Os capacitores cerâmicos multicamadas (MLCCs) são conhecidos como o “arroz da indústria eletrônica”. Seu cenário de aplicações se expandiu de eletrônicos de consumo para estações base de comunicação 5G, eletrônicos automotivos, servidores de IA, aeroespacial e muitos outros campos. No entanto, diferentes cenários de aplicação têm requisitos de desempenho muito diferentes para MLCCs. Por exemplo, os MLCCs de nível automotivo-são necessários para manter a capacitância estável em uma ampla faixa de temperatura de -55 graus a +125 graus, enquanto chips de alto desempenho, como CPUs, GPUs e HBM, à medida que a energia continua a aumentar, exigem que os MLCCs forneçam maior capacitância em espaço limitado para fornecimento estável de energia e armazenamento de energia. Parâmetros centrais, como características de temperatura, faixa de capacitância, estabilidade dielétrica e características de envelhecimento, estão essencialmente relacionados à estrutura cristalina intrínseca e ao mecanismo de polarização do pó dielétrico cerâmico.
De acordo com as diferenças nos materiais dielétricos (características de temperatura), os MLCCs são divididos principalmente em duas categorias principais: dielétricos de compensação-de temperatura Classe I e dielétricos ferroelétricos de alta{1}permissividade Classe II. O primeiro busca estabilidade de temperatura e baixa perda, enquanto o último busca alta constante dielétrica e alta densidade de capacitância.
Dielétricos de compensação de temperatura classe I-
Os dielétricos de classe I geralmente usam TiO₂ como componente principal, o que fornece uma baixa constante dielétrica e perda dielétrica extremamente baixa para garantir a estabilidade da temperatura da capacitância e a estabilidade da frequência. Uma pequena quantidade de CaTiO₃ ou SrTiO₃, etc., também é adicionada para ajustar a curva de temperatura e estabilizar a microestrutura, formando uma cerâmica de compensação de temperatura-"estendida".
Como esse tipo de material dielétrico está na fase paraelétrica, sem comutação ou migração de domínio ferroelétrico, sua resposta dielétrica vem principalmente da polarização por deslocamento eletrônico e iônico e não possui as características de polarização espontânea dos ferroelétricos. Portanto, a constante dielétrica deste tipo de dielétrico muda muito pouco com a temperatura, frequência, polarização CC e tempo, exibindo uma resposta dielétrica linear quase ideal, excelente estabilidade de temperatura e nenhum fenômeno de envelhecimento. Por exemplo, o dielétrico comum Classe I C0G (NP0) tem um coeficiente de temperatura de 0 ±30 ppm/grau; sua capacitância muda muito pouco com a temperatura e é quase insignificante. Naturalmente, este tipo de dielétrico tem uma constante dielétrica relativamente baixa. A constante dielétrica relativa dos materiais do tipo C0G-está geralmente entre 6 e 200, o que determina que os MLCCs Classe I são difíceis de atingir grande capacitância. Portanto, os MLCCs dielétricos Classe I são amplamente utilizados em cenários que possuem requisitos rígidos de precisão e estabilidade de capacitância, mas com demanda de capacitância relativamente baixa:
01 Circuitos de RF e Microondas
Em cenários-de alta frequência, como circuitos de filtragem e correspondência para módulos amplificadores de potência de estação base 5G e bandas de ondas-milimétricas (24 a 100 GHz), são necessários perda de inserção extremamente baixa e ruído de fase mínimo. Os dielétricos classe I podem garantir a estabilidade e integridade da transmissão do sinal.
02 Circuitos de Oscilação e Temporização
Osciladores de cristal, circuitos ressonantes LC, circuitos de relógio, capacitores de tanque, etc., exigem estabilidade de capacitância extremamente alta para garantir que a frequência de oscilação não desvie com a temperatura ambiente, permitindo tempo preciso e controle de frequência.
03 Equipamento-de teste e medição de última geração
Instrumentos de alta-precisão, equipamentos de testes médicos, radares e sistemas de navegação, etc., têm requisitos extremamente elevados de precisão de medição e estabilidade do sistema. As características de desvio de temperatura extremamente baixa dos dielétricos Classe I podem atender aos rigorosos requisitos de equipamentos-de precisão de ponta.
04 Eletrônica Militar e Aeroespacial
Eles exigem alta confiabilidade com consistência de parâmetros mantida em faixas extremas de temperatura.
Dielétricos ferroelétricos de alta{0}permissividade classe II
Os dielétricos de classe II são cerâmicas ferroelétricas fortes, cujo principal componente é o titanato de bário (BaTiO₃). À temperatura ambiente, o titanato de bário exibe uma estrutura ferroelétrica tetragonal e possui polarização espontânea. Mesmo sem um campo elétrico externo, os dipolos elétricos dentro do cristal exibem um certo grau de arranjo regular, e a constante dielétrica pode atingir acima de 1500. No entanto, o BaTiO₃ puro tem um pico de Curie com constante dielétrica anormalmente alta perto de cerca de 130 graus. Neste ponto de temperatura, ocorre uma transição de fase estrutural ferroelétrica-para-paraelétrica. Em ambos os lados do ponto Curie, a constante dielétrica muda drasticamente, fazendo com que a capacitância flutue dramaticamente com a temperatura e a tensão CC aplicada, e há um efeito de envelhecimento. Portanto, medidas como a construção de uma estrutura de núcleo-ou modificação de dopagem são necessárias para regular a temperatura Curie do BaTiO₃ e ampliar o espectro-de temperatura dielétrica.
01 Construindo uma estrutura de shell principal-
Ou seja, ao revestir a superfície do pó de nano titanato de bário com diferentes elementos dopantes (como Mg, Mn, Y, Dy e outros elementos de terras raras), grãos com composição química não{0}}uniforme são formados após a sinterização. O núcleo é titanato de bário puro, que mantém alta ferroeletricidade e fornece alta capacitância; o invólucro é uma solução sólida-dopada modificada com diferentes temperaturas Curie e características de temperatura dielétrica. Em última análise, ao ajustar a proporção do núcleo{4}}invólucro, o desempenho dielétrico e a estabilidade de temperatura são equilibrados.
02 Modificação Doping
Elementos de terras raras (como Y, Dy, Ho) e alguns elementos de metais alcalinos (como Sr) podem ser usados para sítio A- (sítio Ba-), sítio B- (sítio Ti-) ou dopagem anfotérica para regular a estrutura da rede, produzir efeitos doadores ou aceitadores e alterar parâmetros de células unitárias e interações entre íons. Isso otimiza a constante dielétrica, reduz a perda dielétrica, suprime e amplia o pico dielétrico ou muda a temperatura Curie para temperaturas mais baixas ou mais altas, mantendo a constante dielétrica relativamente estável em uma faixa mais ampla de temperatura e melhorando a estabilidade da temperatura.
Modificação Doping do Titanato de Bário
De acordo com diferentes estratégias de dopagem e formulações de pó, os dielétricos de Classe II incluem ainda X5R, X7R, Y5V, Z5U e outros tipos.
(1) X5R: MLCCs do tipo-X5R têm custos de modificação mais baixos e dependem principalmente da construção de uma estrutura de "núcleo-shell" para ampliar a faixa operacional-estável de temperatura. O requisito de modificação é manter um coeficiente de temperatura dentro de ±15% em uma faixa de temperatura operacional de -55 graus a 85 graus. Esta faixa de temperatura operacional é suficiente para cobrir a maioria dos cenários civis, por isso é o modelo principal para produtos eletrônicos de consumo (telefones celulares, computadores).
(2) X7R: Seu mecanismo de modificação é semelhante ao do X5R, mas os requisitos de precisão de dopagem são relativamente rígidos. Portanto, seu limite superior de temperatura é mais alto e pode manter um coeficiente de temperatura dentro de ±15% em uma faixa de temperatura operacional de -55 graus a 125 graus. É amplamente utilizado em computadores, eletrônicos automotivos, controle industrial e outros cenários que possuem requisitos moderados de estabilidade de temperatura e também exigem capacitância relativamente grande.
(3) Y5V/Z5U: Os pós Y5V e Z5U têm a maior densidade de capacitância entre os materiais dielétricos de Classe II, mas sua capacitância varia visivelmente com a temperatura. Entre eles, o Y5V tem uma faixa de temperatura operacional de -30 graus a +85 graus e um coeficiente de temperatura de +22%/-82%; Z5U tem uma faixa de temperatura operacional de +10 graus a +85 graus e um coeficiente de temperatura de +22%/-56%. Eles só podem ser usados em cenários de buffer e armazenamento de energia que são completamente insensíveis à flutuação da capacitância e à degradação do envelhecimento, e são estritamente proibidos em circuitos de sinal e malhas de controle de precisão.