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Ba-Ca-Si-R玻璃粉对MLCC电性能的影响

2022-09-21

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随着新一代互联网技术和LED、移动通信、数字家电产业的高速发展,小型化、高比容、高可靠性MLCC成为该产业未来的发展趋势,更小规格更高比MLCC的研发显得尤其迫切。并且对所使用的陶瓷材料和生产工艺的要求都非常高。而在高性能陶瓷材料的研究方面,日韩等元器件企业掌握核心技术,发展水平较高,国内的研究起步比较晚,在低端陶瓷材料领域取得了一定的成果,也得到了广泛的应用。但在高性能陶瓷材料的研究主要包括钛酸钡(BT)材料Ba/Ti比,钛酸钡粉体大小的控制,钛酸钡粉体晶相的生长情况以及各种氧化物和玻璃粉改性等研究还是比较不足,玻璃粉研究就是其中之一。玻璃粉的种类繁多,适用于MLCC的玻璃粉体系比较少。笔者主要试验和探讨了Ba-Ca-Si-R玻璃粉(R为MgO、ZnO、ZrO2、SrO、Al2O3)在MLCC领域的影响规律。在玻璃粉的研究领域又包括玻璃成分的研究、玻璃粉的制作工艺以及在材料使用时的添加量研究。玻璃成分比较复杂,对应的相和混合相问题也比较多。笔者主要选择Ba-Ca-Si-R中的一种进行了试验。在惨杂改性过程中,首先考虑玻璃种类与钛酸钡基材的匹配性等问题的研究。然而玻璃粉在钛酸钡基材中的添加量是保证钛酸钡本身可以充分发挥其材料电气性能和工艺性能的重要前提。为此本文主要研究玻璃粉的添加量对MLCC产品性能的影响规律。电容器检测,如何检测电容的好坏,如何检测电容,电容如何检测好坏,怎样检测电容,怎样检测电容器的好坏。

1 实验
1.1 陶瓷粉的制备

将不同比例的Ba-Ca-Si-R 玻璃粉与钛酸钡粉体(质量分数大于99.9%,Ba/Ti摩尔比为0.998~1.000)和相同比例的稀土氧化物进行混合,得到不同玻璃粉含量瓷粉MLCC的性能,不同玻璃粉含量的各陶瓷粉组成见表1电容器检测,如何检测电容的好坏,如何检测电容,电容如何检测好坏,怎样检测电容,怎样检测电容器的好坏。

1.2 MLCC样品制作

将表1中的各瓷粉分别按相同配比与甲苯、无水乙醇、PVB树脂以及其他改性剂混合,通过球磨分散形成陶瓷浆料,使用高精度薄膜流延机制成2 μm的介质膜。选用超细镍粉的镍电极浆料在介质膜上印刷内电极,用叠层机交错叠出85层介质膜,经等静压致密化后按设计尺寸切割成陶瓷生坯。将陶瓷生坯排胶(排胶最高温度240 ℃,排胶总时间40 h)后烧结成陶瓷芯片。将陶瓷芯片倒角抛光、封端、烧端、电镀后,制作出标称电容量100 nF、额定电压10 V的0201规格X5R特性MLCC样品。电容器检测,如何检测电容的好坏,如何检测电容,电容如何检测好坏,怎样检测电容,怎样检测电容器的好坏。

1.3 实验仪器

使用HP4278A电桥测试样品的电容量和损耗因数。使用NF2511A绝缘电阻测试仪测试样品的绝缘电阻。使用CJ2671E型耐压测试仪测试样品的击穿电压。使用高低温试验箱测试样品的温度特性。使用KYKY-3800型扫描电子显微镜(SEM)观察瓷体表面晶粒和样品的剖面。电容器检测,如何检测电容的好坏,如何检测电容,电容如何检测好坏,怎样检测电容,怎样检测电容器的好坏。
2 结果与讨论

各配方所对应的陶瓷生坯的烧结在氢气体积分数为1%的氮气气氛中进行,烧结温度分别设定为1 200 ℃、1 220 ℃、1 240 ℃、1 260 ℃、1 280 ℃、1 300 ℃。玻璃材料有助烧作用,在陶瓷烧结过程中形成液相,充分浸润陶瓷粉体颗粒,促进传质进行以及陶瓷致密化。因此玻璃粉的添加量会直接影响样品的烧结温度,即不同的玻璃粉含量下,样品的最佳烧结温度会在一定区间内变化,在最佳温度下烧结的样品能够获得令人满意的电性能。一般玻璃粉在钛酸钡瓷粉中的质量分数不超过1.5%,因为添加过多时,瓷粉烧结时将形成过量的玻璃相,使陶瓷的介电性能恶化。所以本次实验的玻璃粉添加量从质量分数0.1%~0.9%中选取五个值,下面对不同的玻璃粉含量和不同温度下烧结的样品电性能进行讨论。电容器检测,如何检测电容的好坏,如何检测电容,电容如何检测好坏,怎样检测电容,怎样检测电容器的好坏。

2.1 玻璃粉含量对电容量和损耗因数的影响
玻璃粉含量对样品的电容量的影响如图1所示,对样品的损耗因数的影响如图2所示。电容器检测,如何检测电容的好坏,如何检测电容,电容如何检测好坏,怎样检测电容,怎样检测电容器的好坏。

从图1可以看出,对于每一个配方的样品,其电容量随温度升高的变化趋势基本呈现抛物线形态。玻璃粉含量较小的样品,在较低温度下烧结时,因缺乏起助烧作用的液相,较难达到致密化,处于欠烧状态,电容量异常低,而提高温度烧结时,这些样品的容量大幅提高至合格水平。玻璃粉含量大的样品,在较低温度下即可烧结致密,电容量较高,并且随着烧结温度提高达到最大值,随后开始降。可见存在一个合适的烧结温度区间,在该温度区间烧结时电容量亦即陶瓷的介电常数可接近最大值。另一方面,随着玻璃粉含量的增加,样品的烧结温度也就相应降低,清晰地显示出玻璃粉的助烧作用。从图2可以看出,玻璃粉含量一定的情况下,不同温度烧结的样品损耗因数没有显著变化。在相同的烧结温度下,样品的损耗因数随玻璃粉添加量的增加略有升高,但升高的幅度很小,说明对于电容量在设计值范围内的样品,玻璃粉含量对其损耗因数的影响不大。电容器检测,如何检测电容的好坏,如何检测电容,电容如何检测好坏,怎样检测电容,怎样检测电容器的好坏。

2.2 玻璃粉含量对绝缘电阻和击穿电压的影响

玻璃粉含量对样品绝缘电阻的影响见表2,对样品的击穿电压的影响如图3所示。电容器检测,如何检测电容的好坏,如何检测电容,电容如何检测好坏,怎样检测电容,怎样检测电容器的好坏。

样品的绝缘电阻合格标准为R>5 GΩ,从表3可以看出,对于样品的绝缘电阻,存在与电容量相类似的变化规律,不同玻璃粉含量的各样品只要在合适的温度区间烧结,其绝缘电阻就能达到合格标准,并且烧结温度区间随玻璃粉含量的增加往低温方向迁移。由图3可见,样品的击穿电压的变化趋势也呈现抛物线形态,玻璃粉含量对击穿电压与电容量的影响规律基本一致。烧结温度过高时,样品的击穿电压稍有下降;而烧结温度过低时,击穿电压则大幅下降,甚至会因为样品绝缘性太差而升不上电压。对于烧结温度过低的样品,绝缘电阻和击穿电压不良是因为样品处于欠烧状态,晶粒生长不充分,晶界空隙较多,如图4(a)所示。对于烧结温度过高的样品,绝缘电阻和击穿电压不良则是因为晶粒过度生长,如图4(b)所示,又或者内电极因过度收缩而严重结团,如图5所示。电容器检测,如何检测电容的好坏,如何检测电容,电容如何检测好坏,怎样检测电容,怎样检测电容器的好坏。

2.3 玻璃粉含量对温度特性的影响

 

取电容量、损耗因数、绝缘电阻和击穿电压均合格的样品进行温度特性测试,玻璃粉含量对温度特性的影响如图6所示。电容器检测,如何检测电容的好坏,如何检测电容,电容如何检测好坏,怎样检测电容,怎样检测电容器的好坏。

从图6可见,在当试验温度在下限温度(-55 ℃)至室温范围内时,各样品的容量变化率不大,基本在±5%以内。而随着试验温度升高,容量下降加剧,到了上限温度(85 ℃)时,容量下降率达到最大。随着玻璃粉含量的增加,高温区下的电容量变化率(ΔC/C)逐渐减小,温度特性朝优良的方向变化,反之温度特性变差。说明玻璃粉含量的适当增加对于改善样品的温度特性有一定的贡献。电容器检测,如何检测电容的好坏,如何检测电容,电容如何检测好坏,怎样检测电容,怎样检测电容器的好坏。
 

3 结论

 
1)在同一烧结温度下,随着Ba-Ca-Si-R玻璃粉在钛酸钡材料的添加量增加,所制作的样品电容量和击穿电压呈现抛物线变化,在对应的烧结温度区间为最佳。损耗因数有小幅变化,而绝缘电阻在适宜的烧结区间符合MLCC要求。电容器检测,如何检测电容的好坏,如何检测电容,电容如何检测好坏,怎样检测电容,怎样检测电容器的好坏。
 
2)不同玻璃粉含量的样品,其电容量、损耗因数、绝缘电阻和击穿电压都能在各自对应的烧结温度区间达到相近的水平,所以玻璃粉含量对这些电参数的影响并不显著,而对于样品的温度特性影响显著。随着Ba-Ca-Si-R玻璃粉含量增加,样品的温度特性趋于良好,说明此类玻璃粉的添加对样品的温度特性有改良作用。
3)随着Ba-Ca-Si-R玻璃粉在钛酸钡材料的添加量不断增加,钛酸钡材料的烧结温度相应降低,在更低的温度下烧结即能达到良好的烧结状态,晶粒生长均匀,晶界之间无明显的空隙存在,样品性能优良。所以从节能角度来看,适当增加玻璃粉掺杂量有助于降低烧结温度,节约能耗电容器检测,如何检测电容的好坏,如何检测电容,电容如何检测好坏,怎样检测电容,怎样检测电容器的好坏。
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