一、引言

陶瓷電容器是以陶瓷材料為電介質(zhì)的電容器的總稱(chēng)。品種繁多，尺寸差異很大。按電壓可分為高壓、中壓、低壓陶瓷電容器。根據(jù)溫度系數(shù)，介電常數(shù)可分為負(fù)溫度系數(shù)、正溫度系數(shù)、零溫度系數(shù)、高介電常數(shù)和低介電常數(shù)。此外，還有針對(duì) 1 類(lèi)、2 類(lèi)和 3 類(lèi)的分類(lèi)方法。與其他電容器相比，一般陶瓷電容器具有使用溫度較高、比容量大、耐濕性好、介電損耗小等優(yōu)點(diǎn)。電容的溫度系數(shù)也可以在很寬的范圍內(nèi)選擇。

二、陶瓷電容器的類(lèi)型

1. 半導(dǎo)體陶瓷電容

（1） 表層陶瓷電容器。微型電容器，即電容器在盡可能小的體積中獲得最大可能的容量，這是電容器發(fā)展的趨勢(shì)之一。

對(duì)于分離電容器元件，有兩種基本的小型化方法：

（1）使介電材料的介電常數(shù)盡可能高;

（2）使介電層的厚度盡可能薄。

在陶瓷材料中，鐵電陶瓷的介電常數(shù)非常高，但是當(dāng)鐵電陶瓷用于制造普通鐵電陶瓷電容器時(shí)，很難使陶瓷電介質(zhì)變薄。首先，鐵電陶瓷強(qiáng)度低，較薄時(shí)容易開(kāi)裂，難以進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)操作。其次，當(dāng)陶瓷介質(zhì)稀薄時(shí)，容易造成各種結(jié)構(gòu)缺陷，生產(chǎn)過(guò)程非常困難。

表面層陶瓷電容器使用在BaTiO3等半導(dǎo)體陶瓷表面形成的薄絕緣層作為介電層，半導(dǎo)體陶瓷本身可以看作是電介質(zhì)的串聯(lián)電路。表面層陶瓷電容器的絕緣表面層的厚度根據(jù)形成方法和條件而變化，范圍從0.01到100μm。這樣，不僅使用了鐵電陶瓷的高介電常數(shù)，而且有效減小了介電層的厚度，是制備微小型陶瓷電容器的有效解決方案。

下圖顯示了表面層陶瓷電容器的一般結(jié)構(gòu)，以及（b）其等效電路。

表層陶瓷電容器的結(jié)構(gòu)及其等效電路

（2）晶界層陶瓷電容器。晶粒相對(duì)發(fā)達(dá)的BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷表面涂有適當(dāng)?shù)慕饘傺趸铮ㄈ鏑uO或Cu2O、MnO2、Bi2O3、Tl2O3等）。在適當(dāng)?shù)臏囟群脱趸瘲l件下進(jìn)行熱處理，包覆的氧化物將與BaTiO3形成共晶相，并在晶界上形成薄的固溶體絕緣層。這種薄固溶體絕緣層的電阻率非常高（可達(dá)1012~1013Ω·cm）。盡管陶瓷的晶粒仍然是半導(dǎo)體，但整個(gè)陶瓷體顯示出高達(dá)2×104至8×104絕緣體電介質(zhì)的顯著介電常數(shù)。用這種瓷器制成的電容器稱(chēng)為邊界層陶瓷電容器，簡(jiǎn)稱(chēng)BL電容器。

2. 高壓陶瓷電容器

隨著電子工業(yè)的快速發(fā)展，迫切需要開(kāi)發(fā)高擊穿電壓、小損耗、小尺寸、高可靠性的高壓陶瓷電容器。近20年來(lái)，高壓陶瓷電容器研制成功，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、激光電源、錄像機(jī)、彩電、電子顯微鏡、復(fù)印機(jī)、辦公自動(dòng)化設(shè)備、航空航天、導(dǎo)彈、導(dǎo)航等領(lǐng)域。

高壓陶瓷電容器的陶瓷材料主要有兩種類(lèi)型：鈦酸鋇基和鈦酸鍶基。

鈦酸鋇基陶瓷材料具有介電常數(shù)高、交流耐壓特性好的優(yōu)點(diǎn)，但也有電容隨介質(zhì)溫度升高、絕緣電阻減小等缺點(diǎn)。

鈦酸鍶晶體的居里溫度為-250°C，常溫下具有立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。在高電壓下，鈦酸鍶基陶瓷材料的介電系數(shù)變化小，tgδ小，電容變化率小。這些優(yōu)點(diǎn)使其作為高壓電容器電介質(zhì)非常有利。

制造過(guò)程的要點(diǎn)

（1）必須選擇原材料

影響高壓陶瓷電容器質(zhì)量的因素，除了陶瓷材料的組成外，還有優(yōu)化的工藝制造和嚴(yán)格的工藝條件。因此，有必要同時(shí)考慮原材料的成本和純度。在選擇工業(yè)純?cè)蠒r(shí)，一定要注意原料的適用性。

（2）篩板的制備

熔塊制備的質(zhì)量對(duì)瓷器的球磨細(xì)度和燒成有很大影響。如果篩板合成溫度低，則合成不足。對(duì)后續(xù)過(guò)程有害。如果Ca2+留在復(fù)合材料中，則會(huì)阻礙軋制過(guò)程。如果合成溫度過(guò)高，篩板會(huì)太硬，從而影響球磨效率。在研磨介質(zhì)中引入雜質(zhì)會(huì)降低粉末的活性并導(dǎo)致瓷器的燒成溫度升高。

（3）成型工藝

成型時(shí)，需要防止厚度方向的壓力不均勻，封閉體中氣孔過(guò)多。如果有大的氣孔或?qū)恿鸭y，會(huì)影響瓷器的電氣強(qiáng)度。

（4）燒制過(guò)程

應(yīng)嚴(yán)格控制燒制，應(yīng)采用性能良好的溫控設(shè)備和導(dǎo)熱性好的窯具。

（5） 封裝

封裝膠的選擇、封裝過(guò)程的控制以及瓷器表面的清潔對(duì)電容器的特性有很大影響。因此，必須選擇具有良好防潮性的封裝材料，該材料與瓷體表面緊密結(jié)合，具有很高的電氣強(qiáng)度。

為了提高陶瓷電容器的擊穿電壓，在電極和介電表面之間的界面邊緣涂上一層玻璃釉，可以有效提高電視機(jī)等高壓電路中使用的陶瓷電容器的耐壓和高溫負(fù)載性能。

3. 多層陶瓷電容器

多層陶瓷電容器（MLCC）是使用最廣泛的片式元件類(lèi)型。它是內(nèi)部電極材料和陶瓷體交替并聯(lián)堆疊成一個(gè)整體，也稱(chēng)為片狀單片電容器。具有體積小、比容高、精度高等特點(diǎn)。它可以安裝在印刷電路板（PCB）和混合集成電路（HIC）基板上，有效減小電子信息終端產(chǎn)品（特別是便攜式產(chǎn)品）的尺寸。和重量提高產(chǎn)品可靠性。符合IT行業(yè)小型化、輕量化、高性能、多功能化的發(fā)展方向。它不僅包裝簡(jiǎn)單，密封性能好，而且可以有效地隔離相反的電極。MLCC可以在電子電路中起到存儲(chǔ)電荷，阻斷直流，濾波，組合，區(qū)分不同頻率和調(diào)諧電路的作用。它可以部分替代高頻開(kāi)關(guān)電源，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)電源和移動(dòng)通信設(shè)備中的有機(jī)薄膜電容器和電解電容器。它可以大大提高高頻開(kāi)關(guān)電源的濾波性能和抗干擾性能。

1. 小型化

對(duì)于便攜式攝像機(jī)和移動(dòng)電話等小型電子產(chǎn)品，需要更緊湊的MLCC產(chǎn)品。另一方面，由于精密印刷電極和層壓工藝的進(jìn)步，超小型MLCC產(chǎn)品也逐漸出現(xiàn)并獲得應(yīng)用。以日本矩形MLCC的發(fā)展為例，外形尺寸從1980年代初的3216縮小到今天的0603。

2. 降低成本-賤金屬內(nèi)電極MLCC

由于傳統(tǒng)的MLCC使用昂貴的鈀電極或鈀銀合金電極，其制造成本的70%被電極材料占據(jù)。包括高壓MLCC在內(nèi)的新一代MLCC使用廉價(jià)的賤金屬材料鎳和銅作為電極，大大降低了MLCC的成本。但是，母材內(nèi)部電極MLCC需要在較低的氧分壓下燒結(jié)，以保證電極材料的導(dǎo)電性，較低的氧分壓會(huì)帶來(lái)介電陶瓷的半導(dǎo)體傾向，不利于絕緣和可靠性。村田制作所開(kāi)發(fā)了幾種在還原氣氛中燒結(jié)的抗還原陶瓷。電容器的可靠性與使用貴金屬電極的電容器相當(dāng)。目前，基本金屬化Y5V電容器的銷(xiāo)售額約占該組MLCC的一半。

3.大容量和高頻

一方面，隨著半導(dǎo)體器件的低壓驅(qū)動(dòng)和低功耗，集成電路的工作電壓從5 V降低到3 V和1.5 V;另一方面，電源的小型化需要小型、大容量的產(chǎn)品來(lái)取代笨重的鋁電解電容器。為了滿足這種低壓大容量MLCC的發(fā)展和應(yīng)用，在材料方面，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出相對(duì)介電常數(shù)比BaTiO3高1至2倍的松弛型高介電材料。在開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的過(guò)程中，同時(shí)開(kāi)發(fā)了三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，即超薄綠片粉末分散技術(shù)、改進(jìn)綠膜形成技術(shù)、內(nèi)電極與陶瓷綠片收縮匹配技術(shù)。最近，日本松下電子元件株式會(huì)社成功開(kāi)發(fā)出最大電容為100μF、最大耐壓為25V的大容量MLCC。本產(chǎn)品可用于液晶顯示器（LCD）電源線。

三、陶瓷電容器電介質(zhì)

陶瓷材料具有優(yōu)異的電氣、機(jī)械和熱性能，可用作電容器電介質(zhì)、電路基板和封裝材料。

一、 陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)

陶瓷材料是由氧化物或其他化合物制成，然后在接近熔化溫度的高溫下燒制的材料。陶瓷是一種復(fù)雜的多晶多相體系，一般由晶相、玻璃相、氣相、相界組成。這些相的特性、組成、相對(duì)含量和分布決定了陶瓷的基本性能。

陶瓷中的晶相通常是指那些具有不同大小、形狀和隨機(jī)取向的晶粒。晶粒的直徑通常為幾微米到幾十微米。晶相可以屬于同一化合物或晶體體系，也可以是不同的化合物或不同的晶系。如果陶瓷中有兩個(gè)或兩個(gè)以上具有不同成分和結(jié)構(gòu)的晶粒，則稱(chēng)為多晶相陶瓷。相對(duì)含量最高的產(chǎn)物相稱(chēng)為主晶相，另一種稱(chēng)為副產(chǎn)物相。其中，主晶相的性質(zhì)決定了材料的性質(zhì)，如相對(duì)f常數(shù)、電導(dǎo)率、損耗和熱膨脹系數(shù)。

氣相一般分布在晶界、重結(jié)晶晶體和玻璃相中，是陶瓷結(jié)構(gòu)的必然組成部分。它源于這樣一個(gè)事實(shí)，即在燒成過(guò)程中不可能實(shí)現(xiàn)單個(gè)晶粒之間的完全緊密設(shè)置，并且玻璃相無(wú)法填充單個(gè)晶粒的空隙;它也可能是由于坯料燒結(jié)過(guò)程中釋放氣體而形成的孔隙。氣相會(huì)嚴(yán)重影響陶瓷材料的電氣、機(jī)械和熱性能。通常希望陶瓷中的氣相含量越少越好。

二、電容瓷的特點(diǎn)及分類(lèi)

陶瓷電容器是在陶瓷基板兩側(cè)形成金屬層后通過(guò)焊接引線制成的。這些用作電容器的陶瓷材料稱(chēng)為瓷器。

（1）與其他電容器介質(zhì)材料相比，介質(zhì)陶瓷具有以下特點(diǎn)：

（1）介電常數(shù)和介電常數(shù)的溫度系數(shù)，以及機(jī)械和熱物理性能，都可以調(diào)節(jié)，介電常數(shù)也大。

（2）一些介電陶瓷（強(qiáng)介電陶瓷，主要是鐵電陶瓷）的介電常數(shù)會(huì)隨著電場(chǎng)的強(qiáng)弱而變化。它可用于制造非線性電容器，有時(shí)稱(chēng)為壓敏電阻電容器。

（3）原料豐富，成本低廉，易于批量生產(chǎn)。

（2）電容瓷有幾種分類(lèi)方法。

根據(jù)用途可分為1類(lèi)瓷器，用于制造1類(lèi)（高頻）陶瓷介質(zhì)電容器;2類(lèi)瓷器，用于制造2類(lèi)（鐵電）陶瓷介質(zhì)電容器;3 類(lèi)瓷器，用于制造 3 類(lèi)（半導(dǎo)體）陶瓷介質(zhì)電容器。

其中，相對(duì)介電常數(shù)大（ε=12至600）的1類(lèi)瓷稱(chēng)為高介電瓷;相對(duì)介電常數(shù)較高（ε=103至104）的2類(lèi)瓷器稱(chēng)為強(qiáng)介電瓷;相對(duì)介電常數(shù)低（ε 《10.5）的3類(lèi)瓷器稱(chēng)為低介電瓷。高介電陶瓷和低介電陶瓷的tanδ非常小，適用于制造高頻電路中的電容器，因此稱(chēng)為高頻陶瓷。由于強(qiáng)電介質(zhì)瓷的tanδ較大，因此僅適用于制造低頻電路中使用的電容器，也稱(chēng)為低頻瓷。工程中一般采用混合分類(lèi)法，將電容瓷分為高介質(zhì)瓷、強(qiáng)介質(zhì)瓷、單片瓷和半導(dǎo)體晶界瓷。

隨著混合IC、計(jì)算機(jī)和便攜式電子設(shè)備的發(fā)展，陶瓷電容器已成為電子設(shè)備中不可或缺的組件。陶瓷介質(zhì)電容器的總數(shù)現(xiàn)在約占電容器市場(chǎng)的70%。
審核編輯：陳陳