成型工藝對(duì)高介薄型單層陶瓷電容器電阻性能影響

　　采用流延和軋膜成型兩種工藝制作了尺寸為38.1mm×38.1mm×0.15mm，介電常數(shù)為25000左右的單層微波電容用陶瓷介質(zhì)基片。系統(tǒng)對(duì)比了兩種不同成型工藝對(duì)該基片的顯微結(jié)構(gòu)和電阻性能的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：軋膜成型制備出的電容器樣品的絕緣電阻偏壓特性和溫度特性均優(yōu)于流延成型工藝制得的樣品，而且在各個(gè)溫度下的介電損耗低于流延成型工藝制得的樣品。不同的陶瓷基片表面掃描電鏡圖顯示，流延成型的陶瓷介質(zhì)表面粗糙多孔，而軋膜成型的陶瓷介質(zhì)表面致密緊實(shí)。

　　近幾年來(lái)，隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種信息設(shè)備終端越來(lái)越高頻化，小型化，對(duì)電子元器件的性能和尺寸提出了更高的要求。目前國(guó)外的AVX、Johanson、ATC、DLI等公司都在投入巨資開(kāi)發(fā)微型陶瓷電容器。因?yàn)樵撾娙萜髋c傳統(tǒng)電容器相比具有較低的串聯(lián)等效電阻、高的品質(zhì)因數(shù)和高的可靠性，更能滿足微波和毫米波頻段電子線路領(lǐng)域的苛刻要求。如：放大器、振蕩器和混頻器等，可實(shí)現(xiàn)隔斷直流、RF旁路、有源旁路、濾波、阻抗匹配和共面波導(dǎo)等功能。

　　微型陶瓷電容器中用量大的是100～1000pF電容器，其尺寸大小為(0.25×0.25～0.80×0.80)mm²×(0.15～0.20)mm左右。該小體積大容量的電容器是在表面平整、光滑、致密的介電常數(shù)為25000左右的陶瓷基片上利用薄膜電極濺射工藝和半導(dǎo)體微細(xì)切割工藝制作而成。要制作高性能的大容量微型陶瓷電容器，高質(zhì)量的高介陶瓷基片的制作是關(guān)鍵之一。

　　目前高介單層微波陶瓷電容器的陶瓷基片制備主要分為軋膜和流延兩種成型工藝。利用這兩種不同成型工藝制作出陶瓷介質(zhì)生片，經(jīng)過(guò)排膠、半導(dǎo)化燒結(jié)法和晶界熱處理制得而成。本文通過(guò)研究不同成型工藝對(duì)薄型電容器電阻性能及內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，為以后該類電容器的工業(yè)化生產(chǎn)奠定工藝基礎(chǔ)。

1、材料制備與性能測(cè)試方法

　　1.1、樣品制備

　　SrCO3和TiO2按SrTiO3陶瓷的化學(xué)計(jì)量比配料，添加微量的Al2O3、SiO2和Ta2O5在球磨機(jī)去離子水中球磨24h，經(jīng)烘干、過(guò)80目篩，在1200℃預(yù)燒3h，在去離子水中進(jìn)行二次球磨36h，經(jīng)烘干、過(guò)80目篩制得瓷料。該瓷料經(jīng)軋膜或流延工藝分別制得尺為47mm×47mm×0.18mm 的陶瓷生坯;經(jīng)在空氣中800℃排膠2h后，在N2+H2還原氣氛中1450℃左右燒結(jié)3h后，涂上晶界涂覆料后并于1260℃空氣中熱處理1h形成高介陶瓷基片，濺射TiW/Au電極得到SrTiO3單層陶瓷電容器切割成5mm×5mm后進(jìn)行性能測(cè)試。

　　1.2、軋膜工藝

　　軋膜工藝是先將增塑劑、粘合劑、陶瓷粉料及水體拌勻形成塑性料團(tuán)，然后置于軋膜機(jī)的兩輥軸之間進(jìn)行混煉。當(dāng)軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輾輥之間的瓷料不斷受到一定壓力的擠壓，是瓷料中每個(gè)粒子都能均勻覆蓋薄薄一層的粘合劑并使之與增塑劑、溶劑等充分混合。為了使泥料高度均勻以及粘合劑與粉粒之間有充分的接觸，必須保持足夠的混煉工作量，反復(fù)軋煉，以達(dá)到要求的均勻度、致密度、光潔度和厚度。如果軋膜的次數(shù)過(guò)少，會(huì)使得瓷料不夠均勻，致密度差，膜片易干裂，氣孔率大，嚴(yán)重影響電容器的性能。軋膜工藝具有工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備不復(fù)雜，產(chǎn)出的坯料厚度均勻等優(yōu)點(diǎn)。

　　1.3、流延工藝

　　流延工藝是在事先配置好陶瓷粉料中加入溶劑進(jìn)行濕式混磨，再加入粘合劑、增塑劑、潤(rùn)滑劑等進(jìn)行混磨以形成穩(wěn)定的、流動(dòng)性良好的漿料。料漿從料斗下部流至向前移動(dòng)著的薄膜載體之上，生坯的厚度由流延機(jī)上的刮刀控制。坯膜連同載體進(jìn)入巡回?zé)犸L(fēng)烘干室，在漿料溶劑的沸點(diǎn)之下烘干，最后生坯按所需形狀進(jìn)行切割。流延工藝是目前陶瓷薄型化生產(chǎn)的一個(gè)主流方式，其優(yōu)點(diǎn)在于適用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)、氣孔率低、產(chǎn)品成分起伏小，性能穩(wěn)定，但缺點(diǎn)在于對(duì)生產(chǎn)設(shè)備精度要求高，不易維護(hù)。

　　1.4、電容器電阻性能測(cè)試

　　本次實(shí)驗(yàn)采用日本HIOKI公司DSM-8104型絕緣電阻測(cè)試儀和Agilent的4284型LCR測(cè)試儀來(lái)測(cè)試樣品的絕緣電阻值和交流電場(chǎng)下的介電損耗，使用重慶漢巴公司的溫控箱來(lái)控制測(cè)試時(shí)的環(huán)境溫度，利用JEOL牌JSM-6490型掃描電子顯微鏡(SEM)來(lái)觀測(cè)樣品表面晶粒生長(zhǎng)的微觀形貌。

3、結(jié)論

　　(1)通過(guò)流延和軋膜成型方法制備出了少量摻雜Al2O3、SiO2和Ta2O5的高介SrTiO3薄型單層陶瓷電容器基片。

　　(2)偏壓特性對(duì)比：隨著電容器兩端直流偏置電壓的升高，兩種成型工藝的樣品絕緣電阻都出現(xiàn)減小的現(xiàn)象，但流延樣品較軋膜樣品的絕緣電阻衰減的更快，在25V后出現(xiàn)明顯衰減，而軋膜樣品在50V后才開(kāi)始衰減得較為明顯。另外在偏置電壓相同的情況下，軋膜樣品絕緣電阻均大于流延樣品。

　　(3)溫度特性對(duì)比：隨著測(cè)試環(huán)境溫度的升高，兩種成型工藝樣品的絕緣電阻也出現(xiàn)了下降的情況，但流延成型的樣品絕緣電阻衰減的情況要比軋膜樣品明顯，在40℃時(shí)就出現(xiàn)大的衰減，而軋膜成型的樣品直到90℃后才有明顯衰減。

　　(4)介電損耗對(duì)比：隨著測(cè)試環(huán)境溫度的升高，兩種成型工藝樣品的介電損耗出現(xiàn)了增大的情況，且兩成型工藝制得樣品的介電損耗增大速率基本一致。但流延成型的樣品介電損耗在各個(gè)溫度點(diǎn)的值都要比軋膜樣品的介電損耗大。兩種樣品在100℃以下介電損耗增大的不明顯，而在100℃之后介電損耗開(kāi)始出現(xiàn)明顯的增加。

　　(5)兩種成型工藝的樣品表面SEM 圖反映出流延樣品的表面晶粒生長(zhǎng)情況良好，晶粒大小均勻，但表面有很多孔洞和縫隙，整個(gè)表面顯得疏松不致密。而軋膜樣品雖然表面晶粒大小不均，參差不齊，但是大小晶粒把表面覆蓋得致密平整，沒(méi)有明顯的孔洞或縫隙等缺陷的存在。