军用高频高Q电容器设计及工艺

摘  要：本文在配方上选用在高频下具有较大Q值的MgTiO3材料和具有较大介电常数的Ba6-3xNd8+2xTi18O54材料的复合体系，通过液相包裹技术结合高能球磨工艺，制备具有特定成分分布的y·MgTiO3-（1-y）Ba6-3xNd8+2xTi18O54复合粉体，并通过二步烧结法制备晶粒具有特殊“壳-芯”结构的陶瓷电容器介质层，实现高频高Q多层陶瓷电容器的批量生产。本项目的实施可使企业成功实现相关产品的量产，满足巨大的军用市场需求，改变同类产品依赖进口的格局，保证国防安全，不仅具有较强的社会效益，还能带来较大的经济效益。

关键词：电容器;复合粉体;高频高Q;工艺设计

中图分类号： TM534.1      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）08-0034-03

Abstract：In this paper，a composite system is selected，which includes MgTiO3 with high Q-value and Ba6-3xNd8+2xTi18O54 with high dielectric constant at high frequencies. The composite system is made into the y·MgTiO3-（1-y）Ba6-3xNd8+2xTi18O54 composite powder with specific composition distribution，which prepared by liquid phase encapsulation technology combined with high energy ball milling process. In addition，the dielectric layer of ceramic capacitor with special “shell-core” structure was prepared by two-step sintering method. The mass production of MLCC with frequency and high Q-value was realized. The implementation of this project will enable enterprises to successfully realize the mass production of related products，meet the huge military market demand，change the pattern of similar products depending on imports，and ensure national defense security. It will not only have strong social benefits，but also bring greater economic benefits.

Keywords：capacitor;composite powder;frequency and high Q-value;process design

0  引  言

军用的电容器大部分是高频高Q电容器，具有体积小、性能优良和稳定性高等特点。现如今，军用市场对高频高Q电容器的需求迫在眉睫，其原因主要是高频高Q电容器的性能可以满足现代移动通信设备的使用要求，而通信行业的迅速发展和3G、4G网络的普及推广，使得市场对该种高端电容产品的需求量猛增。然而，高频高Q电容器的市场多被国外企业所垄断，我国企业在该领域占据的市场份额非常小，主要是因为产品性能达不到国外企业产品的水平。我国企业生产的电容器容量较小，在1MHz高频条件下使用，Q值较低，无法满足现代移动通信设备和国防军用设备的使用要求。本文主要研究高频高Q片式电容器陶瓷粉体的配方和器件制备工艺，最终实现高频高Q多层片式瓷介电容器的制备。

1  项目内容和技术难点

1.1  项目内容

（1）多层片式瓷介电容器陶瓷介质配方研究。选用y·MgTiO3-（1-y）Ba6-3xNd8+2xTi18O54复合材料，调整y值，可调控复合材料的介电常数、Q值和温度系数;通过改x的取值，可改善Ba6-3xNd8+2xTi18O54材料的介电性能，从而对复合材料的综合性能进行调控。除此之外，还可在MgTiO3中添加Co、Ni和Zn等元素，在Ba6-3xNd8+2xTi18O54中添加Sr、Ca和稀土元素，对MgTiO3和Ba6-3xNd8+2xTi18O54各自的性能进行调整，使复合后的材料综合性能得到进一步优化。

（2）高频高Q多层片式瓷介电容器陶瓷介质层晶粒微结构设计。设计陶瓷晶粒“壳-芯”结构，如图1所示。晶粒核心部位为Ba6-3xNd8+2xTi18O54材料，该材料具有较大介电常数，可提高电容器的电容容量，而Ba6-3xNd8+2xTi18O54晶粒的表面则包裹着MgTiO3材料，MgTiO3将阻隔复合材料的漏电导通路，降低漏导损耗，从而有效提高电容器的Q值和耐压能力。

（3）具有“壳-芯”结构的高活性复合粉体制备工艺研究。制备具有“壳-芯”包裹结构的复合粉体。研究Ba6-3xNd8+2xTi18O54的水热法制备工艺，试验水热反应温度和时间、反应环境pH等参数对Ba6-3xNd8+2xTi18O544粉體的形貌和分散性的影响;通过液相包裹技术、高能球磨和低温预烧等工艺，使MgTiO3对Ba6-3xNd8+2xTi18O54粉体进行包裹，研究球磨时间和转速对粉体分散性的调控作用，试验预烧温度和时间对MgTiO3合成情况的影响，借助XRD、SEM和TEM等微观分析设备，研究MgTiO3对Ba6-3xNd8+2xTi18O54粉体的包裹情况，最终制备“壳-芯”结构高活性复合粉体，过程如图2所示。

（4）片式器件烧结工艺研究。研究二步烧结法，实现具有“壳-芯”结构的高密度多层陶瓷电容器的制备。烧结过程中先对样品进行快速升温，温度达到电容器陶瓷介质层成瓷温度后，进行短暂保温。这一过程中，器件的密度可达到理论密度的80%以上，介质层已基本成瓷。由于该阶段的升温速度非常快（一般超过10℃/min），MgTiO3没有足够的时间通过固相传质扩散到晶粒当中与Ba6-3xNd8+2xTi18O54反应，因此MgTiO3多停留于晶界。此后迅速降温（降温速度一般大于30℃/min）至较低温度，并长时间保温，进行二次烧结。

1.2  解决的技术难点

（1）高频高Q多层片式瓷介电容器用高活性复合陶瓷粉体制备技术。

（2）具有“壳-芯”结构的多层片式瓷介电容器陶瓷介质层烧结技术。

2  工艺流程

高频高Q多层片式瓷介电容器的制备工艺流程：粉料制备——浆料制备——流延——丝网叠印——层压——切割——排胶——高温烧结——倒角——封端——烧端——表面处理——测试分选——可靠性试验（军品）。

具体工艺说明如下：

（1）具有“壳-芯”结构的高活性复合粉料的制备。采用水热法制备Ba6-3xNd8+2xTi18O54粉体。将四氯化钛、醋酸钡、氯化钕和掺杂元素溶液置于高压釜中，在175-275℃条件下进行高压水热反应，得到微量元素均匀掺杂的Ba6-3xNd8+2xTi18O54高活性粉体。Ba6-3xNd8+2xTi18O54粉体制备工艺流程图如图3所示。

将Ba6-3xNd8+2xTi18O54粉体与Mg（NO3）2、TiCl4溶液混合后，置于球磨机中进行球磨。球磨可使Mg和Ti元素均匀包裹于Ba6-3xNd8+2xTi18O54粉体的表面。将球磨后的粉体烘干后进行预烧，系統调节预烧工艺，通过调整预烧温度和时间，使Ba6-3xNd8+2xTi18O54表面的MgTiO3得以合成。最终制备由Ba6-3xNd8+2xTi18O54为核芯、由MgTiO3为外壳的“壳-芯”结构高活性复合粉体。

（2）浆料的制备。将制备好的高活性复合粉体与有机溶剂均匀混合，加入适量的分散剂、增塑剂、控流剂、除泡剂和润湿剂等，高能球磨使浆料混合均匀;此后，再加入粘合剂并进行二次球磨，调整浆料的流变特性，制备高流变特性流延浆料。浆料的制备工艺图如图4所示。

（3）流延。针对制备的流延浆料的流变特性，对传统流延成型工艺进行改进。调整流延机刮刀与衬底间的距离改变成膜厚度;调整刮刀位移速度，以控制成膜速度和质量;改进厚膜干燥工艺，调整干燥过程中的升温程序和保温时间，防止开裂等现象的出现。

（4）印刷叠层。印刷：通过高精密的版式平面印刷机，在介质膜上，印刷上一层大小、厚薄一致的超薄导电内电浆料;成为印刷膜片。

叠层：把印刷膜片放于高精密的堆叠机，把已印刷的陶瓷膜逐一有规律地叠放，保证每层对位极为精确，形成电容器的生坯，成为巴块。

（5）层压。把巴块放入高压力的热压机里，设定好工艺参数，使巴块在重压下，保证其致密性。

（6）切割。把已经致密化的巴块，通过切割机，按照图形的分切线，分切成大小一致的长方体。形成电容生片。

（7）排胶。把电容生片放入温度均匀的烘箱里，按照设定好的程序，把电容生片中的有机物分解排出。

（8）高温烧结。采用先进的二步烧结法对叠层后的多层片式瓷介电容器坯片进行烧结，以制备“壳-芯”晶粒结构致密多层片式瓷介电容器。其具体的烧结工艺为：先让坯片进行100℃-600℃的缓慢升温，以排除溶剂和粘合剂，在600℃下进行保温2h，以排除粘合剂等有机物。待有机物排净后，对坯片进行快速升温至较高温度并进行短时间保温，使样品烧结成瓷，同时防止包裹在Ba6-3xNd8+2xTi18O54表面的MgTiO3向晶粒内部扩散。此后迅速降温至二次烧结温度，使电容器在较低温度下长时间保温。在该阶段，气孔会收缩直至消失，同时MgTiO3将对Ba6-3xNd8+2xTi18O54进行包裹，使晶粒形成由Ba6-3xNd8+2xTi18O54组成核心和由MgTiO3组成外壳的“壳-芯”结构。

（9）倒角。把电容瓷片和磨介按比例混合，放在倒角机里，进行滚动研磨，保证电容瓷片的菱角光滑，内电极充分暴露，有利于封端时，与外电极更好地连接。

（10）封端。通过高精度的封端机，把已经倒角的电容瓷片的两端沾上厚薄均匀、宽窄一致的外导电极浆料，并通过烘干加温把外导电极浆料进行固化。

（11）烧端。把封端后的电容器，放入高温烧端炉中，设定好工艺参数，外导电极浆料在高温的条件下，形成包裹产品端头的银层，并与内导电极形成相熔连接，形成致密的、附着力极强的金属银层，其银层厚度一般在30～70μm左右。

（12）表面处理。把烧端后的电容瓷片，通过电化学反应的原理，在外电极上先后覆盖一层均匀的镍层和锡层。镍层的厚度一般为2-4μm，其作为热阻挡层，以保证产品抗热冲击的能力;锡层的厚度一般为4-7μm，其具有良好的焊接性，以保证产品与外电路有良好的接触。

（13）测试。将表面处理后的电容器经过外观分选，采用全自动电容测试机进行100%电性能测试。测试电性能参数包括：容量、损耗、绝缘、电压、Q值，不合格品剔除，合格品继续流通。

（14）可靠性试验（军品）。根据客户提出的产品质量等级或技术协议要求，依照国军标GJB 360A-96试验方法要求完成可靠性试验。

3  结  论

本文提供了一种高频高Q片式电容器陶瓷粉体的配方和器件制备工艺，最终实现高频高Q多层片式瓷介电容器的制备。项目的实施可使企业成功实现相关产品的量产，满足巨大军用市场需求，改变同类产品依赖进口的格局，保证国防安全，并有望与ATC等公司进行竞争，将产品应用于军用市场，使我国目前在该领域的发展现状得到一定的改观。因此，本项目的开发不仅具有较强的社会效益，还能带来较大的经济效益。

参考文献：

[1] 周辉，李科源.军用电解电容器的应用可靠性选择 [J].电子元器件应用，2008（4）：78-80.

[2] 宋子峰.高频高Q值MLCC的设计与制作 [J].电子质量，2008（11）：54-56.

[3] 黄新友，黄国军，陈志刚，等.多层陶瓷电容器用的SrTiO3纳米粉体制备 [J].硅酸盐学报，2006（5）：614-617.

作者简介：高泮嵩（1972.07-），男，汉族，河南人，研究方向：电子元器件研发、制造、销售。