BaTiO3粒径大小对MLCC性能的影响


钛酸钡材料是制备MLCC的最基本也是最重要的原材料。其粒径大小会影响MLCC产品的烧结性能、介电常数、介质损耗,温度特性及容量等多方面。


BaTiO3粒径大小对MLCC性能的影响 (a)200 nm BaTiO3    (b)400 nm BaTiO3


1、对烧结的影响

钛酸钡颗粒大小不同,其烧结成瓷的温度有一定的差异,其他工艺相差无几。一般而言,粉体粒径越小,其表面活性越大,烧结越容易进行,烧结温度较低。
       BaTiO3粒径大小对MLCC性能的影响        
(a)200nm BaTiO3            (b)400 nm BaTiO3
样品烧结自然断面SEM 图片


2、对介电常数和损耗因数的影响

不同粒度对常温下MLCC介电常数( DK )和损耗因数( Df )的影响在常温下测试产品的容量C和损耗因数, 根据下面公式可计算出产品的介电常数 DK 。


       BaTiO3粒径大小对MLCC性能的影响        
式中D为生膜厚度;N为叠层数;S为丝网常数。


从下图曲线可以看出,产品介电常数和介电损耗都是随着BaTiO3粒径增大而增大。水热法合成BaTiO3粉体的过程中,晶粒的生长是由立方相向四方相转变,并且四方相含量会随着陶瓷晶粒尺寸的增大而增加,而四方相具有较高的介电常数,所以粉体粒径较大时,MLCC的介电常数也较大
BaTiO3粒径大小对MLCC性能的影响        不同粒径BaTiO3制备的MLCC介电常数及损耗因数变化


此外,晶粒尺寸的减小,单位体积内低介电常数的晶界所占的比例将明显增加,高介电常数的晶粒芯所占比例将降低。另外,小晶粒尺寸的BaTiO3粉料比表面积更大,与改性剂的接触更充分更均匀,烧结后,改性剂的渗透使得晶界的占比进一步增加。

在200 nm~500 nm尺寸范围内,BaTiO3粉料粒径越小,所制备的MLCC产品的介电常数越低损耗也随之降低

3、不同粒度对MLCC击穿电压和绝缘电阻的影响

研究人员以200 V/s的升压速率测试产品的击穿电压, 结果下图所示。

    BaTiO3粒径大小对MLCC性能的影响

击穿电压与BaTiO3粒度的关系

随着晶粒尺寸的减小,绝缘电阻和击穿电压都随之上升。 在额定电压下测试产品的绝缘电阻,结果下图所示。

       BaTiO3粒径大小对MLCC性能的影响绝缘电阻与BaTiO3粒度的关系


使用晶粒尺寸越小的产品介质层中晶界占比越大,晶界的高绝缘特性使得越小的晶粒产品具有更好的绝缘性能和耐压特性。


4、不同粒度对温度特性的影响

BaTiO3粒径大小对MLCC性能的影响  不同粒径BaTiO3制备的MLCC的温度特性对比

上图是不同粒径BaTiO3所制备的MLCC的容量随温度变化的曲线。当晶粒尺寸越小,产品的容量变化率—温度曲线越平坦。

上述主要是因为改性剂的存在,烧结后的产品介质层中的晶粒是以“芯-壳” 的结构形式存在,具有“芯-壳” 结构的BaTiO3具有平坦的介温曲线。起始BaTiO3粉料粒径将影响晶粒壳的体积比例,在200~500 nm范围内,晶粒尺寸越小,晶粒壳体积占比越大,晶粒芯体积占比越小,使得产品在低温段和高温段的容量变化率越小,温度特性越好。
         
结论:

  • BaTiO3粉料粒径大小对MLCC产品的性能有决定性的影响。随着所使用的粉体粒径的减小,产品的介电常数减小,损耗也随之减小。



  • 小粒径的产品具有较好的绝缘和耐电压特性,并且其温度特性也有一定的变化。



  • 值得注意的是,BaTiO3粉料粒径会对产品的使用寿命有较大的影响,小粒径的BaTiO3产品使用寿命将显著延长。因此,在200~500 nm尺寸范围内,使用小粒径的BaTiO3粉料可显著提升MLCC产品的电性能和可靠性。


以上仅为笔者通过文献所描述,若有纰漏,欢迎扫描下方二维码交流探讨。

BaTiO3粒径大小对MLCC性能的影响

目前,钛酸钡龙头企业日本堺化学制作的小尺寸钛酸钡可以达到30nm。国内目前实验室可以做到50nm,但放大量用于产业化难度极大。目前国内常规使用的钛酸钡尺寸在200~450nm。主要有山东国瓷、安徽中创、福建贝思科、厦门松元、上海典扬、广西立之亿等企业。



为了进一步加强交流,艾邦建有MLCC产业交流群,诚邀MLCC研发、生产、设备、材料等相关企业和机构参与。目前群友包括:清华大学、国防科大、电子科大、上海硅酸盐研究所、风华高科、宇阳科技、三环集团、火炬电子、微容电子、山东国瓷、鸿远电子、毕克化学、杜邦、日本油脂、宏明电子、中电45所、振华科技、村田、三星、京瓷、太阳诱电 国巨 等加入。

BaTiO3粒径大小对MLCC性能的影响       


 

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