Прорыв в технологии электродов из недрагоценных металлов (BME) сделал никелевый порошок основным материалом для внутренних электродов, заменив драгоценные металлы, такие как палладий или сплавы серебра-палладия. BME-В настоящее время на долю BME-MLCC приходится более 90 % мирового производства MLCC. Сегодня, с дальнейшим распространением связи 5G, новых энергетических транспортных средств и вычислительного оборудования искусственного интеллекта, MLCC ускоряются в сторону миниатюризации и более высокой емкости. Технические требования к никелевому порошку, используемому во внутренних электродах как ключевому основополагающему материалу, также претерпевают глубокие изменения.
Основные требования к наноникелевому порошку для миниатюрных MLCC высокой-емкости
Суть миниатюризации MLCC и повышения емкости заключается в сверх-тонких диэлектриках, усовершенствованных электродах и увеличенном-укладке слоев. Для исключения пробоя диэлектрика и короткого замыкания электродов, вызванных крупными частицами, при обеспечении однородности напечатанных покрытий электродов толщина внутреннего электродного слоя никеля должна точно соответствовать толщине сверх-тонкого диэлектрика. Таким образом, наиболее важным требованием к применению никелевого порошка является стремление к ультра-размеру частиц. По отраслевым данным, на каждые 10 нм уменьшения размера частиц порошка наноникеля толщина диэлектрического слоя MLCC может уменьшаться на 5–8 нм соответственно.
Традиционные MLCC среднего- и нижнего{1}}класса обычно имеют толщину диэлектрического слоя более 1 мкм и количество слоев в пределах 200. Дублирование процесса для толщины электрода является высоким, а допуск на характеристики никелевого порошка относительно высок. Обычного никелевого порошка с размером частиц 200–300 нм достаточно для удовлетворения требований массового производства. Однако благодаря итеративной модернизации высокопроизводительных MLCC никелевый порошок толщиной 100 нм стал основным выбором для MLCC высокой-емкости и может стабильно адаптироваться к крупномасштабным процессам массового производства электродных слоев толщиной 0,5 мкм-. Некоторые высокотехнологичные применения даже требуют уменьшения размера частиц никелевого порошка до 80 нм, чтобы соответствовать технологическим требованиям к диэлектрическим слоям толщиной 0,35–0,5 мкм. При этом гранулометрический состав должен быть предельно узким, при этом D90 регулируется в пределах 2х D50.
Благодаря чрезвычайно мелкому размеру частиц и узкому распределению, строгие условия совместного-сжигания и надежности миниатюрных MLCC также способствуют комплексному повышению общего качества никелевого порошка:
(1) Более высокая сферичность. Чтобы адаптироваться к плотному формованию тонких электродных слоев и высокотемпературному совместному-обжигу, никелевому порошку необходима превосходная сферичность. Частицы правильной сферической формы могут обеспечить текучесть суспензии и равномерную упаковку, избегая пустот и отклонений по толщине в электродном слое.
(2) Хорошая монодисперсность: обеспечить равномерное покрытие электродной суспензии и равномерную дисперсию никелевого порошка в суспензии. Однако чем мельче порошок никеля, тем выше его поверхностная энергия и тем более заметна проблема агломерации, которую часто приходится решать с помощью технологий модификации поверхности.
(3) Более высокая кристалличность: структура порошка может стабильно регулировать скорость усадки при спекании и характеристики теплового расширения, достигая идеального соответствия керамическому диэлектрику и избегая структурных дефектов, таких как межслойное растрескивание и расслоение.
(4) Более высокая чистота: никелевый порошок высокой-чистоты с низким содержанием кислорода и примесей может эффективно подавлять окисление/осаждение и дрейф сопротивления в условиях высоких-температур, значительно улучшая долгосрочную-стабильность службы и надежность устойчивости к атмосферным воздействиям высококачественных-миниатюрных MLCC.
Какие методы подготовки позволяют получить наноникелевый порошок для MLCC?
Из-за вышеуказанных строгих требований традиционные методы жидкой-фазы и твердой-фазы, такие как химическое восстановление и распылительный пиролиз, больше не могут полностью соответствовать производственным требованиям к нано-масштабному, ультра-тонкому, высокооднородному никелевому порошку для-высокопроизводительных миниатюрных MLCC. Таким образом, технологии подготовки газовой-фазы, представленные CVD и PVD, с преимуществом точно контролируемого образования частиц, стали основными техническими путями подготовки нанопорошка никеля для высококачественных-MLCC.
01 Метод разложения карбонильного никеля
Сущность порошка карбонильного никеля заключается в использовании селективности газо-твёрдой обратимой реакции. При относительно низкой температуре и определенном давлении металлический никель в твердой фазе реагирует с CO с образованием летучего тетракарбонила никеля (Ni(CO)₄), а примеси остаются в твердой фазе. Тетракарбонил никеля затем термически разлагается при более высокой температуре и более низком давлении для регенерации твердых частиц чистого никеля и газообразного угарного газа, в конечном итоге образуя ультра-сверхтонкий сферический порошок никеля.
Самыми большими преимуществами этого процесса являются чрезвычайно высокая чистота, отличная сферичность и высокая активность спекания. Размер частиц можно точно контролировать в пределах 1–20 мкм, благодаря узкому и равномерному распределению частиц по размерам, что делает его идеально подходящим для требований массового производства MLCC с большим-количеством-слоев и высокой-емкостностью со сверх-тонкими диэлектриками менее 1 мкм. Однако его основными недостатками являются сложность обеспечения безопасности процесса и экологического контроля. Тетракарбонил никеля является высокотоксичной и опасной средой, предъявляющей чрезвычайно высокие требования к локализации производства, взрывозащищенному оборудованию, очистке отходящих газов, а также системам безопасности эксплуатации и технического обслуживания, и его использование постепенно выводится из обращения.
02 Метод химического осаждения из паровой фазы CVD
Химическое осаждение из паровой фазы CVD – это высокотехнологичная-технология получения никелевого порошка, монополизированная японскими компаниями. Его основной принцип заключается в том, что газы-прекурсоры, такие как хлорид никеля, восстанавливаются до атомов элементарного никеля в высоко-газовой-фазовой среде, а затем равномерно зарождаются, растут и конденсируются в ультра-тонкий нанопорошок никеля.
Основными преимуществами этого процесса являются однородная реакционная среда, контролируемое зародышеобразование, высокая чистота, отсутствие агломерации и отличная совместимость с совместным сжиганием. В настоящее время это основной поддерживающий порошок для -ультра-тонких диэлектриков мирового класса со сверх-высоким-количеством слоев-MLCC. Однако ее основное оборудование и технологические процессы монополизированы за границей, что приводит к чрезвычайно высоким инвестиционным затратам на оборудование, высоким пороговым значениям процесса массового-производства и высоким производственным затратам.
03 Метод физической конденсации паров PVD
Никелевый порошок PVD является ключевым прорывным направлением внутреннего замещения. Этот процесс исключает химические реакции. Вместо этого в вакууме или в защитной среде инертного газа (например, аргона) твердый металлический никель испаряется в результате высокотемпературного нагрева (например, резистивного нагрева, плазменного нагрева, дугового разряда, лазерного нагрева и т. д.) с образованием паров атомов никеля. Затем атомы газа сталкиваются друг с другом и теряют энергию, достигая быстрого зарождения, и, наконец, быстро конденсируются в области низких-температур в частицы порошка никеля размером от нано- до субмикронного-размера.
Принцип получения наноникелевого порошка методом PVD
Порошок наноникеля, полученный этим методом, имеет высокую чистоту, хорошую кристалличность, гладкую поверхность и высокую стойкость к окислению. Он может полностью соответствовать требованиям к никелевому порошку, используемому во внутренних электродах MLCC, а производственный процесс является экологически чистым. Однако из-за сложного производственного оборудования и низкой эффективности контроль стабильности крупномасштабного массового производства и оптимизация затрат остаются актуальными проблемами, требующими решения.