多層瓷介電容器端電極制備工藝研究

何創(chuàng)創(chuàng),楊 俊,龐錦標(biāo),徐 敏

(中國振華集團(tuán)云科電子有限公司,貴州貴陽 550018)

伴隨著4G、5G 等移動通信電子技術(shù)的不斷飛速發(fā)展,多層陶瓷電容器(Multi -Layer Ceramic Capacitor,MLCC)由于其體積小、容量大及可靠性高等特點(diǎn)[1-4],被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、數(shù)字家電、汽車電器、自動控制儀表等各行業(yè)領(lǐng)域,已經(jīng)成為世界上用量最大、發(fā)展最快的一種片式元件[5-9]。多層瓷介電容器作為一種更高可靠性要求的MLCC 產(chǎn)品,對尺寸一致性要求高,為上下金電極引出端,外觀同單層片式瓷介電容器(Single-Layer Ceramic Capacitor,SLCC)類似(見圖1),適用于微組裝引線鍵合工藝,不僅具有SLCC 尺寸小、應(yīng)用頻率高等特點(diǎn),而且還兼具M(jìn)LCC 電容量大、等效串聯(lián)電阻低等優(yōu)點(diǎn)[10-14]。與傳統(tǒng)MLCC 結(jié)構(gòu)(見圖2)相比,多層瓷介電容器為適用于導(dǎo)電樹脂粘接、金絲鍵合或錫鉛合金焊接的“P”型上下引出端,其電流方向垂直端電極的厚度T方向(即路徑最小方向),有效地減小了電流路徑,提高了產(chǎn)品的諧振頻率。另外,采用金作為端電極材料,有效避免了Ag/Pd 電極在高溫高濕環(huán)境下的銀遷移以及Ni/Cu 電極的高溫氧化問題[15]。

圖1 SLCC 瓷介電容器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure images of SLCC ceramic dielectric capacitors

圖2 傳統(tǒng)MLCC 陶瓷電容器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure images of MLCC ceramic dielectric capacitors

多層瓷介電容器具有直流阻斷、RF 旁路、有源旁路等功能,能夠滿足微波和毫米波頻段電子線路的苛刻要求[14],被廣泛應(yīng)用于航天、航空、GPS-北斗衛(wèi)星定位、手機(jī)移動通訊等軍民領(lǐng)域,如放大器、振蕩器和混頻器等,屬于量大面廣的核心電子元器件[1-3]。國內(nèi)生產(chǎn)單位主要有風(fēng)華高科、深圳宇陽等,但尚未實(shí)現(xiàn)小尺寸、高焊接可靠性產(chǎn)品的批量供貨能力。目前,國內(nèi)市場需求的多層瓷介電容器幾乎全部依賴從MURATA、SEMCO、TDK、PRESIDIO 等公司進(jìn)口。

端電極制備技術(shù)作為多層瓷介電容器的關(guān)鍵核心技術(shù),嚴(yán)重影響著產(chǎn)品的焊接可靠性,同時也是制約國內(nèi)廠家技術(shù)發(fā)展的瓶頸所在。目前,國內(nèi)外廠家大多采用端涂工藝進(jìn)行端電極制備。所謂端涂是指通過封端設(shè)備將端漿涂覆在經(jīng)倒角處理的陶瓷芯片外露內(nèi)部電極兩端上,將同側(cè)內(nèi)部電極連接起來形成外部電極,這無疑對封端設(shè)備及工裝夾具精度均提出了極高要求,而國內(nèi)設(shè)備相對落后(高精度、高自動化設(shè)備被禁運(yùn)),無法滿足小尺寸(2020 和3030)、高可靠產(chǎn)品的生產(chǎn)。針對此問題,筆者通過對多層瓷介電容器端電極制備工藝研究,首次提出采用蘸漿端涂工藝進(jìn)行端電極制備,該方法無需封端設(shè)備與配套夾具,且對產(chǎn)品外形尺寸無要求,適合小尺寸產(chǎn)品端電極制備。另外,為解決傳統(tǒng)端涂工藝制備的引出端電極推球試驗(yàn)不合格(即焊接可靠性不高)問題,采用薄膜濺射工藝進(jìn)行端電極制備,這不僅提高了引出端電極的焊接可靠性,而且有助于引出端電極層結(jié)構(gòu)的多樣化設(shè)計(jì),以滿足用戶的不同使用需求,拓寬應(yīng)用場景。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 多層瓷介電容器的制備

采用自主研制YK-MLC-252 型X7R 陶瓷粉料作為基體瓷料,以銀鈀導(dǎo)體漿料作為內(nèi)電極材料,經(jīng)配料與混合、流延、絲印、疊層、等靜壓、切割、排膠、燒結(jié)、倒角工序后形成陶瓷芯片。

以金導(dǎo)體漿料作為引出端電極材料,采用蘸漿端涂工藝對陶瓷芯片進(jìn)行端電極制備,經(jīng)850 ℃燒端處理后得到多層瓷介電容器,結(jié)構(gòu)見圖3。

另外,以TiW-Au/TiW-Ni-Au 等為引出端電極層結(jié)構(gòu),采用薄膜濺射工藝對陶瓷芯片進(jìn)行端電極制備,研制的多層瓷介電容器,結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 多層瓷介電容器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure images of multilayer ceramic dielectric capacitors

1.2 測試及分析儀器

采用KEYSIGHT E4981A 型LCR 測試儀測量樣品電容量和損耗角正切;采用TONGHUI TH2683A 型絕緣電阻測試儀測量樣品絕緣電阻;采用X-RAY 膜厚測量儀測量樣品引出端電極層厚度;采用WB-91D 型多功能壓焊機(jī)對樣品進(jìn)行鍵合強(qiáng)度檢測;采用MFM1200 型推拉力測試機(jī)對樣品進(jìn)行焊接可靠性檢測;采用PHENOM PROX 型掃描電子顯微鏡對樣品進(jìn)行微觀形貌及能譜分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘸漿端涂工藝技術(shù)

多層瓷介電容器引出端電極為上下引出端,且長度L與高度T相近,采用傳統(tǒng)端涂工藝對2020、3030等小尺寸產(chǎn)品進(jìn)行端電極制備時,不僅對封端設(shè)備與配套夾具精度有極高要求,而且成品率較低(≤70%)。為此,本文首次提出采用蘸漿端涂工藝進(jìn)行端電極制備,具體步驟如下:(1)準(zhǔn)備2 種不同脫膠溫度的單面感溫膠A 和B;(2)將待端涂的陶瓷芯片樣品固定在單面感溫膠A 上,外露內(nèi)部電極的一個引出端面朝上;(3)利用絲網(wǎng)印刷機(jī)樣品臺對粘附有待端涂樣品的單面感溫膠A 進(jìn)行真空吸附固定,并利用不含圖文的絲網(wǎng)印版進(jìn)行“鋪漿”;(4)將樣品平臺調(diào)高至固定位置進(jìn)行端涂操作,之后于150 ℃烘干處理10 min;(5)采用單面感溫膠B 對已端涂的引出端進(jìn)行固定,去掉單面感溫膠A,重復(fù)上述步驟(3)～(4)對另一待端涂引出端進(jìn)行端涂操作,最后經(jīng)燒端處理后得到多層瓷介電容器產(chǎn)品。

在蘸漿端涂工藝制備的3030 型樣品中隨機(jī)抽取100 只,對電容量、損耗角正切、絕緣電阻、端電極層厚度和外觀進(jìn)行檢測,結(jié)果如表1 所示。

表1 蘸漿端涂樣品電性能及外觀檢測結(jié)果Tab.1 Test results of performance and appearance of samples prepared by dipping paste end coating process

從表1 可知,采用蘸漿端涂工藝制備樣品其電性能指標(biāo)與外觀質(zhì)量均滿足用戶要求及檢測標(biāo)準(zhǔn),且具有高合格率。與傳統(tǒng)端涂工藝相比,蘸漿端涂工藝無需封端設(shè)備與配套夾具,且對產(chǎn)品外形尺寸無要求,適合小尺寸產(chǎn)品端電極制備,成品合格率高,生產(chǎn)成本低,解決了國內(nèi)廠家在小尺寸產(chǎn)品端面金屬化方面的技術(shù)瓶頸。

在蘸漿端涂工藝制備的3030 型樣品中隨機(jī)抽取12只進(jìn)行鍵合強(qiáng)度試驗(yàn),結(jié)果如圖4 所示。可知,鍵合強(qiáng)度試驗(yàn)合格,這表明蘸漿端涂工藝制備樣品滿足用戶焊接使用要求。

圖4 蘸漿端涂工藝制備樣品金絲鍵合拉力值Fig.4 The gold wire bond force value of samples prepared by dipping paste end coating process

在蘸漿端涂工藝制備的3030 型樣品中隨機(jī)抽取5只同國內(nèi)外產(chǎn)品進(jìn)行推球?qū)Ρ仍囼?yàn),結(jié)果如表2 所示。由表2 可知,自制樣品、國內(nèi)某廠和國外產(chǎn)品在推球試驗(yàn)中均存在不同數(shù)量的失效樣品,即推球試驗(yàn)不合格。圖5 為蘸漿端涂工藝制備樣品在推球試驗(yàn)中失效和未失效樣品實(shí)物照片。由圖5 可知,失效樣品“植球”無殘留,端電極層被帶起并裸露出陶瓷介質(zhì);未失效樣品“植球”存在殘留,端電極層完好無損,這表明蘸漿端涂工藝沒有解決傳統(tǒng)端涂工藝存在的引出端電極推球試驗(yàn)不合格問題。

表2 國內(nèi)外端涂產(chǎn)品推球試驗(yàn)檢測結(jié)果Tab.2 Comparison results of samples prepared by end coating at home and abroad for wire bond shear test

(a)失效樣品;(b)未失效樣品圖5 蘸漿端涂工藝制備樣品推球試驗(yàn)后實(shí)物照片F(xiàn)ig.5 Photos of samples prepared by dipping paste end coating process after wire bond shear test

2.2 薄膜濺射工藝技術(shù)

為了滿足用戶對多層瓷介電容器引出端電極更高焊接可靠性的要求,解決端涂工藝制備樣品推球試驗(yàn)不合格問題,本文提出采用薄膜濺射工藝對多層瓷介電容器產(chǎn)品進(jìn)行端電極制備。在薄膜濺射工藝制備的3030 型樣品中隨機(jī)抽取5 只進(jìn)行推球試驗(yàn),結(jié)果如表3 所示。明顯可見,推球試驗(yàn)中失效樣品數(shù)量為0,所有試驗(yàn)樣品均未失效,即推球試驗(yàn)合格。圖6 為薄膜濺射工藝制備樣品推球試驗(yàn)后實(shí)物照片。由圖6 可見,薄膜濺射工藝制備樣品推球試驗(yàn)后,“植球”存在明顯殘留,且與電極層緊密結(jié)合,未出現(xiàn)電極層起皮或陶瓷介質(zhì)裸露等現(xiàn)象,即推球試驗(yàn)合格,這表明薄膜濺射工藝制備的引出端電極擁有更高的焊接可靠性,解決了端涂工藝制備引出端電極推球試驗(yàn)不合格問題。

表3 薄膜濺射工藝制備樣品推球試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 The results of wire bond shear test of samples prepared by thin film sputtering process

圖6 薄膜濺射工藝制備樣品推球試驗(yàn)后實(shí)物照片F(xiàn)ig.6 Photo of sample prepared by thin film sputtering process after wire bond shear test

圖7 為端涂和薄膜濺射工藝制備樣品端電極層的SEM 照片。由圖7 可知,首先,與濺射電極層相比,端涂電極層與陶瓷介質(zhì)基體之間存在明顯空隙,電極層致密性差,與陶瓷介質(zhì)基體之間接觸面積相對較小,因此焊接可靠性低,推球試驗(yàn)不合格。其次,端涂電極作為一種燒結(jié)型電極,電極層主要由金屬導(dǎo)體相和玻璃粘結(jié)相組成,燒結(jié)后的導(dǎo)體中,玻璃分布不均勻,通常含有1 個富金屬的上層和1 個富玻璃的下層[16-17],浸潤作用會使玻璃指狀突起深入到金膜層中,有些可能達(dá)到表面形成“面釉”,導(dǎo)致金導(dǎo)體電極的焊接可靠性降低,即推球試驗(yàn)不合格。最后,端涂電極用金端漿通常由金粉、粘結(jié)劑和有機(jī)載體組成,其中金粉粒度一般為0.5～3.0 μm,經(jīng)燒結(jié)后金導(dǎo)體中晶粒尺寸處于微米尺度,質(zhì)地較為疏松[18-19],金膜層與植球之間結(jié)合較弱,電極焊接可靠性低,推球試驗(yàn)不合格。與此相比,濺射電極則主要由靶材激發(fā)的高能粒子在陶瓷介質(zhì)基體表面沉積而成,具有鍍膜密度高、針孔少、膜層純度高等特點(diǎn),且金屬導(dǎo)體膜層中晶粒尺寸一般在納米或亞微米尺度,與外植球之間擁有更多的接觸面,因而表現(xiàn)出更高的焊接可靠性,解決了端涂電極推球試驗(yàn)不合格問題。

圖7 端涂和薄膜濺射工藝制備樣品端電極層SEM 照片F(xiàn)ig.7 SEM photos of terminal electrode of samples prepared by end coating and thin film sputtering process

在薄膜濺射工藝制備的3030 型樣品中隨機(jī)抽取100 只,對電容量、損耗角正切、絕緣電阻、端電極層厚度和外觀進(jìn)行檢測,結(jié)果如表4 所示。可知,薄膜濺射工藝制備樣品電容量、損耗角正切、端電極層厚度以及外觀均滿足用戶要求及檢測標(biāo)準(zhǔn),但是所有檢測樣品絕緣電阻均不合格。為了查找原因,對上述不合格樣品側(cè)面進(jìn)行EDS 能譜分析(見圖8),其中O、Ba、Ti、Au、Al、Si 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25.22%,54.00%,18.27%,1.23%,0.87%和0.41%。明顯可見,樣品側(cè)面含有較高的金屬元素Au,這表明可能是側(cè)面金屬元素金使得電容器上下引出端電極之間出現(xiàn)“耦連”現(xiàn)象,導(dǎo)致產(chǎn)品絕緣電阻降低。為了證實(shí)這一結(jié)論,采用王水作為刻蝕液清洗樣品側(cè)面的金屬金,試驗(yàn)方案及結(jié)果如表5 所示,可以看出經(jīng)王水刻蝕1 min 后部分樣品絕緣電阻檢測合格,且當(dāng)刻蝕時間超過5 min 后,所有樣品絕緣電阻檢測均合格,這表明樣品側(cè)面的金屬元素金是導(dǎo)致絕緣電阻不合格的根本原因,這與圖8 的EDS 能譜分析結(jié)果相一致。

表4 薄膜濺射工藝制備樣品電性能及外觀檢測結(jié)果Tab.4 Test results of performance and appearance of samples prepared by thin film sputtering process

表5 薄膜濺射樣品經(jīng)王水刻蝕后絕緣電阻測試結(jié)果Tab.5 Test results of insulation resistance of samples prepared by thin film sputtering process after etching with aqua regia

圖8 薄膜濺射工藝制備樣品EDS 能譜分析Fig.8 EDS analysis of samples prepared by thin film sputtering process

多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在薄膜濺射工序中采用的“井式”工裝夾具是導(dǎo)致樣品側(cè)面出現(xiàn)金屬元素金的原因。如圖9 所示,該“井式”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無法對產(chǎn)品側(cè)面進(jìn)行有效防護(hù),導(dǎo)致在濺射過程中Ti、Au 等金屬元素容易在產(chǎn)品側(cè)面進(jìn)行富集,造成樣品絕緣電阻降低。為了解決這一問題,借鑒LTCC 和HTCC 中相關(guān)腔體工藝設(shè)計(jì)思路,自主研制出“臺階式”濺射工裝夾具,如圖10 所示,解決了濺射過程中對樣品側(cè)面的有效防護(hù)問題,以避免樣品絕緣電阻受濺射金屬元素的影響。

圖9 “井式”薄膜濺射工裝夾具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structure image of the well-type fixture of thin film sputtering

圖10 “臺階式”薄膜濺射工裝夾具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Structure image of the step-type fixture of thin film sputtering

在薄膜濺射工藝制備的3030 型樣品中隨機(jī)抽取12只進(jìn)行鍵合強(qiáng)度試驗(yàn)。圖11 為端涂和薄膜濺射工藝制備樣品鍵合強(qiáng)度試驗(yàn)的對比結(jié)果。可知,第一,端涂和濺射工藝制備樣品鍵合強(qiáng)度試驗(yàn)均合格。第二,與端涂工藝相比,薄膜濺射工藝制備樣品金絲鍵合拉力數(shù)值較大且分布相對集中,具有較好的一致性,這主要是因?yàn)楸∧R射工藝制備的電極膜層致密性高、針孔少、純度高,電極層表面不易形成氧化物膜,焊接可靠性高。圖12 為端涂和薄膜濺射工藝制備樣品端電極層厚度變化曲線。結(jié)果顯示,與端涂工藝相比,薄膜濺射工藝制備樣品端電極層厚度較薄,但數(shù)值分布集中度高,這主要是因?yàn)楸∧R射工藝膜層厚度可控性與重復(fù)性更好。

圖11 端涂和薄膜濺射工藝制備樣品金絲鍵合拉力數(shù)值Fig.11 The gold wire bond force value with samples prepared by end coating and thin film sputtering process

圖12 端涂和薄膜濺射工藝制備樣品端電極層厚度Fig.12 The thickness of terminal electrode layer with samples prepared by end coating and thin film sputtering process

3 結(jié)論

采用蘸漿端涂和薄膜濺射工藝對多層瓷介電容器進(jìn)行端電極制備,研究了兩種端面金屬化工藝對產(chǎn)品介電性能及焊接可靠性的影響。結(jié)果表明,與傳統(tǒng)端涂工藝相比,蘸漿端涂工藝無需封端設(shè)備與配套夾具,且對產(chǎn)品外形尺寸無要求,適合小尺寸產(chǎn)品端電極制備,成品合格率高,生產(chǎn)成本低。同時,解決了國內(nèi)廠家在小尺寸產(chǎn)品端面金屬化方面的技術(shù)瓶頸,有助于推動國產(chǎn)電子元器件的小型化發(fā)展,提高整機(jī)的組裝密度。與此同時,薄膜濺射工藝不僅提高了端電極層的焊接可靠性,解決了端涂工藝制備樣品端電極推球試驗(yàn)不合格問題,而且有助于產(chǎn)品端電極層結(jié)構(gòu)的多樣化設(shè)計(jì),以滿足用戶的不同使用需求,擴(kuò)展了產(chǎn)品的工藝應(yīng)用范圍,具有極廣的應(yīng)用拓展空間。