Багатошарові керамічні конденсатори (MLCC) відомі як «рис електронної промисловості». Сфера їх застосування розширилася від споживчої електроніки до базових станцій зв’язку 5G, автомобільної електроніки, серверів ШІ, аерокосмічної галузі та багатьох інших сфер. Однак різні сценарії застосування мають дуже різні вимоги до продуктивності для MLCC. Наприклад, автомобільні-класи MLCC вимагаються для підтримки стабільної ємності в широкому діапазоні температур від -55 градусів до +125 градусів, тоді як високопродуктивні мікросхеми, такі як ЦП, графічні процесори та HBM, у міру зростання потужності вимагають від MLCC більшої ємності в обмеженому просторі для стабільного живлення та зберігання енергії. Такі основні параметри, як температурні характеристики, діапазон ємності, діелектрична стабільність і характеристики старіння, істотно пов’язані з внутрішньою кристалічною структурою та механізмом поляризації керамічного діелектричного порошку.
Відповідно до відмінностей у діелектричних матеріалах (температурні характеристики) MLCC головним чином поділяються на дві основні категорії: температурно-компенсуючі діелектрики класу I та сегнетоелектричні діелектрики класу II з високою -проникністю. Перший має на меті температурну стабільність і низькі втрати, а другий — високу діелектричну проникність і високу густину ємності.
Діелектрики з температурною-компенсацією класу I
Діелектрики класу I зазвичай використовують TiO₂ як основний компонент, який забезпечує низьку діелектричну проникність і надзвичайно низькі діелектричні втрати для забезпечення стабільності температури ємності та стабільності частоти. Також додається невелика кількість CaTiO₃ або SrTiO₃ тощо для коригування температурної кривої та стабілізації мікроструктури, утворюючи «розширену» температурно-компенсуючу кераміку.
Оскільки цей тип діелектричного матеріалу знаходиться в параелектричній фазі, без перемикання або міграції сегнетоелектричних доменів, його діелектрична відповідь в основному походить від поляризації електронного та іонного зміщення та не має характеристик спонтанної поляризації сегнетоелектриків. Таким чином, діелектрична проникність цього типу діелектрика дуже мало змінюється з температурою, частотою, зміщенням постійного струму та часом, демонструючи майже ідеальну лінійну діелектричну реакцію, відмінну температурну стабільність і відсутність явища старіння. Наприклад, звичайний діелектрик класу I C0G (NP0) має температурний коефіцієнт 0 ±30 ppm/градус; його ємність змінюється дуже мало з температурою і майже незначна. Звичайно, цей тип діелектрика має відносно низьку діелектричну проникність. Відносна діелектрична проникність матеріалів типу C0G- зазвичай становить від 6 до 200, що визначає те, що MLCC класу I важко досягти великої ємності. Таким чином, діелектричні MLCC класу I широко використовуються в сценаріях, які мають суворі вимоги до точності та стабільності ємності, але мають відносно низьку потребу в ємності:
01 ВЧ і мікрохвильові схеми
У високочастотних сценаріях, таких як схеми фільтрації та узгодження для модулів підсилювача потужності базової станції 5G і міліметрових-діапазонів хвиль (24–100 ГГц), потрібні надзвичайно низькі внесені втрати та мінімальний фазовий шум. Діелектрики I класу можуть забезпечити стабільність і цілісність передачі сигналу.
02 Схеми коливань і синхронізації
Кристалічні осцилятори, резонансні схеми LC, схеми годинника, ємні конденсатори тощо потребують надзвичайно високої стабільності ємності, щоб гарантувати, що частота коливань не змінюється залежно від температури навколишнього середовища, що забезпечує точне регулювання часу та частоти.
03 Високоякісне-тестове та вимірювальне обладнання
Високоточні-інструменти, медичне тестове обладнання, радари та навігаційні системи тощо пред’являють надзвичайно високі вимоги до точності вимірювань і стабільності системи. Надзвичайно низькі температурні дрейфові характеристики діелектриків класу I можуть відповідати суворим вимогам до прецизійного-обладнання високого класу.
04 Військова та аерокосмічна електроніка
Вони вимагають високої надійності з постійністю параметрів, що підтримується в екстремальних діапазонах температур.
Сегнетоелектричні діелектрики класу II-з високою діелектричною проникністю
Діелектрики II класу - міцна сегнетоелектрична кераміка, основним компонентом якої є титанат барію (BaTiO₃). При кімнатній температурі титанат барію має тетрагональну сегнетоелектричну структуру та має спонтанну поляризацію. Навіть без зовнішнього електричного поля електричні диполі всередині кристала демонструють певний ступінь правильного розташування, і діелектрична проникність може досягати вище 1500. Однак чистий BaTiO₃ має пік Кюрі з аномально високою діелектричною проникністю близько 130 градусів. У цій температурній точці відбувається структурний фазовий перехід із сегнетоелектрика-в-параелектрик. По обидва боки від точки Кюрі діелектрична проникність різко змінюється, спричиняючи різкі коливання ємності залежно від температури та прикладеної напруги постійного струму, і виникає ефект старіння. Тому для регулювання температури Кюрі BaTiO₃ і розширення діелектричного-температурного спектру необхідні такі заходи, як побудова ядра-структури оболонки або модифікація легування.
01 Створення ядра-структури оболонки
Тобто, покриваючи поверхню нанопорошку титанату барію різними легуючими елементами (такими як Mg, Mn, Y, Dy та іншими рідкоземельними елементами), після спікання утворюються зерна з неоднорідним хімічним складом. Сердечником є чистий титанат барію, який підтримує високу сегнетоелектрику та забезпечує високу ємність; оболонка – це допінг-модифікований твердий розчин з різними температурами Кюрі та температурними характеристиками діелектрика. Зрештою, завдяки регулюванню співвідношення серцевини-оболонки діелектричні характеристики та температурна стабільність збалансовані.
02 Модифікація допінгу
Рідкоземельні елементи (такі як Y, Dy, Ho) і деякі елементи лужних металів (такі як Sr) можна використовувати для A-site (Ba-site), B-site (Ti-site) або амфотерного легування для регулювання структури решітки, створення донорних або акцепторних ефектів і зміни параметрів елементарної комірки та взаємодії між іонами. Це оптимізує діелектричну проникність, зменшує діелектричні втрати, пригнічує та розширює діелектричний пік або зміщує температуру Кюрі в бік нижчих або вищих температур, зберігаючи діелектричну проникність відносно стабільною в більш широкому діапазоні температур і покращуючи температурну стабільність.
Легування титанату барію
Згідно з різними стратегіями допування та складами порошків, діелектрики класу II також включають X5R, X7R, Y5V, Z5U та інші типи.
(1) X5R: MLCC типу X5R-мають нижчі витрати на модифікацію та в основному покладаються на створення структури «ядра-оболонки», щоб розширити температурний-стабільний робочий діапазон. Вимогою до модифікації є підтримка температурного коефіцієнта в межах ±15% у діапазоні робочих температур від -55 градусів до 85 градусів. Цей діапазон робочих температур достатній для більшості цивільних сценаріїв, тому це основна модель побутової електроніки (мобільні телефони, комп’ютери).
(2) X7R: його механізм модифікації подібний до механізму X5R, але вимоги до точності легування є відносно суворими. Тому його верхня межа температури вища, і він може підтримувати температурний коефіцієнт у межах ±15% у діапазоні робочих температур від -55 градусів до 125 градусів. Він широко використовується в комп’ютерах, автомобільній електроніці, промисловому контролі та інших сценаріях, які мають помірні вимоги до стабільності температури, а також вимагають відносно великої ємності.
(3) Y5V/Z5U: порошки Y5V і Z5U мають найвищу щільність ємності серед діелектричних матеріалів класу II, але їх ємність дуже помітно змінюється з температурою. Серед них Y5V має діапазон робочих температур від -30 градусів до +85 градусів і температурний коефіцієнт +22%/-82%; Z5U має діапазон робочих температур від +10 градусів до +85 градусів і температурний коефіцієнт +22%/-56%. Їх можна використовувати лише в сценаріях буферизації та зберігання енергії, які абсолютно нечутливі до коливань ємності та старіння, і суворо заборонені в сигнальних ланцюгах і контурах точного керування.