片式叠层陶瓷电容器(MLCC).ppt

1 片式叠层陶瓷电容器 MLCC 2 MLCC简介 片式叠层陶瓷介质电容器 Multi layersCeramicCapacitor 缩写为MLCC 俗称独石电容器 是陶瓷电容器中的一个重要部分 MLCC结构类似于并联叠式的瓷介电容器 其特点是将涂有金属电极的瓷介坯体与电极同时烧结成一个整体 这种结构称为独石结构 故有独石电容器之称 3 它是电子信息产业最为核心的电子元件之一 除具有一般瓷介电容器的优点外 还具有体积小 容量大 机械强度高 耐湿性好 内感小 高频特性好 可靠性高等一系列优点 并且可制成不同容量温度系数 不同结构形式的片形 管形 穿心形及高压的小型独石电容器 各种类型独石电容器被作为外贴元件广泛地应用于混合集成电路和其他小型化 可靠性要求高的电子设备中 其技术质量水平的高低对于一个国家的电子信息产业的制造水平有着重大的影响 MLCC简介 续 4 MLCC以其在电性能 可靠性方面的卓越表现替代了越来越多的铝电解电容器 钽电解电容器 圆片瓷介电容器的市场 已在电容器市场尽显霸主风采 目前全世界MLCC的年销售量已达10000亿只左右 国内需求量已经达到3000亿只 广泛应用于家电 手机 电脑 军工 航天等电子信息类领域 MLCC的市场及应用领域 5 早期的陶瓷电容器市场中 圆片陶瓷介质电容器一直是主流产品 20世纪六七十年代以后 MLCC产品逐渐取代圆片陶瓷介质电容器产品成为市场主流 内电极技术 SMT 20世纪九十年代至21世纪初 是MLCC行业大发展的时期 BME 小型 高容 MLCC国外发展史 6 20世纪90年代中后期 日资MLCC企业先后设立了北京村田 上海京瓷 东莞太阳诱电等合资与独资企业 以天津三星电机为代表的韩资企业也开始成为一支新型力量 这一阶段 BME核心技术为基础的低成本MLCC开始进入商业实用化阶段 21世纪初 台湾MLCC全面普及BME技术 国巨 华新 达方等台资企业全面崛起 彻底打破了日资企业在BME制造技术的垄断 同时 风华 宇阳及三环这三家国内元器件企业也相继完成了BME技术的改造和产业化 成为MLCC主流产品本地化制造供应源 MLCC国内发展史 续 7 MLCC的结构 Cu Ag引出层 Ni热阻挡层 Sn可焊层 8 MLCC剖面的SEM 9 第 类 温度补偿型固定电容器 包括通用型高频CG CH电容器和温度补偿型高频HG LG PH RH SH TH UJ SL电容器 第 类 固定电容器 一般有X7R X5R以及Y5V Z5U温度特性系列 MLCC的分类 按温度特性分类 X7R X5R系列具有较高的介电常数 容量比 类电容器高 具有较稳定的温度特性 Y5V类介质材料是所有电容器中介电常数最大的电容器 但其容量稳定性较差 对温度 电压等条件较敏感 适用于要求大容量 温度变化不大的电路中 Z5U类介质材料 其温度特性介于X7R和Y5V之间 10 美国电子工业协会对电容温度特性的规定 EIARS 198D标准 1 2为工作温度范围 3为容量变化率 如X7R表示为当温度在 55 125 时其容量变化为15 11 国标与EIA标准 如美国EIA标准的Y5V瓷料 Z5U瓷料 X7R瓷料电容器瓷料分别对应国标GB T5596 1996标准的2F4瓷料 2E4瓷料 ZX1瓷料 其Tc值分别对应 22 82 22 56 15 这是目前在低频MLCC领域使用最为广泛的三种低频温度特性类别电容器瓷料 12 按MLCC的外形尺寸 一般可分为0201 0402 0603 0805 1206 1210 1808 1812 2225 3035等规格 前两位数表示MLCC的长度 后两位表示MLCC的宽度 单位为英寸 如0402规格 表示长度为0 04英寸 宽度为0 02英寸 MLCC的分类 按尺寸分类 13 14 MLCC不同尺寸规格 15 MLCC产品额定工作电压很多 有3 9V 6 3V 10V 16V 25V 50V 100V 200V 250V 500V 630V 1kV 2kV 3kV 4kV 5kV等 其中最常见的为50V 小于50V的多为高层数 大容量产品 习惯上将100V以及100V以上产品称为中高压MLCC产品 而630V以上的则被称为高压MLCC产品 MLCC的分类 按额定工作电压分类 16 片式电容器 MLCC 17 MLCC的制造工艺 18 陶瓷介质薄膜制作 配料 陶瓷介质薄膜制备方法应用最多的是流延法 在流延前 需将陶瓷材料与黏合剂 有机溶剂 分散剂等按一定比例混合在一起 通过球磨等方式使之混合均匀 形成具有一定流动性的陶瓷浆料 这个过程叫配料 这是制造MLCC的第一步 也是极为关键的一步 19 配料 瓷浆中各种组分的作用 陶瓷粉的常见种类 高频低介电常数陶瓷材料 NPO低频中介电常数陶瓷材料 X7R低频高介电常数陶瓷材料 Y5V 20 黏合剂的作用 增塑 改善粘度以方便流延成型黏合剂的种类 有溶剂型和水基型黏合剂 由于溶剂型比水基型易于工艺控制 目前国内外的MLCC厂家大部分使用溶剂型黏合剂 配料 瓷浆中各种组分的作用 黏合剂 乙基纤维素丙烯酸树脂 21 溶剂 作用 溶解黏合剂 添加剂并且辅助瓷粉与黏合剂更好地混合常用的溶剂 甲苯 不环保 无水乙醇 水 甲基乙基酮 MEK 醋酸乙酯等 配料 瓷浆中各种组分的作用 22 分散剂与消泡剂 分散剂具有润湿 分散和稳定的功能消泡剂具有消泡和抑泡的作用 在MLCC中一般使用有机硅消泡剂 配料 瓷浆中各种组分的作用 23 气泡的产生与消泡 气泡 是指不溶性气体存在于液体或固体中 纯水和纯表面活性剂不起泡 这是因为它们的表面和内部是均匀的 很难形成弹性薄膜 即使形成亦不稳定 会瞬间消失 但在溶液中有表面活性剂的存在 气泡形成后 由于分子间力的作用 其分子中的亲水基和疏水基被气泡壁吸附 形成规则排列 其亲水基朝向水相 疏水基朝向气泡内 从而在气泡界面上形成弹性膜 其稳定性很强 常态下不易破裂 24 气泡的产生与消泡 续 有机硅消泡剂即赋此功能 它能降低水 溶液 悬浮液等的表面张力 防止形成泡沫 或使原有泡沫减少当体系加入消泡剂后 其分子杂乱无章地广布于液体表面 抑制形成弹性膜 即终止泡沫的产生 25 分散设备 26 球磨机与节能 球磨机是陶瓷行业中耗能较大的一环球磨机研磨介质质量新型球磨工艺连续式球磨机 节省20 以上的能量 一台产量相当于7台间隔式机 节省占地面积 干法球磨 27 陶瓷介质薄膜制作 流延 采用轧膜法能保证瓷膜致密 气孔小 但瓷膜的厚度难以达到最小流延法是将配制好的瓷浆通过流延设备的注浆口 通过刮刀控制涂布在环形钢带或塑料带上 从而形成一层均匀的浆料层 其厚度可由浆料的黏度 刮刀口的宽度及钢带的走带速度调节 流延出的瓷膜平整 光洁度高 常见厚度在1 60 m之间 28 轧膜法与流延法原理示意图 轧膜法 流延法 29 流延机 30 介质厚度方面进展 降低介质厚度是降低成本的一个重要因素 在薄质大容量MLCC制造领域 日系生产商中以太阳诱电 TAIYOYUDEN 公司最为著名 目前 世界上主要MLCC生产商都在日本 如TDK 村田 Murata 太阳诱电 京瓷 Kyocera 等公司 日本MLCC的关键技术都处于保密状态之中 美国的几家电容器企业 包括AVX KEMET 基美 等在薄介质 高层数方面虽然比日本慢3年 5年 但亦已经做到500层以上 介质膜厚8 m 31 介质厚度方面进展 续 当前世界最高水平的全自动大生产是在日本的TDK 它的全自动大生产化操作的介质厚度可达4 m 而实验室可做出2 m以下介质层厚度以及容量100 F以上的MLCC 据报道 目前在日本 500层的MLCC已正常生产 800层技术已成熟 最高层数 实验室内 已达1000层之多 相应的电极层厚度趋于1 m以下 介质厚度逼近1 m 32 介质厚度方面进展 续 介质膜厚度进一步减至3 m 5 m时 相应的电子陶瓷材料粒度亦下降至0 1 m 0 2 m 而且对粉体的形貌要求越来越高 由于电子陶瓷原材料在薄质大容量MLCC工艺技术中至关重要 日本厂家都是自产自用 风华集团代表了国内MLCC制作的最高水平 掌握了材料的核心关键技术 成膜技术达到3 m 丝印叠层技术达到500层 33 降低介质厚度 续 在介质薄片成型方面能否有所突破 能制备出更薄的介质片 超过1微米极限 能生产出容量更大的MLCC 请各位同学思考 也许你今天的想法就是明天制作技术发展的方向 没有你做不到的 只有你想不到的 34 内电极制作 丝印 在流延制好的陶瓷介质膜片上将内电极浆料印刷成一定形状与尺寸的内电极图形 并利用错位 叠印的方法形成内电极结构 35 丝网印刷法丝网板的结构 它是将丝网 单根聚脂丝或不锈钢丝 紧绷在铝制框架上 获得一个平坦而有柔性的丝网表面 丝网上粘有光敏乳胶 用光刻法制作出开口图形 开口部分与印制板上的焊盘相对应 36 37 丝网印刷的原理 利用了流体动力学的原理静态时 丝网与SMB之间保持 阶跃距离 刮刀刷动时 向下的压力使丝网与SMB接触 当刮刀向前移动 在它后方的丝网即回弹脱离SMB表面 结果在SMB焊盘上就产生一低压区 由于残留在丝网孔中焊膏上的大气压与这一低压区存在压差 所以就将焊膏从网孔中推向SMB表面 形成焊膏图形 38 内电极制作 丝印的要求 上下电极正对位置不能有移位或偏斜 否则将直接影响MLCC的电容量和可靠性金属量用的多会造成成本上升 用的少了会导致烧结后电极层连续性差 影响电容器的容量 并使其损耗增加当印刷不均匀或不平整的时 当芯片在受到电场作用时 内电极凹凸处会因为骤集过多的电荷而使内电极被击穿 或形成板电阻而使内电极发热过度烧坏 生产车间的尘埃含量控制在小于每立方米5颗 小于等于5 m的尘埃 39 内电极剖面SEM 40 内电极制作 叠层 将印刷好内电极图形的陶瓷介质膜片按产品设计要求 借助于膜片本身的黏性和叠层机的压力将膜片叠在一起形成一个整体 简称电极巴块 41 电容芯片制作 层压 目的 提高烧结后瓷体的致密性 42 电容芯片制作 切割 切割是将产品切割成设计尺寸大小的一粒粒芯片的过程 切割方式有直刀式和圆刀式 43 两种切割方式对比 切割时巴块下都要垫一个载体 感温胶 来固定巴块 方便切割 44 烧结成瓷 排胶 目的 把有机物从生坯中排除 保证高温烧结质量根据MLCC陶瓷材料及内电极浆料种类的不同 排胶可分空气气氛和氮气气氛 中性保护气氛 排胶 45 根据MLCC陶瓷材料及内电极浆料种类的不同 排胶可分空气气氛和氮气气氛 中性保护气氛 排胶 通常银钯电极作为内电极的产品采用空气气氛排胶 而采用贱金属镍作为内电极的产品 空气气氛排胶和氮气气氛排胶都有采用 在氮气气氛保护下 450 600 之间可以保证镍不被氧化且有机物能较充分的排出 这是因为镍是一种较活泼的金属 在空气中常温下氧化较为缓慢 但在温度达到280 且氧气充足时就会迅速被氧化 而氧气不足时即使温度较高也不易发生氧化 46 烧结成瓷 烧成 MLCC生片进行高温处理 使其成为具有高机械强度 优良电气性能的陶瓷过程称为烧成高温烧结效果的好坏直接影响到陶瓷电容器的机械性能和电气性能 包括容量 损耗 绝缘电阻 耐电压等 以及可靠性 47 烧结成瓷 烧成 银钯或全钯内电极 氧化气氛镍内电极需还原 惰性 气氛与BaTiO3基材料在还原 惰性 气氛下会半导化构成了一对矛盾各大MLCC生产厂家将其烧成的工艺技术视为企业的核心保密技术要点是烧结气氛以及温度曲线的选取 48 贱内电极技术 BME 原因 金属钯价格 150 200 troyounce 1995年 400 troyounce 1999 700 1000 troyounce 2001 虽然每层介质片只印刷很少的银 钯浆料 但MLCC有很多层使用BME Ni Cu 技术是降低MLCC生产成本有效手段 可节省60 70 电极成本 电容器成本降低20 49 贱内电极技术 BME 优点 成本镍原子或原子团的电迁移速度较Ag或Pd Ag小 因而具有良好的电化学稳定性镍电极对焊料的耐腐蚀性和耐热性好镍电极的电导率优于Pd Ag系电极 可以降低MLCC的等效串联电阻 提高阻抗频率特性 50 贱内电极技术 BME 难度 Pd Ag系电极抗氧化程度高 MLCC可以在空气气氛下排胶 烧结Ni电极为活泼金属 在常温下空气中氧化缓慢 但在温度达到280 且氧气充足时就会迅速被氧化BME MLCC应该在保持 中性或还原 气氛下排胶与烧结 51 贱内电极技术 BME 难度 2 若在还原气氛中烧结带来新问题 钙钛矿结构 BaTiO3 的陶瓷的介质被还原 产生氧空位而变成半导体 陶瓷体产生失氧 出现氧空位使Ti4 易捕获电子而成Ti3 Ti4 e 由于是弱束缚 此电子容易吸收能量而由禁带跃迁至导带成为载流子 常规下BaTiO3在N2 H2中烧结时其绝缘电阻下降10 12个数量级 52 贱内电极技术 BME 办法 目标 提高BaTiO3陶瓷抗还原性方法 1 向材料中添加外来离子捕获氧空位电离出的自由电子以降低载流子的浓度2 对还原气氛下烧结后的BME MLCC在一定温度 一定氧分压下进行再氧化处理 53 贱内电极技术 BME 办法 Ba1 xCax Ti1 yZry O3 Y5V A位二价阳离子过量 一定数目的钙离子进入到B位的钛离子 并与之结合 这些钙离子作为受主掺杂物 抑制了钛酸钡的还原 保证了高介电常数 54 贱内电极技术 BME 办法 Y5V 添加受主杂质Mn Zn少量Mn2 或Mn3 进入Ti位 可以补偿少量氧空位造成的电价不平衡 是很强的电子陷阱限制了电子电导 55 贱内电极技术 BME 办法 掺杂稀土元素 Y3 Dy3 Ho3 Gd3 g 等稀土离子具有相对小的离子半径 它们既可以进入钙钛矿结构中的A位 也可以进入B位 在A位起施主离子作用 在B格点起受主离子作用 在不同的格点位置 这些离子相互影响 组成施主 受主联合体 从而使氧空位数目相当小 56 贱内电极技术 BME 办法 在BaTiO3系统中添加MgO 由于Mg2 电价 电负性与Ba2 接近 Mg2 进入A位属于同价取代 对材料电导无贡献 但Mg2 半径较小 它的大部分进入B位取代Ti4 进入B位的Mg2 起受主作用 受主电离产生空穴 与氧空位电离产生的电子复合 从而限制电子电导 57 贱内电极技术 BME 办法 回火处理 对还原气氛下烧结后的BME MLCC在一定温度 一定氧分压下进行再氧化处理回火 又称再氧化 通过回火处理将瓷料在还原气氛中烧结时产生的氧空位进行补偿 回火温度900 1100 保温2 5h 氧含量5 50ppm 58 烧结成瓷 烧成 空气烧结立式炉 气氛烧结钟罩炉 间隙式窑炉 59 烧结成瓷 烧成 空气烧结长炉 气氛烧结长炉 连续式窑炉 60 烧结成瓷 烧成 隧道窑 辊道窑 连续式窑炉 61 镍电极MLCC烧成工艺流程 烧成曲线中主要有排胶升温 高温及保温 降温 保温回火四个过程 62 镍电极MLCC烧成 排胶升温 残余有机黏合剂的排除 升温速率太快容易产生开裂及内电极挥镍通入氮和氢的混合气体来实现还原气氛内电极与陶瓷体的收缩存在一定差异 减弱烧结过程中内电极与陶瓷体之间的应力有机黏合剂的挥发 坯体的气孔率增加 重量减轻 同时体积稍有收缩 63 另外升温速率对MLCC的烧结有着关键影响 因为在MLCC烧结过程中 内电极金属与陶瓷体的收缩存在一定差异 为使二者收缩曲线更接近 达到共烧的目的 通常在内电极浆料中加入一些超细陶瓷粉 这样可改善内电极的收缩曲线 减弱烧结过程中内电极与陶瓷体之间的应力 但仅仅是在内浆中的调整还不能完全缓解其内应力 还要在烧结曲线中进行调节 64 镍电极MLCC烧成 高温及保温 陶瓷形成的主要阶段 坯体内的物理化学反应更加迅速和充分体积显著收缩 气孔大大减少 表面光泽改变 机械强度增加通常贱金属MLCC的烧结温度为1200 1350 保温时间为2 4小时氮和氢的混合气体来实现还原气氛 选择P O2 为10 8 10 12之间 65 镍电极MLCC烧成 降温 液相凝固 析晶相变快速冷却 可防止细小晶粒变粗以及发生晶型转变 保持其致密结构 提高产品机械性能冷却过快可能造成产品散热不均匀而开裂 降温速率在2 0 5 0 min左右还原气氛 66 镍电极MLCC烧成 保温回火 目的 对烧结过程中陶瓷由于还原性气氛下产生的氧空位进行补偿根据材料和烧结气氛的不同 回火温度及内电极的氧化程度来决定 通常氧含量为5 50ppm回火通常是针对BME中的BaTiO3基 对于非BaTiO3基的陶瓷材料以及在烧结过程中不易产生氧空位的材料 回火过程就相对不那么重要了 67 烧结成瓷 倒角 将烧结好的MLCC通过球磨的方式 引出内电极层的过程 称为倒角既要保证倒角效果 又不能对产品造成损伤高层数的较难 68 烧结成瓷 倒角 行星式球磨机 69 外电极制作 Cu Ag引出层 Ni热阻挡层 Sn可焊层 70 外电极制作 封端 封端是在MLCC芯片两端分别涂敷上外电极浆料 经烘干后 形成固化的MLCC银 铜外电极的过程封端直接影响到MLCC的尺寸与端电极外观质量 对于MLCC的电性能 端电极附着力 焊接性能都有较大影响手动封端机 全自动封端机和半自动封端机 71 外电极制作 封端 端浆 端浆主要含有银粉或铜粉 玻璃料 树脂载体 溶剂等 其成分对于端电极烧结后内外电极的连续性能 端电极附着力 端电极的致密性有非常重要的影响 根据环保的要求 端浆中不允许含有铅 镉等元素 对于银端浆 原来作为降温助烧作用的铅 镉元素被锌 硼等元素取代 不影响MLCC的基本性能 而铜端浆一直都是采用锌 硼 硅等元素玻璃料 符合环保要求 72 外电极制作 封端 手动封端 手动封端机 封端板 封端针床 整平机 73 外电极制作 封端 半自动封端 半自动封端机 贴胶纸 整平机 74 外电极制作 烧端 目的 排除有机物 端电极致密 更好连接内外电极银钯内电极采用空气烧结镍内电极采用的氮气保护铜端电极烧结 75 外电极制作 烧端 银端烧结 空气烧端炉 烧成板 76 外电极制作 烧端 铜端烧结 镍网 铜端电极氮气保护气氛烧端炉 77 外电极制作 烧端 铜端烧结技术 公开的资料中很少见Ni Cu电极烧端技术的详细报道分解有机物过程 若氧低有机物分解不完全残留碳烧结不充分电极多孔镀液进入电极内部恶化焊接性能外电极结合性 电容可靠性和稳定性既要有机物充分燃烧掉 又要保证铜不被氧化 加入硅 硼化物 78 烧端后剖面SEM 79 外电极制作 电镀 烧端后 在其银或铜端电极表面上 利用电镀沉积法分别镀第一层镍底层和覆盖镍层的锡金属层镍层的作用在于作为热阻挡层锡层的作用是作为可焊接金属层 80 外电极制作 电镀 81 外电极制作 电镀 电镀是一种电化学过程 也是一种氧化还原反应的过程 作为阳极的金属失去电子 成为金属离子 在电场作用下 金属离子向阴极方向扩散和迁移 并被吸附到阴极附近 也即MLCC端电极表面 并在阴极得到电子被还原为金属 形成一定晶格的金属晶体 从而实现将阳极的金属镀到电容表面 82 外电极制作 电镀 生产流程 除油漂洗活化漂洗镀镍镍回收漂洗预浸镀锡锡回收漂洗中和漂洗水煮清洗吹干分选 83 外电极制作 电镀 生产流程 1 除油 作用是除去MLCC表面的各种油污 确保后续的电镀质量2 活化 作用是除去金属端电极表面的氧化膜 使电极金属表面裸露 有利于电镀及提高镍层与端电极金属的结合力 3 预浸 在镀锡前要预浸 目的是避免锡槽药水受镍槽污染 84 分选 在MLCC制作完成后 要对其外观分选 剔除外观不良产品 如端头大小不一 瓷体开裂等 人工分选一般是采用显微镜目测 具有投资小优点 但分选不彻底 目前采用自动化分选设备投资巨大 40000片 h 设备价格200W元以上 分选质量相对较高 85 测试 对MLCC的容量 损耗角正切 绝缘电阻 耐电压等进行测试 将电性能不合格产品剔除损耗角正切 绝缘电阻 耐电压性能合格的产品为合格产品 容量符合相应允许偏差要求称为命中产品 四参数测试机 86 包装 MLCC有两种包装方式 一是散装 一是编带包装编带包装又可以分为纸带包装与塑胶带包装 可用于SMT散装产品主要用于手工焊接 自动编带包装机 87 包装卷盘结构 88 谢谢 谢谢 放映结束感谢各位的批评指导 让我们共同进步 母爱母爱是伞 为你遮风挡雨 母爱是衣 为你送去温暖 母爱是灯 为你送去光明 母爱是光 照亮你的心灵 在寒冷的年代里 母爱是温暖 在温暖的年代里 母爱是关怀 在文明的年代里 母爱是道德 在欢乐的年代里 母爱是幸福