多层陶瓷电容器生产过程的有限元模拟开题报告

一、选题的依据及意义

MLCC是片式元件的一个重要门类，主要工艺是将内电极材料与陶瓷坯体以多层交替并联叠合，并共烧成一个整体，由于具有结构紧凑、体积小、比容高、介电损耗低、价格便宜等诸多优点，被大量应用在手机、汽车、计算机、移动电话、收音机、扫描仪、数码相机等电子产品中，在航天航空、坦克、军用通信等军用电子设备的应用也越来越广泛[1]。MLCC特别适合片式化表面组装，可大大提高电路组装密度，缩小整机体积，这一突出特性使MLCC成为当今世界上发展最快、用量最大的片式电子元件。市场对MLCC的需求量以年均15%-20%的的速度增长[2]。

多层陶瓷电容器(MLCC)是由多种材料组成的，其介质为陶瓷材料，内电极为合金材料，端电极由3层组成，分别为锡、镍、银。介质和内电极是交叠出现的多层结构．不同材料的物理性质各不相同，例如：热膨胀系数。因此。当结构的温度变化时。其内部将产生热不匹配。并产生热应力．在足够大的交变热应力作用下。RF MLCC易发生热疲劳失效、电容器内部出现裂纹以及多层结构内部脱落失效。所以模拟热冲击下的热应力分布，对于分析RF MLCC的热失效机制、提高其可靠性具有重要意义。

二、国内外相关研究简介（述）

在电子工业中，表面贴装技术（SMT）的发展为电子电路的高度集成化提供了可靠的

保证。随着人们对电子产品的要求也越来越高，电子产品的发展趋势也必然会朝着最小化

方向发展[1]。而多层陶瓷电容器（multilayer ceramic capacitor，简称MLCC），具有体积小、比电容高、绝缘电阻高及漏电流小、寿命长、可靠性高和价格低廉等优点，广泛应用到信息、军工、移动通讯、电子电器、航天航空等领域[2] 。

   Saito [3]等采用实验手段分析了MLCC 在应力和电场作用下的外场响应，指出器件的电容与应力状态有很大的关系。但是，当器件的层数增加到500层以上，单层厚度减薄到几微米后，使用实验的方法来表征器件中的应力状态就显得十分困难。对于高层数（大于500层）和薄介质层化（单层介质厚度已薄至1微米以下）的MLCC数值预测，完全三维模型的计算量太大，必须建立一个合理的简化模型。由于电极材料和陶瓷材料的热膨胀性能的不匹配，

使器件在制备过程中将不可避免地产生残余应力。Jiang [4]等和Shin [5]课题组采用完全三维的有限元模型预测了这种残余应力，结果表明随着层数的增加和介电层厚度的减薄，MLCC中的残余应力幅值急剧上升。Jiang [1]等结合Voigt和Reuss假设，建立了估算MLCC残余应力的理论模型，该方法可以考虑层数，层厚和侧部尺寸的影响。然而，由于在烧结过程中不可避免引入的残余应力，必然会引起多层陶瓷电容器的失效，大量的研究致力于发展和提高MLCC的材料性能，但对MLCC可靠性的研究较少，而对由器件制造过程中引起的残余热应力而导致MLCC的失效进行的相应研究几乎没有。多层陶瓷电容器是由陶瓷浆料通过以流延方式制成一定厚度的陶瓷介质薄膜，同时把电极（内电极）印刷至陶瓷介质膜片上，并将它以错位的方式叠合起来，在1250℃高温烧结形成陶瓷芯片，再在芯片的两端封上金属层（外电极），形成一个类似独石的结构体，因此也叫独石电容器[6]。同时值得关注的是，在高温烧结过程中，由于陶瓷介电材料（如钛酸钡，简称BT）金属内电极（如Ni）交替层合并在大约1250℃烧制，之后冷却至室温，在器件制备的过程中将会产生一定的残余热应力。本文基于有限元商业软件ABAQUS6.8，采用2D轴对称结构对多层陶瓷电容器由于生产过程中产生的热应力而可能导致的失效机理进行分析。

三、本课题研究内容

  本课题通过对MLCC模拟分析，得到了不一样的结构和不同端电极厚度的多层陶瓷电容有限元模型，加载了相同的热温度冲击载荷；然后模拟它的热应力分布；最后应用仿真结果，分析MLCC的结构、端电极厚度对于热应力分布的影响。从理论上分析其热失效机制，为优化结构以及提高MLCC可靠性提供理论依据。

四、本课题研究方法

   采用有限元方法。应用ANSYS软件，模拟不同内电极结构和不同端电极厚度的 MLCC在热冲击时的热应力分布。

五、研究目标、主要特色（创新）及工作进度

   通过模拟MLCC的热应力分布分析，对所需模型进行适当简化．为分析 MLCC热失效机制、优化结构、提高其可靠性提供理论依据。

六、参考文献

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[5] JIANG W C，FENG X Q．Influence ofThickness and Number of Dielectric Layers on Residual Stresses in Micromuhilayer Ceramic Capacitors[J]．J．Appl．Phys．，2007，10：104117：l一6．

[6] SHIN K，PARK J S，HONG K S，et a1．Physical Origin of Residual Thermal Stresses in a Muhilayer Ceramic Capacitor[J]．J．Appl Phys．，’2007，10：1063527：l一5．

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