Višeslojni keramički kondenzatori (MLCC) poznati su kao "riža elektroničke industrije". Njihovo područje primjene proširilo se s potrošačke elektronike na 5G komunikacijske bazne stanice, automobilsku elektroniku, AI poslužitelje, zrakoplovstvo i mnoga druga područja. Međutim, različiti scenariji primjene imaju znatno različite zahtjeve izvedbe za MLCC. Na primjer, automobilski-klasni MLCC-ovi potrebni su za održavanje stabilnog kapaciteta u širokom temperaturnom rasponu od -55 stupnjeva do +125 stupnjeva, dok čipovi visokih performansi kao što su CPU-ovi, GPU-ovi i HBM, kako snaga nastavlja rasti, zahtijevaju MLCC-ove za pružanje većeg kapaciteta u ograničenom prostoru za stabilnu isporuku energije i skladištenje energije. Osnovni parametri kao što su temperaturne karakteristike, raspon kapacitivnosti, dielektrična stabilnost i karakteristike starenja bitno su povezani s intrinzičnom kristalnom strukturom i mehanizmom polarizacije keramičkog dielektričnog praha.
Prema razlikama u dielektričnim materijalima (temperaturne karakteristike), MLCC se uglavnom dijele u dvije glavne kategorije: temperaturno-kompenzacijski dielektrici klase I i feroelektrični dielektrici visoke-permitivnosti klase II. Prvi traži temperaturnu stabilnost i male gubitke, dok drugi teži visokoj dielektričnoj konstanti i visokoj gustoći kapacitivnosti.
Temperaturno-kompenzacijski dielektrici klase I
Dielektrici klase I obično koriste TiO₂ kao glavnu komponentu, koja osigurava nisku dielektričnu konstantu i izuzetno nizak dielektrični gubitak kako bi se osigurala temperaturna stabilnost kapacitivnosti i frekvencijska stabilnost. Dodana je i mala količina CaTiO₃ ili SrTiO₃, itd., kako bi se prilagodila temperaturna krivulja i stabilizirala mikrostruktura, tvoreći "proširenu" temperaturno-kompenziranu keramiku.
Budući da je ova vrsta dielektričnog materijala u paraelektričnoj fazi, bez prebacivanja ili migracije feroelektrične domene, njegov dielektrični odgovor uglavnom dolazi od elektroničke i ionske polarizacije pomaka i nema karakteristike spontane polarizacije feroelektrika. Stoga se dielektrična konstanta ove vrste dielektrika vrlo malo mijenja s temperaturom, frekvencijom, istosmjernom pristranošću i vremenom, pokazujući gotovo idealan linearni dielektrični odziv, izvrsnu temperaturnu stabilnost i nema fenomena starenja. Na primjer, uobičajeni dielektrik klase I C0G (NP0) ima temperaturni koeficijent od 0 ±30 ppm/stupanj; njegov se kapacitet vrlo malo mijenja s temperaturom i gotovo je zanemariv. Naravno, ova vrsta dielektrika ima relativno nisku dielektričnu konstantu. Relativna dielektrična konstanta materijala tipa C0G- obično je između 6 i 200, što određuje da je MLCC klase I teško postići veliki kapacitet. Stoga se dielektrični MLCC klase I naširoko koriste u scenarijima koji imaju stroge zahtjeve za točnost i stabilnost kapaciteta, ali relativno niske zahtjeve za kapacitetom:
01 RF i mikrovalni krugovi
U visoko{0}}frekventnim scenarijima kao što su krugovi za filtriranje i usklađivanje za module pojačala snage 5G bazne stanice i milimetar-valni pojasevi (24–100 GHz), potrebni su izuzetno niski uneseni gubici i minimalni fazni šum. Dielektrici klase I mogu osigurati stabilnost i cjelovitost prijenosa signala.
02 Oscilacijski i vremenski krugovi
Kristalni oscilatori, LC rezonantni krugovi, krugovi sata, kondenzatori spremnika, itd., zahtijevaju izuzetno visoku stabilnost kapaciteta kako bi se osiguralo da frekvencija osciliranja ne varira s temperaturom okoline, omogućujući precizno podešavanje vremena i frekvencije.
03 Vrhunska-oprema za testiranje i mjerenje
Visoko{0}}precizni instrumenti, medicinska oprema za testiranje, radarski i navigacijski sustavi itd. imaju izuzetno visoke zahtjeve za točnost mjerenja i stabilnost sustava. Karakteristike ekstremno niskog temperaturnog pomaka dielektrika klase I mogu zadovoljiti stroge zahtjeve vrhunske-precizne opreme.
04 Vojna i zrakoplovna elektronika
Oni zahtijevaju visoku pouzdanost s dosljednošću parametara koja se održava u ekstremnim temperaturnim rasponima.
Feroelektrični dielektrici klase II-visoke permitivnosti
Dielektrici klase II su jake feroelektrične keramike, čija je glavna komponenta barijev titanat (BaTiO₃). Na sobnoj temperaturi, barijev titanat pokazuje tetragonalnu feroelektričnu strukturu i ima spontanu polarizaciju. Čak i bez vanjskog električnog polja, električni dipoli unutar kristala pokazuju određeni stupanj pravilnog rasporeda, a dielektrična konstanta može doseći iznad 1500. Međutim, čisti BaTiO₃ ima Curiejev vrh s anomalno visokom dielektričnom konstantom blizu oko 130 stupnjeva. Na ovoj temperaturnoj točki događa se feroelektrični-u-paraelektrični strukturni fazni prijelaz. S obje strane Curiejeve točke, dielektrična konstanta se naglo mijenja, uzrokujući dramatične fluktuacije kapaciteta s temperaturom i primijenjenim istosmjernim naponom, a postoji i učinak starenja. Stoga su potrebne mjere kao što je konstrukcija strukture jezgre-ljuske ili modifikacija dopinga kako bi se regulirala Curiejeva temperatura BaTiO₃ i proširio dielektrični-temperaturni spektar.
01 Izrada jezgre-strukture ljuske
To jest, premazivanjem površine praha nanobarijeva titanata s različitim elementima za dopiranje (kao što su Mg, Mn, Y, Dy i drugi elementi rijetke zemlje), zrna s ne-ujednačenim kemijskim sastavom nastaju nakon sinteriranja. Jezgra je čisti barijev titanat, koji održava visoku feroelektričnost i osigurava visoku kapacitivnost; ljuska je doping-modificirana čvrsta otopina s različitim Curiejevim temperaturama i dielektričnim temperaturnim karakteristikama. U konačnici, podešavanjem omjera jezgre-ljuske, dielektrična izvedba i temperaturna stabilnost su uravnoteženi.
02 Promjena dopinga
Elementi rijetkih zemalja (kao što su Y, Dy, Ho) i neki elementi alkalnih metala (kao što je Sr) mogu se koristiti za A-mjesto (Ba-mjesto), B-mjesto (Ti-mjesto) ili amfoterni doping za reguliranje rešetkaste strukture, stvaranje donorskih ili akceptorskih učinaka i promjenu parametara jedinične ćelije i interakcija između iona. Ovo optimizira dielektričnu konstantu, smanjuje dielektrične gubitke, potiskuje i proširuje dielektrični vrh ili pomiče Curiejevu temperaturu prema nižim ili višim temperaturama, održavajući dielektričnu konstantu relativno stabilnom u širem temperaturnom rasponu i poboljšavajući temperaturnu stabilnost.
Doping modifikacija barijevog titanata
Prema različitim strategijama dopinga i formulacijama praha, dielektrici klase II dalje uključuju X5R, X7R, Y5V, Z5U i druge vrste.
(1) X5R: MLCC tipa X5R-imaju niže troškove modifikacije i uglavnom se oslanjaju na konstrukciju strukture "jezgre-ljuske" za proširenje temperaturno-stabilnog radnog raspona. Zahtjev modifikacije je održavanje temperaturnog koeficijenta unutar ±15% u rasponu radne temperature od -55 stupnjeva do 85 stupnjeva. Ovaj raspon radne temperature dovoljan je za pokrivanje većine civilnih scenarija, tako da je to glavni model za potrošačku elektroniku (mobilni telefoni, računala).
(2) X7R: Njegov mehanizam modifikacije sličan je onom kod X5R, ali su zahtjevi za preciznošću dopinga relativno strogi. Stoga je njegova gornja granica temperature viša i može održavati temperaturni koeficijent unutar ±15% u rasponu radne temperature od -55 stupnjeva do 125 stupnjeva. Naširoko se koristi u računalima, automobilskoj elektronici, industrijskoj kontroli i drugim scenarijima koji imaju umjerene zahtjeve za stabilnost temperature i također zahtijevaju relativno veliki kapacitet.
(3) Y5V/Z5U: Prahovi Y5V i Z5U imaju najveću gustoću kapacitivnosti među dielektričnim materijalima klase II, ali njihova kapacitivnost vrlo primjetno varira s temperaturom. Među njima, Y5V ima raspon radne temperature od -30 stupnjeva do +85 stupnjeva i temperaturni koeficijent od +22%/-82%; Z5U ima raspon radne temperature od +10 stupnjeva do +85 stupnjeva i temperaturni koeficijent od +22%/-56%. Mogu se koristiti samo u scenarijima međuspremnika i pohranjivanja energije koji su potpuno neosjetljivi na fluktuaciju kapacitivnosti i degradaciju starenjem te su strogo zabranjeni u signalnim krugovima i preciznim kontrolnim petljama.