林顯竣 黃木生 江孟達

摘 要：多層陶瓷電容器在制備過程中，任何一個質(zhì)量管控點的變化都會造成容量的變化。因此，在實際生產(chǎn)過程中，研究各工序制備過程對多層陶瓷電容器容量的影響因素，改善其容量命中率，提高產(chǎn)品合格率，具有重要的意義。

關鍵詞：多層陶瓷電容器；工序；制備過程；容量；影響因素

1 前 言

多層陶瓷電容器（ Multilayer Ceramic Capacitors，MLCC）又稱片式獨石電容器，具有體積小、容量高、損耗低、耐壓高、安全穩(wěn)定、價格便宜等優(yōu)點，被廣泛應用于各種儀器、儀表、電子設備中，起隔直、耦合、旁路、濾波、調(diào)諧回路、儲能、控制電路等作用。目前在航空、航天、兵器、工業(yè)控制、5G通信、汽車電子消費類電子等產(chǎn)品中得到大量應用[1-3]。近年來，MLCC越來越朝小型化、高容量、高可靠性、賤金屬化、高溫化、高電壓化等方向發(fā)展[4]。根據(jù)MLCC容量計算公式，如（1-1）所示[3]，MLCC的容量與材料K值，有效正對面積A，有效電極層數(shù)N-1，介質(zhì)厚度T有關。在一定尺寸條件下，可以通過提升材料的介電常數(shù)，增加介質(zhì)層數(shù)，降低介質(zhì)厚度來獲得更高的容量。公式中任何一個參數(shù)的變化，均會導致MLCC的容量受到影響，尤其是對于低容產(chǎn)品（≤10pF）和高容產(chǎn)品（≥0.1μF）。MLCC在制備過程中，由于涉及的工序較多，對產(chǎn)品容量等性能影響的因素眾多。本文研究了各工序在MLCC制備過程中，制備工藝對K、A、N、T的影響，總結出對MLCC容量的影響因素。

Cp=? （1-1）

Cp：表示電容器的容量，單位F；

K：材料介電常數(shù)；

ε0：表示真空介電常數(shù)，8.854187817 × 10-12F/m。

A：表示電容器的有效正對面積，單位m2;

N：表示電容的電極層數(shù)，N-1 表示電容器的有效電極層數(shù)；

T：介質(zhì)厚度，單位m。

2實? 驗

2.1 MLCC制備工藝流程

根據(jù)MLCC產(chǎn)品類型及要求的不同，各個廠家的MLCC制備工藝流程大體上相同，對生倒和鍍前處理工藝并非每個廠家都有。

3? 結果與討論

3.1 配料對MLCC容量的影響

配料是將陶瓷粉末、PVB粘合劑、有機溶劑（甲苯、無水乙醇）、添加劑（包括分散劑、增塑劑、消泡劑、稀釋劑等）按照一定比例和順序充分混合，經(jīng)過砂磨機，在一定的砂磨時間及轉(zhuǎn)速作用下，將各組分充分分散均勻，使粘合劑均勻的包裹在陶瓷粉末上，形成具有一定流動性的穩(wěn)定的陶瓷漿料，以備流延使用。這是MLCC制備的第一步，也是至關重要的一步，陶瓷粉末及各組分的配比以及砂磨時間、砂磨強度會直接影響陶瓷漿料的性能。對于一些高容產(chǎn)品，在配料和流延前，會分別對粘合劑和瓷漿做高壓分散處理，這同樣起著至關重要的作用，它能將PVB粘合劑的高分子長鏈打斷，同時將團聚的瓷粉顆粒分散開，從而達到降低瓷漿粘度的效果[5]，有利于薄層膜片的流延，能明顯改善高容產(chǎn)品的可靠性。從產(chǎn)品的角度來說，配料工藝的好壞，直接決定了最終產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。通常，配料工序管控瓷漿的粒度（D10、D50、D90）、比表面積、粘度、固含量。配料對MLCC容量的影響，主要是體現(xiàn)在以下幾個方面：

瓷漿的粒度、比表面積：一般來說，瓷漿的粒度與比表面積呈反比例關系。瓷漿的粒度越小，比表面積越大，表面能越大，活性越高，燒結時的溫度越低，相同條件下，燒結收縮率越大，燒結致密性越好，對應的介質(zhì)厚度越小，容量越大；反之，容量越小。

瓷漿的粘度、固含量：固含量越大，粘度相對也更大，相同條件下，燒結膜厚收縮越小，對應的介質(zhì)厚度越大，容量越小；反之，容量越大。

3.2 流延對MLCC容量的影響

流延是將配料制得的陶瓷漿料，經(jīng)過流延頭，將陶瓷漿料均勻的涂布在PET膜上，再經(jīng)過烘箱烘干，從而獲得厚度均勻的陶瓷膜片。其膜片厚度由流延頭刀口的平整度及粗糙度、瓷漿的粘度、瓷漿供料速度、PET膜走帶速度、PET膜的寬度、特氟龍的角度、烘干箱的溫度以及烘干箱進氣排氣量的大小等因素決定。烘干過程的溫度、進氣排氣量的大小，不僅影響陶瓷膜片的厚度及厚度均勻性，還直接影響陶瓷膜片的光澤度，粗糙度以及膜片的堆積密度。流延對MLCC容量的影響，主要是體現(xiàn)在以下幾個方面：

陶瓷膜片的厚度、重量：膜片的重量越大、厚度越大，相同條件下，燒結膜厚收縮相對較小，對應的介質(zhì)厚度越大，容量越?。环粗?，容量越大。如果陶瓷膜片的厚度不均勻，會導致容量分散，集中度差。

陶瓷膜片的密度：流延時，陶瓷膜片粗糙度越小，平整度越高，光澤度越好，陶瓷膜片相對越致密，膜片密度越大（面密度越高），相同條件下，燒結膜厚收縮相對較小，對應的介質(zhì)厚度越大，容量越??；反之，容量越大。

膜片外觀：針孔、氣泡會導致印刷過程，內(nèi)電極的滲漏，燒結后，發(fā)生短路現(xiàn)象。白線條是由于流延頭出漿口存在干漿，阻礙了瓷漿的正常流出，導致相應位置膜片厚度變薄的現(xiàn)象，導致燒結后，相應的介質(zhì)膜片厚度變薄，容量變大，但耐電壓會降低。黑線條是由于瓷漿未分散好，出現(xiàn)沉淀現(xiàn)象，導致流延過程出現(xiàn)膜片厚度異常增大，外觀上表現(xiàn)為膜片黑線條，燒結后，相應的介質(zhì)膜片厚度偏厚，導致MLCC容量變小。雜質(zhì)是由于盛裝瓷漿的鋼鍋或流延管道未清洗干凈，導致干漿混入瓷漿中，流延過程干漿帶入，體現(xiàn)在膜片上是出現(xiàn)雜質(zhì)斑點，導致在燒結后，相應的介質(zhì)膜片厚度偏厚，MLCC容量變小。

烘干溫度：在流延烘干過程中，溫度較低時，瓷漿會在PET膜上流動，達到自然流平的效果，確保烘干后膜片的厚度均勻性。如果烘干箱低溫區(qū)的溫度設置過高，容易導致濕膜片在進入烘箱時，膜片表面的溶劑快速揮發(fā)硬化，瓷漿失去流動性，膜片中間的溶劑來不及揮發(fā)，經(jīng)過高溫區(qū)時，溶劑揮發(fā)膨脹，導致膜片內(nèi)部出現(xiàn)疏松多孔，致密性差，密度低，同時出現(xiàn)膜片物理厚度偏厚的現(xiàn)象，在經(jīng)過燒結后，膜片收縮相對較大，容量偏大。

進氣排氣量：溶劑的揮發(fā)速度與其飽和蒸汽壓有關，溫度越高，蒸汽壓越高，溶劑揮發(fā)的速度越快，但是如果排氣量不足時，會導致烘箱內(nèi)溶劑的蒸汽壓過高，不利于膜片內(nèi)的溶劑進一步排出[6]。通常在流延過程中，排氣量要比進氣量稍大一點，在一定的體積內(nèi)產(chǎn)生負壓，有利于揮發(fā)出來的溶劑蒸汽的排出。但是負壓過大，容易將烘箱內(nèi)的熱量排出，烘箱內(nèi)溫度不足，導致瓷漿的溶劑揮發(fā)不完全，膜片“較濕”，膜片密度較大，容量越小。

3.3 印刷對MLCC容量的影響

絲網(wǎng)印刷是在流延好的膜片上，通過絲網(wǎng)將內(nèi)電極漿料印刷在陶瓷膜片上，經(jīng)過高溫烘干，從而形成具有一定形狀和尺寸的電極圖形，經(jīng)過疊層錯位的方式形成MLCC的內(nèi)電極結構。內(nèi)電極圖形的尺寸大小、圖形的完整性、平整性、印重、印厚、電極厚度的均勻性、鋸齒、針孔、白點、毛刺等直接影響MLCC的容量。印刷對MLCC容量的影響，主要是體現(xiàn)在以下幾個方面：

電極圖形：電極圖形越清晰，針孔，白點，鋸齒，毛刺越小，電極圖形越完整，內(nèi)電極圖形有效面積越大，對應的容量越大；反之容量越小[7]。

印刷內(nèi)電極印重、印厚：印刷內(nèi)電極印重或印厚越大，對應的容量越大[8]；反之容量越小。

電極肥大、重影、電極滲開：電極肥大或重影，會造成圖形尺寸偏大，電極有效面積越大，對應的容量越大，但是可靠性會降低；反之容量越小。電極滲開是印刷圖形邊緣存在類似水印的現(xiàn)象，會造成容量分散，容量命中率變差。

3.4 疊層對MLCC容量的影響

疊層是將印刷好內(nèi)電極的陶瓷膜片，根據(jù)設計要求，按照一定的錯位方式交錯的疊壓在一起，形成一個巴塊。疊層的對位精度，將直接影響到上下電極的正對面積，進而影響產(chǎn)品的容量。疊層對MLCC容量的影響，主要是體現(xiàn)在以下幾個方面：

對位精度：疊層設備對位精度差，產(chǎn)生移位會影響上下兩層電極間的正對面積，正對面積變小，相應的容量變小。

設計層數(shù)：通常設備會按照設計層數(shù)進行堆疊，但電腦或者傳感器出現(xiàn)異常，導致計數(shù)錯誤，就會造成實際疊層層數(shù)和設計層數(shù)的有偏差，影響產(chǎn)品容量；

疊層巴厚：疊層時的溫度越高，壓力越大，巴塊的巴厚越薄，相應的介質(zhì)膜片變薄，容量變大。但是壓力過大，會造成整體斜移，嚴重的介質(zhì)膜片開裂，正對面積變小，容量變小。

介質(zhì)夾膜碎、折角、起皺：在疊層過程中普遍存在夾膜碎的情況，夾膜會造成相應的介質(zhì)膜片變厚，同時引起一定程度上的移位，介質(zhì)膜片變厚，有效正對面積變小，相應的容量變小。折角或起皺，會使相應的正對面積變小，同時介質(zhì)厚度變大，造成容量變小。

3.5 層壓和切割對MLCC容量的影響

層壓是指均壓機在一定時間、溫度和壓力條件下，通過靜水均壓的方式，將疊層好的巴塊壓牢，使巴塊中層與層之間彼此緊密的結合，以提高燒結后瓷體的致密性，保證產(chǎn)品質(zhì)量。根據(jù)材料種類，產(chǎn)品尺寸以及粘合劑樹脂類型決定了層壓壓力及層壓水溫。切割是將層壓好的巴塊按照設計尺寸切割成一粒粒芯片的過程。層壓、切割對MLCC容量的影響，主要是體現(xiàn)在以下幾個方面：

層壓分層、側(cè)裂和變形：層壓時的溫度是根據(jù)PVB樹脂的軟化溫度來定的[6]。當層壓的水溫低于樹脂的軟化溫度，或?qū)訅簤毫μ?，容易出現(xiàn)層壓不牢的問題，導致層壓分層或側(cè)裂，芯片容量降低；當層壓的水溫高于樹脂的軟化溫度，或?qū)訅簤毫^大，容易造成巴塊變形的問題，同時介質(zhì)厚度變薄，導致容量偏高。對于高容產(chǎn)品，當巴塊收縮產(chǎn)出的反彈性力大于膜片層與層之間的粘合劑的結合力時，由于彈性后效，導致巴塊分層開裂[9]。

切割分層、切粗：PVB粘合劑加入不足，膜片粘性差，切割刀太鈍或者有缺口，容易導致切割分層或切粗現(xiàn)象，容量內(nèi)外電極連續(xù)性，容量偏低。

切錯：根據(jù)絲網(wǎng)的類型，切割方式會有所不同，切錯會導致層與層之間的正對面積發(fā)生變化，影響容量。

3.6 排膠和燒結對MLCC容量的影響

排膠和燒結是MLCC制備的關鍵工序。排膠是將添加在陶瓷粉體內(nèi)起黏結作用的PVB樹脂和DOP等有機物在一定的溫度條件下分解排出的過程。排膠的目的是避免瓷體燒結時有機物的快速揮發(fā)導致分層和開裂等缺陷。選擇合適的溫度、升溫速率和排氣量會直接影響MLCC芯片的排膠效果。燒結前若芯片內(nèi)有機物分解不充分，殘?zhí)歼^多，在燒結快速升溫的過程中因有機物快速分解揮發(fā)，導致MLCC燒結過程產(chǎn)生內(nèi)部裂紋、分層或者開裂，同時芯片內(nèi)部存在的殘?zhí)?，會影響芯片的可靠性?/p>

鎳內(nèi)電極MLCC一般采用空氣排膠的方式，由于鎳在空氣中300℃以上會被氧化，通常將鎳內(nèi)電極MLCC在空氣中的排膠溫度設定在250～280℃之間。銅比鎳在空氣中更容易氧化，甚至在室溫下就很容易被氧化。因此對于將銅作為內(nèi)電極的產(chǎn)品，通常采用高溫氮氣排膠工藝，一來在高溫條件下，有機樹脂分解排出，二來在高溫條件下，氮氣保護銅內(nèi)電極不被氧化。

燒結是在一定溫度、氣氛及氣壓條件下陶瓷體燒結致密化的過程，同時產(chǎn)生一定的機電性能。介質(zhì)和鎳電極在共燒過程中，必須保證鎳和氧化鎳的動態(tài)平衡。由于鎳的氧化與氧分壓和溫度有關，在空氣中，氧分壓較高，在300℃，鎳開始氧化，但在高溫燒結條件下（＞1200℃），氧分壓大于10-8MPa 時，鎳也能發(fā)生氧化現(xiàn)象，導致芯片開裂。但是，當氧分壓小于10-14MPa時，BaTiO3介質(zhì)會在還原氣氛下，Ti4+被還原成Ti3+發(fā)生半導化[6，10-11]。排膠和燒結對MLCC容量的影響，主要是體現(xiàn)在以下幾個方面：

排膠氧化：理論上，鎳在空氣中的氧化溫度為280℃，實際上在280℃條件下，由于大量有機物的排出，導致排膠箱子內(nèi)氧的濃度較低，排膠溫度可提高到300℃左右[6]。在高于300℃或在280℃有充足的氧氣條件下，發(fā)生鎳氧化現(xiàn)象，導致容量偏低。

排膠開裂：單缽裝載量過多，排膠溫度過高，排膠升溫速率太快，或設備密封性不足易造成芯片在排膠階段出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象，導致容量偏低。

燒結氧化、分層、開裂：內(nèi)電極和介質(zhì)收縮率差異過大導致內(nèi)應力過大[3，12]，印刷膜片烘干不足或太干導致內(nèi)部開裂[12]，未排膠或殘?zhí)歼^高，燒結升溫段升溫速率過快[11]，升溫段氫氣含量過低或氧分壓過高，燒結溫度過高，高溫區(qū)氫氣含量過低，最高溫降溫速率過快，再氧化階段氧含量過高或時間過長[11]，加濕溫度過高[13]等均會造成鎳電極的氧化、分層、或開裂現(xiàn)象，導致容量降低或分散。對于薄層介質(zhì)的高容產(chǎn)品（＜3μm），內(nèi)電極和介質(zhì)之間的收縮率差異更明顯，通常采用RHK快速燒結工藝（25 ℃/min），實現(xiàn)內(nèi)電極和介質(zhì)共燒，減少了電極漿料團聚和孔洞現(xiàn)象的產(chǎn)生，改善了內(nèi)電極的連續(xù)性，從而提高了產(chǎn)品容量[3]。

燒結飛鎳：燒結溫度高于內(nèi)電極的熔化溫度，升溫速率過快，瓷體的收縮率大于內(nèi)電極的收縮率，導致內(nèi)電極溢出現(xiàn)象[6]。

燒結殘?zhí)迹簹執(zhí)歼^高，首先會阻礙晶粒生產(chǎn)，影響燒結致密性；其次，殘?zhí)歼^高燒結時形成局部還原氣氛，容易使內(nèi)電極團聚斷裂，甚至，殘?zhí)寂c鎳電極發(fā)生反應，影響電容的電極連續(xù)性，容量降低[13]。

假燒溫度、燒結溫度：假燒溫度過低（＜800℃），殘?zhí)歼^高，影響電極連續(xù)性，假 燒溫度過高（≥900℃），假燒階段晶粒成長致密化，堵塞排氣通道，燒結時，氣孔無法排出，影響瓷體致密化，從而降低芯片的容量[13]；燒結溫度過低，燒結收縮率過小，瓷體不致密，容量偏低；燒結溫度過高，瓷體收縮偏大，容量偏高。

3.7 倒角對MLCC容量的影響

倒角是將燒結后的芯片、球磨介質(zhì)、水和添加劑按一定比例充分混合，在一定轉(zhuǎn)速的研磨下，將芯片表面打磨光滑，使內(nèi)電極充分暴露的過程。通過檢測倒角后芯片的電極暴露率和弧度，確保倒角滿足設計要求。對于高容產(chǎn)品，由于燒結后的產(chǎn)品內(nèi)應力大，倒角后，容易出現(xiàn)微裂、分層甚至開裂的現(xiàn)象。通?？梢圆捎脽吧箒砀纳茻Y后熟倒，避免燒結后應力過大開裂。倒角對MLCC容量的影響，主要是體現(xiàn)在以下幾個方面：

電極暴露率：倒角轉(zhuǎn)速/時間過低，倒角強度過低，電極暴露率偏低，導致燒端后內(nèi)外電極連接性差，容量偏低。倒角轉(zhuǎn)速/時間增加，倒角強度增大，電極暴露充分，燒端后內(nèi)外電極連接性好，容量提高。倒角強度過高時，倒角容易造成芯片內(nèi)應力過大，對芯片造成微裂甚至分層或開裂，對于高容產(chǎn)品，尤其明顯，對于存在分層、開裂的產(chǎn)品，MLCC容量會偏低或分散。

清洗、烘干：倒角后的產(chǎn)品表面會黏附一些異物，若清洗不干凈，容易在芯片電極面沾上異物，封端時，影響內(nèi)外電極的連續(xù)性，降低芯片的容量；清洗后烘干不完全，水分未完全揮發(fā)，芯片表面和內(nèi)部殘留的水分，在燒端時，水分會以水汽的形式快速揮發(fā)，導致芯片開裂，影響芯片的容量。

3.8 封端和燒端對MLCC容量的影響

封端是在倒角完的芯片兩端粘附一層導電漿，并在一定的溫度下烘干的過程。燒端是將粘附過導電漿的產(chǎn)品，在空氣或氮氣氣氛條件下，將導電漿內(nèi)的有機物排出，端電極致密化的過程。經(jīng)過燒端后的芯片，其內(nèi)電極和外電極緊密的結合在一起，從而具備電性能。根據(jù)不同廠家或MLCC應用場合的不同，外電極可以是鎳、銅、銀鈀、金電極，但是對于普通MLCC而言，通常采用銅/鎳/錫的三層端電極結構，而一些日韓企業(yè)采用鎳/銅/鎳/錫、銅/樹脂/鎳/錫、銀鈀/鎳/錫、銅/鎳/金等結構。封端、燒端對MLCC容量的影響，主要是體現(xiàn)在以下幾個方面：

端電極過薄、漏瓷：封端沾電極過程，端電極過薄，燒端后，端電極不能完全覆蓋芯片表面，導致內(nèi)外電極連接性差，產(chǎn)品容量低。

端電極氧化：封端烘干溫度過高導致氧化，燒端過程爐內(nèi)負壓過大空氣倒灌，排膠段氧含量過高，氣簾開口太大空氣倒灌，芯片溫度過高就出了爐膛，氧氣含量過高導致端頭氧化，端電極氧化會造成容量異?；蛘叻稚?。

端頭玻璃析出：燒端溫度高于玻璃融化溫度，排膠段升溫速率過快，保溫時間過長，降溫段降溫速率過慢均會導致玻璃析出，端電極的導電性能降低，影響鎳、錫電鍍效果，產(chǎn)品容量降低。同時端電極和內(nèi)電極之間過渡層過厚，會導致內(nèi)外電極連續(xù)性差，容量下降[14]。

端頭氣泡：烘干溫度偏低，溶劑殘留過多，燒端排膠段排膠效果不好，有機物未充分分解排出，導致高溫區(qū)有機物快速分解產(chǎn)生氣泡，影響內(nèi)外電極連續(xù)性，產(chǎn)品容量降低。

端電極污染：承燒網(wǎng)污染，異物沾到芯片的端漿上，燒端爐長時間使用未及時清理，爐膛內(nèi)有機物殘留過多，排風量太小，爐膛內(nèi)有機物排出不充分，排氣口堵塞，有機會排出不充分導致端電極污染，造成容量異常或分散。

端電極開裂：倒角烘干不充分有水分殘余，端漿收縮率過大，排膠區(qū)升溫速率過快均會造成端電極開裂的現(xiàn)象，導致產(chǎn)品容量降低。

3.9 電鍍對MLCC容量的影響

電鍍是燒端后的芯片，在電鍍?nèi)芤褐校秒娀瘜W反應，在芯片的金屬表面沉積鎳和錫的過程。電鍍過程發(fā)生氧化還原反應，鎳和錫金屬作為陽極，芯片表面的金屬作為陰極，鎳/錫金屬發(fā)生氧化反應，失去電子，成為鎳離子和錫離子。在電場作用下，鎳離子和錫離子向陰極移動，并在陰極獲得電子被還原為鎳/錫金屬，從而形成鎳/錫金屬層。鍍鎳層主要做熱阻擋層，避免芯片在高溫焊接過程熱沖擊造成芯片開裂，錫層作為焊接層，確保芯片的可焊接性。根據(jù)產(chǎn)品燒端后的情況，有些產(chǎn)品會在電鍍前對端電極層進行鍍前處理，確保端電極的致密，避免在端鍍過程出現(xiàn)鍍液滲漏的現(xiàn)象。電鍍對MLCC容量的影響，主要是體現(xiàn)在以下幾個方面：

鍍鎳層氧化：鎳層鍍完，裸露在空氣中時間過久，電鍍液濃度過高導致鎳層氧化，芯片導電性變差，容量降低。

鍍錫層氧化：鍍錫液溫度過高，電鍍液濃度過高導致錫層氧化，芯片導電性變差，容量異?；蚱?；

鍍液滲漏：燒端后，端電極不致密，或者存在孔洞，導致電鍍時，鍍液離子穿過端電極，滲透到瓷體或者內(nèi)電極，導致性能惡化，容量降低[15]。

端黑：設備異常或產(chǎn)品卡料未轉(zhuǎn)動，電流密度過大導致燒黑，產(chǎn)品容量偏低。

4? 結? 論

MLCC制備過程對容量的影響是多方面的，從配料到電鍍工序，任何一個工序的質(zhì)量管控點發(fā)生變化，都會對成品的容量造成影響。因此在MLCC制備過程中，應該嚴格按照工藝要求，監(jiān)控各工序質(zhì)量管控點，一旦超出標準應及時發(fā)出警戒，確保電容的容量滿足設計要求。

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Study on the Influence of Preparation Process on the Capacitance of Multilayer Chip Ceramic Capacitors

LIN Xian-jun，HUANG Mu-sheng，JIANG Meng-da

（GUANGDONG VIIYONG ELECTRONIC TECHNOLOGY CO.， LTD， Luoding Guangdong 518057， China）

2. China Machinery Industry International Cooperation Co.， Ltd. Zheng Zhou 450018 ）

Abstract： In the preparation process of multilayer ceramic capacitors， the change of key quality control point will cause the change of capacitance. Therefore， studying the variable factors influencing the capacitance of multilayer ceramic capacitors in the actual production process， improving the capacitance hit rate and the qualified rate of products， have an important significance.

Keywords：? Multilayer ceramic capacitors（MLCC）；Work stage；Manufacturing process；Capacitance; effect factors