稀土氧化物在MLCC中的应用

陶瓷配方粉是MLCC的核心原材料，占MLCC成本的20%~45%，特别是高容 MLCC 对于瓷粉的纯度、粒径、粒度和形貌有严格要求，陶瓷粉体成本占比相对更高。MLCC是在钛酸钡粉体中添加改性添加剂后形成的电子陶瓷粉体材料，可直接用作 MLCC 中的电介质。

稀土氧化物是MLCC介质粉体的重要掺杂成分，虽然占MLCC原料比重不到1%，却能起到调整陶瓷特性的重要作用，有效改善MLCC的可靠性，是高端MLCC用陶瓷粉体的研制过程中不可或缺的重要原料之一。

1.什么是稀土元素

稀土元素又称稀土金属，是镧系元素和稀土类元素群的总称，具有特殊的电子结构及物理化学性质，其独特的电、光、磁、热性能而被人们称之为新材料的宝库。

稀土元素分为：

轻稀土元素（原子序数较小）：钪（Sc）、钇（Y）、镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）和铕（Eu）；

重稀土元素（原子序数比较大）：钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)。

稀土氧化物在陶瓷中的应用十分广泛，主要有氧化铈、氧化镧、氧化钕、氧化镝、氧化钐、氧化钬、氧化铒等。向陶瓷中掺杂少量或微量的稀土可以极大的改变陶瓷材料的微观结构、相组成、致密度、力学性能、物理化学性能极烧结性能。

2.稀土在MLCC中的应用

钛酸钡是制造MLCC的主要原料之一，钛酸钡具有很好的压电、铁电和介电性能，纯钛酸钡的容量温度系数大、烧结温度高、介质损耗较大，不宜直接用于制造陶瓷电容器。

图 钛酸钡晶体结构及介电率随温度变化 研究表明，钛酸钡的介电性能与其晶体结构密切相关，通过掺杂手段可以实现钛酸钡晶体结构的调控，进而改善其介电性能。这主要是因为细晶钛酸钡掺杂后会形成一种壳-芯结构，这种结构对改善电容量温度特性有重要的作用。

图 理想的钛酸钡陶瓷的壳-芯结构

掺杂稀土元素于钛酸钡结构中，是用来改善MLCC的烧结行为及可靠度性的方式之一。稀土离子掺杂钛酸钡的研究可以追溯到20世纪60年代初，稀土氧化物的加入降低氧的迁移率，可以增强介质陶瓷的介电温度稳定性和耐电特性，提升产品的性能和可靠性。常添加的稀土氧化物有：氧化钇（Y2O3）、氧化镝（Dy2O3)、氧化钬（Ho2O3）等。

图 稀土氧化物掺杂BaTiO3漏电流变化曲线

稀土离子的半径大小对钛酸钡基陶瓷的居里峰的位置有至关重要的影响。不同半径的稀土元素掺杂会改变具有壳-芯结构晶体的晶格参数，从而改变晶体内应力，半径较大的稀土离子的掺杂使得晶体产生赝立方相，并使晶体内部产生剩余应力；对于半径较小的稀土离子的引入产生的内应力也较小，并抑制壳-芯结构产生相变。

即使是少量使用的添加剂，稀土氧化物的特性（例如粒度或颗粒形状）也会显著影响产品整体的性能或品质。高性能MLCC不断向微型化、高叠层、大容量化、高可靠性和低成本化方向发展，世界最前沿的 MLCC 产品已进入纳米级，作为其重要的掺杂元素的稀土氧化物应具有纳米级的颗粒尺寸和好的粉体分散性。

审核编辑：刘清