Диссертация (Исследование работоспособности сегнетокерамических конденсаторов при повышенных электрических нагрузках), страница 4

Как и в20стандарте EIA используется трехзначный символ из букв и цифр. В таблице 1.4приведена система МЭК для керамических материалов II типа с расшифровкойобозначений. Точками в таблице обозначены предпочтительные группы по ТСЕ.Таблица 1.4 – Система обозначений МЭК для керамических материалов II типа[1]Допустимое изменение емкости,%ПодклассБезнапряженияПри Uномпостоянного тока±10±20+20/–30+22/–56+30/–80±15±15+10/–15+20/–30+20/–40+22/–70+30/–90+15/–40+15/–252B2C2D2E2F2R2XИнтервал рабочих температур, ℃–55 ÷–55 ÷–40 ÷–25 ÷–10 ÷+125+85+85+85+851234•••••••••••••5••••Из таблицы 1.4 видно, что обозначение, к примеру, группы ТСЕ X7R(интервал рабочих температур от –55 до +125℃ при допустимом измененииемкости ±15%) по классификации EIA будет соответствовать двум группам ТСЕ поклассификации МЭК – 2R1 или 2X1, в зависимости от изменения емкости приноминальном напряжении Uном.Конденсаторы на основе керамических диэлектриков II типа применяются втех случаях, когда стабильность емкости не имеет большого значения: цепифильтрации,блокировки,развязки,сглаживаниеформывыпрямленногонапряжения, некоторые демпфирующие цепи и т.д.III тип керамических материалов представляет собой полупроводниковуюкерамику с оксидными слоями, получаемую в ходе процессов многократногоокисления-восстановления.

Каждое зерно в такой керамике состоит изпроводящего ядра и тонкого слоя оксида, являющегося диэлектриком [3]. За счеттонкого слоя диэлектрика достигается большая удельная емкость конденсаторов наоснове материалов данного типа, однако, рабочие напряжения обычно невелики21(<25 В). В настоящее время материалы III типа практически вытеснены II типом ине стандартизируются [4].1.2.Технология производства и основные конструкции многослойныхкерамических конденсаторовКонструкция многослойного керамического конденсатора была разработанав 1960-х гг. и приобрела массовое распространение в 1980-х гг. [20-22].

Вотечественной литературе MLCC называются многослойными керамическимиконденсаторамимонолитнойконструкции,вотличиеотоднослойныхконденсаторов плоской конструкции (дисковые, пластинчатые). Керамическиемногослойные конденсаторы представляют собой спеченный монолитный пакет изчередующихся слоев керамического диэлектрика и слоев электродов, соединенныхпараллельно. Разработка многослойной конструкции позволила преодолетьограничение по толщине диэлектрика, существующее из-за низкой механическойпрочности, присущей тонким слоям керамики, увеличить количество параллельносоединенных электродов конденсатора до нескольких десятков – сотен штук,существеннорасширитьдиапазонноминальныхемкостейкерамическихконденсаторов и на несколько порядков увеличить их удельную емкость.Конструкция MLCC показана на рисунке 1.2.Рисунок 1.2 – Базовая конструкция MLCC [23]22Несмотря на относительную простоту конструкции, процесс производстваMLCC (см.

рисунок 1.3) довольно сложен технически и включает в себя множествоэтапов,сопряженныхПроизводствоMLCCсразнообразныминачинаетсястехнологическимиподготовкивопросами.керамическоймассы,представляющей собой смесь тонкодисперсных порошков одного или несколькихсинтезированных заранее соединений и добавок, вводимых также в виде порошков.Такие характеристики порошков, идущих на приготовление керамической массы,как дисперсность (размер частиц) и морфология (форма и взаимное положениечастиц порошка), имеют очень важное значение для этапов последующегопроизводства[24-27].Всовременномпроизводствеиспользуютсявысокодисперсные порошки с характерным размером частиц 1 мкм и менее.

Длядостижения высокой дисперсности ключевое значение имеет качество помолаисходного сырья. Используются различные помольные агрегаты: ротационныешаровые мельницы, вибрационные мельницы сухого и мокрого помола, струйныемельницы.Рисунок 1.3 – Схема основных этапов производства MLCC [3]23Следующими этапами в производстве MLCC являются приготовлениелитьевого шликера и литье керамических пленок. Шликером называется жидкаягомогенная суспензия на водной или органической основе с преобладанием всоставе твердых частиц керамической массы (до 98% от общей массы).

Наиболеемассовое применение в отечественной промышленности находит шликер на основеполивинилбутираля [28]. В процессе приготовления литьевой суспензии изкерамической массы и органического растворителя крайне важным являетсядостижение дезагрегации твердых частиц и их равномерного распределения вобъемевысокомолекулярногополимера.Литьекерамическихпленокосуществляется с помощью свободного разлива шликера на движущуюся гладкуюантиадгезионную подложку через фильеру. Также применяется метод отливки сиспользованием специального ножа, выравнивающего слой шликера, отлитого изфильеры.

Толщина отливаемой пленки определяется размером щели фильеры,скоростью движения подложки и вязкостью шликера. Готовые отливкиподсушиваются, отделяются от подложки, разрезаются на куски, на которыенаносятся металлические электроды в виде пасты, состоящей из порошка металлаи органического связующего. Затем слой за слоем происходит сборка пленок снанесенными электродами в монолитный пакет-матрицу. Монолитный пакетподпрессовывается и подсушивается, после чего происходит резка пакета наиндивидуальные заготовки.Ключевой технологической операцией при производстве MLCC являетсяобжиг.

Керамические материалы только после обжига приобретают требуемуюструктуру, характеризующуюся нулевой открытой пористостью, плотностью имонолитностью[29].Заготовкисначалаподвергаютпредварительному(«утильному») обжигу в сушильных шкафах при температуре 300 – 400 ℃ дляудаленияорганическогосвязующего.Финальныйобжигпривысокихтемпературах является второй стадией обжига. Температура зависит от видакерамического материала и металла электродов.

Обжиг керамики на основетитанатов щелочноземельных металлов, таких как Ba, Sr, Ca должен проходить вокислительной среде при температурах 1000 – 1400 ℃ в зависимости от состава24керамики. В противном случае, при обжиге в нейтральной или восстановительнойсреде керамика существенно теряет свои диэлектрические свойства. Однако приобжиге в воздушной среде металлы, не являющиеся благородными, окисляются ине могут быть использованы в качестве материалов электродов.

В этой связи привысокотемпературном обжиге применяются такие драгоценные металлы какпалладий, платина и серебро. Широкое распространение получили смеси Ag-Pdблагодаря тому, что регулированием процентного содержания компонентов смесиможно менять температуру плавления смеси [25].Использование в качестве электродов драгоценных металлов (англ. PME,NME – precious metal electrode, noble metal electrode) в настоящее время ограниченов силу дороговизны последних.

Широко применяются электроды из цветныхметаллов (англ. BME – base metal electrode), особенно из никеля. Применениеэлектродов из никеля позволило существенно удешевить производство MLCC ипривело к его стремительному росту и бурному развитию технологии. Посколькуникель является ферромагнетиком (μ′ = 100 – 600), его применение вконденсаторах, предназначенных для работы в области высоких и сверхвысокихчастот, ограничено повышенной индуктивностью электродов конденсатора иростом их сопротивления в силу скин-эффекта. Использование Ni в качествеэлектродов требует присутствия при обжиге восстановительной атмосферы,применения специальных керамических составов, обладающих низкой (<1000 ℃)температурой спекания [30-34], и специальных добавок [35-37], уменьшающихэффект негативного влияния восстановительной атмосферы на диэлектрическиесвойства керамики.

В качестве таких добавок выступают оксиды редкоземельныхэлементов (англ. REE – rare earth elements): иттрия, диспрозия, гольмия, эрбия,лантана, гадолиния и т.д. [38-44].После обжига на заготовки наносятся внешние электроды из серебра илимеди. Серебро наносится на торцы заготовок в виде пасты, которая затем вжигаетсяв керамику при температуре около 800 ℃. В случае меди может быть использованонанесение электродов с помощью магнетронного ионно-плазменного распыления.Навнешниеэлектродытакженаноситсябарьерныйслойизникеля,25предотвращающий взаимодействие серебра или меди с оловянным припоем,который наносится в процессе лужения, завершающего производство MLCC.Основная конструкция MLCC показана схематично на рисунке 1.2. Сечениереального конденсатора показано на рисунке 1.4.

Базовая конструкция может бытьусовершенствована с целью улучшения тех или иных параметров конденсатора.Основные параметры конденсатора, которые возможно изменить, меняяконструкцию MLCC – это рабочее напряжение, эквивалентная последовательнаяиндуктивность (англ. ESL – equivalent series inductance) и эквивалентноепоследовательное сопротивление (англ. ESR – equivalent series resistance).Рисунок 1.4 – Поперечное сечение MLCC стандартной конструкции. Пунктиромпоказана область перекрытия электродов (активный объем) [45]Рабочее напряжение конденсатора можно повысить, применяя конструкциюс так называемым плавающим электродом (рисунок 1.5) [46,47].

«Плавающие»электроды (англ. floating electrode) применяют с целью увеличить однородностьэлектрического поля у краев электродов. В конструкции MLCC острый крайэлектрода толщиной порядка одного – нескольких микрометров являетсяконцентратором напряженности электрического поля по отношению к торцевомуэлектроду. Конструкция монолитного конденсатора с плавающим электродом26представляет собой несколько конденсаторных секций в объеме одногокерамического пакета, соединенных последовательно (рисунок 1.5). Как известно,при последовательном соединении конденсаторов одинаковой емкости на каждыйиз конденсаторов падает напряжение, во столько раз меньшее, сколькоконденсаторов соединено.

Однако, суммарная емкость также уменьшаетсяпропорционально числу соединенных конденсаторов. Применение плавающихэлектродов позволяет снизить толщину диэлектрика, тем самым повышаетсяемкость и нивелируется этот негативный эффект при незначительном уменьшенииудельной емкости конденсатора.Рисунок 1.5 – Схемы конструкций MLCC с плавающим электродом [48]ДлясовременныхвысоковольтныхMLCCдоступныноминальныенапряжения 500 – 1000 В постоянного тока при емкостях в диапазоне 10 пФ – 0.047мкФ для конденсаторов I типа (группа ТКЕ – C0G, см. таблицу 1.2) и емкостях вдиапазоне 10 пФ – 0.56 мкФ для конденсаторов II типа (группа ТСЕ – X7R, см.таблицу 1.3). При этом размеры корпусов конденсаторов меняются от 2×1.25 мм(длина × ширина) до 9.14×10.2 мм, большему размеру при прочих равныхсоответствует большая емкость.