Технология изготовления керамических конденсаторов

В качестве исходных продуктов в производстве керамических конденсаторов применяются, как природные сырьевые материалы: глина, тальк, мрамор, так и продукты химической промышленности: двуокись титана, двуокись циркония, углекислый барии и другие.

Природное сырье необходимо очищать от посторонних включений и примесей (особенно железа). Их удаление производят магнитной сепарацией.

Для получения керамической массы нужного состава производят измельчение и смешивание входящих в нее компонентов на шаровой мельнице. Обычно проводят мокрый помол в присутствии воды и получают жидкую массу – шликер, которая затем обезвоживается на фильтр-прессе. С фильтр-пресса керамическая масса снимается в виде пластичных коржей с влажностью 20-25%, после чего сушится и дробится в сухой порошок.

Чаще всего применяют вибропомол на шаровых мельницах для ускорения размола массы и увеличения степени ее измельчения.

Существует также способ вихревого помола с использованием вихревых (струйных) мельниц, в которых с помощью сжатого воздуха или пара осуществляется столкновение двух потоков предварительно измельченной керамической массы. Таким методом получают более мелкую степень измельчения, что позволяет снизить толщину керамических диэлектриков.

Для изготовления заготовок в производстве керамических конденсаторов используют следующие методы:

- прессование из сухого порошка – применяется для изготовления дисковых конденсаторов. Заготовки прессуются на прессах в специальных пресс-формах. Перед прессованием порошок увлажняют и вводят в него органическую связку (парафин, поливиниловый спирт). Получаемая толщина диска порядка 0,2-0,3 мм.

- протяжка трубок – из пластичной массы изготовляют трубчатые конденсаторы. Влажная масса в виде коржей поступает на вакуум-мялку, где происходит уплотнение массы для удаления воздушных включений, затем масса идет на пресс для вытяжки трубок. В массу вводят пластификаторы для увеличения пластичности. Толщина стенок до 0,2-0,3 мм.

- литье из жидкой массы в гипсовые формы – применяется для изготовления конденсаторов высокого напряжения (например, горшкового типа). Стенки гипсовой формы отнимают воду из массы и она загустевает. После подсушки раскрывают форму и вынимают заготовку. Метод литья дает более высокие значения . Для получения более точных размеров заготовку обрабатывают на токарном станке.

- горячее литье – применяется для изготовления конденсаторов сложной формы, в частности для производства «секционных» (щелевидных) конденсаторов типа КЛГ или КЛС. Жидкая керамика с пластификатором при температуре и давлении 4-5 атм поступает в форму, где застывает при охлаждении. Затем удаляют пластификатор и спекают керамику (при ). Толщина стенок составляет 0,2-0,5 мм, толщина щелей в которых создаются обкладки 0,1-0,2 мм.

Диэлектрик представляет собой прямоугольную призму, узкие прямоугольны прорези в которой образуют ряд тонких керамических пластин, на поверхность которых нанесен тонкий слой металла.

Общая емкость конденсатора складывается из параллельно соединенных емкостей отделенных пластин. У конденсатора КЛГ прорези глухие, что затрудняет регулировку емкости. Более простая технология у конденсаторов КЛС со сквозными щелями, которые позволяют регулировать емкость. Недостаток – малый межэлектродный зазор, который приводит к уменьшению влагостойкости конденсатора.

Для конденсаторов КЛГ и КЛС пробой одной из пластин вызывает потерю работоспособности всего изделия. Для секционных керамических конденсаторов применяют «резервирование» пластин – то есть между двумя соседними пластинами оставляют свободную прорезь, не подключенную ни к одному из общих электродов. Таким образом общая емкость складывается из емкости параллельно соединенных пар пластин с последовательным соединением между собой. Пробой одной из пластин вызовет изменение емкости конденсатора без потери его работоспособности. Этот способ позволяет повысить надежность конденсатора в 10-20 раз.

- литье керамических пленок с последующей вырубкой из них дисков малого диаметра – применяется при изготовлении миниатюрных конденсаторов. Шликер тонким слоем выливается на движущуюся металлическую ленту, покрытую слоем лака для предотвращения прилипания керамики к металлу. Лента проходит через сушильное устройство. Из керамической пленки вырубают диски. Затем идет обжиг, то есть подъем температуры, выдержка при максимальной температуре и охлаждение. Обожженные заготовки керамических конденсаторов подвергаются серебрению методом вжигания для образования обкладок конденсатора, после чего к обкладке припаивают выводы. После этого наносится влагозащитный слой, проводится испытание конденсаторов и их маркировка.

Керамика, применяемая в конденсаторах разделяется на высокочастотную и низкочастотную.

Высокочастотная керамика характеризуется низкими диэлектрическими потерями, а емкость таких конденсаторов при изменении температуры изменяется почти по линейному закону.

Низкочастотная керамика обладает большей , вследствие чего эти конденсаторы имеют большую емкость при тех же габаритах, что и ВЧ конденсаторы. Но у них больше .

По температурным свойствам керамические конденсаторы делят на несколько групп. Конденсаторы, имеющие наименьший ТКЕ называются т ермостабильными (их применяют в колебательных контурах генераторов высокой стабильности). Конденсаторы, имеющие отрицательный ТКЕ называются термокомпенсирующими. Их следует применять в колебательных контурах, так как уменьшение их емкости при увеличении температуры приводит к увеличению собственной частоты контура. А нагрев других деталей контура способствует уменьшению его частоты. В результате этого, изменение собственной частоты контура при повышении температуры будет незначительным.

Низковольтные керамические конденсаторы (К10)

В настоящее время количество керамических конденсаторов, используемых в электронной аппаратуре, превышает половину всех применяемых конденсаторов.

Наиболее широко применяются дисковые (КД) и трубчатые (КТ) конденсаторы. Для большинства конденсаторов номинальное напряжение составляет 160-500 В постоянного тока. Керамические конденсаторы обладают большим набором значений (от 6 до десятка тысяч) и ТКЕ. Они бывают высокочастотные (тип 1) и низкочастотные (тип 2 и 3). У конденсаторов типа 1 нормируется ТКЕ, они имеют малые потери и малые значения индуктивности.

Повышенной надежностью обладают конденсаторы типа КТ-1Е, отличающиеся от традиционной конструкции трубчатых конденсаторов наличием глухого дна и, следовательно, одного наружного зазора. Конденсаторы КТ-1Е отличаются высокой влагостойкостью и имеют емкости от 1-15000 пФ.

Для применения в ВЧ цепях критичных к значениям собственной индуктивности, предназначены конденсаторы КДУ и К10У-2. Керамические дисковые ультракоротковолновые конденсаторы КДУ могут работать в цепях постоянного, переменного и пульсирующего токов УКВ аппаратуры. Имеют ленточные короткие выводы. Клиновидные конденсаторы К10У-2 являются безиндукционными, безвыводными и предназначены для печатного монтажа.

Максимальные значения номинальной и удельной емкости среди керамических конденсаторов типов 1 и 2 имеют монолитные конденсаторы – представляют собой пакет из чередующихся слоев металла и керамики. На сырые керамические пленки наносят металлосодержащую пасту, после чего пленки складывают в пакеты, спрессовывают, разрезают на заготовки и обжигают при температуре . Металл для электродов в основном платина и палладий – дефицитные и дорогостоящие, что приводит к увеличению стоимости конденсаторов.

В последнее время выпускаются конденсаторы с электродами из неблагородных металлов (К10-20), однако электрические параметры у них хуже. Для применения в микросхемах, микромодулях, гибридных интегральных схемах предназначены незащищенные безвыводные монолитные конденсаторы. Эти конденсаторы имеют серебреные или луженые контактные площадки, посредством которых конденсаторы подключаются в аппаратуру. Контактные площадки имеют небольшие размеры. При механических нагрузках может произойти полное или частичное отслоение контактов от конденсатора или от внутренних электродов монолита, что вызывает полную или частичную потерю емкости.

Резкое уменьшение толщины диэлектрика получено в конденсаторах с барьерным слоем, которые называются также конденсаторами из восстановленной керамики. Конденсатор этого типа представляет собой (К10У-5) диск из сегнетокерамического материала, который при обжиге в водородной среде восстанавливается до полупроводникового состояния. После восстановления диск окисляется путем прогрева в воздушной среде, причем на его поверхности образуется слой диэлектрика. На обе поверхности диска наносятся электроды, при этом общая емкость конденсатора образуется из последовательно соединенных емкостей тонких слоев, расположенных по обе стороны полупроводящего диска. Последовательно включенный полупроводниковый слой вызывает увеличение (до 0,035-0,1 при частоте 1 кГц), что ограничивает область применения конденсаторов низкими частотами. Такие конденсаторы имеют малое сопротивление изоляции и большой ток утечки. Значительное улучшение сопротивления изоляции можно получить в конденсаторах с пограничным слоем прессованных из крупинок полупроводящей керамики, причем на каждой из крупинок создается тонкий слой диэлектрика. В этом случае между металлическими обкладками, нанесенными на две стороны диска, располагается ряд тонких слоев, покрывающих отдельные крупинки. Это дает снижение тока утечки и увеличение сопротивления изоляции. Эффективное значение диэлектрической проницаемости снижется, но имеет все же высокие значения.

Высокой рабочей температурой обладают фольгово-керамические конденсаторы с уменьшенной толщиной изоляции. При их изготовлении используется шликер, полученный из обжигаемой керамики заданного состава с жидкой алюмофосфатной связкой. В жидкий шликер погружается гребенка из алюминиевой фольги, на зубцах которой откладывается тонкий слой керамической массы. Используют гребенки двух размеров с узкими и широкими зубцами, которые после нанесения покрытия складываются в стопки, зажимаются и спекаются. Отрезая зубцы, получают секции конденсаторов, которые герметизируются в керамических коробках, заливаемых с торца стеклом. Эта технология позволяет снизить толщину диэлектрика до 10-15 мкм. Конденсаторы такого типа являются высокочастотными.