Производство многослойных керамических конденсаторов: оборудование и технология

Многослойные керамические конденсаторы

Многослойные керамические конденсаторы (Multi-Layer Ceramic Capacitor, MLCC) представляют собой монолитные устройства, состоящие из слоев диэлектрических материалов в сочетании с системой металлических электродов. Это слоистое образование выпекается при высокой температуре для изготовления высокоэффективного электропроводного устройства. Затем соединение устанавливается путем интеграции проводящей барьерной системы на открытых концах чипа. Многослойные керамические конденсаторы показывают высокочастотные характеристики, предлагают чрезвычайно низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и вместе с тем являются очень надежными.

Для описания свойств многослойных керамических конденсаторов используется множество различных характеристик и параметров. Ниже приведены основные и наиболее важные из них:

• Номинальная емкость/Capacitance value (пФ/нФ/мкФ). Является основным параметром керамического многослойного конденсатора;
• Рабочее напряжение/Rated voltage (В). Характеризует постоянное напряжение, которое может быть приложено к конденсатору без потери его эксплуатационных свойств во всем диапазоне рабочих температур;
• Параллельное сопротивление (Rp). Характеризует сопротивление поверхности керамического многослойного конденсатора и сопротивление самого диэлектрика;
• Последовательное сопротивление (Rs). Характеризует сопротивление контактов и выводов компонента;
• Последовательная индуктивность (L). Определяется индуктивностью выводов и внутренней индуктивностью конденсатора;
• Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ. Потери в конденсаторе характеризуют с помощью tgδ, который определяет отношение между активной и реактивной составляющей импеданса керамического многослойного конденсатора;
• Эффект смещения при постоянном токе (DC-bias). Представляет собой зависимость величины емкости от приложенного напряжения.

По типу используемого электрода многослойные керамические конденсаторы делятся на две группы:

• многослойные керамические конденсаторы с использованием электродов из благородных металлов (PME);
• многослойные керамические конденсаторы с использованием электродов из неблагородных металлов (BME).

Керамические конденсаторы с электродами из неблагородных металлов (BME) имеют широкое распространение на мировом рынке электронных компонентов, однако на территории Российской Федерации производители BME на данный момент отсутствуют.

Основная мировая тенденция в отрасли производства керамических конденсаторов с электродами из неблагородных металлов заключается в вытеснении конденсаторов с электродами из благородных (драгоценных) металлов с рынка гражданского назначения.

По типу используемого диэлектрика керамические конденсаторы можно поделить на два класса:

• Класс 1 – конденсаторы с высокостабильным диэлектриком, имеющим высокую добротность, линейную температурную зависимость (диэлектрическая проницаемость εr меняется от 6 до 550). Конденсаторы такого типа применяются во времязадающих цепях и фильтрах, где основными требованиями являются низкие потери, высокая стабильность емкости и других параметров.
• Класс 2 – конденсаторы с более высоким уровнем потерь и нелинейной зависимостью εr. Конденсаторы такого типа используются как разделительные и блокировочные конденсаторы.

Многослойные керамические конденсаторы применяются практически во всех отраслях электроники. Для ряда отраслей критично иметь большие размеры компонентов, например, в высоковольтных схемах; но вместе с тем, анализ рынка продаж показывает, что существует четкая и уверенная тенденция к миниатюризации.

Технология производства многослойных керамических конденсаторов

Ниже представлено описание технологического процесса производства многослойных керамических конденсаторов.

Этап I. Конденсаторный материал взвешивают на весах, сушат до постоянной массы в сушильном шкафу, просевают через механическое сито и подают на приготовление керамического шликера в барабанную мельницу.

Этап II. Для приготовления шликера в мельницу загружают спирты (этиловый и бутиловый), пластификатор, раствор поливинилбутираля (ПВБ). В реактор загружают остальное количество растворителей и пленкообразователя и перемешивают для получения раствора пленкообрзователя. Затем суспензию керамического материала из мельницы смешивают с раствором пленкообразователя в реакторе, снабженным турбинной скоростной мешалкой и водяной рубашкой, до образования шликера. Шликер выдерживают 10-12 часов для стабилизации и вакуумирования в специальном кюбеле, проверяют его вязкость, а затем заливают в емкость с фильерой и закрепляют в литьевой машине. 

Этап III. Для литья пленки в основном используется метод литья через плавающую фильеру на металлическую движущуюся подложку. Керамическая пленка в литьевой машине подсушивается воздухом, нагретым до температуры 7З-80 ^оС, а затем она вместе с подложкой сворачивается в рулон и выдерживается 1–1,5 суток. Затем происходит отделение керамической пленки от подложки и визуальный контроль пленки на столе с подсветкой. Проверяется наличие видимых дефектов: складок и инородных включений.

Этап IV. Одновременно с формированием внутренних электродов в литьевой машине происходит сборка группового пакета конденсаторов, состоящего по периферии из 5–7 холостых слоев с двух сторон и 25–35 металлизированных слоев. Линия металлизации паст состоит из печатающего устройства, транспортной ленты, пресса и сушильного транспортера.

Этап V. Далее пакет прессуют на гидравлическом прессе. Прессование осуществляют в 4 этапа: вакуумирование перед сжатием; прессование малым давлением; дегазация пакета; прессование при температуре 50-90^оС и давлении 60–170 кг/см².

Этап VI. Далее пакеты разрезают (рубят) на отдельные заготовки конденсаторов на резальной (рубочной) машине.

Отдельную небольшую партию заготовок пропускают по технологическому циклу до конца и затем проверяют у них электрофизические параметры. Это делается с целью оценки годности заготовок конденсаторов для дальнейших операций.

Этап VII. Заготовки конденсаторов проходят операцию утильного обжига в низкотемпературной печи при подъеме температуры с определенной скоростью до 350-400^оС, выдержке при максимальной температуре 24 часа и последующем охлаждении. Общее время утильного обжига 48 часов.

Этап VIII. Затем осуществляют мокрую галтовку заготовок конденсаторов в барабане, куда загружают мелющие тела, продолжительность 15–35 мин. Это делается с целью придания нужной шереховатости поверхности заготовки для последующего лучшего совмещения наружной металлизации с поверхностью конденсатора.

Этап IX. Окончательное спекание и формирование керамического монолита и контакта внутреннего электрода с керамикой осуществляется в камерной садочной печи (поз. 16). Максимальная температура спекания (1100–1350^оС) зависит от состава конденсаторного материала. Продолжительность спекания 48 ч.

Этап X. Затем методом трафаретной печати на торцы остальных заготовок конденсаторов наносят наружные электроды (поз. 18–21). Материал наружных электродов – серебро, или серебро-палладий (95/5). Вжигание наружных электродов осуществляют в туннельной печи (поз. 22) при максимальной температуре 780–800^оС.

Этап XI. Далее конденсаторы проходят сортировку по емкости, лазерную маркировку, проверку электропараметров, приемосдаточные испытания ОТК и ПЗ, упаковку и отгрузку на склад готовой продукции. 

Оборудование для производства многослойных керамических конденсаторов