实现多层陶瓷电容器复杂设计的3D打印技术

在电子器件制造领域，如果可以在减小组件尺寸的同时保持规格，则可以使用较少的材料（减少成本和重量）制造由这些组件制成的电子设备，同时还可以减少体积。或者，使用相同数量的材料为组件提供增强的规格。然而在过去的几十年中，晶体管的密度已急剧增加，但电容器等“无源”组件的设计改进却跟不上电子设备发展的步伐。VQ RESEARCH 研发了一种使用增材制造-3D打印技术来改进多层陶瓷电容器（MLCC）的方法，可以实现复杂的多层陶瓷电容器设计，获得提升MLCC的电压极限，增加导电层和/或电介质层表面积等优势。

先进陶瓷材料的应用-多层陶瓷电容器（MLCC）。

在给定条件下增加电容和最大电压

电容器是一种电气设备，它的作用是在一对紧密间隔的导体之间的电场中存储能量。电容器可以用作能量存储设备，也可以用于区分高频信号和低频信号。电容值可以定义为在一定电压下电容器可以存储多少电荷的量度。

传统MLCC 剖面图。来源：US20190214196

在传统制造工艺中，多层陶瓷电容器是由绝缘陶瓷浆料形成胶带，印刷导电油墨层，然后将各层压在一起并烧结以形成绝缘体和导体的叠层交替体而制成的。特别是在物理上较大的电容器的情况下，在温度或压力的应力下可能会分层。如果一层分开使电容的下降，就会使电容器变得不合规格。另外，传统制造工艺只能实现简单的平坦层，而复杂的形状则难以实现。VQ RESEARCH希望找到一种在给定形状因数下增加电容和最大电压的方法。因而他们需要一种更好地电容器制造设备来优化几何特征，增加MLCC的规格。

陶瓷电容器3D打印设备。来源：US20190214196

VQ RESEARCH研发的陶瓷电容器3D打印技术，能够在几何上优化多层陶瓷电容器（MLCC）。在3D打印过程中，陶瓷浆料、导电材料、铁氧体浆料和碳电阻浆料被沉积到基底上。这些材料可以在高温下烧结，因此适于整体制造。与传统方法相比，3D打印技术制造的电容器更精确，并且过程是可重复的，具有更高的几何和空间分辨率，并可以产生更高密度的组件，而材料浪费更少。

陶瓷电容器3D打印流程。来源：US20190214196

VQ RESEARCH 指出该技术的主要优势在于可以制造以往不可能实现的复杂形状，用于提升产品的规格和/或结构完整性。对于3D打印技术可实现的复杂设计，VQRESEARCH指出，在设计增材制造陶瓷电容器时，可以将多层陶瓷电容器的导电层端部和介电层边缘修改为包括圆形的结构，这种设计方式的好处是可以通过减小由尖角导致的电场强度来增加MLCC的电压极限。当电场尽可能均匀时，电容器性能与所用材料的比例最高。如果在尖角处看到电场具有“热点”，那么与非尖角相比，最大工作电压更低。此外，3D打印电容器可以同时包含波状结构，从而增加导电层和/或电介质层的表面积。

在电介质层边缘和导电层端部之间具有更小间隙长度的3D打印多层陶瓷电容器横截面图。来源：US20190214196

通过3D打印技术实现的导电层末端的圆形，可以部分减少保护间隙，因为其圆顶形状允许介电层在顶部和底部变宽，在中心变薄，为各层提供强度支撑。3D打印过程允许导电层的导电层末端之间的距离非常接近电介质层的电介质层边缘，例如低于标准500微米，例如1至499微米。距离的减小等于导电层的面积增加，从而增加电容器的电容和工作电压。