-پایداری دمای بالا یا ظرفیت بالا؟ رمزگشایی ویژگی های دما و کاربردهای پشت مواد دی الکتریک

خازن های سرامیکی چندلایه (MLCC) به عنوان "برنج صنعت الکترونیک" شناخته می شوند. چشم انداز کاربرد آنها از لوازم الکترونیکی مصرفی به ایستگاه های پایه ارتباطی 5G، الکترونیک خودرو، سرورهای هوش مصنوعی، هوافضا و بسیاری از زمینه های دیگر گسترش یافته است. با این حال، سناریوهای کاربردی مختلف الزامات عملکردی بسیار متفاوتی برای MLCC دارند. برای مثال، MLCCهای درجه {4}خودرو برای حفظ ظرفیت خازنی پایدار در محدوده دمایی وسیع از -55 درجه تا +125 درجه مورد نیاز هستند، در حالی که تراشه‌های با کارایی بالا مانند CPU، GPU و HBM، با ادامه افزایش توان، به MLCC نیاز دارند تا ظرفیت ذخیره‌سازی و انرژی بیشتری را در فضای محدود ارائه کنند. پارامترهای اصلی مانند ویژگی های دما، محدوده خازنی، پایداری دی الکتریک و ویژگی های پیری اساساً به ساختار کریستالی ذاتی و مکانیسم پلاریزاسیون پودر دی الکتریک سرامیکی مرتبط هستند.

با توجه به تفاوت در مواد دی‌الکتریک (ویژگی‌های دما)، MLCCها عمدتاً به دو دسته عمده تقسیم می‌شوند: دی‌الکتریک‌های جبران‌کننده دمای کلاس I و دی‌الکتریک‌های فروالکتریک با گذردهی بالا{1} کلاس II. اولی پایداری دما و تلفات کم را دنبال می کند، در حالی که دومی ثابت دی الکتریک بالا و چگالی خازنی بالا را دنبال می کند.

درجه حرارت کلاس I-دی الکتریک های جبران کننده

دی الکتریک های کلاس I معمولاً از TiO2 به عنوان جزء اصلی استفاده می کنند که یک ثابت دی الکتریک کم و تلفات دی الکتریک بسیار کم را برای اطمینان از پایداری دمای خازن و ثبات فرکانس فراهم می کند. مقدار کمی CaTiO3 یا SrTiO3 و غیره نیز برای تنظیم منحنی دما و تثبیت ریزساختار اضافه می‌شود و یک سرامیک جبران‌کننده دمای «بسط یافته» را تشکیل می‌دهد.

از آنجایی که این نوع مواد دی الکتریک در فاز پاراالکتریک است، بدون تغییر یا مهاجرت دامنه فروالکتریک، پاسخ دی الکتریک آن عمدتاً از قطبش جابجایی الکترونیکی و یونی ناشی می شود و ویژگی های پلاریزاسیون خود به خود فروالکتریک ها را ندارد. بنابراین، ثابت دی الکتریک این نوع دی الکتریک با دما، فرکانس، بایاس DC و زمان بسیار کم تغییر می کند و یک پاسخ دی الکتریک خطی تقریبا ایده آل، پایداری دمایی عالی و بدون پدیده پیری را نشان می دهد. به عنوان مثال، دی الکتریک کلاس I معمولی C0G (NP0) دارای ضریب دمایی 0 ± 30 ppm / درجه است. ظرفیت آن با دما بسیار کم تغییر می کند و تقریباً ناچیز است. البته این نوع دی الکتریک ثابت دی الکتریک نسبتا کمی دارد. ثابت دی الکتریک نسبی مواد نوع C0G معمولاً بین 6 تا 200 است، که مشخص می کند که MLCC های کلاس I برای دستیابی به ظرفیت بزرگ دشوار است. بنابراین، MLCCهای دی الکتریک کلاس I به طور گسترده در سناریوهایی استفاده می شوند که دارای الزامات سختگیرانه برای دقت و پایداری ظرفیت هستند، اما تقاضای خازنی نسبتاً کم دارند:

01 RF و مدارهای مایکروویو
در سناریوهای با فرکانس بالا، مانند فیلتر کردن و مدارهای تطبیق برای ماژول‌های تقویت‌کننده برق ایستگاه پایه 5G و باندهای موج میلی‌متری (24 تا 100 گیگاهرتز)، تلفات بسیار کم درج و حداقل نویز فاز مورد نیاز است. دی الکتریک های کلاس I می توانند ثبات و یکپارچگی انتقال سیگنال را تضمین کنند.

02 نوسان و مدارهای زمان بندی
نوسانگرهای کریستالی، مدارهای رزونانس LC، مدارهای ساعت، خازن‌های مخزن و غیره به پایداری خازنی بسیار بالایی نیاز دارند تا اطمینان حاصل شود که فرکانس نوسان با دمای محیط تغییر نمی‌کند و زمان‌بندی دقیق و کنترل فرکانس را ممکن می‌سازد.

03-تجهیزات تست و اندازه گیری بالا
ابزارهای دقیق-، تجهیزات آزمایش پزشکی، رادار و سیستم‌های ناوبری و غیره برای دقت اندازه‌گیری و پایداری سیستم الزامات بسیار بالایی دارند. ویژگی‌های رانش دمای بسیار پایین دی‌الکتریک‌های کلاس I می‌تواند الزامات سخت‌گیرانه تجهیزات-با دقت بالا را برآورده کند.

04 الکترونیک نظامی و هوافضا
اینها نیاز به قابلیت اطمینان بالایی با ثبات پارامتر در محدوده دمایی شدید دارند.

دی‌الکتریک‌های فروالکتریک با گذردهی بالا{{0} کلاس II

دی الکتریک های کلاس II سرامیک های فروالکتریک قوی هستند که جزء اصلی آنها تیتانات باریم (BaTiO3) است. در دمای اتاق، تیتانات باریم ساختار فروالکتریک چهارضلعی از خود نشان می دهد و دارای قطبش خود به خود است. حتی بدون میدان الکتریکی خارجی، دوقطبی های الکتریکی داخل کریستال درجه خاصی از آرایش منظم را نشان می دهند و ثابت دی الکتریک می تواند به بالای 1500 برسد. با این حال، BaTiO3 خالص دارای یک پیک کوری با ثابت دی الکتریک غیرعادی بالا نزدیک به 130 درجه است. در این نقطه دما، انتقال فاز ساختاری فروالکتریک-به-پارالکتریک رخ می‌دهد. در دو طرف نقطه کوری، ثابت دی الکتریک به شدت تغییر می کند، که باعث می شود ظرفیت خازن به طور چشمگیری با دما و ولتاژ DC اعمال شده نوسان کند، و اثر پیری وجود دارد. بنابراین، برای تنظیم دمای کوری BaTiO3 و گسترش طیف دمای دی الکتریک-به اقداماتی مانند ساختن ساختار پوسته هسته یا اصلاح دوپینگ نیاز است.

01 ساختن هسته-ساختار پوسته
یعنی با پوشاندن سطح پودر تیتانات نانو باریم با عناصر دوپینگ مختلف (مانند منیزیم، منگنز، Y، Dy و دیگر عناصر خاکی کمیاب)، دانه‌هایی با ترکیب شیمیایی غیریکنواخت پس از تف جوشی تشکیل می‌شوند. هسته باریم تیتانات خالص است که فروالکتریکی بالا را حفظ می کند و ظرفیت بالایی را فراهم می کند. پوسته یک محلول جامد اصلاح شده با دوپینگ{2}}با دماهای کوری و ویژگی های دمای دی الکتریک متفاوت است. در نهایت، با تنظیم نسبت پوسته{4} هسته، عملکرد دی الکتریک و پایداری دما متعادل می شود.

02 اصلاح دوپینگ
عناصر خاکی کمیاب (مانند Y، Dy، Ho) و برخی عناصر فلزی قلیایی (مانند Sr) را می توان برای A-سایت (Ba-site)، B-site (Ti-site) یا دوپینگ آمفوتریک برای تنظیم ساختار شبکه، تولید اثرات دهنده یا گیرنده بین پارامترهای بین سلولی و بین سلولی استفاده کرد. این امر ثابت دی الکتریک را بهینه می کند، تلفات دی الکتریک را کاهش می دهد، اوج دی الکتریک را سرکوب و گسترش می دهد، یا دمای کوری را به سمت دماهای پایین تر یا بالاتر تغییر می دهد، ثابت دی الکتریک را در محدوده دمایی وسیع تری نسبتاً ثابت نگه می دارد و ثبات دما را بهبود می بخشد.

اصلاح دوپینگ باریم تیتانات

با توجه به استراتژی های مختلف دوپینگ و فرمولاسیون پودر، دی الکتریک های کلاس II بیشتر شامل X5R، X7R، Y5V، Z5U و انواع دیگر می شوند.

(1) X5R: MLCCهای نوع X5R-هزینه‌های اصلاح کمتری دارند و عمدتاً به ساخت یک ساختار «هسته-پوسته‌ای برای گسترش دامنه عملکرد-پایدار دما متکی هستند. لازمه اصلاح، حفظ ضریب دمایی در محدوده ± 15٪ در محدوده دمای عملیاتی 55- تا 85 درجه است. این محدوده دمای عملیاتی برای پوشش بیشتر سناریوهای غیرنظامی کافی است، بنابراین مدل اصلی برای لوازم الکترونیکی مصرفی (تلفن های همراه، رایانه) است.

(2) X7R: مکانیسم اصلاح آن شبیه به X5R است، اما الزامات برای دقت دوپینگ نسبتاً سخت است. بنابراین، حد بالای دمای آن بالاتر است و می تواند ضریب دمایی را در محدوده ± 15٪ در محدوده دمای عملیاتی 55- تا 125 درجه حفظ کند. این به طور گسترده در کامپیوترها، الکترونیک خودرو، کنترل صنعتی و سایر سناریوهایی استفاده می شود که دارای شرایط پایداری دمای متوسط ​​هستند و همچنین به ظرفیت نسبتاً زیادی نیاز دارند.

(3) Y5V/Z5U: پودرهای Y5V و Z5U بالاترین چگالی خازنی را در بین مواد دی الکتریک کلاس II دارند، اما ظرفیت خازنی آنها با دما به میزان قابل توجهی تغییر می کند. در میان آنها، Y5V دارای محدوده دمای عملیاتی -30 درجه تا +85 درجه و ضریب دمایی +22%/-82% است. Z5U دارای محدوده دمای عملیاتی +10 درجه تا +85 درجه و ضریب دمایی +22%/-56% است. آنها را فقط می توان در سناریوهای بافر و ذخیره انرژی استفاده کرد که کاملاً نسبت به نوسانات خازن و کاهش پیری حساس نیستند و در مدارهای سیگنال و حلقه های کنترل دقیق کاملاً ممنوع هستند.