林显竣 黄木生 江孟达
摘 要：多层陶瓷电容器在制备过程中，任何一个质量管控点的变化都会造成容量的变化。因此，在实际生产过程中，研究各工序制备过程对多层陶瓷电容器容量的影响因素，改善其容量命中率，提高产品合格率，具有重要的意义。
关键词：多层陶瓷电容器；
工序；
制备过程；
容量；
影响因素
1 前 言
多层陶瓷电容器（ Multilayer Ceramic Capacitors，MLCC）又称片式独石电容器，具有体积小、容量高、损耗低、耐压高、安全稳定、价格便宜等优点，被广泛应用于各种仪器、仪表、电子设备中，起隔直、耦合、旁路、滤波、调谐回路、储能、控制电路等作用。目前在航空、航天、兵器、工业控制、5G通信、汽车电子消费类电子等产品中得到大量应用[1-3]。近年来，MLCC越来越朝小型化、高容量、高可靠性、贱金属化、高温化、高电压化等方向发展[4]。根据MLCC容量计算公式，如（1-1）所示[3]，MLCC的容量与材料K值，有效正对面积A，有效电极层数N-1，介质厚度T有关。在一定尺寸条件下，可以通过提升材料的介电常数，增加介质层数，降低介质厚度来获得更高的容量。公式中任何一个参数的变化，均会导致MLCC的容量受到影响，尤其是对于低容产品（≤10pF）和高容产品（≥0.1μF）。MLCC在制备过程中，由于涉及的工序较多，对产品容量等性能影响的因素众多。本文研究了各工序在MLCC制备过程中，制备工艺对K、A、N、T的影响，总结出对MLCC容量的影响因素。
Cp= （1-1）
Cp：表示电容器的容量，单位F；
K：材料介电常数；
ε0：表示真空介电常数，8.854187817 × 10-12F/m。
A：表示电容器的有效正对面积，单位m2;
N：表示电容的电极层数，N-1 表示电容器的有效电极层数；
T：介质厚度，单位m。
2实 验
2.1 MLCC制备工艺流程
根据MLCC产品类型及要求的不同，各个厂家的MLCC制备工艺流程大体上相同，对生倒和镀前处理工艺并非每个厂家都有。
3 结果与讨论
3.1 配料对MLCC容量的影响
配料是将陶瓷粉末、PVB粘合剂、有机溶剂（甲苯、无水乙醇）、添加剂（包括分散剂、增塑剂、消泡剂、稀释剂等）按照一定比例和顺序充分混合，经过砂磨机，在一定的砂磨时间及转速作用下，将各组分充分分散均匀，使粘合剂均匀的包裹在陶瓷粉末上，形成具有一定流动性的稳定的陶瓷浆料，以备流延使用。这是MLCC制备的第一步，也是至关重要的一步，陶瓷粉末及各组分的配比以及砂磨时间、砂磨强度会直接影响陶瓷浆料的性能。对于一些高容产品，在配料和流延前，会分别对粘合剂和瓷浆做高压分散处理，这同样起着至关重要的作用，它能将PVB粘合剂的高分子长链打断，同时将团聚的瓷粉颗粒分散开，从而达到降低瓷浆粘度的效果[5]，有利于薄层膜片的流延，能明显改善高容产品的可靠性。从产品的角度来说，配料工艺的好坏，直接决定了最终产品质量的好坏。通常，配料工序管控瓷浆的粒度（D10、D50、D90）、比表面积、粘度、固含量。配料对MLCC容量的影响，主要是体现在以下几个方面：
瓷浆的粒度、比表面积：一般来说，瓷浆的粒度与比表面积呈反比例关系。瓷浆的粒度越小，比表面积越大，表面能越大，活性越高，烧结时的温度越低，相同條件下，烧结收缩率越大，烧结致密性越好，对应的介质厚度越小，容量越大；
反之，容量越小。
瓷浆的粘度、固含量：固含量越大，粘度相对也更大，相同条件下，烧结膜厚收缩越小，对应的介质厚度越大，容量越小；
反之，容量越大。
3.2 流延对MLCC容量的影响
流延是将配料制得的陶瓷浆料，经过流延头，将陶瓷浆料均匀的涂布在PET膜上，再经过烘箱烘干，从而获得厚度均匀的陶瓷膜片。其膜片厚度由流延头刀口的平整度及粗糙度、瓷浆的粘度、瓷浆供料速度、PET膜走带速度、PET膜的宽度、特氟龙的角度、烘干箱的温度以及烘干箱进气排气量的大小等因素决定。烘干过程的温度、进气排气量的大小，不仅影响陶瓷膜片的厚度及厚度均匀性，还直接影响陶瓷膜片的光泽度，粗糙度以及膜片的堆积密度。流延对MLCC容量的影响，主要是体现在以下几个方面：
陶瓷膜片的厚度、重量：膜片的重量越大、厚度越大，相同条件下，烧结膜厚收缩相对较小，对应的介质厚度越大，容量越小；
反之，容量越大。如果陶瓷膜片的厚度不均匀，会导致容量分散，集中度差。
陶瓷膜片的密度：流延时，陶瓷膜片粗糙度越小，平整度越高，光泽度越好，陶瓷膜片相对越致密，膜片密度越大（面密度越高），相同条件下，烧结膜厚收缩相对较小，对应的介质厚度越大，容量越小；
反之，容量越大。
膜片外观：针孔、气泡会导致印刷过程，内电极的渗漏，烧结后，发生短路现象。白线条是由于流延头出浆口存在干浆，阻碍了瓷浆的正常流出，导致相应位置膜片厚度变薄的现象，导致烧结后，相应的介质膜片厚度变薄，容量变大，但耐电压会降低。黑线条是由于瓷浆未分散好，出现沉淀现象，导致流延过程出现膜片厚度异常增大，外观上表现为膜片黑线条，烧结后，相应的介质膜片厚度偏厚，导致MLCC容量变小。杂质是由于盛装瓷浆的钢锅或流延管道未清洗干净，导致干浆混入瓷浆中，流延过程干浆带入，体现在膜片上是出现杂质斑点，导致在烧结后，相应的介质膜片厚度偏厚，MLCC容量变小。
烘干温度：在流延烘干过程中，温度较低时，瓷浆会在PET膜上流动，达到自然流平的效果，确保烘干后膜片的厚度均匀性。如果烘干箱低温区的温度设置过高，容易导致湿膜片在进入烘箱时，膜片表面的溶剂快速挥发硬化，瓷浆失去流动性，膜片中间的溶剂来不及挥发，经过高温区时，溶剂挥发膨胀，导致膜片内部出现疏松多孔，致密性差，密度低，同时出现膜片物理厚度偏厚的现象，在经过烧结后，膜片收缩相对较大，容量偏大。
进气排气量：溶剂的挥发速度与其饱和蒸汽压有关，温度越高，蒸汽压越高，溶剂挥发的速度越快，但是如果排气量不足时，会导致烘箱内溶剂的蒸汽压过高，不利于膜片内的溶剂进一步排出[6]。通常在流延过程中，排气量要比进气量稍大一点，在一定的体积内产生负压，有利于挥发出来的溶剂蒸汽的排出。但是负压过大，容易将烘箱内的热量排出，烘箱内温度不足，导致瓷浆的溶剂挥发不完全，膜片“较湿”，膜片密度较大，容量越小。
3.3 印刷对MLCC容量的影响
丝网印刷是在流延好的膜片上，通过丝网将内电极浆料印刷在陶瓷膜片上，经过高温烘干，从而形成具有一定形状和尺寸的电极图形，经过叠层错位的方式形成MLCC的内电极结构。内电极图形的尺寸大小、图形的完整性、平整性、印重、印厚、电极厚度的均匀性、锯齿、针孔、白点、毛刺等直接影响MLCC的容量。印刷对MLCC容量的影响，主要是体现在以下几个方面：
电极图形：电极图形越清晰，针孔，白点，锯齿，毛刺越小，电极图形越完整，内电极图形有效面积越大，对应的容量越大；
反之容量越小[7]。
印刷内电极印重、印厚：印刷内电极印重或印厚越大，对应的容量越大[8]；
反之容量越小。
电极肥大、重影、电极渗开：电极肥大或重影，会造成图形尺寸偏大，电极有效面积越大，对应的容量越大，但是可靠性会降低；
反之容量越小。电极渗开是印刷图形边缘存在类似水印的现象，会造成容量分散，容量命中率变差。
3.4 叠层对MLCC容量的影响
叠层是将印刷好内电极的陶瓷膜片，根据设计要求，按照一定的错位方式交错的叠压在一起，形成一个巴块。叠层的对位精度，将直接影响到上下电极的正对面积，进而影响产品的容量。叠层对MLCC容量的影响，主要是体现在以下几个方面：
对位精度：叠层设备对位精度差，产生移位会影响上下两层电极间的正对面积，正对面积变小，相应的容量变小。
设计层数：通常设备会按照设计层数进行堆叠，但电脑或者传感器出现异常，导致计数错误，就会造成实际叠层层数和设计层数的有偏差，影响产品容量；
叠层巴厚：叠层时的温度越高，压力越大，巴块的巴厚越薄，相应的介质膜片变薄，容量变大。但是压力过大，会造成整体斜移，严重的介质膜片开裂，正对面积变小，容量变小。
介质夹膜碎、折角、起皱：在叠层过程中普遍存在夹膜碎的情况，夹膜会造成相应的介质膜片变厚，同时引起一定程度上的移位，介质膜片变厚，有效正对面积变小，相应的容量变小。折角或起皱，会使相应的正对面积变小，同时介质厚度变大，造成容量变小。
3.5 层压和切割对MLCC容量的影响
层压是指均压机在一定时间、温度和压力条件下，通过静水均压的方式，将叠层好的巴块压牢，使巴块中层与层之间彼此紧密的结合，以提高烧结后瓷体的致密性，保证产品质量。根据材料种类，产品尺寸以及粘合剂树脂类型决定了层压压力及层压水温。切割是将层压好的巴块按照设计尺寸切割成一粒粒芯片的过程。层压、切割对MLCC容量的影响，主要是体现在以下几个方面：
层压分层、侧裂和变形：层压时的温度是根据PVB树脂的软化温度来定的[6]。当层压的水温低于树脂的软化温度，或层压压力太小，容易出现层压不牢的问题，导致层压分层或侧裂，芯片容量降低；
当层压的水温高于树脂的软化温度，或层压压力过大，容易造成巴块变形的问题，同时介质厚度变薄，导致容量偏高。对于高容产品，当巴块收缩产出的反弹性力大于膜片层与层之间的粘合剂的结合力时，由于弹性后效，导致巴块分层开裂[9]。
切割分层、切粗：PVB粘合剂加入不足，膜片粘性差，切割刀太钝或者有缺口，容易导致切割分层或切粗现象，容量内外电极连续性，容量偏低。
切错：根据丝网的类型，切割方式会有所不同，切错会导致层与层之间的正对面积发生变化，影响容量。
3.6 排胶和烧结对MLCC容量的影响
排胶和烧结是MLCC制备的关键工序。排胶是将添加在陶瓷粉体内起黏结作用的PVB树脂和DOP等有机物在一定的温度条件下分解排出的过程。排胶的目的是避免瓷体烧结时有机物的快速挥发导致分层和开裂等缺陷。选择合适的温度、升温速率和排气量会直接影响MLCC芯片的排胶效果。烧结前若芯片内有机物分解不充分，残碳过多，在烧结快速升温的过程中因有机物快速分解挥发，导致MLCC烧结过程产生内部裂纹、分层或者开裂，同时芯片内部存在的残碳，会影响芯片的可靠性。
镍内电极MLCC一般采用空气排胶的方式，由于镍在空气中300℃以上会被氧化，通常将镍内电极MLCC在空气中的排胶温度设定在250～280℃之间。铜比镍在空气中更容易氧化，甚至在室温下就很容易被氧化。因此对于将铜作为内电极的产品，通常采用高温氮气排胶工艺，一来在高温条件下，有机树脂分解排出，二来在高温条件下，氮气保护铜内电极不被氧化。
烧结是在一定温度、气氛及气压条件下陶瓷体烧结致密化的过程，同时产生一定的机电性能。介质和镍电极在共烧过程中，必须保证镍和氧化镍的动态平衡。由于镍的氧化与氧分压和温度有关，在空气中，氧分压较高，在300℃，镍开始氧化，但在高温烧结条件下（＞1200℃），氧分压大于10-8MPa 时，镍也能发生氧化现象，导致芯片开裂。但是，当氧分压小于10-14MPa时，BaTiO3介质会在还原气氛下，Ti4+被还原成Ti3+发生半导化[6，10-11]。排胶和烧结对MLCC容量的影响，主要是体现在以下几个方面：
排胶氧化：理论上，镍在空气中的氧化温度为280℃，实际上在280℃条件下，由于大量有机物的排出，導致排胶箱子内氧的浓度较低，排胶温度可提高到300℃左右[6]。在高于300℃或在280℃有充足的氧气条件下，发生镍氧化现象，导致容量偏低。
排胶开裂：单钵装载量过多，排胶温度过高，排胶升温速率太快，或设备密封性不足易造成芯片在排胶阶段出现开裂的现象，导致容量偏低。
烧结氧化、分层、开裂：内电极和介质收缩率差异过大导致内应力过大[3，12]，印刷膜片烘干不足或太干导致内部开裂[12]，未排胶或残碳过高，烧结升温段升温速率过快[11]，升温段氢气含量过低或氧分压过高，烧结温度过高，高温区氢气含量过低，最高温降温速率过快，再氧化阶段氧含量过高或时间过长[11]，加湿温度过高[13]等均会造成镍电极的氧化、分层、或开裂现象，导致容量降低或分散。对于薄层介质的高容产品（＜3μm），内电极和介质之间的收缩率差异更明显，通常采用RHK快速烧结工艺（25 ℃/min），实现内电极和介质共烧，减少了电极浆料团聚和孔洞现象的产生，改善了内电极的连续性，从而提高了产品容量[3]。
烧结飞镍：烧结温度高于内电极的熔化温度，升温速率过快，瓷体的收缩率大于内电极的收缩率，导致内电极溢出现象[6]。
烧结残碳：残碳过高，首先会阻碍晶粒生产，影响烧结致密性；
其次，残碳过高烧结时形成局部还原气氛，容易使内电极团聚断裂，甚至，残碳与镍电极发生反应，影响电容的电极连续性，容量降低[13]。
假烧温度、烧结温度：假烧温度过低（＜800℃），残碳过高，影响电极连续性，假 烧温度过高（≥900℃），假烧阶段晶粒成长致密化，堵塞排气通道，烧结时，气孔无法排出，影响瓷体致密化，从而降低芯片的容量[13]；
烧结温度过低，烧结收缩率过小，瓷体不致密，容量偏低；
烧结温度过高，瓷体收缩偏大，容量偏高。
3.7 倒角对MLCC容量的影响
倒角是将烧结后的芯片、球磨介质、水和添加剂按一定比例充分混合，在一定转速的研磨下，将芯片表面打磨光滑，使内电极充分暴露的过程。通过检测倒角后芯片的电极暴露率和弧度，确保倒角满足设计要求。对于高容产品，由于烧结后的产品内应力大，倒角后，容易出现微裂、分层甚至开裂的现象。通常可以采用烧前生倒来改善烧结后熟倒，避免烧结后应力过大开裂。倒角对MLCC容量的影响，主要是体现在以下几个方面：
电极暴露率：倒角转速/时间过低，倒角强度过低，电极暴露率偏低，导致烧端后内外电极连接性差，容量偏低。倒角转速/时间增加，倒角强度增大，电极暴露充分，烧端后内外电极连接性好，容量提高。倒角强度过高时，倒角容易造成芯片内应力过大，对芯片造成微裂甚至分层或开裂，对于高容产品，尤其明显，对于存在分层、开裂的产品，MLCC容量会偏低或分散。
清洗、烘干：倒角后的产品表面会黏附一些异物，若清洗不干净，容易在芯片电极面沾上异物，封端时，影响内外电极的连续性，降低芯片的容量；
清洗后烘干不完全，水分未完全挥发，芯片表面和内部残留的水分，在烧端时，水分会以水汽的形式快速挥发，导致芯片开裂，影响芯片的容量。
3.8 封端和烧端对MLCC容量的影响
封端是在倒角完的芯片两端粘附一层导电浆，并在一定的温度下烘干的过程。烧端是将粘附过导电浆的产品，在空气或氮气气氛条件下，将导电浆内的有机物排出，端电极致密化的过程。经过烧端后的芯片，其内电极和外电极紧密的结合在一起，从而具备电性能。根据不同厂家或MLCC应用场合的不同，外电极可以是镍、铜、银钯、金电极，但是对于普通MLCC而言，通常采用铜/镍/锡的三层端电极结构，而一些日韩企业采用镍/铜/镍/锡、铜/树脂/镍/锡、银钯/镍/锡、铜/镍/金等结构。封端、烧端对MLCC容量的影响，主要是体现在以下几个方面：
端电极过薄、漏瓷：封端沾电极过程，端电极过薄，烧端后，端电极不能完全覆盖芯片表面，导致内外电极连接性差，产品容量低。
端电极氧化：封端烘干温度过高导致氧化，烧端过程炉内负压过大空气倒灌，排胶段氧含量过高，气帘开口太大空气倒灌，芯片温度过高就出了炉膛，氧气含量过高导致端头氧化，端电极氧化会造成容量异常或者分散。
端头玻璃析出：烧端温度高于玻璃融化温度，排胶段升温速率过快，保温时间过长，降温段降温速率过慢均会导致玻璃析出，端电极的导电性能降低，影响镍、锡电镀效果，产品容量降低。同时端电极和内电极之间过渡层过厚，会导致内外电极连续性差，容量下降[14]。
端头气泡：烘干温度偏低，溶剂残留过多，烧端排胶段排胶效果不好，有机物未充分分解排出，导致高温区有机物快速分解产生气泡，影响内外电极连续性，产品容量降低。
端电极污染：承烧网污染，异物沾到芯片的端浆上，烧端炉长时间使用未及时清理，炉膛内有机物残留过多，排风量太小，炉膛内有机物排出不充分，排气口堵塞，有机会排出不充分导致端电极污染，造成容量异常或分散。
端电极开裂：倒角烘干不充分有水分残余，端浆收缩率过大，排胶区升温速率过快均会造成端电极开裂的现象，导致产品容量降低。
3.9 电镀对MLCC容量的影响
电镀是烧端后的芯片，在电镀溶液中，利用电化学反应，在芯片的金属表面沉积镍和锡的过程。电镀过程发生氧化还原反应，镍和锡金属作为阳极，芯片表面的金属作为阴极，镍/锡金属发生氧化反应，失去电子，成为镍离子和锡离子。在电场作用下，镍离子和锡离子向阴极移动，并在阴极获得电子被还原为镍/锡金属，从而形成镍/锡金属层。镀镍层主要做热阻挡层，避免芯片在高温焊接过程热冲击造成芯片开裂，锡层作为焊接层，确保芯片的可焊接性。根据产品烧端后的情况，有些产品会在电镀前对端电极层进行镀前处理，确保端电极的致密，避免在端镀过程出现镀液渗漏的现象。电镀对MLCC容量的影响，主要是体现在以下几个方面：
镀镍层氧化：镍层镀完，裸露在空气中时间过久，电镀液浓度过高导致镍层氧化，芯片導电性变差，容量降低。
镀锡层氧化：镀锡液温度过高，电镀液浓度过高导致锡层氧化，芯片导电性变差，容量异常或偏低；
镀液渗漏：烧端后，端电极不致密，或者存在孔洞，导致电镀时，镀液离子穿过端电极，渗透到瓷体或者内电极，导致性能恶化，容量降低[15]。
端黑：设备异常或产品卡料未转动，电流密度过大导致烧黑，产品容量偏低。
4 结 论
MLCC制备过程对容量的影响是多方面的，从配料到电镀工序，任何一个工序的质量管控点发生变化，都会对成品的容量造成影响。因此在MLCC制备过程中，应该严格按照工艺要求，监控各工序质量管控点，一旦超出标准应及时发出警戒，确保电容的容量满足设计要求。
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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
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