积层陶瓷电容器制程技术简介

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1、建立日期 2004/6/24 12:02:00 第 15 頁，共 15 頁積層陶瓷電容器製程技術簡介 何建成* 蔡聰麟* 華新科技研發本部* 華新被動系統聯盟技術長 隨著3C產業的不斷精進與蓬勃發展，帶給我們日常生活愈來愈便利，其中積層陶瓷電容元件扮演著不可或缺的角色。以PCB電路版上面被動元件電容器使用量，一支手機使用近200顆左右不同類型尺寸的積層電容，不難想像其在整個電子產業用量之驚人，這也是積層陶瓷元件需求量不斷成長，且此產業發展潛力被看好的原因，而被動元件永遠圍繞在身旁（Always around you！）也絕不誇張！ 積層陶瓷電容是將介電材料原料、燒結助劑、黏結劑等混合形成可繞曲

2、的大面積生胚薄帶(green tape)。在適當的面積上利用Ag-Pd貴金屬或Ni、Cu等高熔點卑金屬以印刷塗佈的方式形成內部電極。然後依據所需的電容大小反覆將層數重疊並進行裁切，為了絕緣和機械強度的考量，通常最外層會再額外疊上沒有加上電極的陶瓷層。所形成的疊層生胚經過高溫燒結之後，在露出內部電極的位置塗佈銀-鈀或銅經過燒付的外部電極。完成之後的介電材料層厚度目前甚至可以達到12m的程度，而電容值可以達到100F以上，直接切入以前是電解電容才能做的到的容量範圍。積層陶瓷電容元件製程冗長且牽涉廣泛，由生胚製程、熟胚、高溫製程到成品測試包裝，環環相扣互相影響，唯有對每一製程深入探討，不斷提高製程能

3、力，才能使元件產品薄層化及尺寸微小化，同時也更促使身邊各種家用電子產品不斷朝向輕薄短小化邁進。積層陶瓷元件製程可概略區分為生胚製作製程、熟胚高溫製程及成品測試包裝製程。整個流程及產品結構示意圖如圖一及二所示。 圖一. 積層陶瓷元件製程示意圖圖二. 積層陶瓷元件結構示意圖I. 生胚製作製程為得到高品質的積層陶瓷元件關鍵在生胚，而在生胚製程中漿料配方可說是整個生胚製程的精髓所在，品質不良的漿料注定只能做出品質不良的薄帶 ! 理想的生胚漿料具有適當的流變行為、高固體含量、粉體均勻的分散、漿料各成份不發生反應、在乾燥過程中溶劑容易揮發，生胚中不會氣泡殘留或有橘皮效應者為佳。而漿料配方包含陶瓷材料以及高

4、分子材料。陶瓷材料則取決於產品種類配方，牽涉產品電氣特性及後續燒結製程。茲將圖一之中各關鍵製程逐項說明。 球磨 (Ball milling)欲製造高品質的積層陶瓷電容，生胚薄帶厚度須均勻且有良好的操作性，所以如何調整有機添加劑系統以達到一非常穩地且適合生胚薄帶成形的漿料就顯得格外的重要，且與整個生胚製程息息相關。球磨的功能是在研磨陶瓷粉體及混合作用，以達到所需要的粒徑大小，粉體粒子均勻分散性及最低容忍之研磨污染。球磨與分散其實有相輔相成作用，目的在於打破凝團成為單獨的粉末粒子進而降低其粒度。一般而言陶瓷粉體所形成之漿料有凝聚（Agglomeration）之現象，而呈現較高之黏度的假塑性流體，如

5、用此流體去形成薄帶會得到較差的生胚密度，造成燒結後密度較低。若於漿料中加入適當的有機添加劑，降低黏度與改善分散情況，則可改善假塑性流體漿料於成形時生胚薄帶的密度。而要製造出高品質之優良薄帶，先決條件是其漿料必須分散良好、穩定性高、黏度適中。一般用於生胚薄帶之漿料配方中除了陶瓷原料外，還包含諸多有機添加物，要注意的是，漿料中有機添加劑之添加順序會影響漿料的品質。這些有機添加劑主要包含溶劑（Solvent）可分有機溶劑或水溶劑、分散劑（Dispersant）及黏結劑（Binder）、塑化劑或稱可塑劑（Plasticizer）、及適當之消泡劑、潤濕劑，以下將就各組成選擇方式加以說明。(1)溶劑（So

6、lvent）之選擇溶劑在漿料中的主要功能是當作黏結劑、分散劑、可塑劑等有機添加劑的承載體(vehicle)，並使漿料各成份均勻分散其中，其選用考量應以能完全溶解有機添加劑為優先，以及不同粉末特性材料的匹配性、恰當的揮發乾燥速度，以免在製程中發生些氣泡、針孔、橘皮現象等等不良的情形。溶劑種類可分為水性溶劑及油性溶劑，水性溶劑系統其缺點是揮發速度較慢，且水含有氫鍵易造成漿料凝固現象或呈現較高的黏度，好處是無有機溶劑揮發所造成的環境污染及其處理設備與費用。雖然近年來環境保護意識的擡頭，水溶性系統又逐漸受到重視，但對水系配方及其製程改善則是一個重點課題；油性溶劑較無以上之缺點又能得到較好的特性，所以較

7、普遍被工業界採用，但油性溶劑亦有其缺點，其高揮發性易造成生胚薄帶成型時，氣泡或孔洞缺陷的產生，因此在油性溶劑製程中，通常會選用兩種以上溶劑以產生共沸組成 (Azeotropic)，期能提高分散效果，並穩定均勻揮發，避免發生漿料成份偏析現象。不同溶劑系統會使黏結劑分子鍊伸展情況與分散劑表面吸附狀態有所不同，對於漿料的流變性與形成之生胚薄帶品質會造成明顯差異，因此溶劑之選用應與所有添加劑相互匹配。以下二表數據可提供選用參考。表一 常用溶劑之物理性質表二 雙元共沸混合溶劑質非水系雙元共沸混合溶劑之使用例如甲乙酮（MEK，Methyl Ethyl Ketone）、甲苯、二甲苯、己烷、三氯乙醇，其與適當

8、比例乙醇之混合液均有共沸之效果。(2)分散劑（Dispersant）之選擇分散劑的選用取決於溶劑系統種類及陶瓷粉末種類。分散劑可藉影響粉體表面電位來改善漿料中粉體凝結情形及漿料穩定度。當粉體凝集較嚴重時，只能得到低生胚密度；而分散較佳的漿料，可得到較高的生胚密度。溶劑中加入分散劑，使其吸附在粉體表面，利用其產生之電雙層斥力或空間排斥力，而使粉體於漿料溶液中能均勻分散。一般在水性溶劑系統時，主要係利用靜電排斥型分散劑，利用控制PH值或控制離子對以控制雙電位元層厚度，來達成分散粉體的效果；而有機油系溶液中由於溶劑為低離子濃度及低介電常數，多半使用立體障礙效應空間排斥力顯著的高分子型分散劑。如何選擇

9、適當的分散劑種類及添加量，應與其系統中粉體特性、溶劑、黏結劑相互配合。一般分散劑）的分子量介於1000到10,000之間，對BaTiO3材料而言，磷酸酯（Phosphate Ester）、未飽和酯肪酸及曼哈頓魚油（Menhaden Fish Oil），甘油（Glycerol）等具有不錯的效果，其中曼哈頓魚油是很有效的分散劑而常在文獻中被探討，其有良好吸附能力，分子錨部連結於粉體顆粒表面，而其另一分子尾端部分可以與溶劑接合，達到顆粒的分散效果。而分散劑種類及添加量之選擇，可由黏度計觀察得知其加入分散劑後之黏度變化得知。良好的分散劑可使粉體均勻分散於溶劑中，漿料黏度下降，所製得生胚薄帶表面較為光滑

10、，且空隙均勻性較高。分散劑種類及添加量選用不當，將造成生胚薄帶表面有凝固成顆粒狀分佈不均之現象，於燒結時亦會影響收縮而使密度降低。而粉體愈細小、表面積愈高時，分散劑所需含量也相對提高。當具有良好的分散效果時，漿料沒有凝固現象、黏度較低、粉體堆積良好、孔隙率低、生胚密度集強度皆高；因此，如何選擇最適當的分散劑種類及添加量十分重要。(3) 黏結劑（Binder）之選擇黏結劑是提供生胚薄帶適當強度，以避免溶劑揮發後產生龜裂，選用須考慮薄帶及生胚製程(成型、印刷、疊層、均壓、切割等)作業條件要求。黏結劑為熱塑性高分子有機化合物，除須能提供乾燥後的生胚足夠的強度和韌性外，通常尚須具備以下幾點要求： 不會

11、與陶瓷粉體反應 受高熱容易完全分解成為氣體產物而減少殘碳與灰份存在於陶瓷胚體之中。 廉價及容易取得且溶解於低廉可揮發之溶劑中(工業大量使用考量) 與分散劑可塑劑相容，以免溶劑揮發後造成分離以致產生不均現象 提供漿料適當流變行為以利成型 低添加量與高生胚強度韌性和柔軟性，使陶瓷混合料不易受剪應力影響而斷裂分離。 不因高黏性而使薄帶與承載膜反應或無法脫膜 所製成漿料易長時間穩定儲存黏結劑一般常用包含有聚乙烯醇（PVA，Polyvinyl Alcohol）、聚乙烯酸縮丁醛（PVB，Polyvinyl Butyral）、聚氯乙烯（PVC，Polyvinyl Chloride）、聚苯乙烯（PS，Poly

12、styrene）、異丁烯酸樹酯（PMA，Polymethacrylate）、硝酸纖維素（Cellulose Nitrate）、丙烯酸樹酯（Acrylic Resin）等等。其中PVB及壓克力系丙烯酸樹酯均有酸的官能基，經氫鍵作用能強力吸附陶瓷粉體表面，所以是目前溶劑系統最被普遍採用的二種黏結劑。而水系系統則採用PVA為主。黏結劑的添加量不但影響黏度，更影響生胚強度及延展性。黏結劑的用量原則上要儘量少，過量的黏結劑同時將使得生胚中粉體距離增加，造成燒結時無法有效緻密及最終成品密度下降，進而造成產品特性劣化。一般現像是，黏結劑量越多漿料黏度越高、生胚越軟。黏結劑分子量越大漿料黏度越高、生胚越硬。生

13、胚的軟、硬除了影響相關疊層均壓製程作業條件外，與產品良率有重要影響。(4)可塑劑（Plasticizer）之選擇可塑劑使用目的在增加降低黏結劑之玻璃轉換溫度，適當添加可塑劑，可使漿料黏度降低，使混合料之刮刀成形過程的塑性變形能力及薄帶生胚彈性、強度與延展有效改善，以利於塗膜成形，增進生胚薄帶加工性。其選用的考慮因素為完全溶於溶劑中，並不會與黏結劑分離，通常以低、中分子量化合物為選擇對象，常用的可塑劑例如聚乙二醇（PEG，Polyethylene Glycol）、鄰苯二甲酸丁酯苯甲酸（BBP，Benzyl Butyl Phthalate）、Di-Octyl Phathalate（DOP）及Di-

14、n-Butyl Phathalate（DBP）等，均對漿料流變性有改善、提供生胚薄帶強度、能改善延展性提供適當效果。(4)脫泡劑及潤濕劑之選擇 脫泡劑（Antifoaming agent）如三丁酯磷酸（TBP，Tributyl Phosphate），主要功能是可抑制漿料中的微細泡沫的形成，以減少生胚薄帶中泡沫造成空洞缺陷，並提高漿料的表面張力。一般在調致漿料配方之基本概念，是以得到所需生胚薄帶品質，其有機添加劑添加量越少越佳，所以脫泡劑只在必要時才添加，一般均採用真空脫泡的物理方法來取代添加脫泡劑。而潤濕劑（Wetting Agent）多為中、小分子量有機物，如異辛基苯氧基聚乙氧乙醇（Isoc

15、tyl phenyl polyethoxy ethanol）有助於粉體表面潤濕。 粉末在調製漿料之前，粉體表面容易吸附空氣中的水分，佔據了分散劑吸附表面的位置，造成分散不良進而漿料黏度變高，故要獲得良好的漿料，粉體儲存環境之控制就十分重要。上述各適當添加劑經實驗選定後可進行球磨製程。生胚薄帶之表面平滑均勻性是隨著粉體顆粒、晶粒大小及組成不同，而有明顯變化。 在粒徑控制方面，粉體粒徑大小分佈對刮刀成型之漿料流變性影響甚鉅。粒徑分佈較寬廣之粉有利於假塑性流體漿料形成，但太寬之粒徑分佈差異使漿料不易有效控制漿料的膠體化學特性，流變均勻性變差，不易達成陶瓷薄帶中理想顆粒堆排，導致生胚密度不均勻、燒結收

16、縮率不一現象。較細小之粉體要得到良好的分散效果則所需之分散劑添加量亦隨著增加，其成型之有機黏結劑添加也相對地提高，如此將不利於燒成密度。若採用適當的粉粒粒徑分佈有助於形成均勻的粒子堆排效果，同時也可使燒結溫度降低些許，燒結體可望有較均勻之收縮，以減低熟胚中的缺陷情形。因此要適當選擇粉體粒徑分佈。 刮刀成形 ( Foil coating)陶瓷薄帶的成形方式種類眾多，如刮刀成形、旋轉塗佈、浸附塗佈、擠壓塗佈、淋幕塗佈、微凹版塗佈、滾筒塗佈等等方法，必須依照生胚漿料黏度、流變行為及生胚薄帶厚度、寬度等條件選擇恰當薄帶成形方法。而其中刮刀成形技術大約開始於1940年，早期用來製造積層陶瓷電容及壓電陶瓷

17、薄帶，目前已是電容製造的主軸。刮刀成形原理是將陶瓷粉體和一些有機添加劑均勻地分散於有機溶劑或水中，然後將此觸變性漿料利用刮刀均勻塗佈於承載PET膜（Mylar）上，隨著溶劑的揮發，陶瓷粉體自然堆和排列，藉著黏結劑作用使粉體具有足夠的強度結合在一起，而形成薄帶。理想的刮刀成形之漿料乃為高固含量，適度的黏度、溶劑不會藏泡或表層揮發變硬。磨碎後以篩目在50m左右尼龍濾網來過篩，可濾除較大而無法溶解的粉團或黏結劑。薄帶的厚度決定於刮刀間隙、漿料黏度、刮刀速率(承載帶移動速度)、風乾收縮率、及漿料之固含量。水系漿料由於乾燥較慢，機台長度必須增加。刮刀成形的乾燥過程中，必須控制加熱與空氣流動情形，不致使生

18、胚過快乾燥，而造成硬表層而產生裂紋或空氣內陷於生胚薄帶之中，尤其油系漿料的乾燥速率過快很容易造成薄帶變硬易龜裂。承載帶的材料選擇是使其不與刮刀後的生胚有黏膜的現象，常用的承載帶為不銹鋼、紙帶、玻璃、及塑膠。像不銹鋼屬於舊式系統使用，目前最常用的塑膠是聚乙烯或醋酸纖維素等較便宜的材料，厚度約在50-38m左右。倘若生胚與承載帶間的黏著力大於生胚自身的強度，則在收集生胚時，會造成困難。為了使生胚乾燥後容易由承載帶的表面分離，不會因黏膜而斷裂，通常這些塑膠承載帶表面會塗佈助剝離劑。一般而言較厚的生胚比較容易從承載帶分離。生胚薄帶的製作，是積層陶瓷的主要關鍵，生胚薄帶要求之各項性質如下：1. 厚度均勻

19、，平滑緻密，無針孔、氣孔等缺陷2. 具適當的強度與柔軟性3. 可疊層壓合積層化4. 可切割、沖壓、不會發生龜裂、斷面平整5. 孔隙率低，表面粗糙度良好，可精密印刷電極6. 有機添加劑須完成分解，其胚體不發生龜裂7. 生胚密度均勻，燒成後尺寸收縮安定，平整不變形網版印刷(printing)程網版印刷早期是應用於手工藝性的技藝，對印刷的品質與技術層次要求不是很高，然而隨著時代的進步，網版印刷也被發展成為一種高品質、高精密、高穩定性的技術，應用範圍推展到高科技的電子產品如積層、厚膜元件與PCB線路印刷。在積層陶瓷製程中即應用網版印刷進行金屬電極線路印刷。其印刷方式是將生胚薄帶置網版(Printing

20、 Screen)下，藉著刮刀將金屬電極油墨刮過經設計圖案網版，使其透過網版在生胚薄帶上形成一層與網版相同的圖樣的金屬電極層。在設計印刷網版時必須要考慮到生胚燒成陶瓷體之後的收縮率(shrinkage)及以後各步驟的處理方法。因此印刷網版上面積必須要先加以決定，才能符合成品的要求。印刷電極後經重複積層此並考慮到收縮率，其燒成後的電容量為 (N-1) AeffC 8.85 x 10-12 x K x t 其中Aeff 表示每一層電容的有效面積 N 表示疊層數目 t 表示燒成後每一層陶瓷體的厚度 K 則為介電常數在網版印刷過程中，只有刮刀、網版、漿料與基板接觸的接面上進行，因此應該常常思考在這介面上

21、會發生甚麼事情。 所謂的印刷機應該定義為，具有能將基板與網版平行固定，且刮刀能以所需之壓力與速度移動的機器。在網版印刷進行的時候，在介面上有下列四個基本的印刷參數：l 為了使網板與基板分離的網印間隙（網版的反彈力）l 刮刀會透過網板鴨在積板上產生刮刀之印壓（接觸壓）l 刮刀與網版接觸的實際接觸角度（attack angle）l 為了使漿料能回轉向下流動的刮刀速度大體上，以往印刷時，所考量的細微印刷要因，都包含在上述四個印刷參數內。在內電極油墨的部分，這些金屬粉末多半由沈澱法得到再製成油墨印刷於薄帶上，而沈澱法製程之金屬粉表面積有時可達到每克數百平方米，此時凝聚現象會非常嚴重也相對需要大量溶劑及

22、黏結劑來潤濕其表面，因此多數會選用15m2/g表面積之金屬粉來製作電極油墨。影響印刷好壞之因素很多，大致可歸類如下：(1) 金屬電極油墨因素，包含油墨中有機添加劑或金屬粉體形狀、大小分佈與流變特性。(2) 網版的差異，影響因素有網版的材質平面度、平行度、大小、網版的材質、網目、開口率、厚度、張力大小、乳膠厚度等。(3) 印刷定變數架空距離（Snap off Distance）、刮刀壓力、刮刀角度；刮刀硬度等。(4) 環境因素，包含溫度、溼度和潔淨度。一般印刷的環境需要保持在2025間，而溼度稍有上升時會增加灰塵的附著，所以周圍環境需要保持清潔，因灰塵常會造成所印之線路短路而造成品質之不良，故大

23、部分都以無塵室為工作場所。電極經網印印製烘乾完成後，則可經後續疊層（stacking）、均壓（Laminating）、切割（Cutting）而得到的生胚晶粒。疊層（stacking）採用乾疊法時可以預先大量印好電極，經烤乾後在疊在一起。但必須注意的是在堆疊時每一層的電極必須左右交錯, 亦即相差180，同時必須避以免因移動而產生誤差。圖三. 積層陶瓷元件疊層及切割線示意圖這些製程機台精準度扮演著吃重的角色。因此，除瞭解上述高分子配方影響外，對各製程設備之操作均需深入探討瞭解，才能針對各種不同生胚製程需求，穩定的製造各種生胚產品。均壓（Lamination）及切割（Cutting） 在完成的積層電

24、容堆疊塊材中，胚體被安置於一耐壓力裝置的塑膠袋內部，並為了將氣體排掉而將塑膠袋內裝置抽成真空，再以靜水壓（hydraulic press）的方式來壓成半固形的方塊。通常在加壓以前，水會被加溫，以使浸泡胚體內部之有機黏劑軟化有利壓合。所加入的壓力約為數Kpsi，視所有的電極塗料而定。而生胚疊壓製程不良會產生對位線不準直和層裂（Delamination）問題，因為疊壓的溫度或壓力不對，將無法使生胚疊合起來，而產生層裂或因為機台壓力無法均壓，產生對位線不準直。 均壓後半固形的生胚體通常被置於自動切割機內以切割的方法將之切成獨立晶片（chip）。在切割過程理所要求的是切割的精確度，切割的精確度與所使用

25、的儀器有關。一般切割大多以兩種方式進行：刀片切割及鑽石鋸片切割。刀片切割相當快速，要控制的是塊材料的強度及彈性，即乾燥度及適當的溫度，而此方法應用於較厚的胚體塊材會有角度的偏斜；另一為鑽石鋸片切割，此法要求塊材需完全乾燥及堅硬，其切個出來是完全垂直的切痕。以外，假若電極的端界限（end margin）的安排不當，使刀口切割的位置在電極的邊緣，則會形成邊界過窄的電容器，此類結構在端電極燒成後會形成短路現象。 以刀片切割而言，一般造成不良品的原因如下1.切割面不平整（毛邊） 生胚預熱的時間不足最易出現的不良就是切割面產生不平整（毛邊），因為生胚未達到其軟化的溫度，所以鎢鋼刀片在切割時所受到的阻力變

26、大，容易使刀片損壞或變形，而刀片破損就是最容易造成切面不平整的原因，因此若刀片的硬度不夠，產生毛邊的機率就會增加。另外下刀的深度不夠無法切到底，導致生胚自行斷裂，也會使切面產生不平整。2.截面不垂直 截面的不垂直仍和生胚預熱溫度或時間的不足或刀片的材質或下刀的速度等因素有關。刀片在下刀時，原本是垂直的，但因為胚體軟化不夠，造成下刀瞬間刀片偏掉形成切面變形。另一因素就是不正確的架刀方式造成刀片傾斜，進而影響切割面的歪斜。3.位移 因為切割是以對位線為主，位移會產生對位的不準確性，所以生胚內單位元件移動後，切割時就會切到元件以致產生不良品。而造成移位的因素很多，如刀片的厚度、切割的方式、承載台吸力

27、不夠等，這些因素都會產稱排擠效應而造成位移。4.製程能力的考量 前段製程中印刷電極設計與生胚疊層兩段製程影響切割製程最大，印刷電極太大造成所剩線距太小，造成不良率的機率就提高許多。另外疊層不夠準直，切到的機率也相對提高了。所以印刷電極在設計的時候，就要考量切割製程能力的限制。II. 熟胚高溫製程在熟胚製程中，主要是利用多種熱處理程式，將原本生胚予以緻密化，以展現元件機械強度及產品電器特性等功能；積層電容器的熱處理可分為兩部分，即有機黏結劑的燒除和燒結。黏結劑燒除(BBO)有機助劑的添加包含分散劑、塑化劑、黏結劑等等使燒除(或稱脫脂)的過程隨配方而變得複雜。在積層電容器的生胚裡，無論是陶瓷層或電

28、極塗料均包含有大量的有機黏劑，通常在陶瓷層裡有機黏劑的含量約為1020，而在電極塗料裡更甚有高達50，因為這些黏劑的存在，而使到電容器在燒成過程中有高達20左右的收縮率。有機黏結劑的添加只要提供晶片的強度，以保持晶片在作業中一直到燒結完成的形狀，當高分子材料角色已完成階段性任務，需以燒除製程去除。在燒結過程中無機陶瓷粒子希望被結合成緻密體，此需要將有機物完全趕出，而燒除或裂解過程即為此目的而來。燒除必須以緩慢並控制其氣體排出，急速或不完全的燒除會對燒結胚體特性有不良影響。在加熱的過程中碳部分在表面的有機分子有機會隨蒸氣壓逃逸，內部碳氫氧分子鍵隨溫度提高而振動增加，最後高分子裂解成較小分子而揮發

29、掉，而在更高溫的範圍，若無適當的氧幫助氧化，則這些有機分子可能會被碳化而殘留於胚體中，通常建議在裂解溫度附近要以較緩慢的昇溫速率來進行，以使生胚內部的有機物有足夠的時間擴散離開。基本上要有適當的溫升曲線才能使這些有機黏劑排除掉，假若處理不當讓大部分的有機在很窄的溫度範圍內同時逃逸，易造成電容器胚體表面起泡、微裂縫（micro cracks）、層裂或內部孔洞的情況發生，而導致容量的減少，絕緣電阻以及介質強度的降低。通入適量空氣是經濟而有效的做法，可有效控制裂解速率，但特別注意是含Pd的電極中，過量的氧氣會催化放熱裂解反應。至於適當燒除溫度的選取，可用的升溫曲線端視所用的黏劑成份來決定，可參照熱重

30、分析TGA或示差熱分析DTA得實驗曲線瞭解高分子材料分解、反應等特性來設定。燒除後所剩餘之陶瓷及金屬電極材料則需於燒結製程中完成緻密化。在BBO氧分壓不足時會造成不完全的燒除，使黏結劑形成不完全的碳化，殘留多餘的碳在燒結區有還原的作用，會使晶粒發生異常成長，使微結構不均而影響產品特性。燒結(Sintering)有機物排除掉以後，生胚變得相當脆弱，必須經過燒結後，才能變成為堅固的陶瓷粉體。燒結的目的在於使粉末經加熱作用後連結在一起，並排出生胚中的孔隙達到緻密化的熟胚，這種緻密化的過程在以往貴金屬陶瓷配方中，還可分為Low firing(1280)，通常低溫燒結可藉加入液相來幫助燒結。而高溫燒結則

31、不添加此種燒結助劑，而靠擴散為主的固態燒結來達成緻密化。燒結過程的溫度比排除有機物高出甚多，其確實所需的溫度視陶瓷體的成份為何來決定。 由前段製程開始至此，使用於製作積層電容的製程必須相當精確，以達到高良率大產能低成本的生產。此外原物料的採用也需受到嚴密的控管，否則相關的電器物理特性也將受到影響，這在燒結過程中可見一斑。在BaTiO3中，Ba/Ti劑量比密切左右晶粒成長的動力學及其缺陷結構，有效的劑量比受不純物存在及其佔據位置比率所影響。一些微量的元素，如Al、Na、K等會取代晶格位置，成為結構中的電子缺陷所在，必須確實控制這些雜質。同時，陶瓷介質的介電常數和損失，不單是由化學組成決定，同時也

32、受到燒成過程和爐內氣氛的影響。溫度過低會導致燒結的不完全，空孔高則密度低，溫度過高陶瓷體會過燒而失去其作為介質的特性。若燒成時間長的話，陶瓷體會產生晶粒過度成長，含有此種晶粒的陶瓷，其介電常數極高，絕緣電阻減少。同時燒成必須在氧化氧氛中進行，若氧過少會使Ti離子由Ti4+還原成為Ti3+，因而有半導性（T13+與T14+之間的離子價交換）的存在，而使絕緣電阻下降。在鈦酸鋇陶瓷體中，陽離子空缺濃度會隨溫度而增加，因此在高溫峰之後降溫過程要加以控制，在緻密化過程更要嚴格控制其溫度-時間燒結曲線。隨著陶瓷配方不同，高溫峰可在900到1400間變化，整個燒結完成也可能花1至2天時間，在這些燒結過程後晶

33、片容器得電器特性被定了下來，因此所有燒結參數最重要的便是其再現性。所有溫度、時間及在爐內位置等變異均要控制最小。此外，使用在還原環境下介電特性不會劣化的介電材料即卑金屬內電極（Base Metal Electrode，即Ni或Cu） 來形成積層陶瓷電容則要更小心其氧分壓的控制，在設備上、製程條件上需有非常大的改變。此產品與原積層電容的製程不同點，除了材料不同外，最大的差異就是整個熟胚製程需要考慮氣氛的控制。如圖四的平衡相圖所示，要控制使Ni不氧化而Ti4+又不還原成Ti3+的範圍內，通常要精確控制此氧分壓，可藉由CO/CO2或N2/H2的混合氣體來達成，圖四Ni,TiO2氧分壓對溫度的平衡相圖

34、要注意的是通常用於內電極的Ni粉相當微細而表面積大、活性大易氧化，氧化後的體積膨脹造成層裂得風險。以CO/CO2而言，通常控制其間比例而組成緩衝(buffer)氣體系統，能使Ni不致氧化而陶瓷體也不會持續還原，避免了過高的氧空缺濃度，導電度上升及電容器的壽命劣化，亦即經由2CO22CO+O2平衡所得到的氧分壓是會使2Ni+O22NiO有利向左，而Ti2O3+1/2O22TiO2有利向右的反應。除了用緩衝氣體的比率來控制氧分壓外，通常會搭配利用二氧化鋯電池半反應的固態電解質偵測器紀錄其在750工作溫度的電動勢來確認氧分壓的正確性。燒結機構與陶瓷材料種類以及陶瓷材料粉末粒度、生胚密度等有關，屬於陶

35、瓷材料相關技術。但一般容易忽略的是，當不同材料一起共燒時，因異種材料間的反應性及彼此熱收縮差異性不匹配，造成品質劣化。端電極(Termination) 端電極的存在是使內電極連接在一起形成並聯狀態，並提供和外電路的連接路徑。以往常用的材料是Ag，但也有Pd-Ag，Pd-Au及Au等材料。這些材料也是和有機物及所謂的glass frit混成塗料狀，然後採用dipping的方式附著在陶瓷體上，經過燒成後就成為外部端電極。端電極製程賦予元件產品應用性能，除連接內電極也提供SMD的接觸位置。除需要瞭解端電極材料本身的特性，以得到恰當燒附溫度曲線外，也要瞭解如何掌握設備條件以控制端電極尺寸；當然，對於卑

36、金屬內電極積層陶瓷電容而言一般採用的是Cu，氣氛的控制仍然是需要特別注意的。最後電鍍製程屬於電化學作業，除了維護藥水的穩定性以使電鍍品質始終均一外，如何使得每顆產品在滾鍍作業中獲得一致的鍍層厚度，也是必須考量重點。III. 成品測試包裝製程積層元件成品在出貨前，成品需全數經過測試、檢驗、包裝等作業才算完成。由於積層陶瓷元件生產數量均以百萬顆計算，因此製程除設備作業條件設定的探討外，單位時間產能也是重要考慮因素；除製程本身考慮外，品保抽驗方法、元件的各種電氣特性檢驗規範、方法、產品可靠度試驗，也都是積層元件製程不可疏忽的重要環節。表三列舉了這些項目。表三 積層電容元件電氣特性檢驗及可靠度試驗項目

37、Electrical Screening Test（typical conditions） Capacitance（1V RMS at 1 MHz100pF，1 kHz100 pF） Dissipation factor（1 V RMS at 1 MHz100pF；1 kHz100pF） Dielectric withstand voltage（2.5rated voltage typical） Insulation resistance（at rated voltage,25） Insulation resistance（rated voltage and maximum rated tem

38、perature） Voltage-temperature coefficient of capacitance Dielectric strength（destructive test）Physical and Mechanical Screening Test Dimensions Visual and marking legibility Solderability Resistance to solder heat Terminal strength（tensile or push-off tests） Terminal strength（fluxure or peel test） T

39、hermal shockNondestructive Internal Quality Inspections X-radiography N- radiography Acoustic microscopy Acoustic emissionDestructive Quality Inspections Cross-sectional and microscopic analysisEndurance Tests Load life（typically rated voltage and at maximum rated temperture） Low voltage life（typica

40、lly 1.5-3V at maximum rated temperture） Accelerated load life（typically 2ratio voltage at maximum rated temperature） Load-humidity test（typically at rated voltage,85,85RH）Based on military and EIA and EIAJ specifications MIL-C-39014,RS-198 and RC-3402.綜合上述說明可以瞭解，積層陶瓷元件製程涵蓋高分子材料、陶瓷材料、以及金屬電極材料等專業知識。積層

41、陶瓷元件必須在上述各種技術及學問均能融會貫通，不斷的進一步改善各段製程能力，才能製造出好產品。即唯有不斷提高製程能力，朝向薄層化尺寸精準化，搭配新材料、新設計，陸續發展出新產品，不單為改善企業獲利能力，同時也才能真正使身邊各種家用電子產品有空間不斷朝向輕薄短小化邁進。參考文獻：1. Rodrigo Moreno, ”The role of slip Additives in Tape-Casting Technology : part I-solvents and dispersant” Amer. Ceram. Soc. Bull 7110 1992. pp.1521-15312. Rodr

42、igo Moreno,” ”The role of slip Additives in Tape-Casting Technology : PartII Binders and Plasticizers” Amer. Ceram .Soc. Bull 71 111992. pp.1647-16573. Lionel M.Levinson, ”Electronic Ceramics- Properties, Devices and Application” Chap.4. Marcel Dekker. Inc 19884. Y.Sakabe, T.Takagi, and K.Wakino, D.M.Smyth, ”Dielectrics Material for Base-Metal Multilayer Ceramic Capacitors” Advances in Ceramics 19 (1986)103-1155. Manfred Kahn ”Effects of partial Oxygen Pressure During Burnout of Multilayer Structure” Advances in Ceramics 19 (1986)185-188