原標(biāo)題：陶瓷材料｜MLCC片式多層陶瓷電容器應(yīng)用及制作工藝介紹

被動(dòng)元件是電子產(chǎn)品不可或缺的基本零部件

電子元器件按是否影響電信號(hào)特征進(jìn)行分類，可分為被動(dòng)元件與主動(dòng)元件。其中被動(dòng)元件無(wú)法對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、振蕩、運(yùn)算等處理和執(zhí)行，僅具備響應(yīng)功能且無(wú)需外加激勵(lì)單元。按被動(dòng)元件的電路功能，又可進(jìn)一步細(xì)分為電路類器件及連接類器件。

電子元器件分類情況

電阻、電容、電感是三種最主要的電路類被動(dòng)元件，電容的主要功能在于旁路，去藕，濾波和儲(chǔ)能，電阻則被用于分壓、分流、濾波和阻抗匹配，電感的主要用途為濾波、穩(wěn)定電流和抗電磁干擾，這些均是電子產(chǎn)品正常工作過(guò)程中必不可少的功能，被動(dòng)元件是電子產(chǎn)品中不可或缺的基本零部件。

主要被動(dòng)元件及其功能

電容分類繁多， MLCC 用途最廣

被動(dòng)元件是電子產(chǎn)品中不可或缺的基本零部件，電阻、電容、電感是三種最主要的電路類被動(dòng)元件。電容應(yīng)用范圍廣泛，根據(jù)電介質(zhì)的不同，可分為陶瓷電容、鋁式電容、鉭式電容、薄膜電容等，其中陶瓷電容市場(chǎng)占比最高，超過(guò) 50%。MLCC作為最主要的陶瓷電容，成為被動(dòng)電子元件中使用最為廣泛、用途最廣、使用量最大的電子元件。受消費(fèi)電子、工業(yè)、通信、汽車(chē)等應(yīng)用領(lǐng)域的需求驅(qū)動(dòng)，MLCC 市場(chǎng)增長(zhǎng)動(dòng)力足。

國(guó)內(nèi)電容器市場(chǎng)需求結(jié)構(gòu)

MLCC概述

片式多層陶瓷電容器(MLCC)是由印好電極(內(nèi)電極)的陶瓷介質(zhì)膜片以錯(cuò)位的方式疊合起來(lái)，經(jīng)過(guò)一次性高溫?zé)Y(jié)形成陶瓷芯片，再在芯片的兩端封上金屬層(外電極)，從而形成一個(gè)類似獨(dú)石的結(jié)構(gòu)體，故也叫獨(dú)石電容器。

MLCC誕生于上世紀(jì)60年代，最先由美國(guó)公司研制成功。目前，MLCC主要生產(chǎn)廠家：美國(guó)基美(KEMET)；日本村田、京瓷、丸和、TDK；韓國(guó)三星；臺(tái)灣國(guó)巨、華新科、禾伸堂；大陸有名的則是宇陽(yáng)、風(fēng)華高科、三環(huán)。其中，國(guó)內(nèi)廠商---宇陽(yáng)科技的MLCC(01005、0201、0402尺寸)產(chǎn)量比超過(guò)90%，位居世界第一位，總產(chǎn)量也躍居全球前三，目前宇陽(yáng)已成為國(guó)內(nèi)產(chǎn)能最大和全球微型化前三的MLCC廠商。

MLCC 除有電容器"隔直通交"的通性特點(diǎn)外，其還有體積小，比容大，壽命長(zhǎng)，可靠性高，適合表面安裝等特點(diǎn)。隨著 MCLL 可靠性和集成度的提高，其使用的范圍越來(lái)越廣，廣泛地應(yīng)用于各種軍民用電子整機(jī)和電子設(shè)備，如電腦、電話、程控交換機(jī)、精密的測(cè)試儀器，目前已經(jīng)成為應(yīng)用最普遍的陶瓷電容產(chǎn)品。

MLCC的分類

1. 根據(jù)所采用的陶瓷介質(zhì)的類型分類

根據(jù)所采用的陶瓷介質(zhì)的類型，MLCC可劃分為兩大類：Class 1和Class 2兩類。

※Class 1類

具有極高的穩(wěn)定性，其電容量幾乎不隨時(shí)間、交流信號(hào)、外加直流偏壓的變化而改變，同時(shí)具有極低的介質(zhì)損耗，即高Q值。適用于對(duì)容量高精度和應(yīng)用頻率要求較高的諧振電路。根據(jù)電容量的溫度系數(shù)，有可分為溫度穩(wěn)定型和溫度補(bǔ)償型兩種。

※Class 2類

具有很高的體積比容量，適用于旁路、耦合、濾波以及對(duì)容量穩(wěn)定性要求不高的鑒頻電路。在DC-DC(AC)變換器和開(kāi)關(guān)電源濾波電路中逐步取代鉭電解電容、鋁電解電容。

2. 按照溫度特性、材質(zhì)、生產(chǎn)工藝、填充介質(zhì)的不同分類

按照溫度特性、材質(zhì)、生產(chǎn)工藝、填充介質(zhì)的不同，MLCC可以分成如下幾種：NPO、COG、Y5V、Z5U、X7R、X5R等。它們的主要區(qū)別如下：

-C0G、NPO電容器具有高溫度補(bǔ)償特性，適合作旁路電容和耦合電容

-X7R電容器是溫度穩(wěn)定型陶瓷電容器，適合要求不高的工業(yè)應(yīng)用

-Z5U電容器特點(diǎn)是小尺寸和低成本，尤其適合應(yīng)用于去耦電路

-Y5V電容器溫度特性最差，但容量大，可取代低容鋁電解電容

可見(jiàn)，在相同的體積下由于填充介質(zhì)不同所組成的電容器的容量就不同，隨之帶來(lái)的電容器的介質(zhì)損耗、容量穩(wěn)定性等也就不同，所以在使用電容器時(shí)應(yīng)根據(jù)電容器在電路中作用不同來(lái)選用不同的電容器：NPO、COG溫度特性平穩(wěn)、容值小、價(jià)格高；Y5V、Z5U溫度特性大、容值大、價(jià)格低；X7R、X5R則介于以上兩種之間。

3. 按照材料SIZE封裝大小分類

MLCC按材料SIZE封裝大小，大致可以分為3225、3216、2012、1608、1005、0603、0402，0201，01005等等。 數(shù)值越大，SIZE就更寬更厚。

MLCC的制造工藝

1. MLCC 應(yīng)用范圍廣，制作工藝復(fù)雜

MLCC 廣泛運(yùn)用于各種高、低頻電容中，具有高可靠性，高精度，高集成，低功耗，大容量，小體積和低成本等特點(diǎn)，起到退耦、耦合、濾波、旁路和諧振等作用，適用范圍覆蓋軍民用電子整機(jī)和電子設(shè)備，如電腦、手機(jī)、程控交換機(jī)、精密的測(cè)試儀器等。

MLCC 結(jié)構(gòu)示意圖

MLCC 由平行的陶瓷材料和電極材料層疊而成，每一層陶瓷都被上下兩個(gè)平行電極夾住形成一個(gè)平板電容，內(nèi)部電極和外部電極相連起每個(gè)電容，疊層的電容越多，存儲(chǔ)的總電量越大.

MLCC 截面圖

MLCC 具有各種不同規(guī)格，而各產(chǎn)品間的差異主要在于電容值(單位電壓下貯存電量)、尺寸(1210 以上、0805、0603、0402、0201 等規(guī)格)、溫度穩(wěn)定性(Y5V、X7R 及 NPO 等)、操作電壓上限、安規(guī)認(rèn)證、ESR(電容/充放電所需時(shí)間)及 Q 值(對(duì)輸入能量的耗損程度)等特性。

隨著電子產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，MLCC 的發(fā)展也呈現(xiàn)多元化：

(1)為了適應(yīng)便攜式通信工具的需求，向大容量、尺寸小型化的方向發(fā)展。通過(guò)金屬電極材料、提高介電常數(shù)、高層化技術(shù)、納米微粒技術(shù)等可提高容量，通過(guò)小尺寸產(chǎn)品的 SMT 技術(shù)、高精度積層技術(shù)等可將 MLCC 尺寸做小做薄。

(2)為了適應(yīng)某些電子整機(jī)和設(shè)備向大功率高耐壓的方向發(fā)展(軍用通信設(shè)備居多)，向高耐壓大電流、大功率、超高Q值低 ESR 型的中高壓片式電容器發(fā)展。高壓可靠性試驗(yàn)技術(shù)、耐熱設(shè)計(jì)技術(shù)、排容技術(shù)等可推進(jìn) MLCC該方面的發(fā)展。

(3)為了適應(yīng)線路高度集成化的要求，向多功能復(fù)合片式電容器(LTCC)發(fā)展，低溫共燒技術(shù)、復(fù)合材料技術(shù)、三次元回路設(shè)計(jì)技術(shù)的研發(fā)也逐漸成為熱點(diǎn)。

2. MLCC技術(shù)壁壘高，對(duì)核心原材料、制造工藝等環(huán)節(jié)要求高

MLCC 的成本由原材料、包裝材料、人工和設(shè)備折舊等構(gòu)成，其中原材料成本占比最大，在 30%-65%之間。從材料結(jié)構(gòu)來(lái)看，主要分為陶瓷粉料與內(nèi)外電極，上游材料不僅價(jià)格高且直接影響產(chǎn)品性能。

MLCC 成本結(jié)構(gòu)

主要原料是鈦酸鋇、氧化鈦、鈦酸鎂、鈦酸鎂等，形成 COG、Y5V、X7R、NPO 等種類，依電氣特性應(yīng)用各不相同決定 MLCC 的特性，來(lái)決定不同的燒結(jié)溫度與燒結(jié)氣體，產(chǎn)能主要集中在日韓臺(tái)企業(yè)。

陶瓷粉料的核心在于純度、顆粒大小和形狀，另一方面在生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)保要求也日益受重視。高純、超細(xì)和高性能陶瓷粉體制造技術(shù)和工藝是主要制約我國(guó)陶瓷產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，目前國(guó)內(nèi)以國(guó)瓷材料、三環(huán)集團(tuán)為代表的廠商已掌握相關(guān)納米分散技術(shù)，國(guó)瓷材料在全球市占率約占 10%，已基本滿足國(guó)內(nèi)中低端 MLCC 需求，但部分特殊功能粉末還需向國(guó)外廠商如 Ferro、Sakai 等采購(gòu)。日本廠家(例如村田)根據(jù)大容量(10μF 以上)的需求，在 D50為 100 納米的濕法 BaTiO3 基礎(chǔ)上添加稀土金屬氧化物改性，形成高可靠性的X7R 陶瓷粉料，最終制作出 10μF-100μF 小尺寸(如 0402、0201 等)MLCC，國(guó)內(nèi)較日本廠商在先進(jìn)粉體技術(shù)還有一段差距。

MLCC另一項(xiàng)主要原材料是內(nèi)外電極金屬，電極及封裝繞線等需銅、銀、鎳、鐵、鈀等金屬，其價(jià)格波動(dòng)對(duì) MLCC 影響較大。受到主動(dòng)元件 CPU 及通訊用元件速度不斷加快的趨勢(shì)影響，MLCC 的疊層數(shù)逐漸提高，內(nèi)電極金屬用量也增加。

美國(guó)于 1960 年發(fā)明 MLCC 電極，材料為鈀或鈀銀合金，過(guò)去臺(tái)灣廠商外電極采用銀，內(nèi)電極采用鈀金屬，根據(jù)此材料特性的制程技術(shù)又稱為 NME(Noble Metal Electrode，貴金屬電極)。鈀金屬作為稀有貴金屬，價(jià)格相當(dāng)昂貴，主要供應(yīng)來(lái)自俄羅斯，產(chǎn)量稀少導(dǎo)致價(jià)格波動(dòng)十分劇烈，甚至供應(yīng)不及與缺貨，因此業(yè)內(nèi)也常以卑金屬(鎳、銅)等金屬取代鈀金屬電極材料，使成本下降近 70%，基于此材料的制程技術(shù)為 BME(Base Metal Electrode，卑金屬電極)。兩種技術(shù)生成運(yùn)用的特性稍有不同，NME 比較穩(wěn)定，常作為耐高壓產(chǎn)品，成本較高；BME 屬于低成本產(chǎn)品，允差較大，一般運(yùn)用于對(duì)穩(wěn)定性要求不高的產(chǎn)品。2016年底-2017年底，由于上游金屬大幅漲價(jià)，MLCC 價(jià)格也隨之受到影響而上調(diào)。

2016年底-2017年底現(xiàn)貨鈀金銅、鋁、鎳價(jià)格漲幅變化

3. MLCC 制造工藝復(fù)雜，國(guó)外技術(shù)領(lǐng)先

MLCC 生產(chǎn)過(guò)程中，首先需調(diào)漿，即將陶瓷粉和粘合劑、溶劑等按一定比例經(jīng)過(guò)球磨，形成陶瓷漿料。之后將陶瓷漿料通過(guò)流延機(jī)的澆注口，將其涂布在繞行的 PET 膜(Film)上，形成一層均勻的漿料薄層，再通過(guò)高溫、干燥、定型、剝離，脫膜成型得到陶瓷膜片，一般厚度在 10-30μm。然后在介質(zhì)薄膜上進(jìn)行內(nèi)部電極印刷，并將印有內(nèi)電極的陶瓷介質(zhì)膜片堆疊熱壓形成多電容器并聯(lián)，切割、去粘結(jié)劑后高溫?zé)Y(jié)成一個(gè)不可分割的整體電子元器件，然后在電子元器件的端部沾涂外電極，使之與內(nèi)電極形成良好的電氣連接，形成 MLCC 的兩極。

MLCC 制造流程

除原材料外，MLCC 制作流程中的主要壁壘有以下方面：

轉(zhuǎn)移膠帶的材料要求較高，不能與陶瓷漿料成分之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，需要匹配陶瓷漿料的表面張力，確保陶瓷涂層厚度均勻；此外其平整度要求凸點(diǎn)需控制在 0.2μm 以內(nèi)。該膠帶原料為 PET 原膜，國(guó)內(nèi)目前主要從日本進(jìn)口，原膜約占成本 60%，未來(lái)隨產(chǎn)品越來(lái)越薄，預(yù)計(jì)成本降低，更多被工藝成本取代。

多層介質(zhì)薄膜疊層印刷技術(shù)難度高。為了迎合電子發(fā)展需求在小尺寸基礎(chǔ)上制造更高電容值的 MLCC，多層介質(zhì)薄膜疊層印刷技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。日本公司工藝已能實(shí)現(xiàn)在 2μm 的薄膜介質(zhì)上疊 1000 層，生產(chǎn)出單層介質(zhì)厚度為1μm 的 100μFMLCC，它具有較片式鉭電容器更低的 ESR 值和更寬的工作溫度范圍(-55℃-125℃)。國(guó)內(nèi)風(fēng)華高科 MLCC 制作水平最高，能夠完成流延成3μm 厚的薄膜介質(zhì)，燒結(jié)成瓷后 2μm 厚介質(zhì)的 MLCC。但與國(guó)外先進(jìn)的疊層印刷技術(shù)相比國(guó)內(nèi)技術(shù)還有一定差距，設(shè)備自動(dòng)換程度和精度也有待提高。

陶瓷粉料&金屬電極共燒技術(shù)壁壘高。MLCC 由多層陶瓷介質(zhì)印刷內(nèi)電極漿料，疊合共燒而成，為解決不同收縮率的陶瓷介質(zhì)和內(nèi)電極金屬如何在高溫?zé)珊蟛粫?huì)分層、開(kāi)裂，即陶瓷粉料和金屬電極共燒問(wèn)題。低溫陶瓷共燒技術(shù)就是解決這一難題的關(guān)鍵技術(shù)，掌握好該技術(shù)可以生產(chǎn)出更薄介質(zhì)(2μm 以下)、更高層數(shù)(1000 層以上)的 MLCC。當(dāng)前日本公司不僅有各式氮?dú)夥崭G爐(鐘罩爐和隧道爐)，在設(shè)備自動(dòng)化、精度方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，在低溫陶瓷共燒技術(shù)方面也領(lǐng)先于其他各國(guó)。

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總結(jié)

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