中國粉體網(wǎng)訊  電子信息技術(shù)的突飛猛進(jìn)，加快了電子元器件升級換代的速度。高性能電子陶瓷材料及無源電子元件是電子產(chǎn)品重要的實(shí)體，在信息產(chǎn)業(yè)中的地位不亞于鋼鐵在傳統(tǒng)工業(yè)中的地位，其發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。MLCC是世界上用量最大、發(fā)展最快的片式元件之一，在陶瓷電容器中產(chǎn)值占比超過90%。其具有容量范圍寬、頻率特性好、工作電壓和工作溫度范圍寬、超小體積、無極性等優(yōu)良特性，且應(yīng)用領(lǐng)域極其寬泛。

近日，深圳先進(jìn)電子材料國際創(chuàng)新研究院（簡稱“深圳電子材料院”）在MLCC領(lǐng)域取得系列進(jìn)展。

采用兩步煅燒結(jié)合回轉(zhuǎn)爐煅燒的方法合成BaTiO₃超細(xì)粉體

近年來，隨著電子設(shè)備及其元器件的小型化、高可靠性、薄型化和低成本化，介質(zhì)材料的晶粒尺寸不斷向納米級別發(fā)展。對MLCC而言，實(shí)現(xiàn)高容量、小型化、薄層化和高可靠性等性能要求的基礎(chǔ)是減小基料鈦酸鋇(BaTiO₃，BT)的粒徑尺寸，即粉體超細(xì)化。為實(shí)現(xiàn)MLCC的這些性能需求，基料BT的晶粒尺寸需要控制在 200nm  以下。目前，超細(xì)BT的合成方法包括水熱法、固相法、溶膠-凝膠法、熔鹽法等。其中，水熱法和固相法是工業(yè)中常用的兩種工藝。但是，水熱法合成BT的步驟復(fù)雜、成本高、廢液處理復(fù)雜，產(chǎn)品易存在羥基缺陷，且該方法的合成條件控制苛刻，技術(shù)壁壘高。固相法則以其成本低、工藝簡單、合成的BT粉體缺陷少、結(jié)晶度高的優(yōu)勢成為工業(yè)中最常用的工藝，但傳統(tǒng)固相法由于較高的煅燒溫度(＞1000°C)常導(dǎo)致BT粉體的粗晶化和團(tuán)聚化。因此，工業(yè)上急需一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的生產(chǎn)超細(xì)原料粉體的手段。

在此背景下，深圳電子材料院張蕾副研究員團(tuán)隊(duì)成功采用兩步煅燒結(jié)合回轉(zhuǎn)爐煅燒的方法合成了顆粒均勻、高四方性的BaTiO₃超細(xì)粉體。反應(yīng)動力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，回轉(zhuǎn)爐提高了固相反應(yīng)的傳熱效率，增加了Ba²⁺和Ti⁴⁺的點(diǎn)接觸面積，降低了兩者的擴(kuò)散速率，使擴(kuò)散成核生長速率大于BaCO₃的分解速率，從而提高了Ba²⁺和Ti⁴⁺的反應(yīng)活性，進(jìn)而提高BaTiO₃粉體的四方性。通過優(yōu)化工藝、理解反應(yīng)機(jī)理，采用兩步輔助回轉(zhuǎn)爐煅燒法成功地制備了平均粒徑為250nm、四方度（c/a）為1.0096的BaTiO₃超細(xì)粉體。該工作克服了固相高溫煅燒引起的粗結(jié)晶和團(tuán)聚問題，提高了粉體的四方性，為固相法生產(chǎn)高四方性BaTiO₃超細(xì)粉體提供了新思路。

固相反應(yīng)過程示意圖與性能對比

該研究成果以“Fabrication of BaTiO₃ nanopowders with high tetragonality via two-step assisted rotary furnace calcination for MLCC applications”為題發(fā)表于材料領(lǐng)域期刊Ceramics International上，該研究論文的第一作者為電子材料院電介質(zhì)材料研究中心欒賽偉（碩士研究生在讀），共同通訊作者為電子材料院張蕾副研究員和廣東風(fēng)華高新科技股份有限公司付振曉高級工程師。

晶粒尺寸和晶粒均勻性對超薄MLCC直流偏置特性和可靠性影響

目前，隨著5G通信網(wǎng)絡(luò)和電動汽車的快速發(fā)展，迫切需要超薄MLCC在各種直流偏壓和頻率下具有優(yōu)異介電性能和優(yōu)越可靠性。然而目前還缺乏針對晶粒尺寸和晶粒均勻性對超薄MLCC直流偏置特性和可靠性影響的系統(tǒng)研究。

在此背景下，深圳電子材料院張蕾副研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合清華大學(xué)和廣東風(fēng)華高新科技股份有限公司的研究人員討論了晶粒尺寸均勻性在超薄介電層中的重要作用，并指出了在BaTiO₃基超薄多層電容器中獲得高直流特性和可靠性的途徑。該團(tuán)隊(duì)成功制造出具有不同晶粒尺寸的超�。ê穸燃s1μm）X5R BaTiO₃基MLCC。結(jié)果表明，由于直流偏置場增大時較低比例的不可逆疇壁運(yùn)動導(dǎo)致的更低空間電荷極化和更小介電損耗，平均晶粒尺寸為（240±76）nm的MLCC芯片在不同頻率下表現(xiàn)出更高的溫度穩(wěn)定性。并且，均勻結(jié)構(gòu)樣品中晶界的高密度和氧空位濃度可以有效提高擊穿強(qiáng)度。因此，具有均勻結(jié)構(gòu)的樣品表現(xiàn)出4900的高介電常數(shù)、63.74MΩ的高電阻率和6426h的理論壽命。

圖注：(a)直流偏壓場的介電常數(shù)依賴性(插入:8-10V/μm)，(b)P-E環(huán)路，(c)可逆和(d)不可逆FORC分布的演化，(e)超薄MLCCs芯片的TEM圖像。

該研究成果以“Importance of uniformity of grain size to reduce dc degradation and improve reliability of ultra-thin BaTiO₃-based MLCCs”為題發(fā)表在Ceramics International上，該研究論文的第一作者為深圳先進(jìn)電子材料國際創(chuàng)新研究院電介質(zhì)材料研究中心蔣坤倫（碩士研究生在讀），共同通訊作者為先進(jìn)電子材料國際創(chuàng)新研究院張蕾副研究員和清華大學(xué)深圳國際研究生院李勃研究員。

信息來源：深圳先進(jìn)電子材料國際創(chuàng)新研究院、電介質(zhì)MLCC

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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