稀土氧化物在MLCC中的應(yīng)用

陶瓷配方粉是MLCC的核心原材料，占MLCC成本的20%~45%，特別是高容 MLCC 對于瓷粉的純度、粒徑、粒度和形貌有嚴(yán)格要求，陶瓷粉體成本占比相對更高。MLCC是在鈦酸鋇粉體中添加改性添加劑后形成的電子陶瓷粉體材料，可直接用作 MLCC 中的電介質(zhì)。

稀土氧化物是MLCC介質(zhì)粉體的重要摻雜成分，雖然占MLCC原料比重不到1%，卻能起到調(diào)整陶瓷特性的重要作用，有效改善MLCC的可靠性，是高端MLCC用陶瓷粉體的研制過程中不可或缺的重要原料之一。

1.什么是稀土元素

稀土元素又稱稀土金屬，是鑭系元素和稀土類元素群的總稱，具有特殊的電子結(jié)構(gòu)及物理化學(xué)性質(zhì)，其獨特的電、光、磁、熱性能而被人們稱之為新材料的寶庫。

稀土元素分為：

輕稀土元素（原子序數(shù)較?。衡偅⊿c）、釔（Y）、鑭（La）、鈰（Ce）、鐠（Pr）、釹（Nd）、钷（Pm）、釤（Sm）和銪（Eu）；

重稀土元素（原子序數(shù)比較大）：釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)。

稀土氧化物在陶瓷中的應(yīng)用十分廣泛，主要有氧化鈰、氧化鑭、氧化釹、氧化鏑、氧化釤、氧化鈥、氧化鉺等。向陶瓷中摻雜少量或微量的稀土可以極大的改變陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)、相組成、致密度、力學(xué)性能、物理化學(xué)性能極燒結(jié)性能。

2.稀土在MLCC中的應(yīng)用

鈦酸鋇是制造MLCC的主要原料之一，鈦酸鋇具有很好的壓電、鐵電和介電性能，純鈦酸鋇的容量溫度系數(shù)大、燒結(jié)溫度高、介質(zhì)損耗較大，不宜直接用于制造陶瓷電容器。

圖 鈦酸鋇晶體結(jié)構(gòu)及介電率隨溫度變化 研究表明，鈦酸鋇的介電性能與其晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，通過摻雜手段可以實現(xiàn)鈦酸鋇晶體結(jié)構(gòu)的調(diào)控，進而改善其介電性能。這主要是因為細(xì)晶鈦酸鋇摻雜后會形成一種殼-芯結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對改善電容量溫度特性有重要的作用。

圖 理想的鈦酸鋇陶瓷的殼-芯結(jié)構(gòu)

摻雜稀土元素于鈦酸鋇結(jié)構(gòu)中，是用來改善MLCC的燒結(jié)行為及可靠度性的方式之一。稀土離子摻雜鈦酸鋇的研究可以追溯到20世紀(jì)60年代初，稀土氧化物的加入降低氧的遷移率，可以增強介質(zhì)陶瓷的介電溫度穩(wěn)定性和耐電特性，提升產(chǎn)品的性能和可靠性。常添加的稀土氧化物有：氧化釔（Y2O3）、氧化鏑（Dy2O3)、氧化鈥（Ho2O3）等。

圖 稀土氧化物摻雜BaTiO3漏電流變化曲線

稀土離子的半徑大小對鈦酸鋇基陶瓷的居里峰的位置有至關(guān)重要的影響。不同半徑的稀土元素?fù)诫s會改變具有殼-芯結(jié)構(gòu)晶體的晶格參數(shù)，從而改變晶體內(nèi)應(yīng)力，半徑較大的稀土離子的摻雜使得晶體產(chǎn)生贗立方相，并使晶體內(nèi)部產(chǎn)生剩余應(yīng)力；對于半徑較小的稀土離子的引入產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力也較小，并抑制殼-芯結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相變。

即使是少量使用的添加劑，稀土氧化物的特性（例如粒度或顆粒形狀）也會顯著影響產(chǎn)品整體的性能或品質(zhì)。高性能MLCC不斷向微型化、高疊層、大容量化、高可靠性和低成本化方向發(fā)展，世界最前沿的 MLCC 產(chǎn)品已進入納米級，作為其重要的摻雜元素的稀土氧化物應(yīng)具有納米級的顆粒尺寸和好的粉體分散性。

審核編輯：劉清