Proboj u tehnologiji elektroda osnovnih metala (BME) učinio je prah nikla glavnim materijalom za unutrašnje elektrode, zamjenjujući plemenite metale kao što su paladij ili legure srebra{0}}paladija. BME-MLCC-ovi sada čine više od 90% globalne MLCC proizvodnje. Danas, sa daljim širenjem 5G komunikacija, novih energetskih vozila i računarske opreme sa veštačkom inteligencijom, MLCC se ubrzavaju ka minijaturizaciji i većem kapacitetu. Kao ključni temeljni materijal, tehnički zahtjevi za prah nikla koji se koristi u unutrašnjim elektrodama također prolaze kroz duboke promjene.
Ključni zahtjevi za nano nikl prah za minijaturne MLCC velike-kapacitivnosti
Suština MLCC minijaturizacije i većeg kapaciteta su ultra-tanki dielektrici, rafinirane elektrode i uvećano{1}}slaganje slojeva. Da bi se eliminisao proboj dielektrika i kratki spoj elektroda uzrokovan grubim česticama, uz istovremeno osiguranje ujednačenosti premaza odštampanih elektrodama, debljina unutrašnjeg sloja elektrode od nikla mora precizno odgovarati debljini ultra- ultra tankog dielektrika. Stoga je najkritičniji zahtjev za nanošenje praha nikla trend prema ultra-veličini čestica. Prema industrijskim informacijama, za svakih 10 nm smanjenja veličine čestica praha nano nikla, debljina MLCC dielektričnog sloja može se smanjiti za 5-8 nm u skladu s tim.
Tradicionalni MLCC srednje- do niže-krajine obično imaju debljinu dielektričnog sloja iznad 1 μm i broj slojeva unutar 200. Redundantnost procesa za debljinu elektrode je visoka, a tolerancija za performanse praha nikla je relativno visoka. Konvencionalni prah nikla sa veličinom čestica od 200-300 nm je dovoljan da zadovolji zahtjeve masovne proizvodnje. Međutim, s iterativnom nadogradnjom vrhunskih-MLCC-ova, 100 nm nikl prah je postao glavni izbor za MLCC velike-kapacitivnosti i može se stabilno prilagoditi velikim-procesima masovne proizvodnje za slojeve elektrode debljine 0,5 μm{13}}. Neke{15}}vrhunske aplikacije čak zahtijevaju da se veličina čestica praha nikla smanji na 80 nm kako bi se ispunili zahtjevi procesa za slojeve dielektrika debljine 0,35–0,5 μm. U isto vrijeme, distribucija veličine čestica mora biti izuzetno uska, s D90 kontroliranim unutar 2 puta D50.
Na osnovu izuzetno fine veličine čestica i uske distribucije, strogi uvjeti ko-i pouzdanosti minijaturiziranih MLCC-ova također pokreću sveobuhvatnu nadogradnju ukupnog kvaliteta nikalnog praha:
(1) Veća sferičnost: Da bi se prilagodio gustom formiranju tankih elektrodnih slojeva i visoko-ko-temperaturnom pečenju, prahu nikla je potrebna odlična sferičnost. Pravilne sferne čestice mogu osigurati protočnost suspenzije i ujednačeno pakovanje, izbjegavajući šupljine i odstupanja debljine u sloju elektrode.
(2) Dobra monodisperznost: Da bi se osiguralo jednolično premazivanje suspenzije elektrode i ujednačena disperzija praha nikla u suspenziji. Međutim, što je prah nikla finiji, veća je njegova površinska energija i problem aglomeracije je izraženiji, koji se često mora rješavati tehnologijama modifikacije površine.
(3) Veća kristalnost: struktura praha može stabilno regulirati brzinu skupljanja sinteriranja i karakteristike termičkog širenja, postižući savršeno usklađivanje s keramičkim dielektrikom i izbjegavajući strukturne defekte kao što su međuslojne pukotine i raslojavanje.
(4) Veća čistoća: nikl u prahu visoke-čistoće sa malo kiseonika i malo nečistoća može efikasno inhibirati oksidaciju/taloženje i pomjeranje otpornosti pod visokim-temperaturnim uslovima, značajno poboljšavajući-trajnu stabilnost servisa i pouzdanost otpornosti na vremenske uvjete vrhunskih{{4}minijaturnih MLCC-ova.
Koje metode pripreme mogu proizvesti nano nikl prah za MLCC?
Na osnovu gore navedenih strogih zahtjeva, tradicionalne tečne{0}}fazne i čvrste-fazne metode kao što su hemijska redukcija i piroliza raspršivanjem više ne mogu u potpunosti ispuniti zahtjeve proizvodnje za nano-, ultra-fini, visoko ujednačeni prah nikla za vrhunski-minijaturni MLCC. Stoga su tehnologije pripreme gasne{6}}faze predstavljene CVD i PVD, uz prednost precizno kontrolisanog formiranja čestica, postale osnovni tehnički putevi za pripremu praha nano nikla za vrhunski-MLCC.
01 Metoda razgradnje karbonil nikla
Suština praha karbonil nikla je upotreba selektivnosti gas-čvrste reverzibilne reakcije. Na relativno niskoj temperaturi i određenom pritisku, metalni nikl u čvrstoj fazi reaguje sa CO da bi se formirao isparljivi nikl tetrakarbonil (Ni(CO)₄), dok nečistoće ostaju u čvrstoj fazi. Tetrakarbonil nikla se zatim termički razlaže na višoj temperaturi i nižem pritisku da bi se regenerisale čvrste čestice čistog nikla i gas ugljen monoksida, dajući na kraju ultra-fini sferni prah nikla.
Najveće prednosti ovog procesa su izuzetno visoka čistoća, odlična sferičnost i visoka aktivnost sinterovanja. Veličina čestica se može precizno kontrolisati unutar 1-20 μm, sa uskom i ujednačenom distribucijom veličine čestica, što ga čini savršeno pogodnim za zahtjeve masovne proizvodnje MLCC-a velikog -slojeva-broja, visokog-kapacitivnosti sa ultra-tankim dielektricima ispod 1 μm. Međutim, njeni osnovni nedostaci su poteškoće sa sigurnošću procesa i kontrolom životne sredine. Nikl tetrakarbonil je visoko toksičan i opasan medij, koji postavlja izuzetno visoke zahtjeve za zadržavanje proizvodnje, opremu otpornu na eksploziju{10}}, tretman otpadnog plina i sigurnosne sisteme za rad i održavanje, i postepeno je ukinut.
02 CVD Metoda hemijskog taloženja parom
CVD hemijsko taloženje pare je vrhunska-tehnologija pripreme praha nikla koju monopoliziraju japanske kompanije. Njegov osnovni princip je da se gasovi prekursori kao što je nikl hlorid reduciraju na elementarne atome nikla u okruženju visoke-gasne{3}}faze na visokoj temperaturi, a zatim ravnomjerno stvaraju jezgru, rastu i kondenziraju u ultra-fini prah nano nikla.
Osnovne prednosti ovog procesa su jednoobrazno reakciono okruženje, nukleacija koja se može kontrolisati, visoka čistoća, bez aglomeracije i odlična kompatibilnost sa{0}}ko-paljenjem. Trenutno je osnovni puder za podršku za internacionalno visoko-end ultra-tanak dielektrik, ultra-visoki-sloj-broj MLCC-ova. Međutim, njegova osnovna oprema i procesna tehnologija su monopolizirane u inostranstvu, s izuzetno visokim troškovima ulaganja u opremu, visokim pragovima masovne{8}}proizvodnje i visokim troškovima proizvodnje.
03 PVD Metoda fizičke kondenzacije pare
PVD nikl u prahu je ključni probojni pravac za domaću zamjenu. Ovaj proces napušta hemijske reakcije. Umjesto toga, u vakuumu ili pod zaštitnom okolinom inertnog plina (kao što je argon), čvrsti metalni nikl isparava se visoko-grijanjem (kao što je grijanje otporom, grijanje plazmom, lučno pražnjenje, grijanje laserom, itd.) kako bi se formirala para atoma nikla. Atomi gasa se zatim sudaraju jedan sa drugim i gube energiju, postižući brzu nukleaciju, i konačno se brzo kondenzuju u oblasti niskih -temperatura u nano- do submikronske- čestice nikla u prahu.
Princip pripreme praha nano nikla pomoću PVD-a
Prah nano nikla proizveden ovom metodom ima visoku čistoću, dobru kristalnost, glatku površinu i jaku otpornost na oksidaciju. Može u potpunosti ispuniti zahtjeve za prah nikla koji se koristi u MLCC unutrašnjim elektrodama, a proizvodni proces je ekološki prihvatljiv. Međutim, zbog složene proizvodne opreme i niske efikasnosti, kontrola stabilnosti u masovnoj-serijskoj proizvodnji i optimizacija troškova ostaju hitni problemi koje treba riješiti.