粉体制造技术和工艺是主要制约我国陶瓷产业发展的瓶颈,目前国内以国瓷材料、三环集团为代表的厂商已掌握相关纳米分散技术,国瓷材料在全球市占率约占 10%,已基本满足国内中低端 MLCC 需求,但部分特殊功能粉末还需向国外厂商如 Ferro、Sakai 等采购。日本厂家(例如村田)根据大容量(10μF 以上)的需求,在 D50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,国内较日本厂商在先进粉体技术还有一段差距。

MLCC另一项主要原材料是内外电极金属,电极及封装绕线等需铜、银、镍、铁、钯等金属,其价格波动对 MLCC 影响较大。受到主动元件 CPU 及通讯用元件速度不断加快的趋势影响,MLCC 的叠层数逐渐提高,内电极金属用量也增加。

美国于 1960 年发明 MLCC 电极,材料为钯或钯银合金,过去台湾厂商外电极采用银,内电极采用钯金属,根据此材料特性的制程技术又称为 NME(Noble Metal Electrode,贵金属电极)。钯金属作为稀有贵金属,价格相当昂贵,主要供应来自俄罗斯,产量稀少导致价格波动十分剧烈,甚至供应不及与缺货,因此业内也常以卑金属(镍、铜)等金属取代钯金属电极材料,使成本下降近 70%,基于此材料的制程技术为 BME(Base Metal Electrode,卑金属电极)。两种技术生成运用的特性稍有不同,NME 比较稳定,常作为耐高压产品,成本较高;BME 属于低成本产品,允差较大,一般运用于对稳定性要求不高的产品。2016年底-2017年底,由于上游金属大幅涨价,MLCC 价格也随之受到影响而上调。

2016年底-2017年底现货钯金铜、铝、镍价格涨幅变化

3. MLCC 制造工艺复杂,国外技术领先

MLCC 生产过程中,首先需调浆,即将陶瓷粉和粘合剂、溶剂等按一定比例经过球磨,形成陶瓷浆料。之后将陶瓷浆料通过流延机的浇注口,将其涂布在绕行的 PET 膜(Film)上,形成一层均匀的浆料薄层,再通过高温、干燥、定型、剥离,脱膜成型得到陶瓷膜片,一般厚度在 10-30μm。然后在介质薄膜上进行内部电极印刷,并将印有内电极的陶瓷介质膜片堆叠热压形成多电容器并联,切割、去粘结剂后高温烧结成一个不可分割的整体电子元器件,然后在电子元器件的端部沾涂外电极,使之与内电极形成良好的电气连接,形成 MLCC 的两极。

MLCC 制造流程

除原材料外,MLCC 制作流程中的主要壁垒有以下方面:

转移胶带的材料要求较高,不能与陶瓷浆料成分之间产生化学反应,需要匹配陶瓷浆料的表面张力,确保陶瓷涂层厚度均匀;此外其平整度要求凸点需控制在 0.2μm 以内。该胶带原料为 PET 原膜,国内目前主要从日本进口,原膜约占成本 60%,未来随产品越来越薄,预计成本降低,更多被工艺成本取代。

多层介质薄膜叠层印刷技术难度高。为了迎合电子发展需求在小尺寸基础上制造更高电容值的 MLCC,多层介质薄膜叠层印刷技术应运而生。日本公司工艺已能实现在 2μm 的薄膜介质上叠 1000 层,生产出单层介质厚度为1μm 的 100μFMLCC,它具有较片式钽电容器更低的 ESR 值和更宽的工作温度范围(-55℃-125℃)。国内风华高科 MLCC 制作水平最高,能够完成流延成3μm 厚的薄膜介质,烧结成瓷后 2μm 厚介质的 MLCC。但与国外先进的叠层印刷技术相比国内技术还有一定差距,设备自动换程度和精度也有待提高。

陶瓷粉料&金属电极共烧技术壁垒高。MLCC 由多层陶瓷介质印刷内电极浆料,叠合共烧而成,为解决不同收缩率的陶瓷介质和内电极金属如何在高温烧成后不会分层、开裂,即陶瓷粉料和金属电极共烧问题。低温陶瓷共烧技术就是解决这一难题的关键技术,掌握好该技术可以生产出更薄介质(2μm 以下)、更高层数(1000 层以上)的 MLCC。当前日本公司不仅有各式氮气氛窑炉(钟罩炉和隧道炉),在设备自动化、精度方面有明显的优势,在低温陶瓷共烧技术方面也领先于其他各国。

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