铜内电极MLCC，高频通信的优选方案

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：

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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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

图 高频电容采用铜内电极，来源：国巨

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。

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。

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。

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。

5.《多层陶瓷电容器内电极用铜粉液相制备技术》，朱琳,等

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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