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陶瓷电容器的种类和应用特点

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发表于 2019-9-17 23:58:30 |显示全部楼层
  陶瓷材料具有优越的电学、力学、热学等性质,可用作电容器介质、电路基板及封装材料等。陶瓷材料是由氧化物或其他化合物制成坯体后,在接近熔融的温度下,经高温焙烧制得的材料。通常包括原料粉碎、浆料制备、坯件成型和高温烧结等重要过程。陶瓷是一个复杂的多晶多相系统,一般由结晶相、玻璃相、气相及相界交织而成,这些相的特征、组成、相对含量及其分布情况,决定着整个陶瓷的基本性质。
  陶瓷材料做成的陶瓷电容器也叫瓷介电容器或独石电容器,根据陶瓷材料的不同,可以分为低频陶瓷电容器和高频陶瓷电容器两类,按结构形式分类,又可分为圆片状电容器、管状电容器、矩形电容器、片状电容器、穿心电容器等多种。
  电容器的微小型化即电容器在尽可能小的体积内获得尽可能大的容量,这是电容器发展的趋向之一。对于分离电容器组件来说,微小型化的基本途径有两个,即使介质材料的介电常数尽可能提高和使介质层的厚度尽可能减薄。
  在陶瓷材料中,铁电陶瓷的介电常数很高,但是用铁电陶瓷制造普通铁电陶瓷电容器时,陶瓷介质很难做得很薄。首先是由于铁电陶瓷的强度低,较薄时容易碎裂,难于进行实际生产操作,其次,陶瓷介质很薄时易于造成各种各样的组织缺陷,生产工艺难度很大。
  表面层陶瓷电容器是用BaTiO3等半导体陶瓷的表面上形成的很薄的绝缘层作为介质层,而半导体陶瓷本身可视为电介质的串联回路。表面层陶瓷电容器的绝缘性表面层厚度,视形成方式和条件不同,波动于0.01~100m之间。这样既利用了铁电陶瓷的很高的介电常数,又有效地减薄了介质层厚度,是制备微小型陶瓷电容器一个行之有效的方案。
  晶粒发育比较充分的BaTiO3半导体陶瓷的表面上,涂覆适当的金属氧化物(例如CuO或Cu2O、MnO2、Bi2O3、Tl2O3等),在适当温度下,于氧化条件下进行热处理,涂覆的氧化物将与BaTiO3形成低共溶液相,沿开口气孔和晶界迅速扩散渗透到陶瓷内部,在晶界上形成一层薄薄的固溶体绝缘层。这种薄薄的固溶体绝缘层的电阻率很高(可达1012~1013cm),尽管陶瓷的晶粒内部仍为半导体,但是整个陶瓷体表现为显介电常数高达2×104到8×104的绝缘体介质。用这种瓷制备的电容器称为晶界层陶瓷电容器(boundarg layer ceramic capacitor),简称BL电容器。
  随着电子工业的高速发展,迫切要求开发击穿电压高、损耗小、体积小、可靠性高的高压陶瓷电容器。近20多年来,国内外研制成功的高压陶瓷电容器已经广泛应用于电力系统、激光电源、磁带录像机、彩电、电子显微镜、复印机、办公自动化设备、宇航、导弹、航海等方面。
  钛酸钡基陶瓷材料具有介电系数高、交流耐压特性较好的优点,但也有电容变化率随介质温度升高、绝缘电阻下降等缺点。钛酸锶晶体的居里温度为-250℃,在常温下为立方晶系钙钛矿结构,是顺电体,不存在自发极化现象,在高电压下钛酸锶基陶瓷材料的介电系数变化小,tg及电容变化率小,这些优点使其作为高压电容器介质是十分有利的。
  多层陶瓷电容器(Multilayer Ceramic Capacitor,MLCC)是片式元件中应用最广泛的一类,它是将内电极材料与陶瓷坯体以多层交替并联叠合,并共烧成一个整体,又称片式独石电容器,具有小尺寸、高比容、高精度的特点,可贴装于印制电路板(PCB)、混合集成电路(HIC)基片,有效地缩小电子信息终端产品(尤其是便携式产品)的体积和重量,提高产品可靠性。顺应了IT产业小型化、轻量化、高性能、多功能的发展方向。
  国家2010年远景目标纲要中明确提出将表面贴装元器件等新型元器件作为电子工业的发展重点。它不仅封装简单、密封性好,而且能有效地隔离异性电极。MLCC在电子线路中可以起到存储电荷、阻断直流、滤波、祸合、区分不同频率及使电路调谐等作用。在高频开关电源、计算机网络电源和移动通信设备中可部分取代有机薄膜电容器和电解电容器,并大大提高高频开关电源的滤波性能和抗干扰性能。
  军用MLCC作为基础电子元件,在航空、航天、军用移动通讯设备、袖珍式军用计算机、武器弹头控制和军事信号监控、雷达、炮弹引信、舰艇、武器系统等军用电子设备上的应用越来越广泛。随着我国国防装备数字化、信息化建设进程加快以及军工市场强烈的国产化需求,军用高可靠MLCC市场前景非常广阔。2009年中国军用MLCC产品市场规模为7.5亿元,而到了2013年则已经成长为 14.4亿元,增长了接近一倍,预计未来依然能够保持稳定而较高的增速,2019 年有望接近30亿元。
  工业类电容器市场主要包括系统通讯设备、工业控制设备、医疗电子设备、汽车电子、精密仪器仪表、石油勘探设备等。工业设备朝机电一体化、智能化的趋势发展,应用电子控制、数据分析、界面显示的信息化比例不断提高, 将为工业用高可靠 MLCC 产品提供较为广阔的市场前景。
  消费类市场包括一般消费类产品和高端消费类产品,前者包括笔记本电脑、电视机、电话机、普通手机、普通数码相机等电子产品;后者包括专业录音设备、专业录像设备,高档智能手机等高档电子产品。相对于军用、工业类 MLCC 产品需求而言,消费类产品市场需求最大。
  从全球范围来看,日系厂商占有较明显的领先优势。在全球前十大MLCC 厂商中,日系厂商全球市场销量占有率达到 40%以上,主要原因在于日系厂商在尖端高容量产品及陶瓷粉末技术上领先其他国家和地区厂商。与国外知名厂商相比,国内的陶瓷电容器生产厂家多为中小型企业,产品大多处于中低档水平。
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