什么是多层陶瓷电容器？
什么是多层陶瓷电容器？
2025/04/16
多层陶瓷电容器
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用科学的眼光来看，
社会关注的真正原因
什么是多层陶瓷电容器？
多层陶瓷电容器是电路中使用的元件之一，支持半导体集成电路的功能。它由多层陶瓷介质层和电极层交替堆叠的结构组成，通过暂时存储电力和释放存储的电流来控制电流。它们用于智能手机、计算机、车载设备等，随着这些电子设备的日益普及，它们的作用也引起了越来越多的关注。特别是，智能手机等电子设备不断要求小型化和高性能化，为了满足这些需求，多层陶瓷电容器需要小型化和大容量化。
计算机、智能手机等实现更高性能的关键在于半导体的集成度。随着半导体集成度的提高，外围器件也需要通过小型化来提高集成度。支持半导体集成电路功能的多层陶瓷电容器每十年变得更小、更复杂。为了在小型化的同时提高性能，需要将各层做得更薄，同时堆叠很多层。我们向多材料研究部门的高级研究员 Hiroki Itasaka 询问了多层陶瓷电容器和新型多层技术的发展现状。
什么是多层陶瓷电容器
需要更小尺寸和更高性能的电子设备不可或缺的组件
电容器具有临时储存电力和控制电流等多种功能，是电子设备的重要组成部分，通常由陶瓷制成。其中，多层陶瓷电容器（MLCC）是重要的电子元件，每部智能手机大约使用1000个。随着智能手机、平板电脑等电子设备的小型化和性能的提高，内置的电子部件也要求小型化，以MLCC小型化为目标的技术开发备受关注。
MLCC具有类似千层酥的分层结构，其中金属电极层和介电层交替堆叠。为了增加MLCC中可存储的电量即电容，需要使电介质层更薄并增加层叠层数。如何在使介电层更薄的同时提高MLCC的性能？我们需要开发一种新的堆叠工艺技术，将介电层和电极层减薄至纳米级。
多层陶瓷电容器的内部结构
当前多层陶瓷电容器的问题
目前使用的MLCC使用钛酸钡(BaTiO3（以下简称BTO）粉末和作为电极层原材料的金属粉末交替分层并在高温下烘烤以形成层状结构。该介电层的厚度薄至05μm，已接近原料粉末的粒径，而可垂直堆叠的BTO颗粒数量仅限于4至5个。
目前主流的BTO颗粒制造方法是通过原料研磨来制造BTO颗粒，但很难使BTO颗粒变得更细或粒径均匀，这对提高性能造成了障碍。此外，该方法的缺点是，粉碎材料时颗粒被破坏，导致由于缺陷的引入而导致结晶度降低，以及颗粒尺寸和形状的变化。此外，在层压过程中的烧结过程中，不可避免地会导致介电层的厚度变得不均匀。其结果是，存在电介质层的绝缘性降低等问题。需要一种能够提高 MLCC 性能同时使介电层更薄的技术。
AIST 的举措
独特逐层工艺技术的研发
推进生产高结晶颗粒的水热合成方法
产业技术研究院十多年来一直在研究使用BTO合成原料颗粒的方法，并于2012年开发了一种称为纳米立方体的骰子状颗粒的合成技术。这使得生产具有均匀粒径的高度结晶颗粒成为可能，即使每一面的尺寸极小，为 15 至 20 nm。采用“水热合成法”，将原料放入耐压容器中煮沸。与传统的自上而下的粉碎方法不同，这是一种自下而上的合成方法，通过堆叠原材料原子来创建所需的结构。
水热法制备的纳米立方体的透射电子显微照片
堆叠时，如果使用接近球形的常规粉碎颗粒，即使堆得尽可能密，密度最多也只有74%左右，但如果使用纳米立方体，理论上堆叠时可以将颗粒密度提高到100%。
在AIST，除了合成BTO纳米立方体之外，我们还致力于开发一种使用低速浸涂技术形成BTO纳米立方体有序阵列薄膜的方法。在这种方法中，将基材浸入液体中，纳米立方体分散在液体中并慢慢拉起，使颗粒在基材上自组织，形成致密的薄膜。
使用纳米立方体的低速浸涂方法示意图
然而，该形成方法存在当溶剂干燥时出现被称为微裂纹的微小裂纹的问题。因此，为了解决这个问题，我们致力于开发一种可以使颗粒整齐地堆积并防止裂纹发生的制造方法。与在基材上沉积单层的低速浸涂方法不同，新方法在水面上沉积单层立方体。
首先，在水面上形成表面活性剂的分子膜。然后，通过将含有纳米立方体颗粒的液体（分散液）滴入溶剂中，从表面活性剂分子膜沿压缩立方体的方向恒定地施加表面压力。通过继续施加该压力，可以形成干净的单层膜，从而抑制裂纹的发生。
利用表面活性剂的表面压力抑制裂纹的聚集方法
堆叠石墨烯以确保绝缘
如果能够制造出密度为 100% 的单层薄膜，那将是理想的选择，但实际上，由于立方体之间尺寸和形状的细微差异，会出现纳米级间隙。如果在具有这样的间隙的电容器上放置金属电极，则存在金属进入间隙并导致上下电极之间短路的风险，导致电容器不再起到电容器的作用。
下一个挑战是开发一种技术来创建电容器结构，同时确保薄膜的绝缘性能。为了解决这个问题，我们重点研究了石墨烯，一种二维碳材料。通过在BTO纳米立方体单层顶部层叠石墨烯作为阻挡层，当形成金属电极时，没有金属进入纳米立方体单层，使得即使介电层极薄（约20 nm）也可以获得保证绝缘的电容器结构。在确认性能时发现，使用石墨烯时，低电压下的漏电流值明显低于不使用石墨烯的情况，并且在一定电压范围内仍能保持绝缘性。
以石墨烯为势垒层的电容器结构
此外，通过使用具有优异导电性的石墨烯作为电极并将其与BTO纳米立方体单层膜相结合，可以创建由极薄的电极层和介电层组成的交替层压结构。
与传统MLCC的叠层结构相比，采用这种叠层结构，电介质层的厚度可以减小到1/10以下，并且电极层的厚度可以减小到1/100以下。 (2023/09/01 新闻稿）
石墨烯和BTO纳米立方单层的交替层状结构
实际交替叠层结构的截面观察图像
量产的未来挑战
我们这次创建的替代层压结构仍处于概念模型阶段，并且不具有可以作为电容器工作的电路结构。然而，我们相信，我们已经能够展示当层做得尽可能薄时可以创造什么的未来可能性。
未来实际应用的挑战可分为两部分：材料和工艺。首先，在材料方面，挑战是如何减小BTO纳米立方体的粒径并同时提高其结晶度。在工艺方面，均匀且薄地堆叠纳米立方膜和多层石墨烯电极也很重要。此外，由于目前这是一项实验室规模的技术，因此有必要扩大规模以进行大规模生产。为了更有效地在大范围内制造均匀的薄膜，有必要创建一种不同于实验室规模的新工艺。
AIST正在与企业联合研究开发这一新工艺，希望尽快实现创新的MLCC。如果您有兴趣，请联系我们。