Przełom w technologii elektrod z metali nieszlachetnych (BME) sprawił, że proszek niklowy stał się głównym materiałem na elektrody wewnętrzne, zastępując metale szlachetne, takie jak pallad lub stopy srebra-palladu. BME-MLCC stanowią obecnie ponad 90% globalnej produkcji MLCC. Obecnie, wraz z dalszym rozpowszechnianiem się komunikacji 5G, nowych pojazdów energetycznych i sprzętu obliczeniowego AI, centra MLCC przyspieszają w kierunku miniaturyzacji i wyższej pojemności. Jako kluczowy materiał podstawowy, wymagania techniczne dotyczące proszku niklu stosowanego w elektrodach wewnętrznych również ulegają głębokim zmianom.
Kluczowe wymagania dotyczące proszku nanoniklu do miniaturowych MLCC o-wysokiej pojemności
Istotą miniaturyzacji MLCC i wyższej pojemności są ultra-cienkie dielektryki, ulepszone elektrody i-powiększone układanie warstw. Aby wyeliminować przebicia dielektryka i zwarcia elektrod spowodowane przez grube cząstki, przy jednoczesnym zapewnieniu jednorodności powłok drukowanych elektrodami, grubość wewnętrznej warstwy niklu elektrody musi dokładnie odpowiadać grubości ultra-cienkiego dielektryka. Dlatego najważniejszym wymogiem w przypadku stosowania proszku niklowego jest tendencja do stosowania ultra-drobnych cząstek. Według informacji branżowych, na każde 10 nm zmniejszenia wielkości cząstek proszku nanoniklu, grubość warstwy dielektrycznej MLCC można zmniejszyć odpowiednio o 5–8 nm.
Tradycyjne średnie- i niskie{1}}liczniki MLCC mają zazwyczaj grubość warstwy dielektrycznej powyżej 1 μm i liczbę warstw w granicach 200. Redundancja procesu w zakresie grubości elektrod jest wysoka, a tolerancja wydajności proszku niklowego jest stosunkowo wysoka. Do spełnienia wymagań produkcji masowej wystarczy konwencjonalny proszek niklu o wielkości cząstek 200–300 nm. Jednak dzięki iteracyjnemu ulepszaniu-najwyższej klasy MLCC, proszek niklu o średnicy 100 nm stał się głównym wyborem w przypadku MLCC-o dużej pojemności i może stabilnie dostosować się do procesów masowej produkcji na dużą-skalę w przypadku warstw elektrod o grubości 0,5 μm-. Niektóre-zaawansowane zastosowania wymagają nawet zmniejszenia wielkości cząstek proszku niklu do 80 nm, aby spełnić wymagania procesowe dotyczące warstw dielektrycznych o grubości 0,35–0,5 μm. Jednocześnie rozkład wielkości cząstek musi być wyjątkowo wąski, przy D90 kontrolowanym w zakresie 2 razy D50.
Ze względu na wyjątkowo drobne cząstki i wąską dystrybucję rygorystyczne-warunki współspalania i niezawodność zminiaturyzowanych ogniw MLCC również przyczyniają się do kompleksowej poprawy ogólnej jakości proszku niklowego:
(1) Wyższa kulistość: aby dostosować się do gęstego formowania cienkich warstw elektrod i współspalania w-temperaturze-, proszek niklowy wymaga doskonałej kulistości. Regularne kuliste cząstki mogą zapewnić płynność zawiesiny i równomierne upakowanie, unikając pustych przestrzeni i odchyleń grubości w warstwie elektrody.
(2) Dobra monodyspersyjność: Aby zapewnić równomierną powłokę zawiesiny elektrody i równomierną dyspersję proszku niklu w zawiesinie. Jednakże im drobniejszy proszek niklu, tym wyższa jest jego energia powierzchniowa i tym bardziej widoczny jest problem aglomeracji, który często należy rozwiązać za pomocą technologii modyfikacji powierzchni.
(3) Wyższa krystaliczność: Struktura proszku może stabilnie regulować stopień skurczu spiekania i charakterystykę rozszerzalności cieplnej, osiągając idealne dopasowanie do ceramicznego dielektryka i unikając wad strukturalnych, takich jak pękanie i rozwarstwianie międzywarstw.
(4) Wyższa czystość: proszek niklu-o wysokiej czystości, z niską zawartością tlenu i niskimi zanieczyszczeniami, może skutecznie hamować utlenianie/wytrącanie i dryf rezystancji w warunkach wysokiej-temperatury, znacznie poprawiając długoterminową-stabilność pracy i niezawodność wysokiej-warunków atmosferycznych miniaturowych MLCC.
Jakie metody przygotowania umożliwiają produkcję proszku nanoniklowego dla MLCC?
W oparciu o powyższe rygorystyczne wymagania tradycyjne metody-w fazie ciekłej i w fazie stałej-, takie jak redukcja chemiczna i piroliza natryskowa, nie są już w stanie w pełni spełniać wymagań produkcyjnych w zakresie-ultra-drobnego, bardzo jednolitego proszku niklu w skali nano do-najwyższej klasy miniaturowych MLCC. Dlatego technologie przygotowania-fazy gazowej reprezentowane przez CVD i PVD, charakteryzujące się zaletą precyzyjnie kontrolowanego tworzenia cząstek, stały się podstawowymi drogami technicznymi do przygotowania proszku nanoniklu do-wysokiej klasy MLCC.
01 Metoda rozkładu karbonylu niklu
Istotą proszku karbonyloniklu jest wykorzystanie selektywności odwracalnej reakcji gazowej-stałej. W stosunkowo niskiej temperaturze i pod pewnym ciśnieniem nikiel metaliczny w fazie stałej reaguje z CO, tworząc lotny tetrakarbonyl niklu (Ni(CO)₄), podczas gdy zanieczyszczenia pozostają w fazie stałej. Tetrakarbonyl niklu jest następnie rozkładany termicznie w wyższej temperaturze i pod niższym ciśnieniem w celu regeneracji stałych cząstek czystego niklu i gazowego tlenku węgla, w wyniku czego ostatecznie otrzymuje się ultra-drobny kulisty proszek niklu.
Największymi zaletami tego procesu są niezwykle wysoka czystość, doskonała kulistość i wysoka aktywność spiekania. Rozmiar cząstek można precyzyjnie kontrolować w zakresie 1–20 μm, przy wąskim i jednolitym rozkładzie wielkości cząstek, dzięki czemu idealnie nadaje się do wymagań produkcji masowej w zakresie wysoko-warstwowych-liczników MLCC o dużej-pojemności z ultra-cienkimi dielektrykami poniżej 1 μm. Jednakże jego podstawowymi wadami są trudność w zapewnieniu bezpieczeństwa procesów i kontroli środowiska. Tetrakarbonyl niklu jest wysoce toksycznym i niebezpiecznym medium stawiającym niezwykle wysokie wymagania w zakresie ochrony produkcji,-sprzętu przeciwwybuchowego, oczyszczania gazów resztkowych oraz systemów bezpieczeństwa i konserwacji, dlatego jest stopniowo wycofywany.
02 Metoda chemicznego osadzania z fazy gazowej CVD
Chemiczne osadzanie z fazy gazowej CVD to-zaawansowana technologia przygotowania proszku niklowego, zmonopolizowana przez japońskie firmy. Jego podstawowa zasada polega na tym, że gazy prekursorowe, takie jak chlorek niklu, są redukowane do pierwiastkowych atomów niklu w-fazie gazowej-o wysokiej temperaturze, a następnie równomiernie zarodkują, rosną i kondensują w ultra-drobny nano proszek niklu.
Podstawowymi zaletami tego procesu są jednolite środowisko reakcji, kontrolowane zarodkowanie, wysoka czystość, brak aglomeracji i doskonała-kompatybilność ze współspalaniem. Obecnie jest to proszek wspierający rdzeń dla międzynarodowych-ultra-ultra{3}}dielektrycznych, ultra{4}}wysoko-warstwowych-komórek MLCC. Jednak jej podstawowy sprzęt i technologia procesowa są zmonopolizowane za granicą, co wiąże się z niezwykle wysokimi kosztami inwestycji w sprzęt, wysokimi progami-procesów produkcji masowej i wysokimi kosztami produkcji.
03 Metoda fizycznej kondensacji pary PVD
Proszek niklowy PVD to kluczowy przełomowy kierunek w krajowej substytucji. W procesie tym rezygnuje się z reakcji chemicznych. Zamiast tego w próżni lub w środowisku ochronnym gazu obojętnego (takiego jak argon) stały metaliczny nikiel odparowuje się w wyniku- ogrzewania w wysokiej temperaturze (takiego jak ogrzewanie oporowe, ogrzewanie plazmowe, wyładowanie łukowe, ogrzewanie laserowe itp.), tworząc pary atomów niklu. Atomy gazu zderzają się następnie ze sobą i tracą energię, powodując szybkie zarodkowanie, a na koniec szybko kondensują w obszarze niskiej{{5}temperatury w cząstki proszku niklu o wielkości nano- do submikronowej-.
Zasada przygotowania proszku nanoniklowego metodą PVD
Proszek nanoniklu wytwarzany tą metodą charakteryzuje się wysoką czystością, dobrą krystalicznością, gładką powierzchnią i dużą odpornością na utlenianie. Może w pełni spełniać wymagania dotyczące proszku niklowego stosowanego w elektrodach wewnętrznych MLCC, a proces produkcji jest przyjazny dla środowiska. Jednak ze względu na złożony sprzęt produkcyjny i niską wydajność kontrolowanie stabilności w masowej produkcji na dużą-skalę i optymalizacja kosztów pozostają pilnymi problemami do rozwiązania.