籍：《炬丰科技-半导体工艺》
文章：提高MLCC电介质的可靠性
编号：JFKJ-21-1322
作者：华林科纳
为了实现单片陶瓷电容器的足够的可靠性，了解晶界和晶粒内对其可靠性和绝缘电阻的贡献是很重要的，利用这些数据，通过模拟的方法确定了晶界E-J曲线。结果表明，晶界绝缘电阻的温度和电场依赖性很低，研究了每层一个钛酸钡晶粒的绝缘特性，颗粒内部的阻力和可靠性都很低，为了提高晶粒内部的抗降解性，开发了掺杂batio3的基电介质，研究了Ca取代对MTTF的影响，发现MTTF随着Ca取代的增加而增加。为了防止Ni的氧化，MLCCs是在还原气氛中燃烧。因此，开发了不可还原介电材料。
为了阐明晶界对绝缘电阻和可靠性的贡献，制备了不同晶粒尺寸的电介质，也就是说，电介质有不同数量的晶界，采用所谓的薄片法制备了薄膜薄膜样品，介电厚度为1um，介电组成为钛酸钡(BT)+Dy2O3+MgO+MnO+sio2，经TEM-EDX证实，大多数添加剂均位于晶界处。图1(a)显示了使用高加速寿命试验(HALT)，在高温和高直流场下的绝缘电阻的时间依赖性。随着每层晶界数的增加，平均失效时间(MTTF)增加。另一方面，如图所示1(b)，当每个晶界施加的电压相同时，MTTF几乎相同，这说明晶界决定了绝缘电阻的时间依赖性，晶界数量的增加对提高可靠性非常重要。
图2显示了不同温度下的电场(E)与电流密度(J)的关系，每层晶界较多的样品在所有测量范围内的泄漏电流都较低。因此，在宽电场范围内，晶界对总绝缘电阻有很大的贡献，为了确定采用MLCC的实际温度和实际电场下的晶界电阻，通过模拟得到了晶界E-J曲线，利用不同晶界数下电介质的E-J曲线，模拟了晶界的E-J曲线，晶界绝缘电阻的温度和电场依赖性较低，如图所示3。
图3模拟了不同温度下晶界的E-J曲线，为了直接了解晶粒内部的电学性质，制作了平行于电极的无晶界介质，并研究了每层一钛酸钡晶粒的绝缘特性，与预期的一样，绝缘电阻高度依赖于温度和电场，晶粒内部的可靠性很低。因此，必须改善颗粒内部的绝缘特性。
比较了晶粒内部和晶界的E-J特性，在高电场和高温条件下，晶界对绝缘电阻有很大的贡献，有可能提高颗粒内部的绝缘特性，这种模拟允许设计最合适的微观结构，而不需要实验测试样品。仅根据粒界的不同，减少粒径是一种令人满意的策略，可能很难得到足够的介电常数来建立所需的电容性体积效率。通常，有一种提高晶界性能的方法，但可能会比较困难，因此必须提高晶粒内部的抗降解性。
详细研究了Ca取代对MTTF的影响，介电组成为BT或BCT+Dy2O3+MgO+MnO+sio2。试验样品为具有2μm介电厚度的MLCCs，MTTF增加到8mol%Ca取代，保持到12mol%，然后下降。测量了HALT中MTTF的温度依赖性，并根据阿伦尼乌斯方程确定了BCT介质的活化能，活化能随着钙取代量的增加而增加，达到12mol%。当钙取代率为12mol%或以上时，活化能较低。这种减少被认为是由于钛酸钙的分离，由于在HALT过程中观察到的电阻降解被认为是由于氧空位的电迁移，因此该活化能被认为是基于氧空位的电迁移。
在BCT基介质的典型微结构中，除了晶粒内部外，Ca还存在于晶界和三重点上。为了阐明晶粒增强的影响，我们制备了每层BCT介质的一个晶粒，显然，BCT显示出良好的可靠性，因此，Ca取代增强的不是晶界，而是晶粒内部。随着单位细胞体积随着钙含量的增加而减小，钙涂料对钛酸钡的可靠性提高是由于晶格收缩增加了氧空位迁移的活化能，由于没有足够的证据表明晶格收缩与氧空位的迁移率有关，因此需要进一步的研究。
