008004型多層片式陶瓷電容器制作工藝研究

劉夢穎 陳世忠 王凱星 范國榮

（福建火炬電子科技股份有限公司研發中心，福建 泉州 362000）

0 引言

隨著智能手機、可穿戴設備性能的提升，需要搭載的零部件數量逐漸增多，為實現高密度安裝，零部件的小型化需求日益高漲。008004 尺寸（0.25mm×0.125mm）是目前全球最小尺寸，與市場現有01005 尺寸（0.4mm×0.2mm）相比，體積減少了75%，貼裝占有面積比率降低了大約1/2，更有利于終端設備的小型化。

產品尺寸越小，對技術、精度的要求就越高，生產工藝、設備、配方也需要不斷地摸索、改進和磨合。該文以008004 10V X5R 101M 多層片式陶瓷電容器（MLCC）為開發目標，對008004 型MLCC 的制備工藝進行了研究，關鍵工藝技術如下：1）高精密微小圖形印刷技術。2）尺寸圓控技術。3）微小尺寸圓控技術。4）微小尺寸端電極形成技術。最后對試制的產品進行了性能測試與結構分析。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料包括國產X7R 特性瓷粉、國產鎳內電極漿料和國產銅外電極漿料。

1.2 試驗流程

將X7R 介電瓷粉與溶劑、分散劑、黏合劑和增塑劑混合形成瓷漿，將其涂布在PET 膜上，形成表面平整的介質膜片，表面粗糙度滿足高精度產品Ra ＜0.1[1]的要求。采用640 目、重軋壓高精度復合式不銹鋼網將鎳內電極漿料印刷到介質膜片上，烘干后得到具有清晰、完整電極圖形的介質膜片。然后按設計層數將印刷電極的介質膜片與空白的介質膜片經過交叉錯位疊壓形成巴塊。通過水均壓將介質層與電極層壓牢，貼上切割墊材，切割形成008004 尺寸的小長方體胚片。對胚片進行脫脂，除去配方中添加的有機物，燒結后形成MLCC 陶瓷體，經圓控后引出內電極。采用端附工藝涂敷在MLCC 陶瓷體兩側端頭，再經過燒附工藝形成基體金屬化層- 銅層，最后將電鍍鎳和錫層分別作為阻擋層和可焊層。

采用上述工藝制備得到008004 規格標稱容量100pF、額定電壓10V 的X5R 特性MLCC。

2 結果與分析

2.1 高精密微小圖形印刷技術

008004 印刷圖形的寬度為0.06mm，寬度極小，印刷圖形的邊緣位置易出現突起、毛刺等外觀缺陷，這些外觀缺陷會導致容量分散、耐壓降低，甚至還會造成可靠性惡化[2]。在絲網印刷過程中，為了使被印電極圖案的邊緣平直，無突起、毛刺，一般會在制網時將絲網的經緯線與網框邊編成一定的角度，即編角[3]。

該文試驗對比不同編角22.5°和30°的印刷圖像發現，采用邊角22.5°網版印刷電極圖案的邊緣均有毛刺、突起，效果不佳。而采用編角30°網版印刷的電極圖案整體都比較飽滿，沒有出現印不清或印刷不全的現象，電極邊緣平直，無毛刺，印刷效果好。通過表面粗糙度測試儀測試電極圖形的馬鞍形，發現采用編角30°網版印刷的電極厚度薄，約1.0μm，滿足小尺寸薄層化對內電極薄層化的要求。對008004 尺寸，其尺寸極小，電極厚度較厚，在疊層燒結后，會因電極內應力太大而導致開裂分層。此外，采用編角30°網版印刷的電極厚度較均勻，編角22.5°的印刷圖形馬鞍形嚴重，電極偏薄處耐壓能力弱，疊層后高度差會被放大，從而導致出現短路故障及可靠性差的問題。30°編角電極圖案邊緣完整性比22.5°的好。對電極圖形內線徑的占有面積，22.5°編角線徑的占有面積為1.3511mm2，30°編角線徑的占有面積為1.3473mm2，這也是30°編角的印刷圖像較為完整的原因。

2.2 微小尺寸切割技術

該文試驗采用的切片機，其Y軸精度±0.001mm，CCD相機采用1.5 放大倍數，滿足008004 尺寸的切割要求。

2.2.1 切割刀片的選擇

該文采用不同刀刃形狀的刀片進行切割效果對比試驗。方案1：常用的直刀式單刃刀的刀片厚度0.1mm，刀刃角度為10°。方案2：弧形單刃刀，切刀刀刃T1=0.05mm，切刀整體厚度T=0.11mm，刀刃角度為9°，如圖1 所示，采用弧形單刃刀對產品的吃刀量為0.0196mm，比采用直刀式單刃刀的吃刀量（0.028mm）減少了0.0084mm，可以有效減少切刀對巴塊的側向擠壓力，從而降低產品的微變形，因此切偏不良品的比例隨之降低，產品的直角性也隨之提高。采用空白巴塊進行2 種方案的切割效果對比試驗，方案1 的胚片傾斜角度控制在±5 度以內，而方案2 的胚片傾斜角度控制在±1.5 度以內，整體直角性較好，因此該文選用方案2 進行后續的試驗。

圖1 2 種方案切刀示意圖

2.2.2 切割墊材的選擇

該文試驗分別采用熱敏性樹脂片（60℃～80℃切片時，黏性為（6.0～7.0）N/25mm）和熱剝離膠片（受熱前4.4N/25mm，受熱后0.2N/25mm）[4]進行切割效果對比。采用熱敏性樹脂片進行切割時，切后胚片的傾斜角度控制在±3 度以內，產品直角性較好且胚片表面光滑，可較容易地從熱敏性樹脂片上剝離，產品分散性較好。采用熱剝離膠片進行切割的過程中，因黏性不足導致chip 輕微地上下浮動，胚片有輕微切偏。此外，熱剝離膠片發泡后雖然易于剝離，但是胚片之間也會相互黏片，因尺寸較小，不宜采用人工分散。

綜上所述，采用弧形單刃刀，切刀刀刃T1=0.05mm，切刀整體厚度T=0.11mm，刀刃角度9°，切割墊材選用熱敏性樹脂片（60℃～80℃切片時，黏性為（6.0～7.0）N/25mm）來切割008004 胚片效果更好，產品外觀合格。

2.3 微小尺寸圓控技術

該文試驗電極寬度有2 種設計，電極寬度設計1 中內電極寬度僅0.025mm，胚片寬度為0.125mm，電極寬度/胚片寬度的比例為20%；電極寬度設計2 中內電極寬度為0.06mm，胚片寬度為0.14mm，電極寬度/胚片寬度的比例為48%，如圖2 所示。

圖2 電極寬度/胚片寬設計

該文選擇立式行星球磨機進行008004 燒后倒角試驗。其中針對電極寬度設計1 的倒角試驗方案如下。方案1：轉速400r/m，磨介為0.3mm 鋯珠，球磨24h；方案2：轉速400r/m，磨介為0.1mm 鋯珠，球磨24h；方案3：轉速400r/m，磨介為0.1mm 鋯珠，添加Al2O3粉，球磨24h。電極寬度設計1 的引出效果不佳，排查后發現原因是設計網版時Y軸電極寬度太短，從而導致引出效果差。因此在重新設計的電極寬度設計2 中，電極寬度/胚片寬度的比例由原來的20%提高至48%。采用電極寬度設計2 重新試制樣品，通過各種方案得出的008004 燒后圓控的最佳工藝如下。采用φ0.1mm 鋯珠作為磨介，芯片∶鋯珠=20mL ∶200g，立式行星球磨，頻率400Hz，時間24h，產品引出效果良好，外觀合格。

2.4 微小尺寸端電極形成技術

隨著MLCC 體積的微型化發展，常規硅膠板、薄膠板端附技術已無法滿足008004 芯片尺寸對植入精度和整平精度的要求。該文試驗將采用全新結構和功能模式的端附機，要求端附底盤平行度精度＜10μm，采用以微米（μm）為單位的動作設定，并采用不銹鋼板、自動貼膠、芯片自動植入機構、自動轉向和自動脫膠等，以滿足008004 芯片尺寸的端附要求。

端附流程為不銹鋼板貼膠→振動植入→滾壓整平→清理殘料→端附→旋轉烘干→不銹鋼板貼膠→不銹鋼板撕膠→轉向端附→旋轉烘干→脫膠（卸料）。

2.4.1 端附植入板的選擇

008004 芯片長度為（0.21～0.23）mm，但其端附E寬要求為（0.05～0.1）mm，為保證有足夠的芯片凸出量進行端附，該文試驗采用特殊設計的不銹鋼板作為端附植入工裝夾具。不銹鋼板的厚度約為（0.11±0.01）mm，孔徑為（0.165±0.01）mm，要求具有精密度高、光潔度好、有韌性以及不易變形等特點，能實現008004 尺寸胚片的精準植入且平整性良好。對比板上四周及中間位置端后產品的外觀，E寬約（45～65）μm，整體一致性較好，極差小于20μm。

2.4.2 銅外電極漿料的選擇

由于008004 尺寸體積小，封端時對銅漿的流平性、觸變性要求比較嚴苛，因此該文試驗分別采用3 款銅漿進行試驗并對比端附效果。銅漿1：黏度為42Pa·s，觸變性為2.18；銅漿2：黏度為57Pa·s，觸變性為2.54；銅漿3：黏度為71Pa·s，觸變性為1.75。黏度測試條件為SC-14/6R，室溫為（25±0.5）℃，轉速為10r/m。其中，觸變性=（轉速為1r/m 下的黏度）/（轉速為10r/m 下的黏度）。

銅漿3 黏度太高，觸變性較差，端附過程中銅漿來不及流平，導致封端后芯片端面頂部中心出現鼓起，不平整。銅漿1 黏度偏低，流動性較好，端后產品E寬邊緣不平，有個別銅漿流掛。銅漿2 黏度適中，端附的芯片外觀平整性好，沒有端頭針孔、氣泡以及端頭凸起、邊緣流掛等外觀缺陷，說明銅漿2 的流平性、觸變性能夠滿足008004 尺寸芯片端附工藝的使用要求。

2.4.3 卸料方式的選擇

試驗采用單面端附模式，通過MLCC 膠帶將芯片豎直夾在不銹鋼板孔徑中進行沾涂端銅，MLCC 膠帶需要提供足夠的夾持力以保證端附過程中芯片不會脫落，膠帶撕除后也不留殘膠。

該次試驗通過刮刀刮除卸料（如圖3 所示）和熱剝離（受熱前7.16N/20mm，受熱后0.01N/20mm）2 種方式進行卸料對比，評估對產品外觀的影響。采用刮刀刮除方式卸料的產品，端頭棱邊有輕微脫銅；采用熱剝離膠帶，在端附過程中可以牢固黏合，端附烘干后以160℃加熱1min，芯片可以輕松剝離，剝離后的芯片端頭不留殘膠，產品外觀完好。

圖3 刮刀刮除脫膠

按照上述試驗，最佳008004 芯片端附效果如圖4 所示。端附后產品長度約234mm，E寬約0.05mm～0.06mm，符合008004 芯片尺寸要求。

圖4 008004 尺寸芯片端附外觀圖

2.5 產品性能

采用離心鍍機進行008004 尺寸離心電鍍，選用0.1mm鋼珠為導電媒介，電鍍鎳為熱阻擋層，電鍍純錫為可焊層，最后制得008004 10V X5R 101M MLCC 樣品，符合008004 尺寸要求。

2.5.1 電性能

產品容量為82.817pF～90.876pF，滿足M 檔精度要求；損耗角正切為262～339，25℃絕緣電阻為（457.7～658.9）GΩ，介質耐電壓承受30V 電壓，保壓5s，電容器無擊穿或飛弧，滿足要求，性能良好。在溫度為-55℃～85℃下，容量變化為-10.55%～-9.09%，滿足X5R 特性±15%的要求。

2.5.2 結構及可靠性分析

對008004 10V X5R 101M MLCC 樣品進行破壞性物理分析試驗（DPA），觀察到燒結后的胚片外觀成瓷性好，內電極交錯堆疊無明顯歪斜，內電極的有效面積為電容量的實現提供了保證。

MLCC 的介質層是由許多陶瓷晶體組成的，如果單層電容Ci的平均晶粒尺寸為，平均介質厚度為d，那么單層介質層的晶粒個數為（d/）。

根據各種計算驗證，S-311-P-838[5]第3.2.2 節規定的鎳電極MLCC 的初始可靠性可以為公式（1）。

式中：r為平均晶粒尺寸；d為平均介質層厚度；N為介質層數；α=5（UR>100V），α=6（UR≤100V）；Rt（t<η）>0.99999為電容器可接受判據。

截點法測量平均晶粒尺寸r的計算公式可以為公式（2）。

式中：d為平均介質層厚度；NA為測量線上晶粒數。

如果每個介質層間的晶粒數較多，施加外部電壓時，單個晶粒承受的電壓也隨之降低，等同于對外部電壓進行了降額，可以延長電容器介質的可靠性壽命。該文試驗采用掃描電子顯微鏡測量008004 10V X5R 101M MLCC 樣品，介質厚度d測量獲得，每個介質層間的晶粒數約為17 個，采用公式（2）計算出的平均晶粒尺寸為0.3670μm。根據公式（1）計算出的008004 10V X5R 101M 樣品的可靠性Rt見表1，Rt為0.9999994，滿足Rt>0.99999 的要求。另外，產品在高溫（85℃）和2 倍額定電壓下1000h 未失效，進一步印證了該樣品具有較高的可靠性。

表1 008004 10V X5R 101M 初始可靠性計算結果

3 結論

采用30°編角的網版進行印刷，印刷電極圖案飽滿，電極邊緣平直、無毛刺，電極厚度較薄，約1.0μm，電極厚度均勻，滿足008004 尺寸對內電極薄層化的要求。

采用弧形單刃刀可以有效減少切刀對巴塊的側向擠壓力，從而降低產品的微變形，切偏不良品的比例隨之降低，產品的直角性也隨之提高。同時將熱敏性樹脂片（60℃～80℃切片時，黏性為（6.0～7.0）N/25mm）作為切割墊材，切后008004 尺寸胚片的傾斜角度控制在±3 度以內，產品直角性較好，胚片表面光滑，能較好地從熱敏性樹脂片上剝離，產品分散性好。

采用電極寬度/胚片寬度的比例為48%的設計，008004燒后圓控的最佳工藝如下：將φ0.1mm 鋯珠作為磨介，芯片∶鋯珠=20mL ∶200g，立式行星球磨，頻率400Hz，球磨時間24h，圓控后產品引出效果良好。

采用不銹鋼板和熱剝離膠帶進行單面端銅，配合使用適宜的銅漿（黏度為57Pa·s，觸變性為2.54），芯片外觀平整性較好，端附后產品長度約234mm，E寬約0.05mm～0.06mm，符合008004 芯片尺寸要求。

以離心鍍機進行離心電鍍，制得008004 10V X5R 101M成品，產品電性能良好，滿足X5R 特性要求。DPA 顯示產品成瓷性好，內電極交錯堆疊無歪斜，電極厚度一致性較好。008004 10V X5R 101M 樣品的可靠性Rt為0.9999994，壽命（85℃，2UR，1000h）無失效，具有較高的可靠性。