Óxidos de tierras raras en MLCCs

Como componente crucial de los MLCC, los materiales dieléctricos cerámicos juegan un papel decisivo en la determinación del rendimiento de los MLCC. Con el rápido desarrollo de los MLCC hacia la miniaturización, la alta capacitancia y el capas delgadas, se han impuesto mayores requisitos técnicos a los polvos dieléctricos cerámicos con alta resistencia al voltaje, alta constante dieléctrica y alta fiabilidad. Los óxidos de tierras raras se utilizan ampliamente en cerámica, incluyendo óxido de cerio, óxido de lantano, óxido de neodimio, óxido de disprosio, óxido de samario, óxido de holmio, óxido de erbio, etc. El dopaje de cerámicas con pequeñas o trazas de tierras raras puede alterar significativamente la microestructura, la composición de fase, la densidad, las propiedades mecánicas, las propiedades fisicoquímicas y el comportamiento de sinterización de los materiales cerámicos. Por lo tanto, la modificación mediante el dopaje con óxidos de tierras raras es una de las vías para obtener polvos dieléctricos cerámicos de alta gama para MLCC.

Como componentes de dopaje importantes en los polvos dieléctricos de MLCC, los óxidos de tierras raras pueden mejorar eficazmente la fiabilidad de los MLCC y son materias primas indispensables en el desarrollo de polvos cerámicos de alta gama para MLCC. Los polvos cerámicos para MLCC se clasifican principalmente en tres categorías (Y5V, X7R y COG). Entre ellos, los materiales X7R son la especificación con la competencia global más intensa y también son una de las variedades con la mayor demanda y uso en equipos electrónicos. Su principio de fabricación se basa en la modificación del material cerámico de titanato de bario (BaTiO₃) a nanoescala.

El titanato de bario es una de las principales materias primas para la fabricación de MLCC. Exhibe excelentes propiedades piezoeléctricas, ferroeléctricas y dieléctricas. Sin embargo, el titanato de bario puro tiene un gran coeficiente de temperatura de capacitancia, alta temperatura de sinterización y una pérdida dieléctrica relativamente alta, lo que lo hace inadecuado para su uso directo en la fabricación de condensadores cerámicos.

La investigación muestra que las propiedades dieléctricas del titanato de bario están estrechamente relacionadas con su estructura cristalina. Mediante el empleo de métodos de dopaje, se puede controlar la estructura cristalina del titanato de bario, mejorando así sus propiedades dieléctricas. Esto se debe principalmente a que el titanato de bario de grano fino dopado forma una estructura de núcleo-cubierta, que juega un papel importante en la mejora de las características de temperatura de la capacitancia.

El dopaje de elementos de tierras raras en la estructura de titanato de bario es uno de los métodos utilizados para mejorar el comportamiento de sinterización y la fiabilidad de los MLCC. La investigación sobre el dopaje de iones de tierras raras en titanato de bario se remonta a principios de la década de 1960. La adición de óxidos de tierras raras reduce la movilidad del oxígeno, lo que puede mejorar la estabilidad de la temperatura dieléctrica y la resistencia eléctrica de las cerámicas dieléctricas, mejorando así el rendimiento y la fiabilidad del producto. Los óxidos de tierras raras comúnmente añadidos incluyen óxido de itrio (Y₂O₃), óxido de disprosio (Dy₂O₃) y óxido de holmio (Ho₂O₃), entre otros.

El radio iónico de los iones de tierras raras tiene un impacto crucial en la posición del pico de Curie en las cerámicas basadas en titanato de bario. El dopaje con elementos de tierras raras de diferentes radios altera los parámetros de la red cristalina con una estructura de núcleo-cubierta, cambiando así la tensión interna dentro de los cristales. El dopaje con iones de tierras raras de mayor radio induce una fase pseudo-cúbica en el cristal y genera tensión residual dentro de él. Por el contrario, la introducción de iones de tierras raras de menor radio produce menos tensión interna e inhibe las transiciones de fase en la estructura de núcleo-cubierta. Incluso los aditivos utilizados en pequeñas cantidades, las características de los óxidos de tierras raras (como el tamaño o la forma de las partículas) pueden afectar significativamente el rendimiento general o la calidad del producto. Los MLCC de alto rendimiento continúan desarrollándose hacia la miniaturización, el alto recuento de capas, la alta capacitancia, la alta fiabilidad y el bajo costo. Los productos MLCC más avanzados del mundo han entrado en la nanoescala. Como elementos de dopaje importantes, los óxidos de tierras raras deben poseer un tamaño de partícula a nanoescala y una buena dispersabilidad del polvo.