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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產品的燒結性能、介電常數、介質損耗,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、對燒結的影響

鈦酸鋇顆粒大小不同,其燒結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,燒結越容易進行,燒結溫度較低。
       BaTiO3粒徑大小對MLCC性能的影響        
(a)200nm BaTiO3            (b)400 nm BaTiO3
樣品燒結自然斷面SEM 圖片


2、對介電常數和損耗因數的影響

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


從下圖曲線可以看出,產品介電常數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,所以粉體粒徑較大時,MLCC的介電常數也較大
BaTiO3粒徑大小對MLCC性能的影響        不同粒徑BaTiO3制備的MLCC介電常數及損耗因數變化


此外,晶粒尺寸的減小,單位體積內低介電常數的晶界所占的比例將明顯增加,高介電常數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,燒結后,改性劑的滲透使得晶界的占比進一步增加。

在200 nm~500 nm尺寸范圍內,BaTiO3粉料粒徑越小,所制備的MLCC產品的介電常數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的升壓速率測試產品的擊穿電壓, 結果下圖所示。

    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品的絕緣電阻,結果下圖所示。

       BaTiO3粒徑大小對MLCC性能的影響絕緣電阻與BaTiO3粒度的關系


使用晶粒尺寸越小的產品介質層中晶界占比越大,晶界的高絕緣特性使得越小的晶粒產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。當晶粒尺寸越小,產品的容量變化率—溫度曲線越平坦。

上述主要是因為改性劑的存在,燒結后的產品介質層中的晶粒是以“芯-殼” 的結構形式存在,具有“芯-殼” 結構的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,晶粒尺寸越小,晶粒殼體積占比越大,晶粒芯體積占比越小,使得產品在低溫段和高溫段的容量變化率越小,溫度特性越好。
         
結論:

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



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


以上僅為筆者通過文獻所描述,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,鈦酸鋇龍頭企業日本堺化學制作的小尺寸鈦酸鋇可以達到30nm。國內目前實驗室可以做到50nm,但放大量用于產業化難度極大。目前國內常規使用的鈦酸鋇尺寸在200~450nm。主要有山東國瓷、安徽中創、福建貝思科、廈門松元、上海典揚、廣西立之億等企業。



為了進一步加強交流,艾邦建有MLCC產業交流群,誠邀MLCC研發、生產、設備、材料等相關企業和機構參與。目前群友包括:清華大學、國防科大、電子科大、上海硅酸鹽研究所、風華高科、宇陽科技、三環集團、火炬電子、微容電子、山東國瓷、鴻遠電子、畢克化學、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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BaTiO3粒徑大小對MLCC性能的影響

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原文始發于微信公眾號(艾邦陶瓷展):BaTiO3粒徑大小對MLCC性能的影響

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作者 ab

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