一、引言
陶瓷電容器是以陶瓷材料為電介質(zhì)的電容器的總稱。品種繁多，尺寸差異很大。按電壓可分為高壓、中壓、低壓陶瓷電容器。根據(jù)溫度系數(shù)，介電常數(shù)可分為負溫度系數(shù)、正溫度系數(shù)、零溫度系數(shù)、高介電常數(shù)和低介電常數(shù)。此外，還有針對 1 類、2 類和 3 類的分類方法。與其他電容器相比，一般陶瓷電容器具有使用溫度較高、比容量大、耐濕性好、介電損耗小等優(yōu)點。電容的溫度系數(shù)也可以在很寬的范圍內(nèi)選擇。
二、陶瓷電容器的類型
1. 半導體陶瓷電容
（1） 表層陶瓷電容器。微型電容器，即電容器在盡可能小的體積中獲得最大可能的容量，這是電容器發(fā)展的趨勢之一。
對于分離電容器元件，有兩種基本的小型化方法：
（1）使介電材料的介電常數(shù)盡可能高;
（2）使介電層的厚度盡可能薄。
在陶瓷材料中，鐵電陶瓷的介電常數(shù)非常高，但是當鐵電陶瓷用于制造普通鐵電陶瓷電容器時，很難使陶瓷電介質(zhì)變薄。首先，鐵電陶瓷強度低，較薄時容易開裂，難以進行實際生產(chǎn)操作。其次，當陶瓷介質(zhì)稀薄時，容易造成各種結(jié)構(gòu)缺陷，生產(chǎn)過程非常困難。
表面層陶瓷電容器使用在BaTiO3等半導體陶瓷表面形成的薄絕緣層作為介電層，半導體陶瓷本身可以看作是電介質(zhì)的串聯(lián)電路。表面層陶瓷電容器的絕緣表面層的厚度根據(jù)形成方法和條件而變化，范圍從0.01到100μm。這樣，不僅使用了鐵電陶瓷的高介電常數(shù)，而且有效減小了介電層的厚度，是制備微小型陶瓷電容器的有效解決方案。
下圖顯示了表面層陶瓷電容器的一般結(jié)構(gòu)，以及（b）其等效電路。
表層陶瓷電容器的結(jié)構(gòu)及其等效電路
（2）晶界層陶瓷電容器。晶粒相對發(fā)達的BaTiO3半導體陶瓷表面涂有適當?shù)慕饘傺趸铮ㄈ鏑uO或Cu2O、MnO2、Bi2O3、Tl2O3等）。在適當?shù)臏囟群脱趸瘲l件下進行熱處理，包覆的氧化物將與BaTiO3形成共晶相，并在晶界上形成薄的固溶體絕緣層。這種薄固溶體絕緣層的電阻率非常高（可達1012~1013Ω·cm）。盡管陶瓷的晶粒仍然是半導體，但整個陶瓷體顯示出高達2×104至8×104絕緣體電介質(zhì)的顯著介電常數(shù)。用這種瓷器制成的電容器稱為邊界層陶瓷電容器，簡稱BL電容器。
2. 高壓陶瓷電容器
隨著電子工業(yè)的快速發(fā)展，迫切需要開發(fā)高擊穿電壓、小損耗、小尺寸、高可靠性的高壓陶瓷電容器。近20年來，高壓陶瓷電容器研制成功，廣泛應用于電力系統(tǒng)、激光電源、錄像機、彩電、電子顯微鏡、復印機、辦公自動化設(shè)備、航空航天、導彈、導航等領(lǐng)域。
高壓陶瓷電容器的陶瓷材料主要有兩種類型：鈦酸鋇基和鈦酸鍶基。
鈦酸鋇基陶瓷材料具有介電常數(shù)高、交流耐壓特性好的優(yōu)點，但也有電容隨介質(zhì)溫度升高、絕緣電阻減小等缺點。
鈦酸鍶晶體的居里溫度為-250°C，常溫下具有立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。在高電壓下，鈦酸鍶基陶瓷材料的介電系數(shù)變化小，tgδ小，電容變化率小。這些優(yōu)點使其作為高壓電容器電介質(zhì)非常有利。
制造過程的要點
（1）必須選擇原材料
影響高壓陶瓷電容器質(zhì)量的因素，除了陶瓷材料的組成外，還有優(yōu)化的工藝制造和嚴格的工藝條件。因此，有必要同時考慮原材料的成本和純度。在選擇工業(yè)純原料時，一定要注意原料的適用性。
（2）篩板的制備
熔塊制備的質(zhì)量對瓷器的球磨細度和燒成有很大影響。如果篩板合成溫度低，則合成不足。對后續(xù)過程有害。如果Ca2+留在復合材料中，則會阻礙軋制過程。如果合成溫度過高，篩板會太硬，從而影響球磨效率。在研磨介質(zhì)中引入雜質(zhì)會降低粉末的活性并導致瓷器的燒成溫度升高。
（3）成型工藝
成型時，需要防止厚度方向的壓力不均勻，封閉體中氣孔過多。如果有大的氣孔或?qū)恿鸭y，會影響瓷器的電氣強度。
（4）燒制過程
應嚴格控制燒制，應采用性能良好的溫控設(shè)備和導熱性好的窯具。
（5） 封裝
封裝膠的選擇、封裝過程的控制以及瓷器表面的清潔對電容器的特性有很大影響。因此，必須選擇具有良好防潮性的封裝材料，該材料與瓷體表面緊密結(jié)合，具有很高的電氣強度。
為了提高陶瓷電容器的擊穿電壓，在電極和介電表面之間的界面邊緣涂上一層玻璃釉，可以有效提高電視機等高壓電路中使用的陶瓷電容器的耐壓和高溫負載性能。
3. 多層陶瓷電容器
多層陶瓷電容器（MLCC）是使用最廣泛的片式元件類型。它是內(nèi)部電極材料和陶瓷體交替并聯(lián)堆疊成一個整體，也稱為片狀單片電容器。具有體積小、比容高、精度高等特點。它可以安裝在印刷電路板（PCB）和混合集成電路（HIC）基板上，有效減小電子信息終端產(chǎn)品（特別是便攜式產(chǎn)品）的尺寸。和重量提高產(chǎn)品可靠性。符合IT行業(yè)小型化、輕量化、高性能、多功能化的發(fā)展方向。它不僅包裝簡單，密封性能好，而且可以有效地隔離相反的電極。MLCC可以在電子電路中起到存儲電荷，阻斷直流，濾波，組合，區(qū)分不同頻率和調(diào)諧電路的作用。它可以部分替代高頻開關(guān)電源，計算機網(wǎng)絡電源和移動通信設(shè)備中的有機薄膜電容器和電解電容器。它可以大大提高高頻開關(guān)電源的濾波性能和抗干擾性能。
1. 小型化
對于便攜式攝像機和移動電話等小型電子產(chǎn)品，需要更緊湊的MLCC產(chǎn)品。另一方面，由于精密印刷電極和層壓工藝的進步，超小型MLCC產(chǎn)品也逐漸出現(xiàn)并獲得應用。以日本矩形MLCC的發(fā)展為例，外形尺寸從1980年代初的3216縮小到今天的0603。
2. 降低成本-賤金屬內(nèi)電極MLCC
由于傳統(tǒng)的MLCC使用昂貴的鈀電極或鈀銀合金電極，其制造成本的70%被電極材料占據(jù)。包括高壓MLCC在內(nèi)的新一代MLCC使用廉價的賤金屬材料鎳和銅作為電極，大大降低了MLCC的成本。但是，母材內(nèi)部電極MLCC需要在較低的氧分壓下燒結(jié)，以保證電極材料的導電性，較低的氧分壓會帶來介電陶瓷的半導體傾向，不利于絕緣和可靠性。村田制作所開發(fā)了幾種在還原氣氛中燒結(jié)的抗還原陶瓷。電容器的可靠性與使用貴金屬電極的電容器相當。目前，基本金屬化Y5V電容器的銷售額約占該組MLCC的一半。
3.大容量和高頻
一方面，隨著半導體器件的低壓驅(qū)動和低功耗，集成電路的工作電壓從5 V降低到3 V和1.5 V;另一方面，電源的小型化需要小型、大容量的產(chǎn)品來取代笨重的鋁電解電容器。為了滿足這種低壓大容量MLCC的發(fā)展和應用，在材料方面，已經(jīng)開發(fā)出相對介電常數(shù)比BaTiO3高1至2倍的松弛型高介電材料。在開發(fā)新產(chǎn)品的過程中，同時開發(fā)了三項關(guān)鍵技術(shù)，即超薄綠片粉末分散技術(shù)、改進綠膜形成技術(shù)、內(nèi)電極與陶瓷綠片收縮匹配技術(shù)。最近，日本松下電子元件株式會社成功開發(fā)出最大電容為100μF、最大耐壓為25V的大容量MLCC。本產(chǎn)品可用于液晶顯示器（LCD）電源線。
三、陶瓷電容器電介質(zhì)
陶瓷材料具有優(yōu)異的電氣、機械和熱性能，可用作電容器電介質(zhì)、電路基板和封裝材料。
一、 陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)
陶瓷材料是由氧化物或其他化合物制成，然后在接近熔化溫度的高溫下燒制的材料。陶瓷是一種復雜的多晶多相體系，一般由晶相、玻璃相、氣相、相界組成。這些相的特性、組成、相對含量和分布決定了陶瓷的基本性能。
陶瓷中的晶相通常是指那些具有不同大小、形狀和隨機取向的晶粒。晶粒的直徑通常為幾微米到幾十微米。晶相可以屬于同一化合物或晶體體系，也可以是不同的化合物或不同的晶系。如果陶瓷中有兩個或兩個以上具有不同成分和結(jié)構(gòu)的晶粒，則稱為多晶相陶瓷。相對含量最高的產(chǎn)物相稱為主晶相，另一種稱為副產(chǎn)物相。其中，主晶相的性質(zhì)決定了材料的性質(zhì)，如相對f常數(shù)、電導率、損耗和熱膨脹系數(shù)。
氣相一般分布在晶界、重結(jié)晶晶體和玻璃相中，是陶瓷結(jié)構(gòu)的必然組成部分。它源于這樣一個事實，即在燒成過程中不可能實現(xiàn)單個晶粒之間的完全緊密設(shè)置，并且玻璃相無法填充單個晶粒的空隙;它也可能是由于坯料燒結(jié)過程中釋放氣體而形成的孔隙。氣相會嚴重影響陶瓷材料的電氣、機械和熱性能。通常希望陶瓷中的氣相含量越少越好。
二、電容瓷的特點及分類
陶瓷電容器是在陶瓷基板兩側(cè)形成金屬層后通過焊接引線制成的。這些用作電容器的陶瓷材料稱為瓷器。
（1）與其他電容器介質(zhì)材料相比，介質(zhì)陶瓷具有以下特點：
（1）介電常數(shù)和介電常數(shù)的溫度系數(shù)，以及機械和熱物理性能，都可以調(diào)節(jié)，介電常數(shù)也大。
（2）一些介電陶瓷（強介電陶瓷，主要是鐵電陶瓷）的介電常數(shù)會隨著電場的強弱而變化。它可用于制造非線性電容器，有時稱為壓敏電阻電容器。
（3）原料豐富，成本低廉，易于批量生產(chǎn)。
（2）電容瓷有幾種分類方法。
根據(jù)用途可分為1類瓷器，用于制造1類（高頻）陶瓷介質(zhì)電容器;2類瓷器，用于制造2類（鐵電）陶瓷介質(zhì)電容器;3 類瓷器，用于制造 3 類（半導體）陶瓷介質(zhì)電容器。
其中，相對介電常數(shù)大（ε=12至600）的1類瓷稱為高介電瓷;相對介電常數(shù)較高（ε=103至104）的2類瓷器稱為強介電瓷;相對介電常數(shù)低（ε 《10.5）的3類瓷器稱為低介電瓷。高介電陶瓷和低介電陶瓷的tanδ非常小，適用于制造高頻電路中的電容器，因此稱為高頻陶瓷。由于強電介質(zhì)瓷的tanδ較大，因此僅適用于制造低頻電路中使用的電容器，也稱為低頻瓷。工程中一般采用混合分類法，將電容瓷分為高介質(zhì)瓷、強介質(zhì)瓷、單片瓷和半導體晶界瓷。
隨著混合IC、計算機和便攜式電子設(shè)備的發(fā)展，陶瓷電容器已成為電子設(shè)備中不可或缺的組件。陶瓷介質(zhì)電容器的總數(shù)現(xiàn)在約占電容器市場的70%。
審核編輯：陳陳