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电子信息产业技术不断发展,从2G到5G,通讯技术向着高频化发展,通讯设备的传输频率迅速往上提升,高频高Q值的片式多层陶瓷电容器(MLCC)的市场需求量逐年增加。铜内电极MLCC由于采用高电导率的铜作为内电极材料,大幅降低了其等效串联电阻(ESR),具有高Q值和优异的高频特性,因而特别适用于各种无线通信设备、智能手机和医疗电子等领域的射频微波电路中。艾邦建有MLCC产业交流群,扫描下方二维码即可加入,与业内人士一起交流:

铜内电极MLCC,高频通信的优选方案

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01

MLCC内电极及其要求

MLCC是由印好电极(内电极)的陶瓷介质膜片以交错的方式叠合起来,经过高温烧结形成陶瓷块体,再在陶瓷块的两端封上金属层(外电极)而形成的。

铜内电极MLCC,高频通信的优选方案

图 MLCC的基本结构示意图

MLCC的结构主要包括陶瓷介质,金属内电极,金属外电极三大部分,其中,内部电极存在于每层陶瓷介质之间,是电容器的重要组成部分。内电极主要是用来贮存电荷,其有效面积的大小和电极层数的连续性是影响电容质量的两大因素。

表 各类电极材料的物理特性

铜内电极MLCC,高频通信的优选方案

MLCC要求内电极与介质一次共同烧成。在烧成温度下,要求内电极不熔化,不与介质发生反应,且保证良好的导电性。内电极材料关系到薄层化、小型化,且与MLCC的成本密切相关,以贱金属镍(Ni)或铜(Cu)替代含钯(Pd)的贵金属内电极来缩减高性能MLCC的生产成本成为发展陶瓷电容器技术的主要趋势之一。贱金属MLCC目前一般采用镍内电极,铜端电极。而随着一些低温瓷体的开发应用,可采用铜作为内电极,铜金属导电性好,可应用于射频高Q电容。
铜内电极MLCC,高频通信的优选方案

02

铜作为MLCC内电极的优点

相较与其它金属材料,铜的来源较为广泛,开采技术成熟,成本较低,且有着极低的体电导率。同时铜电子浆料具有导电性优良、焊接性能好、分辨率高、附着力强等优点,非常适合代替目前主流的贵金属金属浆料。以铜作为MCC的内电极具有许多优点:

(1)铜电极的成本较低。仅为Ag/Pd电极成本的10%,因此使用铜作为内电极将大大降低成本。

(2)铜的电迁移速度小于Pd/Ag和Ag的速度,具有良好的电化学稳定性,有利于提高MLCC的稳定性。

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图 不同电极材料的电迁移速度

(3)铜的电阻率为1.7μΩ·cm,与Ag的电阻率较为接近,是Ni的1/4,Pt的1/6,可降低MLCC的串联电阻,能有效地提高其阻抗频率。

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图 不同类型导电浆料的方阻值

(4)铜在高频下的稳定性比Au、Ag的要好,与大多焊料相容。

铜具有电阻率小,与基片附着力强,可焊性好,比金更为优良的高频特性和导电性,而且也没有银离子迁移的缺陷,还具有价格低廉等优点。采用金属铜(Cu)作为内电极材料不但可以降低生产成本,而且还可以提高MLCC的电学品质因素。

 

03

铜作为MLCC内电极的难点

由于铜的熔点较低并且容易氧化,铜内电极MLCC的制造难度较大,对铜内电极材料、介质陶瓷材料、端电极材料、内电极电路设计和介电陶瓷共烧技术的要求都较高。铜内电极MLCC在烧结过程中是一个介质与铜电极共烧的过程,铜内电极浆料与瓷粉的烧成收缩匹配性直接影响产品的内应力大小,铜浆与瓷粉烧成收缩一致性不好,产品容易爆瓷。

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图 铜内电极制程的高Q、低ESR MLCC的关键技术

由于铜的熔点为1083℃,使得与之匹配的瓷料其烧结温度需降至1080℃以下,,而目前通用瓷料的烧结温度很高,与铜电极难以匹配,从而影响MLCC的电性能,这就需要研究介质材料的低温烧结技术。降低介质材料的烧结温度可以从两个方面考虑:从材料本身出发选择低烧结温度材料或提高粉体材料的表面活性、添加烧结助剂。此外,铜电极在含氧的气氛中容易被氧化,铜内电极的MLCC需在中性或者还原气氛中进行,要求介质材料要具有良好的抗还原性能来保证其介电性能的稳定性。

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图 高频电容采用铜内电极,来源:国巨

8月27日,艾邦将于深圳举办MLCC产业论坛,届时赣州中傲新瓷 研发总监 缪锡根先生将做《COG型MLCC用可低温共烧的陶瓷-玻璃复合粉体研究》主题报告分享,欢迎各位行业朋友莅临参观交流,演讲&赞助请联系李小姐:18124643204。

 

04

铜内电极MLCC的高频优势

理想状况下,电路上不存在电容器内部的能量消耗,其阻抗会随着频率增加而减少,但在实际的电容器内部会有ESL(等效串联电感)与ESR(等效串联电阻),当频率与阻抗曲线在超过自谐振频率点(F0)之后,其阻抗反而会因ESL的效应而导致频率愈高,阻抗愈大。因此,阻抗-频率特性呈V字型(或U字型)曲线,与V字曲线的底部相对应的频率叫做自谐振频率(SRF),在该频率以下都作为电容器发挥作用,在此以上的频率范围内则作为电感器发挥作用。

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图  MLCC的等效电路和自谐振频率,来源:TDK

由于高频讯号传输上,对于讯号的质量要求相当高,高频通讯用射频MLCC需具备低等效串联电阻 (low ESR,即低耗能) 及优越的高频率特性 (高Q,即高讯号质量)。当MLCC的ESR与ESL越低,将会越接近纯电容的特性,其自谐振频率会往越高频率移动,更适合在高频方面应用。

铜内电极MLCC,高频通信的优选方案

在早期的MLCC生产中,只有贵金属Pt、Au、Pd或它们的合金才满足制造内电极的要求,但这类内电极的成本很高。随着MLCC叠层数增加,内电极消耗量剧增,以及Pd价格上涨,为降低成本,可以①使用贱金属内电极(如镍、铜),②使用钯/银合金通常为Pb30/Ag70)或纯银电极。钯/银合金藉由银的优异导电性与比重增加、降低钯的比重,可以改善ESR水平。但要再进一步降低ESR,除非采用纯铜或纯银内电极。

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图 ESR与内电极材料的演进趋势,来源:华新科

镍的电阻较银与铜大,使用镍作为内电极,在高频电路中电极的阻值过大则会导致有功功率会增大,Q值(品质因数)会降低。纯度接近100%的银内电极导电性虽然极为优越, 却会有银离子迁移的问题,导致产品可靠度与质量的问题。而纯铜的材料特性有着与纯银极为接近的导电性与频率特性、却无离子迁移、导致可靠度不佳的问题。使用铜取代镍作为MLCC的内电极,不仅可以降低MLCC的制造成本,而且在高频领域,铜电极在Q值和ESR值方面具有更优的表现。

参考资料:
1.《高Q值铜内电极MLCC烧结工艺研究》,胡霞,曾雨;
2.《铜内电极MLCC爆瓷问题的研究》,冯小玲,等;
3.《低温共烧陶瓷用贱金属内电极浆料的制备、结构与性能研究》,招明睿;
4.《高频铜内电极片式陶瓷电容用(Sr,Ca)(Zr,Ti)O3材料的研究》,林道谭;

5.《多层陶瓷电容器内电极用铜粉液相制备技术》,朱琳,

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推荐活动:【邀请函】第三届高端片式多层陶瓷电容器(MLCC)产业论坛(深圳 8月27日)
第三届高端片式多层陶瓷电容器(MLCC)产业论坛
8月27日
深圳·沙井维纳斯皇家会议酒店
地址:深圳市宝安区沙井路118号
一、暂定议题

序号

暂定议题

邀请单位

1

MLCC 端电极低温烧结技术

风华高科 研究院院长 曹秀华

2

MLCC行业现状及技术发展趋势

三环集团 电子元件事业部副总经理 孙鹏

3

多层瓷介电容器端电极制备工艺研究 宏科电子

4

人工智能加速高性能介电材料研发 佛山(华南)新材料研究院 戚俊磊 博士

5

MLCC纳米无机粉体浆料分散剂解决方案

嘉智信诺

6

MLCC超薄瓷片制备技术

金岷江

7

COG型MLCC用可低温共烧的陶瓷-玻璃复合粉体研究

赣州中傲新瓷 研发总监 缪锡根

8

MLCC电极用超细金属粉体的研发与改性

712所 主任 陈大鹏

9

基于缺陷工程的BaTiO3基MLCC可靠性研究

深圳先进电子材料国际创新研究院 副研究员  张蕾

10

高容量、超微型MLCC的关键技术研究

拟邀请MLCC企业/高校研究所

11

MLCC用内/外电极浆料成分及性能研究

拟邀请浆料企业/高校研究所

12

稀土元素掺杂对钛酸钡陶瓷介电性能的影响研究

拟邀请材料企业/高校研究所

13

柔性端子MLCC的设计与软端材料优化

拟邀请MLCC企业/高校研究所

14

MLCC用高纯纳米电子级二氧化钛制备关键技术研发

拟邀请材料企业/高校研究所

15

MLCC高端关键生产装备解决方案

拟邀请设备企业

16

MLCC精密叠层工艺技术研究

拟邀请叠层设备/高校研究所

17

MLCC用高速外观检测自动分选装置

拟邀请检测设备企业/高校研究所

18

MLCC性能测试与可靠性评估

拟邀请检测企业/高校研究所

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二、报名方式
报名方式1:加微信
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邮箱:lirongrong@aibang.com
注意:每位参会者均需要提供信息;
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原文始发于微信公众号(艾邦陶瓷展):铜内电极MLCC,高频通信的优选方案

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作者 gan, lanjie