多层片式陶瓷电容器(MLCC)的研究进展及发展趋势

多层片式陶瓷电容器（MLCC）的研究进展及发展

趋势

多层片式陶瓷电容器（MLCC）是片式元件的一个重要门类，由于具有结构紧凑、体积小、比容高、介电损耗低、价格便宜等诸多优点，被大量应用在计算机、移动电话、收音机、扫描仪、数码相机等电子产品中。MLCC特别适合片式化表面组装，可大大提高电路组装密度，缩小整机体积，这一突出特性使MLCC成为当今世界上发展最快、用量最大的片式电子元件。

MLCC的应用领域决定了其介质材料必须具有以下性能：

（1）高介电常数

MLCC的比容与材料的介电常数关系如下:

C为电容，V为体积，C/V为比电容，t为介电层厚度，ε为介电常数。在介电层厚度确定的情况下，材料的介电常数越高，电容器比电容越大。介电材料的介电常数越高，越易于实现电容器的小型化，这是目前电容器的一个发展方向，自从MLCC问世以来，其比容一直不断上升，介电层的厚度不断下降。如图1所示。

（2）良好的介温特性

介温特性用来描述电容随温度变化情况。一般来说，在工作状态下，电容器的电容随温度的变化越小越好。由于电容随温度发生变化来源于介质材料介电常数的变化，因此要求节电材料具有良好的介温特性。

（3）高绝缘电阻率

（4）介电损耗小，抗老化

1.研究进展

MLCC用高介电常数的介电材料可以归结为以下三个体系：BaTiO3

系材料；（Ba，Ca）（Ti，Zr）O3系材料；复合含Pb 钙钛矿系材料。

系材料

1.1BaTiO

3

BaTiO3系材料是最早研究的用于MLCC的介电材料，也是最早实现商业化的MLCC用介电材料。从20世纪60年代初期到70年代末，为了实现MLCC贱金属化，降低电容器的成本，人们对BaTiO3系材料的研究多集中在抗还原方面。常用的手段是向BaTiO3中添加过渡元素的氧化物，这些元素的离子在还原气氛下俘获电子发生变价，从而提高还原烧结BaTiO3材料的绝缘电阻。但是由于受主掺杂BaTiO3材料中氧空位的迁移，使用后不久，材料的绝缘电阻就大幅下降，MLCC的性能严重劣化。抑制材料中氧空位的迁移主要有三种方法。早期人们通过将还原烧成的MLCC进行轻微的氧化来实现控制氧迁移的目的。进入20世纪90年代以后，人们开始采取同时向材料中添加施主和受主离子来控制氧空位的迁移。现在人们更倾向于采用向BaTiO3中添加稀土元素的方法来抑制材料中氧空位的迁移。

人们对BaTiO3基介电材料另一个感兴趣的研究方向是提高它的介电常数。一般通过优化工艺和添加改性成分来改善材料的介电性能。优化工艺包括：采取合适的BaTiO3粉体预烧温度，增加四方相BaTiO3含量；选择合适的浆料球磨条件以及烧成制度；选择合适的助烧剂和移动剂；控制BaTiO3的晶粒尺寸。

BaTiO3系材料电气性能较稳定，在温度、电压与时间改变时性能的变化并不显著，适用于隔直、偶合、旁路、鉴频等电路。BaTiO3系材料是一种强电介质，因而能造出容量比较大的电容器。

系材料

1.2（Ba，Ca）（Ti，Zr）O

3

在BaTiO3中引入Ca2+和Zr4+，二者分别进入晶格中部分Ba2+和Ti4+位置，形成（Ba，Ca）（Ti，Zr）O3系材料，缩写成BCTZ。BCTZ系材料明显的特点就是其常温介电常数高。但是BCTZ系材料在使用温度范围内的介电常数变化明显高于BaTiO3系材料，此类材料的容量、损耗对温度和电压等测试条件较敏感。因此常用于生产比容较大的、标称容量较大的大容量电容器产品。BCTZ系材料适合用来生产对稳定性要求不是很高的电容器。BaTiO3常见的生产方式有水热合成和共沉淀两种方法，在生产过程中的选择主要依靠具体的工艺要求来确定。

1.3复合含Pb 钙钛矿系材料

复合含Pb 钙钛矿系材料介电常数通常比较高，在提高比容率，促进产

品小型化方面，相对于BaTiO3材料和BCTZ材料而言，用复合含Pb 钙钛矿系材料制作的电容器有着明显的优势。但是，使用复合含Pb 钙钛矿系材料生产MLCC的工艺复杂，存在层间材料烧成收缩不一致，以及物理化学性能不匹配问题，增加了材料设计和制造的难度，同时会增加生产成本。另外，含Pb材料容易造成环境污染，由于大多数工业国家对含Pb材料的生产有着严格的规定，含Pb材料进入实用化还有待于进一步研究。

三种材料的特点与适用条件见表1.

2.发展趋势

2.1降低电极成本

1.

传统MLCC关键的内电极材料为钯和银，其市场价格很高，其成本占整个MLCC成本的50%以上。在MLCC毛利率不断下滑的情况下，各厂商纷纷致力于开发BME制程技术，力求以铜、镍等贱金属来取代银和钯，从而将单位产品成本降低20%以上。

2.2降低介质厚度

降低介质厚度是降低成本的另一重要因素。从技术的角度来看，薄质大容量MLCC一般需要有薄的介质层和更高的层数。介质膜厚度进一步减至3μm～5μm时，相应的电子陶瓷材料粒度亦下降至0.1μm～

0.2μm，而且对粉体的形貌要求越来越高。

2.3提早应对无铅化潮流

无铅已经不仅仅是市场要求，而且是国际趋势。为了实现无铅化，人们对倒装芯片封装、晶圆级封装、SMT和波峰焊进行广泛的材料研究和工艺评价。现在，关于无铅工艺的研究在工艺上已趋于成熟，因此对产品不会造成太大影响，无铅焊料基本上也能够得到供应商的支持。当然，替换方案并非完全理想，虽没有类似于铅的毒性威胁，但是对环境有其他负面影响，例如，高熔点意味着高能耗。另外，如果用含银的材料来替代铅锡焊料，会产生另一个负面的对生态环境的影响，那就是需要大量开采和加工贵重的金属矿石。

对制造商而言，最大的顾虑还是成本。现在的电子产品中，铅含量在1%～2%左右，如果通过改变工艺把铅含量降低，除了焊料本身的成本之外，由于需要元器件、连接器等承受更高的焊接温度，改用不同材料后，会使成本提高，水电等能源消耗也将增大。