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BaTiO3粒徑大小對MLCC性能的影響


鈦酸鋇材料是制備MLCC的最基本也是最重要的原材料。其粒徑大小會影響MLCC產(chǎn)品的燒結(jié)性能、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗,溫度特性及容量等多方面。


BaTiO3粒徑大小對MLCC性能的影響 (a)200 nm BaTiO3    (b)400 nm BaTiO3


1、對燒結(jié)的影響

鈦酸鋇顆粒大小不同,其燒結(jié)成瓷的溫度有一定的差異,其他工藝相差無幾。一般而言,粉體粒徑越小,其表面活性越大,燒結(jié)越容易進(jìn)行,燒結(jié)溫度較低。
       BaTiO3粒徑大小對MLCC性能的影響        
(a)200nm BaTiO3            (b)400 nm BaTiO3
樣品燒結(jié)自然斷面SEM 圖片


2、對介電常數(shù)和損耗因數(shù)的影響

不同粒度對常溫下MLCC介電常數(shù)( DK )和損耗因數(shù)( Df )的影響在常溫下測試產(chǎn)品的容量C和損耗因數(shù), 根據(jù)下面公式可計算出產(chǎn)品的介電常數(shù) DK 。


       BaTiO3粒徑大小對MLCC性能的影響        
式中D為生膜厚度;N為疊層數(shù);S為絲網(wǎng)常數(shù)。


從下圖曲線可以看出,產(chǎn)品介電常數(shù)和介電損耗都是隨著BaTiO3粒徑增大而增大。水熱法合成BaTiO3粉體的過程中,晶粒的生長是由立方相向四方相轉(zhuǎn)變,并且四方相含量會隨著陶瓷晶粒尺寸的增大而增加,而四方相具有較高的介電常數(shù),所以粉體粒徑較大時,MLCC的介電常數(shù)也較大
BaTiO3粒徑大小對MLCC性能的影響        不同粒徑BaTiO3制備的MLCC介電常數(shù)及損耗因數(shù)變化


此外,晶粒尺寸的減小,單位體積內(nèi)低介電常數(shù)的晶界所占的比例將明顯增加,高介電常數(shù)的晶粒芯所占比例將降低。另外,小晶粒尺寸的BaTiO3粉料比表面積更大,與改性劑的接觸更充分更均勻,燒結(jié)后,改性劑的滲透使得晶界的占比進(jìn)一步增加。

在200 nm~500 nm尺寸范圍內(nèi),BaTiO3粉料粒徑越小,所制備的MLCC產(chǎn)品的介電常數(shù)越低損耗也隨之降低

3、不同粒度對MLCC擊穿電壓和絕緣電阻的影響

研究人員以200 V/s的升壓速率測試產(chǎn)品的擊穿電壓, 結(jié)果下圖所示。

    BaTiO3粒徑大小對MLCC性能的影響

擊穿電壓與BaTiO3粒度的關(guān)系

隨著晶粒尺寸的減小,絕緣電阻和擊穿電壓都隨之上升。 在額定電壓下測試產(chǎn)品的絕緣電阻,結(jié)果下圖所示。

       BaTiO3粒徑大小對MLCC性能的影響絕緣電阻與BaTiO3粒度的關(guān)系


使用晶粒尺寸越小的產(chǎn)品介質(zhì)層中晶界占比越大,晶界的高絕緣特性使得越小的晶粒產(chǎn)品具有更好的絕緣性能和耐壓特性。


4、不同粒度對溫度特性的影響

BaTiO3粒徑大小對MLCC性能的影響  不同粒徑BaTiO3制備的MLCC的溫度特性對比

上圖是不同粒徑BaTiO3所制備的MLCC的容量隨溫度變化的曲線。當(dāng)晶粒尺寸越小,產(chǎn)品的容量變化率—溫度曲線越平坦。

上述主要是因為改性劑的存在,燒結(jié)后的產(chǎn)品介質(zhì)層中的晶粒是以“芯-殼” 的結(jié)構(gòu)形式存在,具有“芯-殼” 結(jié)構(gòu)的BaTiO3具有平坦的介溫曲線。起始BaTiO3粉料粒徑將影響晶粒殼的體積比例,在200~500 nm范圍內(nèi),晶粒尺寸越小,晶粒殼體積占比越大,晶粒芯體積占比越小,使得產(chǎn)品在低溫段和高溫段的容量變化率越小,溫度特性越好。
         
結(jié)論:

  • BaTiO3粉料粒徑大小對MLCC產(chǎn)品的性能有決定性的影響。隨著所使用的粉體粒徑的減小,產(chǎn)品的介電常數(shù)減小,損耗也隨之減小。



  • 小粒徑的產(chǎn)品具有較好的絕緣和耐電壓特性,并且其溫度特性也有一定的變化。



  • 值得注意的是,BaTiO3粉料粒徑會對產(chǎn)品的使用壽命有較大的影響,小粒徑的BaTiO3產(chǎn)品使用壽命將顯著延長。因此,在200~500 nm尺寸范圍內(nèi),使用小粒徑的BaTiO3粉料可顯著提升MLCC產(chǎn)品的電性能和可靠性。


以上僅為筆者通過文獻(xiàn)所描述,若有紕漏,歡迎掃描下方二維碼交流探討。

BaTiO3粒徑大小對MLCC性能的影響

目前,鈦酸鋇龍頭企業(yè)日本堺化學(xué)制作的小尺寸鈦酸鋇可以達(dá)到30nm。國內(nèi)目前實驗室可以做到50nm,但放大量用于產(chǎn)業(yè)化難度極大。目前國內(nèi)常規(guī)使用的鈦酸鋇尺寸在200~450nm。主要有山東國瓷、安徽中創(chuàng)、福建貝思科、廈門松元、上海典揚、廣西立之億等企業(yè)。



為了進(jìn)一步加強交流,艾邦建有MLCC產(chǎn)業(yè)交流群,誠邀MLCC研發(fā)、生產(chǎn)、設(shè)備、材料等相關(guān)企業(yè)和機(jī)構(gòu)參與。目前群友包括:清華大學(xué)、國防科大、電子科大、上海硅酸鹽研究所、風(fēng)華高科、宇陽科技、三環(huán)集團(tuán)、火炬電子、微容電子、山東國瓷、鴻遠(yuǎn)電子、畢克化學(xué)、杜邦、日本油脂、宏明電子、中電45所、振華科技、村田、三星、京瓷、太陽誘電 國巨 等加入。

BaTiO3粒徑大小對MLCC性能的影響       


 

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作者 ab

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