第二章功能陶瓷的制备

第二章常见功能陶瓷的制备

一.电容器陶瓷

电容器在电子线路中，起到阻断直流、存贮电荷、滤波、区分不同频率及使用调谐等作用，是电子功能陶瓷元件中用量最大的元件之一。电容器产量占全球电子元件的40％以上，产值约占全球电子元件的10％以上

电容器：高频、铁电、表面层与边界层、微波、独石等几类

介质材料：钛酸盐、锡酸盐、锆酸盐的固溶体。

GENERAL PROCESSES OF ELECTRONIC MATERIALS

典型电容器陶瓷制造工艺流程一般工艺步骤：

（1）配料

（2）混合

（3）球磨

（4）干燥

（5）预烧

（6）造粒

（7）成型

（8）烧成

（9）加工、整形（10）上电极

1.工艺调整对显微结构与性能的影响：

（1）晶粒尺寸控制：大部分电容器采用的材料要求为细晶粒（例如

BaTiO

3的晶粒尺寸为0.7～1μm），以获得大的ε。

晶粒抑制剂：如NiO、锡酸铋等。

压平剂：获得平坦的ε~T关系，如MgSnO

3、CaZrO

3

、CaSnO

3

、Bi

2

(SnO

3

)

3

、CaTiO

3。

（2）显微结构控制：在高ε材料中常采用加入少量（2～3％）组成相同的晶种，使得显微结构均匀。显微结构(晶粒和气孔的尺寸大小及分布,相组成及分布,晶界特性、缺陷及裂纹,组成均匀性及畴结构等）

（3）微区化学成分控制：人为控制化学不均匀性，例如利用“壳心”结构，阻止晶粒生长的第二相或者多相混合热压等。如X7R材料的电容温度调制。

（4）液相烧结技术：BaTiO

3中加入过量钛，形成第二相液相促进烧结。

在SrTiO

3系统中，加入助烧结剂（SiO

2

、Al

2

O

3

）或利用化学式量偏离。

2.显微结构与ε~T曲线关系：

（1）相的迭加法则：各晶相的ε~T关系及TKε（电容温度系数）、TKf （频率的温度系数）的正负不同，利用相的迭加法则，调整固溶体的两相比例从而得到平坦的ε~T关系或一定TKε、TKf材料。

（2）富施主体系：烧结过程中液相未进入晶界，而停留在晶粒交界处。晶粒生长通过晶界迁移而完成，晶界迁移速度慢，无异常晶粒生长，材料的介电性随温度变化不大（从-50o C到+100o C电容变化很小），可用作稳定电容介质。√

（3）富受主体系：液相进入晶界，成为晶界液相膜。液相的高活动性促成晶粒异常生长，大晶粒可达100 μm，而小晶粒仅为1μm，添加物宏观上为均匀分布，ε~T曲线中居里峰十分明显，介电性不稳定，不适合作为稳定电容器材料。

常用作X7R介质工艺技术要点

材料体系：BiTiO

3-Nb

2

O

5

-Bi

2

O

3

、BaTiO

3

-Nb

2

O

5

-Co

3

O

4

、BaTiO

3

-

(Ho,Gd,Dy,Er)

2O

3

-MgO等

满足下列条件：在-55～+125 o C温度范围内电容率变化＝15％。

“壳，心”结构：晶粒内的组成不均匀，晶粒内核为铁电相，而外壳为非铁电的顺电相，从而使材料的电容-温度关系平稳。

发展趋势：膜的层厚更薄，要求介质的晶粒更细，这就使得利用“壳，心”结构设计X7R材料更为困难。因为要求核芯部分体积为更小，但晶粒变小后，由于尺寸影响，ε减小，电容量下降。

Sakabe掺杂解决方案：不采用“壳，心”结构，而利用掺入CaO,组成为：

（Ba

1-x Ca

x

）

m

TiO

3

+1mol%MgO+2mol%SiO,x=0~0.10,m=1.003~1.009

抑制了BaTiO

3的四方性，得到细晶粒陶瓷，晶粒为0.2μm，而获高介电系

数（ε＝3000）的稳定电容器材料。

理想BaTiO 3陶瓷的壳－芯结构

壳－芯结构的TEM 照片 (Y.Mizuno, J.Eur.Ceram.Soc.,

2001,21:1649)

❑材料配方的改进；

❑工艺技术的改进；

❑微结构的控制；

❑微结构与性能关系的表征。 X7R 介质

X7R介质

❑壳－芯结构的形成：❑居里点移动机理：

❑壳－芯结构的稳定性：扩散速率

固溶度 (第二相)

取代离子的移动效应离子空位

应力作用

离子半径

固溶度

烧结气氛

❑杂质的掺杂取代作用：化学成分

掺杂方式

粒径

均匀掺杂

X7R介质

工艺技术研究内容

（1）BaTiO

3陶瓷的微观形貌

（2）相组成

（3）绝缘电阻率（4）介电性能（5）居里点的移动（6）壳－芯结构

3.多层陶瓷电容器（MLCC）

引言：世界电子技术的飞跃发展，电子设备的小型化、薄型化、轻量化、多功能化，要求元器件小型化、片式化、标准化、无引线、组合化、集成化、电路模块化，以适应高密度组装自动化大生产的要求。

在大规模集成电路中，1-100μF的MLCC正快速的替代钽电容

器和铝电解电容器原有的地位，是世界上用量最大、发展最快

的一种片式化元件。在生产数量与市场份额上皆占主导地位。

应用领域：广泛应用于移动通信、信息技术、消费电子、航空航天和国防科技等领域。

特点：

❑封装简单，密封性好；

❑能有效隔离异性电极；

❑比容大，等效串联电阻小；

❑无极性；

❑固有电感小；

❑高频特性好。

多层陶瓷电容器的结构