前言
在半導(dǎo)體領(lǐng)域，MLCC(Multilayer Ceramic Capacitor，多層片式陶瓷電容器)作為一種高端電子元器件，在陶瓷電容器中產(chǎn)值占比超過(guò)90%，應(yīng)用領(lǐng)域極其寬泛。納米鈦酸鋇粉體正是制備MLCC的核心原材料。
鈦酸鋇作為電介質(zhì)材料，具備出色的介電性能，具有高介電常數(shù)、低介質(zhì)損耗和良好的可調(diào)性。通過(guò)引入微量的改性化合物，我們能夠廣泛調(diào)整材料的介電常數(shù)和居里溫度。MLCC產(chǎn)品制備前期，需要將鈦酸鋇粉體、有機(jī)溶劑、粘合劑等物料按一定比例混合，通過(guò)高速研磨機(jī)進(jìn)行分散，形成陶瓷漿料。在合適的瓷漿配方的基礎(chǔ)上，穩(wěn)定、均質(zhì)的陶瓷漿料對(duì)于制造性能優(yōu)良的MLCC制品具有重要的意義。
本文使用電泳光散射技術(shù)表征了非水相分散體系中納米鈦酸鋇的Zeta電位，探討了不同改性工藝的鈦酸鋇粉體對(duì)于MLCC產(chǎn)品制備前期陶瓷漿料的穩(wěn)定性的影響。
儀器
所有實(shí)驗(yàn)均采用珠海歐美克儀器的NS-90Z Plus納米粒度及電位分析儀，NS-90Z Plus納米粒度電位儀同時(shí)具有Zeta電位、納米粒徑及分子量的分析測(cè)試功能，適用于多種不同的納米乳液、懸浮液、聚合物、生物顆粒等的尺寸和表面電位測(cè)量，能廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工行業(yè)納米材料、表活、低聚物等的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)質(zhì)控，同時(shí)也是油墨、醫(yī)藥制劑等行業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及質(zhì)控的通用測(cè)試儀器。
▲ 歐美克NS-90Z Plus 納米粒度電位儀
● 測(cè)試范圍：0.3nm-10μm（取決于樣品）
● 重復(fù)性：≤1%（NIST可追溯膠乳標(biāo)樣）
● 最小樣品容積：20μL
● Zeta電位范圍：無(wú)實(shí)際限制
概念及原理
Zeta電位
分散在分散液中的顆粒表面攜帶的凈電荷影響顆粒界面周圍區(qū)域的離子分布，導(dǎo)致表面抗衡離子（與顆粒電荷相反的離子）濃度增加。于是，每個(gè)顆粒周圍均存在雙電層。分別是內(nèi)層的嚴(yán)密層和外層的滑移層�；茖右詢�(nèi)，所有的離子、介質(zhì)隨著顆粒一起運(yùn)動(dòng)。這個(gè)邊界稱為流體力學(xué)剪切層或滑動(dòng)面（slipping plane）。在這個(gè)邊界上存在的電位即稱為Zeta電位。Zeta電位是表征膠體分散系穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一。
電泳光散射
帶電顆粒在外加電場(chǎng)作用下發(fā)生定向移動(dòng)，當(dāng)光束照到顆粒上時(shí)，就會(huì)引起散射光的頻移（即多普勒頻移）。顆粒運(yùn)動(dòng)速度與光的頻移幅度成正比，因此可以通過(guò)測(cè)量光的頻移間接測(cè)量顆粒的電泳速度，再通過(guò)應(yīng)用Henry方程求出Zeta電位。電泳光散射法是測(cè)量Zeta電位應(yīng)用最廣的方法。
樣品制備
分別將不同工藝的鈦酸鋇粉體以一定濃度分散在同一配方的非水性分散體系中，混合均勻，形成陶瓷漿料。
將新配置的鈦酸鋇漿料在室溫下靜置不同時(shí)間多次測(cè)量其Zeta電位，得到Zeta電位隨時(shí)間的變化曲線。
結(jié)果與討論
▲ 圖1 鈦酸鋇5#漿料對(duì)于放置時(shí)間的Zeta電位趨勢(shì)圖
圖1展示了新配置5#漿料的Zeta電位隨放置時(shí)間的變化曲線�？梢钥吹絑eta電位均為正值，說(shuō)明其攜帶正電。Zeta電位的幅值隨著靜置時(shí)間的延長(zhǎng)有先增大后穩(wěn)定的趨勢(shì)。剛配制時(shí)Zeta電位為37.2mV，靜置4h以后Zeta電位升高至40.5mV左右，趨于穩(wěn)定。
▲ 圖2 鈦酸鋇6#漿料對(duì)于放置時(shí)間的Zeta電位趨勢(shì)圖
由圖2可見(jiàn)，6#漿料的Zeta電位也均為正值，說(shuō)明其攜帶正電。Zeta電位的幅值隨著靜置時(shí)間的延長(zhǎng)先減小后穩(wěn)定。剛配制時(shí)Zeta電位均值為24.9mV，靜置4h以后Zeta電位降低至18.5mV左右，并趨于穩(wěn)定。
對(duì)于兩個(gè)體系，都有新配置漿料的Zeta電位重現(xiàn)性不佳，但室溫靜置數(shù)小時(shí)后Zeta電位重現(xiàn)性變好的現(xiàn)象。以6#樣品為例。
這是由于剛配置陶瓷漿料體系中鈦酸鋇顆粒的分散還沒(méi)達(dá)到穩(wěn)定，因此顆粒表面的電荷密度也未趨于穩(wěn)定。隨著靜置時(shí)間的加長(zhǎng)，顆粒分散程度及表面電荷密度都逐漸趨向穩(wěn)定了。因此，在表征新配置漿料的Zeta電位時(shí)，建議做靜置時(shí)間的滴定測(cè)量，取穩(wěn)定后平臺(tái)區(qū)的結(jié)果作為該體系的Zeta電位更可靠。
另外，較高的Zeta電位意味著顆粒間的排斥力大于吸引力，具有較低的團(tuán)聚趨向，體系更穩(wěn)定。從圖1和圖2可以看到，5#漿料的Zeta電位穩(wěn)定于40.5mV，6#是18.5mV，5#漿料體系更穩(wěn)定。
結(jié)論
在MLCC的制造工藝中，瓷漿穩(wěn)定性對(duì)于電容器有著極為重要的影響。本文通過(guò)NS-90Z Plus對(duì)納米鈦酸鋇瓷漿穩(wěn)定性進(jìn)行了一系列的比對(duì)評(píng)價(jià)，指出了針對(duì)此類應(yīng)用的可靠方法。
需要強(qiáng)調(diào)的是，影響體系穩(wěn)定性的因素很多，比如顆粒大小、密度，體系中顆粒物的濃度，體系的配方，環(huán)境溫度，外力影響等等；我們需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，系統(tǒng)全面地評(píng)估各項(xiàng)因素對(duì)于體系穩(wěn)定性的影響，從而找到更好的工藝方案。
最后，希望在歐美克儀器相關(guān)分析儀器的助力下，我國(guó)電子陶瓷材料能夠快速發(fā)展，民族電子工業(yè)早日實(shí)現(xiàn)騰飛。
