Flerlags keramiske kondensatorer (MLCC) er kjent som "elektronikkindustriens ris." Applikasjonslandskapet deres har utvidet seg fra forbrukerelektronikk til 5G-kommunikasjonsbasestasjoner, bilelektronikk, AI-servere, romfart og mange andre felt. Imidlertid har forskjellige applikasjonsscenarier vidt forskjellige ytelseskrav for MLCC-er. For eksempel kreves det at MLCC-er av -kvalitet for biler opprettholder stabil kapasitans over et bredt temperaturområde fra -55 grader til +125 grader, mens høyytelsesbrikker som CPU-er, GPU-er og HBM, ettersom strømmen fortsetter å øke, krever at MLCC-er gir større kapasitans i begrenset leveringskapasitet og stabil energilagringsplass. Kjerneparametere som temperaturegenskaper, kapasitansområde, dielektrisk stabilitet og aldringsegenskaper er i hovedsak relatert til den iboende krystallstrukturen og polarisasjonsmekanismen til det keramiske dielektriske pulveret.
I henhold til forskjeller i dielektriske materialer (temperaturkarakteristikk), er MLCC hovedsakelig delt inn i to hovedkategorier: Klasse I temperatur-kompenserende dielektriske og Klasse II høy-ferroelektriske dielektriske dielektriske stoffer. Førstnevnte forfølger temperaturstabilitet og lavt tap, mens sistnevnte etterstreber høy dielektrisk konstant og høy kapasitanstetthet.
Klasse I temperatur-kompenserende dielektriske stoffer
Klasse I dielektrikum bruker vanligvis TiO₂ som hovedkomponent, som gir en lav dielektrisk konstant og ekstremt lavt dielektrisk tap for å sikre kapasitanstemperaturstabilitet og frekvensstabilitet. En liten mengde CaTiO3 eller SrTiO3, etc., tilsettes også for å justere temperaturkurven og stabilisere mikrostrukturen, og danner en "utvidet" temperatur-kompenserende keramikk.
Fordi denne typen dielektrisk materiale er i den paraelektriske fasen, uten ferroelektrisk domenebytte eller migrering, kommer dens dielektriske respons hovedsakelig fra elektronisk og ionisk forskyvningspolarisering og har ikke de spontane polarisasjonsegenskapene til ferroelektriske stoffer. Derfor endres den dielektriske konstanten til denne typen dielektrikum svært lite med temperatur, frekvens, DC-forspenning og tid, og viser en nesten ideell lineær dielektrisk respons, utmerket temperaturstabilitet og ingen aldringsfenomen. For eksempel har den vanlige klasse I dielektriske C0G (NP0) en temperaturkoeffisient på 0 ±30 ppm/grad; kapasitansen endres veldig lite med temperaturen og er nesten ubetydelig. Selvfølgelig har denne typen dielektrikum en relativt lav dielektrisk konstant. Den relative dielektriske konstanten til C0G--materialer er vanligvis mellom 6 og 200, noe som bestemmer at Klasse I MLCC-er er vanskelige å oppnå stor kapasitans. Derfor er klasse I dielektriske MLCC-er mye brukt i scenarier som har strenge krav til kapasitansnøyaktighet og stabilitet, men relativt lavt kapasitansbehov:
01 RF- og mikrobølgekretser
I høy-scenarier som filtrering og matching av kretser for 5G-basestasjons effektforsterkermoduler og millimeter-bølgebånd (24–100 GHz), kreves ekstremt lavt innsettingstap og minimal fasestøy. Klasse I dielektrikum kan sikre stabiliteten og integriteten til signaloverføring.
02 Oscillasjons- og tidskretser
Krystalloscillatorer, LC-resonanskretser, klokkekretser, tankkondensatorer osv. krever ekstremt høy kapasitansstabilitet for å sikre at oscillasjonsfrekvensen ikke driver med omgivelsestemperaturen, noe som muliggjør presis timing og frekvenskontroll.
03 Høy-test- og måleutstyr
Høy-presisjonsinstrumenter, medisinsk testutstyr, radar- og navigasjonssystemer osv. har ekstremt høye krav til målenøyaktighet og systemstabilitet. De ekstremt lave temperaturdriftsegenskapene til klasse I-dielektriske komponenter kan møte de strenge kravene til høy-presisjonsutstyr.
04 Militær- og romfartselektronikk
Disse krever høy pålitelighet med parameterkonsistens som opprettholdes over ekstreme temperaturområder.
Klasse II høy-ferroelektrisk dielektrisk permittivitet
Klasse II dielektrikum er sterk ferroelektrisk keramikk, hvis hovedkomponent er bariumtitanat (BaTiO₃). Ved romtemperatur viser bariumtitanat en tetragonal ferroelektrisk struktur og har spontan polarisering. Selv uten et eksternt elektrisk felt, viser de elektriske dipolene inne i krystallen en viss grad av regelmessig arrangement, og dielektrisitetskonstanten kan nå over 1500. Imidlertid har ren BaTiO3 en Curie-topp med unormalt høy dielektrisk konstant nær omtrent 130 grader. Ved dette temperaturpunktet skjer en ferroelektrisk-til-paraelektrisk strukturell faseovergang. På begge sider av Curie-punktet endres dielektrisitetskonstanten kraftig, noe som får kapasitansen til å svinge dramatisk med temperaturen og påført likespenning, og det er en aldringseffekt. Derfor er tiltak som å konstruere en kjerne-skallstruktur eller dopingmodifikasjon nødvendig for å regulere Curie-temperaturen til BaTiO₃ og utvide det dielektriske-temperaturspekteret.
01 Konstruere en kjerne-skallstruktur
Det vil si at ved å belegge overflaten av nanobariumtitanatpulver med forskjellige dopingelementer (som Mg, Mn, Y, Dy og andre sjeldne jordartsmetaller), dannes korn med ujevn kjemisk sammensetning etter sintring. Kjernen er rent bariumtitanat, som opprettholder høy ferroelektrisitet og gir høy kapasitans; skallet er en doping-modifisert fast løsning med forskjellige Curie-temperaturer og dielektriske temperaturegenskaper. Til syvende og sist, ved å justere kjerne-skallforholdet, balanseres dielektrisk ytelse og temperaturstabilitet.
02 Dopingmodifikasjon
Sjeldne jordartselementer (som Y, Dy, Ho) og noen alkalimetallelementer (som Sr) kan brukes for A-site (Ba-site), B-site (Ti-site), eller amfoterisk doping for å regulere gitterstrukturen, produsere donor- eller akseptoreffekter og endre interaksjonsenhetscelleparametere og interaksjonsenhetscelleparametere. Dette optimerer dielektrisitetskonstanten, reduserer dielektrisk tap, undertrykker og utvider den dielektriske toppen, eller skifter Curie-temperaturen mot lavere eller høyere temperaturer, og holder dielektrisitetskonstanten relativt stabil over et bredere temperaturområde og forbedrer temperaturstabiliteten.
Dopingmodifikasjon av Barium Titanate
I henhold til forskjellige dopingstrategier og pulverformuleringer inkluderer klasse II-dielektriske midler også X5R, X7R, Y5V, Z5U og andre typer.
(1) X5R: MLCC-er av X5R-type har lavere modifikasjonskostnader og er hovedsakelig avhengige av å konstruere en «kjerne-skall»-struktur for å utvide det temperatur-stabile driftsområdet. Modifikasjonskravet er å opprettholde en temperaturkoeffisient innenfor ±15 % over et driftstemperaturområde på -55 grader til 85 grader. Dette driftstemperaturområdet er tilstrekkelig til å dekke de fleste sivile scenarier, så det er hovedmodellen for forbrukerelektronikk (mobiltelefoner, datamaskiner).
(2) X7R: Modifikasjonsmekanismen ligner på X5R, men kravene til dopingpresisjon er relativt strenge. Derfor er dens øvre temperaturgrense høyere, og den kan opprettholde en temperaturkoeffisient innenfor ±15 % over et driftstemperaturområde på -55 grader til 125 grader. Den er mye brukt i datamaskiner, bilelektronikk, industriell kontroll og andre scenarier som har moderate krav til temperaturstabilitet og krever relativt stor kapasitans.
(3) Y5V/Z5U: Y5V og Z5U pulver har den høyeste kapasitanstettheten blant klasse II dielektriske materialer, men deres kapasitans avviker veldig merkbart med temperaturen. Blant dem har Y5V et driftstemperaturområde på -30 grader til +85 grader og en temperaturkoeffisient på +22%/-82%; Z5U har et driftstemperaturområde på +10 grader til +85 grader og en temperaturkoeffisient på +22%/-56%. De kan bare brukes i buffer- og energilagringsscenarier som er fullstendig ufølsomme for kapasitansfluktuasjoner og aldringsforringelse, og er strengt forbudt i signalkretser og presisjonskontrollsløyfer.