Tụ gốm nhiều lớp (MLCC) được mệnh danh là “cây lúa của ngành điện tử”. Bối cảnh ứng dụng của họ đã mở rộng từ điện tử tiêu dùng đến trạm gốc truyền thông 5G, điện tử ô tô, máy chủ AI, hàng không vũ trụ và nhiều lĩnh vực khác. Tuy nhiên, các kịch bản ứng dụng khác nhau có yêu cầu hiệu suất rất khác nhau đối với MLCC. Ví dụ: MLCC cấp ô tô{4}}bắt buộc phải duy trì điện dung ổn định trong phạm vi nhiệt độ rộng từ -55 độ đến +125 độ, trong khi các chip hiệu suất cao như CPU, GPU và HBM, khi công suất tiếp tục tăng, yêu cầu MLCC cung cấp điện dung lớn hơn trong không gian hạn chế để phân phối điện ổn định và lưu trữ năng lượng. Các thông số cốt lõi như đặc tính nhiệt độ, phạm vi điện dung, độ ổn định điện môi và đặc tính lão hóa về cơ bản liên quan đến cấu trúc tinh thể bên trong và cơ chế phân cực của bột điện môi gốm.
Theo sự khác biệt về vật liệu điện môi (đặc tính nhiệt độ), MLCC chủ yếu được chia thành hai loại chính: chất điện môi bù nhiệt độ-loại I và chất điện môi sắt điện có độ thấm cao-loại II. Cái trước theo đuổi sự ổn định nhiệt độ và tổn thất thấp, trong khi cái trước theo đuổi hằng số điện môi cao và mật độ điện dung cao.
Nhiệt độ loại I-Bù điện môi
Chất điện môi loại I thường sử dụng TiO₂ làm thành phần chính, cung cấp hằng số điện môi thấp và tổn thất điện môi cực thấp để đảm bảo ổn định nhiệt độ điện dung và ổn định tần số. Một lượng nhỏ CaTiO₃ hoặc SrTiO₃, v.v., cũng được thêm vào để điều chỉnh đường cong nhiệt độ và ổn định cấu trúc vi mô, tạo thành gốm bù nhiệt độ "mở rộng".
Bởi vì loại vật liệu điện môi này ở pha thuận điện, không có sự chuyển đổi hoặc di chuyển miền sắt điện, nên phản ứng điện môi của nó chủ yếu đến từ sự phân cực dịch chuyển điện tử và ion và không có đặc tính phân cực tự phát của sắt điện. Do đó, hằng số điện môi của loại điện môi này thay đổi rất ít theo nhiệt độ, tần số, độ lệch DC và thời gian, thể hiện phản ứng điện môi tuyến tính gần như lý tưởng, ổn định nhiệt độ tuyệt vời và không có hiện tượng lão hóa. Ví dụ, chất điện môi loại I phổ biến C0G (NP0) có hệ số nhiệt độ là 0 ±30 ppm/độ; điện dung của nó thay đổi rất ít theo nhiệt độ và gần như không đáng kể. Tất nhiên, loại điện môi này có hằng số điện môi tương đối thấp. Hằng số điện môi tương đối của vật liệu loại C0G-thường nằm trong khoảng từ 6 đến 200, điều này xác định rằng MLCC Loại I khó đạt được điện dung lớn. Do đó, MLCC điện môi loại I được sử dụng rộng rãi trong các tình huống có yêu cầu nghiêm ngặt về độ chính xác và ổn định của điện dung nhưng nhu cầu điện dung tương đối thấp:
01 Mạch RF và vi sóng
Trong các trường hợp-tần số cao, chẳng hạn như lọc và khớp mạch cho mô-đun bộ khuếch đại công suất trạm gốc 5G và dải sóng milimet- (24–100 GHz), cần phải có suy hao chèn cực thấp và nhiễu pha ở mức tối thiểu. Chất điện môi loại I có thể đảm bảo tính ổn định và toàn vẹn của việc truyền tín hiệu.
02 Mạch Dao Động và Định Thời
Bộ tạo dao động tinh thể, mạch cộng hưởng LC, mạch đồng hồ, tụ điện, v.v., yêu cầu độ ổn định điện dung cực cao để đảm bảo tần số dao động không bị lệch theo nhiệt độ môi trường, cho phép điều khiển tần số và thời gian chính xác.
03 Thiết bị đo lường và kiểm tra-cao cấp
-Các dụng cụ có độ chính xác cao, thiết bị kiểm tra y tế, hệ thống radar và định vị, v.v., có yêu cầu cực kỳ cao về độ chính xác của phép đo và độ ổn định của hệ thống. Đặc tính trôi dạt ở nhiệt độ cực thấp của chất điện môi Loại I có thể đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của-thiết bị có độ chính xác cao.
04 Điện tử quân sự và hàng không vũ trụ
Những điều này đòi hỏi độ tin cậy cao với tính nhất quán của thông số được duy trì trong phạm vi nhiệt độ khắc nghiệt.
Điện môi sắt điện có độ thẩm thấu cao-Cấp II
Chất điện môi loại II là gốm sắt điện mạnh, có thành phần chính là bari titanate (BaTiO₃). Ở nhiệt độ phòng, bari titanat thể hiện cấu trúc sắt điện tứ giác và có độ phân cực tự phát. Ngay cả khi không có điện trường bên ngoài, các lưỡng cực điện bên trong tinh thể vẫn thể hiện một mức độ sắp xếp đều đặn nhất định và hằng số điện môi có thể đạt trên 1500. Tuy nhiên, BaTiO₃ nguyên chất có đỉnh Curie với hằng số điện môi cao bất thường gần khoảng 130 độ. Tại điểm nhiệt độ này, xảy ra quá trình chuyển pha cấu trúc sắt điện-sang{6}}cấu trúc thuận điện. Ở cả hai phía của điểm Curie, hằng số điện môi thay đổi mạnh, khiến điện dung dao động mạnh theo nhiệt độ và điện áp DC đặt vào, đồng thời có hiệu ứng lão hóa. Do đó, cần có các biện pháp như xây dựng cấu trúc vỏ-lõi hoặc sửa đổi pha tạp để điều chỉnh nhiệt độ Curie của BaTiO₃ và mở rộng phổ nhiệt độ điện môi{10}}.
01 Xây dựng cấu trúc vỏ-lõi
Nghĩa là, bằng cách phủ lên bề mặt bột nano bari titanat các nguyên tố pha tạp khác nhau (chẳng hạn như Mg, Mn, Y, Dy và các nguyên tố đất hiếm khác), các hạt có thành phần hóa học không đồng đều sẽ được hình thành sau khi nung kết. Lõi là bari titanate nguyên chất, duy trì tính sắt điện cao và cung cấp điện dung cao; lớp vỏ là một dung dịch rắn biến tính doping{2}}có nhiệt độ Curie và đặc tính nhiệt độ điện môi khác nhau. Cuối cùng, bằng cách điều chỉnh tỷ lệ lõi-vỏ, hiệu suất điện môi và độ ổn định nhiệt độ sẽ được cân bằng.
02 Sửa đổi doping
Các nguyên tố đất hiếm (chẳng hạn như Y, Dy, Ho) và một số nguyên tố kim loại kiềm (chẳng hạn như Sr) có thể được sử dụng cho trang A-(trang Ba-), trang B- (trang Ti-) hoặc pha tạp lưỡng tính để điều chỉnh cấu trúc mạng tinh thể, tạo ra hiệu ứng cho hoặc nhận và thay đổi các tham số ô đơn vị cũng như tương tác giữa các ion. Điều này tối ưu hóa hằng số điện môi, giảm tổn thất điện môi, triệt tiêu và mở rộng đỉnh điện môi hoặc chuyển nhiệt độ Curie về nhiệt độ thấp hơn hoặc cao hơn, giữ cho hằng số điện môi tương đối ổn định trong phạm vi nhiệt độ rộng hơn và cải thiện độ ổn định nhiệt độ.
Sửa đổi doping của Bari Titanate
Theo các chiến lược pha tạp và công thức bột khác nhau, chất điện môi Loại II còn bao gồm X5R, X7R, Y5V, Z5U và các loại khác.
(1) X5R: MLCC loại X5R-có chi phí sửa đổi thấp hơn và chủ yếu dựa vào việc xây dựng cấu trúc "lõi-vỏ" để mở rộng phạm vi hoạt động ổn định nhiệt độ-. Yêu cầu sửa đổi là duy trì hệ số nhiệt độ trong khoảng ±15% trong phạm vi nhiệt độ hoạt động từ -55 độ đến 85 độ. Phạm vi nhiệt độ hoạt động này đủ để đáp ứng hầu hết các tình huống dân sự, vì vậy đây là mô hình phổ biến cho thiết bị điện tử tiêu dùng (điện thoại di động, máy tính).
(2) X7R: Cơ chế sửa đổi của nó tương tự như X5R, nhưng các yêu cầu về độ chính xác doping tương đối nghiêm ngặt. Do đó, giới hạn nhiệt độ trên của nó cao hơn và nó có thể duy trì hệ số nhiệt độ trong khoảng ±15% trong phạm vi nhiệt độ hoạt động từ -55 độ đến 125 độ. Nó được sử dụng rộng rãi trong máy tính, điện tử ô tô, điều khiển công nghiệp và các tình huống khác có yêu cầu ổn định nhiệt độ vừa phải và cũng yêu cầu điện dung tương đối lớn.
(3) Y5V/Z5U: Bột Y5V và Z5U có mật độ điện dung cao nhất trong số các vật liệu điện môi Loại II, nhưng điện dung của chúng thay đổi rất đáng kể theo nhiệt độ. Trong số đó, Y5V có dải nhiệt độ hoạt động từ -30 độ đến +85 độ và hệ số nhiệt độ là +22%/-82%; Z5U có phạm vi nhiệt độ hoạt động từ +10 độ đến +85 độ và hệ số nhiệt độ là +22%/-56%. Chúng chỉ có thể được sử dụng trong các tình huống đệm và lưu trữ năng lượng hoàn toàn không nhạy cảm với sự dao động điện dung và suy giảm lão hóa, đồng thời bị nghiêm cấm trong các mạch tín hiệu và vòng điều khiển chính xác.