陶瓷電容

陶瓷電容按照封裝不同可分為插件和貼片式。按照介質(zhì)不同可分為類I瓷介電容和II類瓷介I電容，通常NP0，SL0，COG是I類瓷介電容，X7R，X5R，Y5U，Y5V是II類瓷介電容， I類瓷介電容容量穩(wěn)定性很好，基本不隨溫度，電壓，時(shí)間等變化而變化，但是一般容量都很小，而II類瓷介電容容量穩(wěn)定性很差，隨著溫度，電壓，時(shí)間變化幅度較大，所以一般用在對(duì)容量穩(wěn)定性要求不高的場合，如濾波等 。

陶瓷電容是指用高介電常數(shù)的電容器陶瓷鈦酸鋇一氧化鈦擠壓成圓管、圓片或圓盤作為介質(zhì)，并用燒滲法將銀鍍?cè)谔沾缮献鳛殡姌O制成。它又分高頻瓷介和低頻瓷介兩種 。

用高介電常數(shù)的電容器陶瓷鈦酸鋇一氧化鈦擠壓成圓管、圓片或圓盤作為介質(zhì)，并用燒滲法將銀鍍?cè)谔沾缮献鳛殡姌O制成。它又分高頻瓷介和低頻瓷介兩種。具有小的正電容溫度系數(shù)的電容器，用于高穩(wěn)定振蕩回路中，作為回路電容器及墊整電容器。低頻瓷介電容器限于在工作頻率較低的回路中作旁路或隔直流用，或?qū)Ψ€(wěn)定性和損耗要求不高的場合(包括高頻在內(nèi))。這種電容器不宜使用在脈沖電路中，因?yàn)樗鼈円子诒幻}沖電壓擊穿 。

在大功率、高壓領(lǐng)域使用的高壓陶瓷電容器，要求具有小型、高耐壓和頻率特性好等特點(diǎn)。隨著材料、電極和制造技術(shù)的進(jìn)步，高壓陶瓷電容器的發(fā)展有長足的進(jìn)展，并取得廣泛應(yīng)用。高壓陶瓷電容器已成為大功率高壓電子產(chǎn)品不可缺少的元件之一。

高壓陶瓷電容器的用途主要分為送電、配電系統(tǒng)的電力設(shè)備和處理脈沖能量的設(shè)備 。

陶瓷電容器半導(dǎo)體陶瓷電容器

（1）表面層陶瓷電容器 電容器的微小型化，即電容器在盡可能小的體積內(nèi)獲得盡可能大的容量，這是電容器發(fā)展的趨向之一。對(duì)于分離電容器組件來說，微小型化的基本途徑有兩個(gè)：①使介質(zhì)材料的介電常數(shù)盡可能提高；②使介質(zhì)層的厚度盡可能減薄。在陶瓷材料中，鐵電陶瓷的介電常數(shù)很高，但是用鐵電陶瓷制造普通鐵電陶瓷電容器時(shí)，陶瓷介質(zhì)很難做得很薄。首先是由于鐵電陶瓷的強(qiáng)度低，較薄時(shí)容易碎裂，難于進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)操作，其次，陶瓷介質(zhì)很薄時(shí)易于造成各種各樣的組織缺陷，生產(chǎn)工藝難度很大。

表面層陶瓷電容器是用BaTiO₃等半導(dǎo)體陶瓷的表面上形成的很薄的絕緣層作為介質(zhì)層，而半導(dǎo)體陶瓷本身可視為電介質(zhì)的串聯(lián)回路。表面層陶瓷電容器的絕緣性表面層厚度，視形成方式和條件不同，波動(dòng)于0.01～100μm之間。這樣既利用了鐵電陶瓷的很高的介電常數(shù)，又有效地減薄了介質(zhì)層厚度，是制備微小型陶瓷電容器一個(gè)行之有效的方案。

右圖（a）為表面層陶瓷電容器的一般結(jié)構(gòu)，（b）為其等效電路。在半導(dǎo)體陶瓷表面形成表面介質(zhì)層的方法很多，這里僅作簡單介紹。在BaTiO₃導(dǎo)體陶瓷的兩個(gè)平行平面上燒滲銀電極，銀電極和半導(dǎo)體陶瓷的接觸介面就會(huì)形成極薄的阻擋層。由于Ag是一種電子逸出功較大的金屬，所以在電場作用下，BaTiO₃導(dǎo)體陶瓷與Ag電極的接觸介面上就會(huì)出現(xiàn)缺乏電子的阻擋層，而阻擋層本身存在著空間電荷極化，即介面極化。這樣半導(dǎo)體陶瓷與Ag電極之間的這種阻擋層就構(gòu)成了實(shí)際上的介質(zhì)層。

這種電容器瓷件，先在大氣氣氛中燒成，然后在還原氣氛中強(qiáng)制還原半導(dǎo)化，再在氧化氣氛中把表面層重新氧化成絕緣性的介質(zhì)層。再氧化層的厚度應(yīng)控制適當(dāng)。若氧化膜太薄，電極和陶瓷間仍可呈現(xiàn)pn結(jié)的整流特性，絕緣電阻和耐電強(qiáng)度都得不到改善。隨著厚度的逐漸增加，pn結(jié)的整流特性消失，絕緣電阻提高，對(duì)直流偏壓的依存性降低。但是，再氧化的時(shí)間不宜過長，否則可能導(dǎo)致陶瓷內(nèi)部重新再氧化而使電容器的容量降低。還原處理的溫度為800～1200℃，再氧化處理的溫度為500～900℃。經(jīng)還原處理后的陶瓷材料，絕緣電阻率可降至10～10³Ω·cm，表面層的電阻率低于內(nèi)部瓷體的電阻率；薄瓷片的電阻率，一般比處理?xiàng)l件相同的較厚瓷體的電阻率低一些。由于再氧化處理形成的表面絕緣性介質(zhì)層的厚度比較薄，所以盡管其介電常數(shù)不一定很高，但是經(jīng)還原再氧化處理后，該表面層半導(dǎo)體陶瓷電容器的單位面積容量仍可達(dá)0.05～0.06μF/cm²。

（2）晶界層陶瓷電容器 晶粒發(fā)育比較充分的BaTiO₃半導(dǎo)體陶瓷的表面上，涂覆適當(dāng)?shù)慕饘傺趸铮ɡ鏑uO或Cu₂O、MnO₂、Bi₂O₃、Tl₂O₃等），在適當(dāng)溫度下，于氧化條件下進(jìn)行熱處理，涂覆的氧化物將與BaTiO₃形成低共溶液相，沿開口氣孔和晶界迅速擴(kuò)散滲透到陶瓷內(nèi)部，在晶界上形成一層薄薄的固溶體絕緣層。這種薄薄的固溶體絕緣層的電阻率很高（可達(dá)10¹²～10¹³Ω·cm），盡管陶瓷的晶粒內(nèi)部仍為半導(dǎo)體，但是整個(gè)陶瓷體表現(xiàn)為顯介電常數(shù)高達(dá)2×10⁴到8×10⁴的絕緣體介質(zhì)。用這種瓷制備的電容器稱為晶界層陶瓷電容器（boundarg layer ceramic capacitor），簡稱BL電容器。

陶瓷電容器高壓陶瓷電容器

（一）概述

隨著電子工業(yè)的高速發(fā)展，迫切要求開發(fā)擊穿電壓高、損耗小、體積小、可靠性高的高壓陶瓷電容器。近20多年來，國內(nèi)外研制成功的高壓陶瓷電容器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、激光電源、磁帶錄像機(jī)、彩電、電子顯微鏡、復(fù)印機(jī)、辦公自動(dòng)化設(shè)備、宇航、導(dǎo)彈、航海等方面。

高壓陶瓷電容器的瓷料主要有鈦酸鋇基和鈦酸鍶基兩大類。

鈦酸鋇基陶瓷材料具有介電系數(shù)高、交流耐壓特性較好的優(yōu)點(diǎn)，但也有電容變化率隨介質(zhì)溫度升高、絕緣電阻下降等缺點(diǎn)。

鈦酸鍶晶體的居里溫度為-250℃，在常溫下為立方晶系鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，是順電體，不存在自發(fā)極化現(xiàn)象，在高電壓下鈦酸鍶基陶瓷材料的介電系數(shù)變化小，tgδ及電容變化率小，這些優(yōu)點(diǎn)使其作為高壓電容器介質(zhì)是十分有利的。

（二）制造工藝要點(diǎn)

（1）原料要精選

影響高壓陶瓷電容器質(zhì)量的因素，除瓷料組成外，優(yōu)化工藝制造、嚴(yán)格工藝條件是非常重要的。因此，對(duì)原料既要考慮成本又要注意純度，選擇工業(yè)純?cè)蠒r(shí)，必須注意原料的適用性。

（2）熔塊的制備

熔塊的制備質(zhì)量對(duì)瓷料的球磨細(xì)度和燒成有很大的影響，如熔塊合成溫度偏低，則合成不充分。對(duì)后續(xù)工藝不利。如合成料中殘存Ca² ，會(huì)阻礙軋膜工藝的進(jìn)行：如合成溫度偏高，使熔塊過硬，會(huì)影響球磨效率：研磨介質(zhì)的雜質(zhì)引入，會(huì)降低粉料活性，導(dǎo)致瓷件燒成溫度提高。

（3）成型工藝

成型時(shí)要防止厚度方向壓力不均，坯體閉口氣孔過多，若有較大氣孔或?qū)恿旬a(chǎn)生，會(huì)影響瓷體的抗電強(qiáng)度。

（4）燒成工藝

應(yīng)嚴(yán)格控制燒成制度，采取性能優(yōu)良的控溫設(shè)備及導(dǎo)熱性良好的窯具。

（5）包封

包封料的選擇、包封工藝的控制以及瓷件表面的清潔處理等對(duì)電容器的特性影響很大。岡此，必須選擇抗潮性好，與瓷體表面密切結(jié)合的、抗電強(qiáng)度高的包封料。目前，大多選擇環(huán)氧樹脂，少數(shù)產(chǎn)品也有選用酚醛脂進(jìn)行包封的。還有采取先絕緣漆涂覆，再用酚醛樹脂包封方法的，這對(duì)降低成本有一定意義。大規(guī)模生產(chǎn)線上多采用粉末包封技術(shù)。

為提高陶瓷電容器的擊穿電壓，在電極與介質(zhì)表面交界邊緣四周涂覆一層玻璃釉，可有效地提高電視機(jī)等高壓電路中使用的陶瓷電容器的耐壓和高溫負(fù)荷性能，如涂有一種硼硅酸鉛玻璃釉，可使該電容器在直流電場下的；蕾穿電壓提高1.4倍；在交流電場下的擊穿電壓提高1.3倍。

陶瓷電容器多層陶瓷電容器

多層陶瓷電容器（Multilayer Ceramic Capacitor，MLCC）是片式元件中應(yīng)用最廣泛的一類，它是將內(nèi)電極材料與陶瓷坯體以多層交替并聯(lián)疊合，并共燒成一個(gè)整體，又稱片式獨(dú)石電容器，具有小尺寸、高比容、高精度的特點(diǎn)，可貼裝于印制電路板（PCB）、混合集成電路（HIC）基片，有效地縮小電子信息終端產(chǎn)品（尤其是便攜式產(chǎn)品）的體積和重量，提高產(chǎn)品可靠性。順應(yīng)了IT產(chǎn)業(yè)小型化、輕量化、高性能、多功能的發(fā)展方向，國家2010年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中明確提出將表面貼裝元器件等新型元器件作為電子工業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)。它不僅封裝簡單、密封性好，而且能有效地隔離異性電極。MLCC在電子線路中可以起到存儲(chǔ)電荷、阻斷直流、濾波、禍合、區(qū)分不同頻率及使電路調(diào)諧等作用。在高頻開關(guān)電源、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)電源和移動(dòng)通信設(shè)備中可部分取代有機(jī)薄膜電容器和電解電容器，并大大提高高頻開關(guān)電源的濾波性能和抗干擾性能。

1．小型化

對(duì)于便攜式攝錄機(jī)、手機(jī)等袖珍型電子產(chǎn)品，需要更加小型化的MLCC產(chǎn)品。另一方面，由于精密印刷電極和疊層工藝的進(jìn)步，超小型MLCC產(chǎn)品也逐步面世和取得應(yīng)用。以日本矩形MLCC的發(fā)展為例，外形尺寸已經(jīng)從20世紀(jì)80年代前期的3216減小到現(xiàn)在的0603。國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的MLCC主流產(chǎn)品是0603型，已突破了0402型MLCC大規(guī)模生產(chǎn)的技術(shù)難關(guān)。0201型MLCC已研制出樣品，產(chǎn)業(yè)化技術(shù)以及國內(nèi)市場需求均處于發(fā)育成熟階段，目前最小的020l型MLCC長邊甚至不到500 μm。

2．低成本化——賤金屬內(nèi)電極MLCC

傳統(tǒng)的MLCC由于采用昂貴的鈀電極或鈀銀合金電極，其制造成本的70%被電極材料占去。包括高壓MLCC在內(nèi)的新一代MLCC，采用了便宜的賤金屬材料鎳、銅作電極，大大降低了MLCC的成本。但是賤金屬內(nèi)電極MLCC需要在較低的氧分壓下燒結(jié)以保證電極材料的導(dǎo)電性，而過低的氧分壓會(huì)帶來介質(zhì)瓷料的半導(dǎo)化傾向，不利于元件的絕緣性和可靠性。村田制作所先后開發(fā)出幾種抗還原瓷料，在還原氣氛下燒結(jié)，制成的電容器的可靠性可與原先使用貴金屬電極的電容器相媲美，這類電容器一面世便很快進(jìn)入市場。目前，賤金屬化的Y5V組別電容器的銷量已占該組別MLCC的一半左右，另外正在尋求擴(kuò)大賤金屬電極在其他組別電容器上的應(yīng)用。

我國在這方面也有顯著進(jìn)展。清華大學(xué)與元器件廠商合作用化學(xué)方法制備高純鈦酸鋇納米粉（20～100 nm），通過受主摻雜和雙稀土摻雜構(gòu)建“核一殼”結(jié)構(gòu)來提高材料高溫抗還原性和實(shí)現(xiàn)溫度穩(wěn)定特性，研制出一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的溫度穩(wěn)定型高性能納米/亞微米晶抗還原鈦酸鋇瓷料，所研制的材料配方組成、制備方法具有獨(dú)創(chuàng)性，材料綜合性能居國際領(lǐng)先水平。其中高性能X7R（0302）賤金屬內(nèi)電極MLCC瓷料室溫相對(duì)介電常數(shù)高達(dá)3 000，陶瓷晶粒尺寸小于300 nm，容溫變化率小于±12%，介電損耗小于2.5×10^-2，絕緣電阻率約為1013 Ω·cm。MLCC擊穿場強(qiáng)大于70 MV/m。已制備出超薄層賤金屬內(nèi)電極MLCC產(chǎn)品，陶瓷介質(zhì)單層厚度約為3 μm。

3．大容量化、高頻化

一方面，伴隨半導(dǎo)體器件低壓驅(qū)動(dòng)和低功耗化，集成電路的工作電壓已由5 V降低到3 V和1.5 V；另一方面，電源小型化需要小型、大容量產(chǎn)品以替代體積大的鋁電解電容器。為了滿足這類低壓大容量MLCC的開發(fā)與應(yīng)用，在材料方面，已開發(fā)出相對(duì)介電常數(shù)比BaTiO3高1～2倍的弛豫類高介材料。在開發(fā)新產(chǎn)品過程中，同時(shí)發(fā)展了三種關(guān)鍵技術(shù)，即制取超薄生片粉料分散技術(shù)、改善生片成膜技術(shù)和內(nèi)電極與陶瓷生片收縮率相匹配技術(shù)。最近日本的松下電子組件公司成功研制出電容量最大為100μF，最高耐壓為25 V的大容量MLCC，該產(chǎn)品可用于液晶顯示器（LCD）的電源線路。

通信產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展對(duì)元器件的頻率要求越來越高。美國Vishay公司推出的Cer—F系列MLCC的高頻特性可以與薄膜電容器相媲美，在高頻段的某些應(yīng)用中可以替代薄膜電容器。而我國高頻、超高頻MLCC產(chǎn)品與國外仍有一定的差距，主要原因是缺乏基礎(chǔ)原料及其配方的研發(fā)力度。隨著技術(shù)不斷更新，現(xiàn)已不斷涌現(xiàn)出了低失真率和沖擊噪聲小的產(chǎn)品、高頻寬溫長壽命產(chǎn)品、高安全性產(chǎn)品以及高可靠低成本產(chǎn)品。