Flerlagers keramiska kondensatorer (MLCC) är kända som "elektronikindustrins ris." Deras applikationslandskap har expanderat från hemelektronik till 5G-kommunikationsbasstationer, bilelektronik, AI-servrar, flyg och många andra områden. Olika applikationsscenarier har dock väldigt olika prestandakrav för MLCC:er. Till exempel krävs MLCC:er av -kvalitet för fordon för att bibehålla stabil kapacitans över ett brett temperaturområde från -55 grader till +125 grader, medan högpresterande kretsar som CPU:er, GPU:er och HBM, när strömstyrkan fortsätter att öka, kräver MLCC:er för att ge större kapacitans i begränsat utrymme för energilagring och stabil energilagring. Kärnparametrar såsom temperaturegenskaper, kapacitansintervall, dielektrisk stabilitet och åldringsegenskaper är väsentligen relaterade till den inneboende kristallstrukturen och polarisationsmekanismen hos det keramiska dielektriska pulvret.
Beroende på skillnader i dielektriska material (temperaturegenskaper) är MLCC huvudsakligen indelade i två huvudkategorier: Klass I temperaturkompenserande dielektrikum- och ferroelektriska dielektriska klass II hög-permittivitet. Den förra eftersträvar temperaturstabilitet och låg förlust, medan den senare eftersträvar hög dielektricitetskonstant och hög kapacitansdensitet.
Klass I temperatur-Kompenserande dielektrika
Klass I dielektrikum använder vanligtvis TiO₂ som huvudkomponent, vilket ger en låg dielektricitetskonstant och extremt låg dielektrisk förlust för att säkerställa kapacitanstemperaturstabilitet och frekvensstabilitet. En liten mängd CaTiO3 eller SrTiO3, etc., tillsätts också för att justera temperaturkurvan och stabilisera mikrostrukturen, vilket bildar en "förlängd" temperatur-kompenserande keramik.
Eftersom denna typ av dielektriskt material befinner sig i den paraelektriska fasen, utan någon ferroelektrisk domänomkoppling eller migrering, kommer dess dielektriska respons huvudsakligen från elektronisk och jonisk förskjutningspolarisation och har inte de spontana polarisationsegenskaperna hos ferroelektriska ämnen. Därför ändras dielektricitetskonstanten för denna typ av dielektrikum mycket lite med temperatur, frekvens, DC-förspänning och tid, vilket uppvisar ett nästan idealiskt linjärt dielektriskt svar, utmärkt temperaturstabilitet och inget åldringsfenomen. Till exempel har den vanliga dielektriska klass I C0G (NP0) en temperaturkoefficient på 0 ±30 ppm/grad; dess kapacitans ändras mycket lite med temperaturen och är nästan försumbar. Naturligtvis har denna typ av dielektrikum en relativt låg dielektricitetskonstant. Den relativa dielektriska konstanten för material av C0G-typ är vanligtvis mellan 6 och 200, vilket bestämmer att klass I MLCC:er är svåra att uppnå stor kapacitans. Därför används dielektriska MLCC i klass I i stor utsträckning i scenarier som har strikta krav på kapacitansnoggrannhet och stabilitet men relativt lågt kapacitansbehov:
01 RF- och mikrovågskretsar
I hög-scenarier som filtrering och matchningskretsar för 5G basstations effektförstärkarmoduler och millimeter-vågband (24–100 GHz), krävs extremt låga insättningsförluster och minimalt fasbrus. Klass I-dielektrik kan säkerställa stabiliteten och integriteten för signalöverföring.
02 Oscillations- och tidskretsar
Kristalloscillatorer, LC-resonanskretsar, klockkretsar, tankkondensatorer etc. kräver extremt hög kapacitansstabilitet för att säkerställa att oscillationsfrekvensen inte glider med omgivningstemperaturen, vilket möjliggör exakt timing och frekvenskontroll.
03 Hög-test- och mätutrustning
Hög-precisionsinstrument, medicinsk testutrustning, radar- och navigationssystem etc. har extremt höga krav på mätnoggrannhet och systemstabilitet. De extremt låga temperaturdriftegenskaperna hos Klass I-dielektrik kan uppfylla de stränga kraven på hög-precisionsutrustning.
04 Militär- och rymdelektronik
Dessa kräver hög tillförlitlighet med parameterkonsistens som bibehålls över extrema temperaturområden.
Klass II Ferroelektrisk dielektrik med hög-permittivitet
Klass II-dielektrika är stark ferroelektrisk keram, vars huvudkomponent är bariumtitanat (BaTiO₃). Vid rumstemperatur uppvisar bariumtitanat en tetragonal ferroelektrisk struktur och har spontan polarisation. Även utan ett externt elektriskt fält uppvisar de elektriska dipolerna inuti kristallen en viss grad av regelbundet arrangemang, och dielektricitetskonstanten kan nå över 1500. Men ren BaTiO3 har en Curie-topp med onormalt hög dielektricitetskonstant nära cirka 130 grader. Vid denna temperaturpunkt inträffar en ferroelektrisk-till-paraelektrisk strukturell fasövergång. På båda sidor om Curie-punkten ändras dielektricitetskonstanten kraftigt, vilket gör att kapacitansen fluktuerar dramatiskt med temperaturen och applicerad likspänning, och det finns en åldringseffekt. Därför behövs åtgärder som att konstruera en kärna-skalstruktur eller dopningsmodifiering för att reglera Curie-temperaturen för BaTiO₃ och bredda det dielektriska-temperaturspektrumet.
01 Konstruera en kärna-skalstruktur
Det vill säga, genom att belägga ytan av nanobariumtitanatpulver med olika dopningselement (som Mg, Mn, Y, Dy och andra sällsynta jordartsmetaller) bildas korn med o-jämn kemisk sammansättning efter sintring. Kärnan är ren bariumtitanat, som bibehåller hög ferroelektricitet och ger hög kapacitans; skalet är en dopnings-modifierad fast lösning med olika Curie-temperaturer och dielektriska temperaturegenskaper. I slutändan, genom att justera kärnans-skalförhållande, balanseras dielektrisk prestanda och temperaturstabilitet.
02 Dopingändring
Sällsynta jordartsmetaller (som Y, Dy, Ho) och vissa alkalimetallelement (såsom Sr) kan användas för A-site (Ba-site), B-site (Ti-site), eller amfoterisk dopning för att reglera gitterstrukturen, producera donator- eller acceptoreffekter och förändra cellparametrar och interaktionsenhetscellparametrar. Detta optimerar dielektricitetskonstanten, minskar dielektriska förluster, undertrycker och breddar den dielektriska toppen, eller skiftar Curie-temperaturen mot lägre eller högre temperaturer, vilket håller dielektricitetskonstanten relativt stabil över ett bredare temperaturområde och förbättrar temperaturstabiliteten.
Dopingmodifiering av Barium Titanate
Enligt olika dopningsstrategier och pulverformuleringar inkluderar klass II-dielektrika vidare X5R, X7R, Y5V, Z5U och andra typer.
(1) X5R: MLCC av X5R-typ har lägre modifieringskostnader och förlitar sig huvudsakligen på att konstruera en "kärnstruktur"-skal" för att bredda det temperatur-stabila driftsområdet. Modifieringskravet är att upprätthålla en temperaturkoefficient inom ±15 % över ett driftstemperaturområde på -55 grader till 85 grader. Detta driftstemperaturintervall är tillräckligt för att täcka de flesta civila scenarier, så det är den vanliga modellen för hemelektronik (mobiltelefoner, datorer).
(2) X7R: Dess modifieringsmekanism liknar den för X5R, men kraven på dopningsprecision är relativt stränga. Därför är dess övre temperaturgräns högre, och den kan upprätthålla en temperaturkoefficient inom ±15 % över ett driftstemperaturområde på -55 grader till 125 grader. Det används ofta i datorer, bilelektronik, industriell styrning och andra scenarier som har måttliga krav på temperaturstabilitet och som också kräver relativt stor kapacitans.
(3) Y5V/Z5U: Y5V- och Z5U-pulver har den högsta kapacitansdensiteten bland dielektriska material av klass II, men deras kapacitans avviker mycket märkbart med temperaturen. Bland dem har Y5V ett driftstemperaturområde på -30 grader till +85 grader och en temperaturkoefficient på +22%/-82%; Z5U har ett driftstemperaturområde på +10 grader till +85 grader och en temperaturkoefficient på +22%/-56%. De kan endast användas i buffrings- och energilagringsscenarier som är helt okänsliga för kapacitansfluktuationer och åldringsförsämring, och är strängt förbjudna i signalkretsar och precisionskontrollslingor.