烧结工艺对01005高容片式MLCC性能的影响.pdf

电子工艺技术Electronics Process Technology602023年5月第44卷第3期电子组装疑难工艺问题解析摘要：相较于钟罩炉烧结和隧道炉烧结，01005规格的薄层高容多层陶瓷电容器产品采用辊道炉快速烧结的方式，有效改善了陶瓷介质和内电极的烧结收缩差异，降低了内应力，防止内电极孔洞及团聚的发生，确保烧结后内电极平整且连续，显著提高产品电性能及高温寿命，使产品性能满足要求。关键词：烧结工艺；高容；片式；MLCC；性能中图分类号：TN605文献标识码：文章编号：1001-3474（2023）03-0060-03Abstract:Compared with the sintering of bell jar furnace and tunnel furnace,the MLCC products of 01005 specifi cation adopts rapid sintering process with roller hearth kiln,which effectively improves the difference in sintering shrinkage between ceramic dielectric and inner electrode,reduces the internal stress,prevents the occurrence of holes and agglomeration of inner electrode,and ensures the inner electrode smooth and continuous after sintering.Signifi cantly improving the electrical performance and high temperature life of the products,and ensuring that the products performance to meet the requirements.Keywords:sintering process;high capacity;MLCC;propertiesDocument Code:A Article ID:1001-3474(2023)03-0060-03烧结工艺对01005高容片式MLCC性能的影响Influence of Sintering Process on Properties of 01005 High-capacity MLCC黄木生，江孟达，朱琪，向勇，郭一飞，林显竣HUANG Musheng,JIANG Mengda,ZHU Qi,XIANG Yong,Guo Yifei,LIN Xianjun（广东微容电子科技有限公司 广东 罗定 527200）(Guangdong Viiyong Electronic Technology Co.,Ltd.,Luoding 527200,China)0 引言近年来，随着电子信息产业的快速发展，电子计算机、移动终端、智能穿戴等通讯设备越来越小型化和智能化，迫切需要电子元器件向小型化、高性能化、多功能化方向发展1。多层陶瓷电容器（Multilayer Ceramic Capacitors，MLCC）作为最主要的电子元器件之一，也在不断向小型化、高容量、高可靠性的方向发展。01005规格是目前市场上仅次于0084的最小的可量产尺寸的MLCC。随着便携式电子设备的升级换代，电路的组装密度的增加，01005将会是MLCC市场上的主流规格2，而随着尺寸的减小，电极层数的增多，其工艺制造难度也越大。小尺寸高容量MLCC产品的可靠性，除了与关键原材料（如陶瓷粉、内电极浆料和端电极浆料）有关，还对其制备工艺提出了更严格的要求，比如亚微米陶瓷粉末的分散技术、超薄介质的流延技术、超薄作者简介：黄木生（1 9 8 8-），男，硕士，工程师，主要从事电子元器件的研究开发工作。doi:10.14176/j.issn.1001-3474.2023.03.016第44卷第3期61介质的印刷及叠层对位技术、超薄介质的烧结等核心技术3。本文对01005规格（0.4 mm0.2 mm）100 nF（生膜带厚度1.6 m）的MLCC产品的烧结工艺进行探讨，从而获得满足电性能及可靠性要求的产品。1 试验1.1 试验材料温度补偿型介质瓷粉，镍内电极浆料，铜端电极浆料。1.2 仪器设备使用热机械分析仪（TMA）分析材料在力作用下的形变性能；使用金相显微镜观察样品的电极连续性；使用扫描电子显微镜（SEM）观察样品的微观结构；使用容量测试仪测试样品的容量和损耗；使用绝缘电阻测试仪测试样品的绝缘电阻；使用耐压测试仪测试样品的击穿电压；采用高温老化箱进行寿命试验。1.3 试验流程工艺流程为：配料流延印刷叠层层压切割排胶烧结倒角封端烧端电镀测试。制得01005规格的MLCC，标称容量100 nF。2 结果与分析2.1 镍内电极浆料的T MA 曲线本文采用进口镍内电极浆料进行试验，镍粉粒径150200 nm，对该镍内电极浆料进行TMA分析。从图1中可以看出：在6001 000 的温度区间内，该浆料的收缩率达到8%左右。在设计烧结曲线时，应尽可能减少在该温度区间的停留时间，减少因内电极浆料与陶瓷介质的烧结收缩差异而产出的内应力，避免烧结分层或开裂的产生。温度/质量变化量/%图1 镍内电极浆料的T MA 曲线2.2 烧结工艺的设计陶瓷介质和内电极收缩率的差异是造成MLCC内应力的主要原因之一，而薄层高容MLCC，其烧结收缩差异更加明显，而这种收缩率的差异很容易导致表1 不同烧结工艺对比图2 不同升温速率烧结曲线对比试验排胶温度/预处理温度/碳残留/%烧结炉种类升温速率/(mi n-1)烧结总时间/h方案1 2 5 09 0 00.0 1 5辊道炉7 01.5方案2 2 5 0/1.3 0 0钟罩炉3.52 9方案3 2 5 0/1.3 0 0隧道炉3.52 0时间/mi n温度/时间/mi n温度/内电极与陶瓷介质的分层或开裂4。隧道炉升温速率普遍较低，为24/min，钟罩炉最快升温速率可达313/min，而辊道炉（RHK）升温速率最快可达120/min。本文结合设备能力设计了01005规格100 nF的产品烧结曲线，见表1和图2所示，研究了不同升温速率烧结曲线对01005规格的MLCC产品性能的影响。为尽可能减少过程影响因素，本试验采用经过排胶处理的同一批次的产品进行试验。2.3 不同烧结工艺对电极连续性及致密性的影响由图3可以看出，采用辊道炉烧结的产品，电极连续且电极平整，存在少量的电极不连续现象。采用钟罩炉和隧道炉烧结的产品，电极连续性较差，有较多的电极不连续现象，而且隧道炉烧结的产品存在明显的电极团聚现象。借助分析软件计算出辊道炉的烧结的产品，电极连续性为80.7%，钟罩炉烧结的产品电极连续性为75.1%，隧道炉烧结的产品电极连续性为69.4%。结合图4的SEM结果可以看出，采用三种烧结方式烧结的产品，介质层致密，没有气孔，说明在该三种烧结方式条件下，瓷体完全烧结致密化。采用辊道炉烧结的产品，电极均匀平整，存在少量的电极孔洞，电极团聚现象不明显；采用黄木生，等：烧结工艺对0 1 0 0 5 高容片式ML C C 性能的影响2023年5月电子工艺技术Electronics Process Technology62表2 不同烧结曲线对产品电性能及高温寿命的影响图4 不同烧结工艺烧结样品的断面图辊道炉烧结 钟罩炉烧结 隧道炉烧结试验容量范围/n F 容量均值/n F损耗范围/(1 0-4)损耗均值/(1 0-4)击穿电压范围/V击穿电压均值/V绝缘电阻范围/(1 09)绝缘电阻均值/(1 09)高温寿命试验方案1 9 1.0 1 0 3.09 8.25 6 5.0 5 9 5.45 8 3.91 2 5 1 7 61 3 55.4 1 1 7.43 30/3 2 0 失效方案2 8 5.5 9 9.49 1.96 2 9.4 6 5 7.26 4 5.08 2 1 3 81 1 42.7 2 5.91 18/3 2 0 绝缘偏低方案3 8 3.2 9 7.39 1.06 6 2.5 7 8 1.46 9 5.64 2 1 1 26 02.0 1 9.992/3 2 0 绝缘偏低，8/3 2 0 击穿钟罩炉和隧道炉烧结的产品，电极断断续续，存在明显的电极团聚及孔洞现象。辊道炉快速烧结，升温速率达到70/min，产品在该温度区间保留的时间很短，只有610 min，内电极来不及收缩和团聚，可使内电极和陶瓷介质达到高温共烧的目的，极大减少内电极长时间在高温下剧烈反应导致的收缩团聚的问题，烧结后内电极更加平整且连续。同时采用辊道炉烧结前，产品经过900 的预处理后，残碳比例降低到0.015%左右，进一步改善内电极的团聚现象。采用高温预处理和辊道炉烧结的方式，很大程度上改善了内电极的连续性，减少了电极浆料团聚、孔洞、分层和开裂的产生，可达到减少内部缺陷、提高产品可靠性的目的。2.4 不同烧结工艺对产品电性能及高温寿命的影响烧结炉由隧道炉到钟罩炉再到辊道炉烧结炉，产品容量、击穿电压、绝缘电阻的范围和均值都在增加，损耗范围及均值在降低。这是由于，钟罩炉和隧道炉烧结时，由于升温速率过慢，陶瓷介质和内电极长时间保持在高温区，由于烧结收缩差异大，介质和内电极之间产生较大的内应力。同时电极收缩出现孔洞和团聚现象，产品的电极连续性差，电性能恶化，表现为容量、击穿电压和绝缘的降低，损耗的增加。过大的内应力及残碳过高，导致高温寿命结果较差，出现绝缘偏低介质击穿的现象。经过辊道炉快速烧结的产品，陶瓷介质和内电极在较短时间内实现共烧，烧结收缩差异得到有效控制，介质和内电极之间内应力较小，烧结后内电极平整且连续，产品性能优异，表现为产品容量、击穿电压、绝缘电阻的增加。电极连续性的改善，在一定程度也降低了产品的金属损耗，表现为损耗的降低。较小的内应力，使得高温寿命结果好，没有击穿现象，产品性能满足要求，见表2。3 结论01005规格的薄层高容MLCC产品采用辊道炉快速烧结，相对于钟罩炉和隧道炉的烧结方式，有效改善了陶瓷介质和内电极的烧结收缩差异，降低了内应力，防止内电极孔洞及团聚的发生，确保烧结后内电极平整且连续，显著提高产品电性能及高温寿命，使产品性能满足要求。参考文献1张韶鸽,孟淑媛,付衣梅.镍电极 MLCC 内电极浆料与介质烧成收缩匹配性的研究J.可靠性分析,2010,35(4):34.2李鸿刚,卓金丽,陆亨.01005规格MLCC电容量异常偏低的研究J.电子工艺技术,2017,38(3):168.3邓丽云,薛赵茹.小尺寸高容量MLCC寿命性能改善J.电子工艺技术,2019,40(3):175.4赖永雄,唐浩,李基森.Ni/Cu电极MLCC烧成工艺的研究J.电子元件与材料,2005,24(7):21.5张尹,赖永雄,肖培义,等.MLCC制造中产生内部开裂的研究J.电子元件与材料,2005,24(5):52.6陆亨.制备工艺对薄介质MLCC介电强度的影响J.电子工艺技术,2022,43(1):26.（收稿日期：2022-12-18）图3 不同烧结工艺对电极连续性的影响辊道炉烧结 钟罩炉烧结 隧道炉烧结结合图1中可以看出：该内电极浆料在6001 000 温度区间，电极收缩明显，达到8%左右。而在该温度区间内，陶瓷介质收缩率很小或者还没有收缩5。烧结时，如果在该温度区间内保持较长的时间，会促使内电极浆料快速收缩并金属化，而此时的介质层还没有烧结，强度很低。当已金属化的内电极的强度高于介质膜片的时，会导致介质膜片分层或者开裂；当已金属化的内电极的强度低于介质膜片的时，不会出现介质膜片分层或开裂的情况，但是由于内电极浆料的收缩，会出现电极团聚和孔洞的现象。本文采用钟罩炉和隧道炉烧结时，升温速率为3.5/min，在6001 000 之间，停留的时间分别为3.5 h和5.0 h，内电极长时间处于收缩应力状态，造成内电极的团聚和孔洞的产生，电极连续性差。同时，采用钟罩炉和隧道炉烧结的产品，残碳比例较高为1.30%，在高温烧结时，容易在局部产生还原性气氛，使内电极团聚断裂，电极连续性差6。采用