008004型多層片式陶瓷電容器制作工藝研究

劉夢(mèng)穎 陳世忠 王凱星 范國(guó)榮

（福建火炬電子科技股份有限公司研發(fā)中心，福建 泉州 362000）

0 引言

隨著智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備性能的提升，需要搭載的零部件數(shù)量逐漸增多，為實(shí)現(xiàn)高密度安裝，零部件的小型化需求日益高漲。008004 尺寸（0.25mm×0.125mm）是目前全球最小尺寸，與市場(chǎng)現(xiàn)有01005 尺寸（0.4mm×0.2mm）相比，體積減少了75%，貼裝占有面積比率降低了大約1/2，更有利于終端設(shè)備的小型化。

產(chǎn)品尺寸越小，對(duì)技術(shù)、精度的要求就越高，生產(chǎn)工藝、設(shè)備、配方也需要不斷地摸索、改進(jìn)和磨合。該文以008004 10V X5R 101M 多層片式陶瓷電容器（MLCC）為開發(fā)目標(biāo)，對(duì)008004 型MLCC 的制備工藝進(jìn)行了研究，關(guān)鍵工藝技術(shù)如下：1）高精密微小圖形印刷技術(shù)。2）尺寸圓控技術(shù)。3）微小尺寸圓控技術(shù)。4）微小尺寸端電極形成技術(shù)。最后對(duì)試制的產(chǎn)品進(jìn)行了性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)分析。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料包括國(guó)產(chǎn)X7R 特性瓷粉、國(guó)產(chǎn)鎳內(nèi)電極漿料和國(guó)產(chǎn)銅外電極漿料。

1.2 試驗(yàn)流程

將X7R 介電瓷粉與溶劑、分散劑、黏合劑和增塑劑混合形成瓷漿，將其涂布在PET 膜上，形成表面平整的介質(zhì)膜片，表面粗糙度滿足高精度產(chǎn)品Ra ＜0.1[1]的要求。采用640 目、重軋壓高精度復(fù)合式不銹鋼網(wǎng)將鎳內(nèi)電極漿料印刷到介質(zhì)膜片上，烘干后得到具有清晰、完整電極圖形的介質(zhì)膜片。然后按設(shè)計(jì)層數(shù)將印刷電極的介質(zhì)膜片與空白的介質(zhì)膜片經(jīng)過交叉錯(cuò)位疊壓形成巴塊。通過水均壓將介質(zhì)層與電極層壓牢，貼上切割墊材，切割形成008004 尺寸的小長(zhǎng)方體胚片。對(duì)胚片進(jìn)行脫脂，除去配方中添加的有機(jī)物，燒結(jié)后形成MLCC 陶瓷體，經(jīng)圓控后引出內(nèi)電極。采用端附工藝涂敷在MLCC 陶瓷體兩側(cè)端頭，再經(jīng)過燒附工藝形成基體金屬化層- 銅層，最后將電鍍鎳和錫層分別作為阻擋層和可焊層。

采用上述工藝制備得到008004 規(guī)格標(biāo)稱容量100pF、額定電壓10V 的X5R 特性MLCC。

2 結(jié)果與分析

2.1 高精密微小圖形印刷技術(shù)

008004 印刷圖形的寬度為0.06mm，寬度極小，印刷圖形的邊緣位置易出現(xiàn)突起、毛刺等外觀缺陷，這些外觀缺陷會(huì)導(dǎo)致容量分散、耐壓降低，甚至還會(huì)造成可靠性惡化[2]。在絲網(wǎng)印刷過程中，為了使被印電極圖案的邊緣平直，無突起、毛刺，一般會(huì)在制網(wǎng)時(shí)將絲網(wǎng)的經(jīng)緯線與網(wǎng)框邊編成一定的角度，即編角[3]。

該文試驗(yàn)對(duì)比不同編角22.5°和30°的印刷圖像發(fā)現(xiàn)，采用邊角22.5°網(wǎng)版印刷電極圖案的邊緣均有毛刺、突起，效果不佳。而采用編角30°網(wǎng)版印刷的電極圖案整體都比較飽滿，沒有出現(xiàn)印不清或印刷不全的現(xiàn)象，電極邊緣平直，無毛刺，印刷效果好。通過表面粗糙度測(cè)試儀測(cè)試電極圖形的馬鞍形，發(fā)現(xiàn)采用編角30°網(wǎng)版印刷的電極厚度薄，約1.0μm，滿足小尺寸薄層化對(duì)內(nèi)電極薄層化的要求。對(duì)008004 尺寸，其尺寸極小，電極厚度較厚，在疊層燒結(jié)后，會(huì)因電極內(nèi)應(yīng)力太大而導(dǎo)致開裂分層。此外，采用編角30°網(wǎng)版印刷的電極厚度較均勻，編角22.5°的印刷圖形馬鞍形嚴(yán)重，電極偏薄處耐壓能力弱，疊層后高度差會(huì)被放大，從而導(dǎo)致出現(xiàn)短路故障及可靠性差的問題。30°編角電極圖案邊緣完整性比22.5°的好。對(duì)電極圖形內(nèi)線徑的占有面積，22.5°編角線徑的占有面積為1.3511mm2，30°編角線徑的占有面積為1.3473mm2，這也是30°編角的印刷圖像較為完整的原因。

2.2 微小尺寸切割技術(shù)

該文試驗(yàn)采用的切片機(jī)，其Y軸精度±0.001mm，CCD相機(jī)采用1.5 放大倍數(shù)，滿足008004 尺寸的切割要求。

2.2.1 切割刀片的選擇

該文采用不同刀刃形狀的刀片進(jìn)行切割效果對(duì)比試驗(yàn)。方案1：常用的直刀式單刃刀的刀片厚度0.1mm，刀刃角度為10°。方案2：弧形單刃刀，切刀刀刃T1=0.05mm，切刀整體厚度T=0.11mm，刀刃角度為9°，如圖1 所示，采用弧形單刃刀對(duì)產(chǎn)品的吃刀量為0.0196mm，比采用直刀式單刃刀的吃刀量（0.028mm）減少了0.0084mm，可以有效減少切刀對(duì)巴塊的側(cè)向擠壓力，從而降低產(chǎn)品的微變形，因此切偏不良品的比例隨之降低，產(chǎn)品的直角性也隨之提高。采用空白巴塊進(jìn)行2 種方案的切割效果對(duì)比試驗(yàn)，方案1 的胚片傾斜角度控制在±5 度以內(nèi)，而方案2 的胚片傾斜角度控制在±1.5 度以內(nèi)，整體直角性較好，因此該文選用方案2 進(jìn)行后續(xù)的試驗(yàn)。

圖1 2 種方案切刀示意圖

2.2.2 切割墊材的選擇

該文試驗(yàn)分別采用熱敏性樹脂片（60℃～80℃切片時(shí)，黏性為（6.0～7.0）N/25mm）和熱剝離膠片（受熱前4.4N/25mm，受熱后0.2N/25mm）[4]進(jìn)行切割效果對(duì)比。采用熱敏性樹脂片進(jìn)行切割時(shí)，切后胚片的傾斜角度控制在±3 度以內(nèi)，產(chǎn)品直角性較好且胚片表面光滑，可較容易地從熱敏性樹脂片上剝離，產(chǎn)品分散性較好。采用熱剝離膠片進(jìn)行切割的過程中，因黏性不足導(dǎo)致chip 輕微地上下浮動(dòng)，胚片有輕微切偏。此外，熱剝離膠片發(fā)泡后雖然易于剝離，但是胚片之間也會(huì)相互黏片，因尺寸較小，不宜采用人工分散。

綜上所述，采用弧形單刃刀，切刀刀刃T1=0.05mm，切刀整體厚度T=0.11mm，刀刃角度9°，切割墊材選用熱敏性樹脂片（60℃～80℃切片時(shí)，黏性為（6.0～7.0）N/25mm）來切割008004 胚片效果更好，產(chǎn)品外觀合格。

2.3 微小尺寸圓控技術(shù)

該文試驗(yàn)電極寬度有2 種設(shè)計(jì)，電極寬度設(shè)計(jì)1 中內(nèi)電極寬度僅0.025mm，胚片寬度為0.125mm，電極寬度/胚片寬度的比例為20%；電極寬度設(shè)計(jì)2 中內(nèi)電極寬度為0.06mm，胚片寬度為0.14mm，電極寬度/胚片寬度的比例為48%，如圖2 所示。

圖2 電極寬度/胚片寬設(shè)計(jì)

該文選擇立式行星球磨機(jī)進(jìn)行008004 燒后倒角試驗(yàn)。其中針對(duì)電極寬度設(shè)計(jì)1 的倒角試驗(yàn)方案如下。方案1：轉(zhuǎn)速400r/m，磨介為0.3mm 鋯珠，球磨24h；方案2：轉(zhuǎn)速400r/m，磨介為0.1mm 鋯珠，球磨24h；方案3：轉(zhuǎn)速400r/m，磨介為0.1mm 鋯珠，添加Al2O3粉，球磨24h。電極寬度設(shè)計(jì)1 的引出效果不佳，排查后發(fā)現(xiàn)原因是設(shè)計(jì)網(wǎng)版時(shí)Y軸電極寬度太短，從而導(dǎo)致引出效果差。因此在重新設(shè)計(jì)的電極寬度設(shè)計(jì)2 中，電極寬度/胚片寬度的比例由原來的20%提高至48%。采用電極寬度設(shè)計(jì)2 重新試制樣品，通過各種方案得出的008004 燒后圓控的最佳工藝如下。采用φ0.1mm 鋯珠作為磨介，芯片∶鋯珠=20mL ∶200g，立式行星球磨，頻率400Hz，時(shí)間24h，產(chǎn)品引出效果良好，外觀合格。

2.4 微小尺寸端電極形成技術(shù)

隨著MLCC 體積的微型化發(fā)展，常規(guī)硅膠板、薄膠板端附技術(shù)已無法滿足008004 芯片尺寸對(duì)植入精度和整平精度的要求。該文試驗(yàn)將采用全新結(jié)構(gòu)和功能模式的端附機(jī)，要求端附底盤平行度精度＜10μm，采用以微米（μm）為單位的動(dòng)作設(shè)定，并采用不銹鋼板、自動(dòng)貼膠、芯片自動(dòng)植入機(jī)構(gòu)、自動(dòng)轉(zhuǎn)向和自動(dòng)脫膠等，以滿足008004 芯片尺寸的端附要求。

端附流程為不銹鋼板貼膠→振動(dòng)植入→滾壓整平→清理殘料→端附→旋轉(zhuǎn)烘干→不銹鋼板貼膠→不銹鋼板撕膠→轉(zhuǎn)向端附→旋轉(zhuǎn)烘干→脫膠（卸料）。

2.4.1 端附植入板的選擇

008004 芯片長(zhǎng)度為（0.21～0.23）mm，但其端附E寬要求為（0.05～0.1）mm，為保證有足夠的芯片凸出量進(jìn)行端附，該文試驗(yàn)采用特殊設(shè)計(jì)的不銹鋼板作為端附植入工裝夾具。不銹鋼板的厚度約為（0.11±0.01）mm，孔徑為（0.165±0.01）mm，要求具有精密度高、光潔度好、有韌性以及不易變形等特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)008004 尺寸胚片的精準(zhǔn)植入且平整性良好。對(duì)比板上四周及中間位置端后產(chǎn)品的外觀，E寬約（45～65）μm，整體一致性較好，極差小于20μm。

2.4.2 銅外電極漿料的選擇

由于008004 尺寸體積小，封端時(shí)對(duì)銅漿的流平性、觸變性要求比較嚴(yán)苛，因此該文試驗(yàn)分別采用3 款銅漿進(jìn)行試驗(yàn)并對(duì)比端附效果。銅漿1：黏度為42Pa·s，觸變性為2.18；銅漿2：黏度為57Pa·s，觸變性為2.54；銅漿3：黏度為71Pa·s，觸變性為1.75。黏度測(cè)試條件為SC-14/6R，室溫為（25±0.5）℃，轉(zhuǎn)速為10r/m。其中，觸變性=（轉(zhuǎn)速為1r/m 下的黏度）/（轉(zhuǎn)速為10r/m 下的黏度）。

銅漿3 黏度太高，觸變性較差，端附過程中銅漿來不及流平，導(dǎo)致封端后芯片端面頂部中心出現(xiàn)鼓起，不平整。銅漿1 黏度偏低，流動(dòng)性較好，端后產(chǎn)品E寬邊緣不平，有個(gè)別銅漿流掛。銅漿2 黏度適中，端附的芯片外觀平整性好，沒有端頭針孔、氣泡以及端頭凸起、邊緣流掛等外觀缺陷，說明銅漿2 的流平性、觸變性能夠滿足008004 尺寸芯片端附工藝的使用要求。

2.4.3 卸料方式的選擇

試驗(yàn)采用單面端附模式，通過MLCC 膠帶將芯片豎直夾在不銹鋼板孔徑中進(jìn)行沾涂端銅，MLCC 膠帶需要提供足夠的夾持力以保證端附過程中芯片不會(huì)脫落，膠帶撕除后也不留殘膠。

該次試驗(yàn)通過刮刀刮除卸料（如圖3 所示）和熱剝離（受熱前7.16N/20mm，受熱后0.01N/20mm）2 種方式進(jìn)行卸料對(duì)比，評(píng)估對(duì)產(chǎn)品外觀的影響。采用刮刀刮除方式卸料的產(chǎn)品，端頭棱邊有輕微脫銅；采用熱剝離膠帶，在端附過程中可以牢固黏合，端附烘干后以160℃加熱1min，芯片可以輕松剝離，剝離后的芯片端頭不留殘膠，產(chǎn)品外觀完好。

圖3 刮刀刮除脫膠

按照上述試驗(yàn)，最佳008004 芯片端附效果如圖4 所示。端附后產(chǎn)品長(zhǎng)度約234mm，E寬約0.05mm～0.06mm，符合008004 芯片尺寸要求。

圖4 008004 尺寸芯片端附外觀圖

2.5 產(chǎn)品性能

采用離心鍍機(jī)進(jìn)行008004 尺寸離心電鍍，選用0.1mm鋼珠為導(dǎo)電媒介，電鍍鎳為熱阻擋層，電鍍純錫為可焊層，最后制得008004 10V X5R 101M MLCC 樣品，符合008004 尺寸要求。

2.5.1 電性能

產(chǎn)品容量為82.817pF～90.876pF，滿足M 檔精度要求；損耗角正切為262～339，25℃絕緣電阻為（457.7～658.9）GΩ，介質(zhì)耐電壓承受30V 電壓，保壓5s，電容器無擊穿或飛弧，滿足要求，性能良好。在溫度為-55℃～85℃下，容量變化為-10.55%～-9.09%，滿足X5R 特性±15%的要求。

2.5.2 結(jié)構(gòu)及可靠性分析

對(duì)008004 10V X5R 101M MLCC 樣品進(jìn)行破壞性物理分析試驗(yàn)（DPA），觀察到燒結(jié)后的胚片外觀成瓷性好，內(nèi)電極交錯(cuò)堆疊無明顯歪斜，內(nèi)電極的有效面積為電容量的實(shí)現(xiàn)提供了保證。

MLCC 的介質(zhì)層是由許多陶瓷晶體組成的，如果單層電容Ci的平均晶粒尺寸為，平均介質(zhì)厚度為d，那么單層介質(zhì)層的晶粒個(gè)數(shù)為（d/）。

根據(jù)各種計(jì)算驗(yàn)證，S-311-P-838[5]第3.2.2 節(jié)規(guī)定的鎳電極MLCC 的初始可靠性可以為公式（1）。

式中：r為平均晶粒尺寸；d為平均介質(zhì)層厚度；N為介質(zhì)層數(shù)；α=5（UR>100V），α=6（UR≤100V）；Rt（t<η）>0.99999為電容器可接受判據(jù)。

截點(diǎn)法測(cè)量平均晶粒尺寸r的計(jì)算公式可以為公式（2）。

式中：d為平均介質(zhì)層厚度；NA為測(cè)量線上晶粒數(shù)。

如果每個(gè)介質(zhì)層間的晶粒數(shù)較多，施加外部電壓時(shí)，單個(gè)晶粒承受的電壓也隨之降低，等同于對(duì)外部電壓進(jìn)行了降額，可以延長(zhǎng)電容器介質(zhì)的可靠性壽命。該文試驗(yàn)采用掃描電子顯微鏡測(cè)量008004 10V X5R 101M MLCC 樣品，介質(zhì)厚度d測(cè)量獲得，每個(gè)介質(zhì)層間的晶粒數(shù)約為17 個(gè)，采用公式（2）計(jì)算出的平均晶粒尺寸為0.3670μm。根據(jù)公式（1）計(jì)算出的008004 10V X5R 101M 樣品的可靠性Rt見表1，Rt為0.9999994，滿足Rt>0.99999 的要求。另外，產(chǎn)品在高溫（85℃）和2 倍額定電壓下1000h 未失效，進(jìn)一步印證了該樣品具有較高的可靠性。

表1 008004 10V X5R 101M 初始可靠性計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

采用30°編角的網(wǎng)版進(jìn)行印刷，印刷電極圖案飽滿，電極邊緣平直、無毛刺，電極厚度較薄，約1.0μm，電極厚度均勻，滿足008004 尺寸對(duì)內(nèi)電極薄層化的要求。

采用弧形單刃刀可以有效減少切刀對(duì)巴塊的側(cè)向擠壓力，從而降低產(chǎn)品的微變形，切偏不良品的比例隨之降低，產(chǎn)品的直角性也隨之提高。同時(shí)將熱敏性樹脂片（60℃～80℃切片時(shí)，黏性為（6.0～7.0）N/25mm）作為切割墊材，切后008004 尺寸胚片的傾斜角度控制在±3 度以內(nèi)，產(chǎn)品直角性較好，胚片表面光滑，能較好地從熱敏性樹脂片上剝離，產(chǎn)品分散性好。

采用電極寬度/胚片寬度的比例為48%的設(shè)計(jì)，008004燒后圓控的最佳工藝如下：將φ0.1mm 鋯珠作為磨介，芯片∶鋯珠=20mL ∶200g，立式行星球磨，頻率400Hz，球磨時(shí)間24h，圓控后產(chǎn)品引出效果良好。

采用不銹鋼板和熱剝離膠帶進(jìn)行單面端銅，配合使用適宜的銅漿（黏度為57Pa·s，觸變性為2.54），芯片外觀平整性較好，端附后產(chǎn)品長(zhǎng)度約234mm，E寬約0.05mm～0.06mm，符合008004 芯片尺寸要求。

以離心鍍機(jī)進(jìn)行離心電鍍，制得008004 10V X5R 101M成品，產(chǎn)品電性能良好，滿足X5R 特性要求。DPA 顯示產(chǎn)品成瓷性好，內(nèi)電極交錯(cuò)堆疊無歪斜，電極厚度一致性較好。008004 10V X5R 101M 樣品的可靠性Rt為0.9999994，壽命（85℃，2UR，1000h）無失效，具有較高的可靠性。