CN113517137A - 一种多层陶瓷电容器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层陶瓷电容器，所述多层陶瓷电容器包括中心柱体、内电极、陶瓷介电层；所述内电极以中心柱体为中心周期性交替设置，形成回字形结构；所述内电极之间设有陶瓷介电层；所述内电极一端与外电极相连。有益效果：回字形内电极结构，显著降低了器件电场边缘效应，提升器件的电容值，降低边缘击穿概率，同时该结构抑制了传统平面式陶瓷电容器介质层由于应力导致的曲翘问题产生。一体化打印，提升了层与层的界面结合力。进一步的通过内电极未闭合面的贯通电极的设置，降低了等效串联电阻，进一步提升了多层陶瓷电容器的性能。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷电容器领域，具体为一种多层陶瓷电容器。
背景技术
多层陶瓷电容器是一种由陶瓷介电层、金属内电极、金属外电极三大部分叠合而成的多层结构。故而传统制备方法常用流延式制备片层然后叠合，但是，传统流延式多层陶瓷电容器的内电极采用的是平面式间隔排列设计，其除与外电极接触的一边之外，其他三个边界都为有限边界，边缘效应较强。尤其是在陶瓷介电层厚度接近制造极限的时候，电容器的电容值和可靠性的提升已经趋于上限，受到厚度无法进一步减薄的因素影响，边缘效应无法再通过降低介电层厚度而削弱，此时有限的截止边界带来的边缘效应对器件性能的影响程度凸显。目前韩国三星等企业针对平面式内电极结构优化开展相关研究，但相关的技术方法是通过通孔完成同属性内电极器件的连接，也不具备优化边缘效应的能力，仍然存在内电极电场边缘效应差的问题。
因此，解决上述问题，提供具有低边缘效应的一种多层陶瓷电容器，保证电容器的可靠性、增加电容器的稳定性具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多层陶瓷电容器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种多层陶瓷电容器，所述多层陶瓷电容器包括中心柱体、内电极、陶瓷介电层；所述内电极以中心柱体为中心周期性交替设置，形成回字形结构；所述内电极之间设有陶瓷介电层；所述内电极一端与外电极相连。而内电极另一端选择性设置贯通电极。
所述多层陶瓷电容器还包括贯通电极；所述内电极包括第一内电极和第二内电极；所述第一内电极为正极，所述第二内电极为负极；所述贯通电极将同极性的内电极另一端在Y方向和Z方向上贯通连接。
较为优化地，所述贯通电极贯通中心柱体。
较为优化地，所述贯通电极的侧壁边缘线设置在内电极另一端的边缘与外电极内侧之间；贯通电极的侧壁边缘线到内电极另一端的边缘之间距离为L3，内电极另一端的边缘到外电极内侧的宽度为L1，贯通电极的宽度为L2，L2≤L1/3，0≤L3≤L2/2。
较为优化地，所述多层陶瓷电容器为长方体、圆柱体、多棱柱体中一种。
较为优化地，所述多层陶瓷电容器采3D打印的方式制备；所述多层陶瓷电容器采3D打印和即时紫外固化的方式制备；贯通电极采用多头打印的方式制备，多头打印提供同平面上不同材料的涂布。
较为优化地，所述陶瓷介电层的原料包括以下组分：按重量计，按重量计，聚氨酯丙烯酸酯树脂20-35份，25-40份反应稀释剂、0.1-0.5份纳米二氧化硅、1-3份分散剂、5-10份光引发剂、2-4份助引发剂、流平剂0.2-0.5份，陶瓷粉末100份。
较为优化地，所述陶瓷粉末的粒径D50为500nm的BaTiO3；所述纳米二氧化硅的尺寸为5～10nm。
较为优化地，所述内电极的原料包括以下组分：按重量计，聚氨酯丙烯酸酯树脂20-35份，25-40份反应稀释剂、0.3-0.6份纳米二氧化硅、1-3份分散剂、5-10份光引发剂、2-4份助引发剂、流平剂0.2-0.5份，导电金属100份。
较为优化地，所述导电金属为Ag、Pd、Au、Pt、Ni、Sn、Cu、W、Ti中一种或多种。
本技术方案中，为解决传统多层陶瓷电容的内电极电场边缘效应差的问题，利用3D打印技术、环绕式涂覆加紫外固化的方式，设计一种内电极无边界化的多层陶瓷电容器，从而改善传统器件的边缘化效应，提升电容器的稳定性和其他性能。
(1)方案中，将高固相含量的紫外光固化浆料，联合3D立体打印和即时紫外固化的方式，将第一内电极、陶瓷介电层、第二内电极，设计形成层层半闭环，周期性交替设置，形成回字型内电极。
该回字型结构的设计，在Y和Z两个方向维度上形成了无边界的结构，大大降低了器件电场边缘效应，提升了电容器的电容值，降低了边缘击穿的概率。在X方向维度上，使得后续烧结器件时收缩对称，同时围绕中心柱形成应力抵消，降低了传统平面式陶瓷电容器介质层由于内应力导致的曲翘问题。
其中，3D打印技术的一体化成型，避免了传统流延式的层叠工艺带来的层间间隙显著的问题，提升了层与层的界面结合力。同时，完成了内电极未闭合面的电极贯通，降低了等效串联电阻，进一步提升了器件的性能。
(2)方案中，设置了中心柱体，中心柱体形状决定了外观的形状。中心柱体材料的选择具有多样性。当中心柱体的材料与陶瓷介电层的材料相同时，中心柱体上直接涂覆内电极的材料；当中心柱体的材料与内电极的材料相同时，中心柱体直接涂覆陶瓷介电层材料；当所述中心柱体是导电金属时，如铜、银铜合金等金属，直接涂覆陶瓷介电层的材料或者内电极的材料。其中，当中心柱体是纯金属时，较优方案是先涂覆内电极材料，再进行陶瓷介电层的材料涂覆，用来完成纯金属、金属浆料、陶瓷浆料的过渡，保障器件结合力。
(3)方案中，陶瓷主体包括X方向彼此相对的第五表面S5和第六表面S6；Y方向彼此相对的第三表面S3和第四表面S4；Z方向彼此相对的第一表面S1和第二表面S2；所述Y方向和Z方向设置贯通电极，贯通电极将同极性的第一内电极、同极性的第二电极分别贯穿连接。贯通电极可以改善器件的等效串联电阻，降低边缘效应。
其中，制作贯通电极时，通过多头打印方式，留出需要贯通的区域用以填充第二种材料，实现贯通连接。
其中，贯通电极可以选择贯通中心柱体或者不贯通中心柱体。通常情况，选择贯通，会使得整体电极成为闭环，进一步降低等效串联电阻。当中心柱体为金属材料时不容易制作通孔，不好贯通，为保证其机械性能因此选择不贯通中心柱体。
其中，贯通电极宽度的设置，以及位置的限制，是为了避免短路，保障多层陶瓷电容器的性能。
(4)方案中，陶瓷介电层和内电极的材料为含有光固化材料的浆体，陶瓷粉末和导电金属的粒径的D50峰值均为500nm级别。
其中，该浆料是高固相浆料，相较于常见用于打印电容器的浆料(固相含量低)，其更容易成型，且成型后烧结过程收缩率较低，增强了电容器的稳定性。
另外，材料中的纳米二氧化硅的尺寸为5～10nm，在紫外光固化时，纳米二氧化硅作为散射功能存在，在有限辐照下，将紫外光散射至侧面，快速对涂层进行固化，达到及时固化，完成涂层的保形制备。另外，后续的烧结过程中，可以辅助进行空隙填充，作为增强剂和助烧剂增强界面结合力。
有益效果：(1)回字形内电极结构，显著降低了器件电场边缘效应，提升电容器的电容值，降低边缘击穿概率；抑制了传统平面式陶瓷电容器介质层由于内应力导致的曲翘问题产生。(2)一体化打印，提升了层与层的界面结合力，完成了内电极未闭合面的贯通电极的设置，从而降低了等效串联电阻，进一步提升了多层陶瓷电容器的性能；(3)高固相浆料配合及时紫外固化，降低了后续烧结过程的收缩率。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是长方体的多层陶瓷电容器的示意图；
图2是圆柱体的多层陶瓷电容器的示意图；
图3是圆柱体的多层陶瓷电容器局部透视图；
图4是长方体的多层陶瓷电容器中X-Z平面示意图；
图5是长方体的多层陶瓷电容器中Y-Z平面示意图；
图6是设有贯通电极的多层陶瓷电容器在X-Z平面的截面图；
图7是不贯通中心柱的多层陶瓷电容器在X-Z平面的截面图；
图8是多层陶瓷电容器中贯通电极位置设置示意图1；
图9是多层陶瓷电容器中贯通电极位置设置示意图2；
图中：1中心柱体；2第一内电极；3第二内电极；4陶瓷介电层；5外电极；6贯通电极。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
如图1、5、6、8所示，本实施例中，多层陶瓷电容器的形状为长方体。
一种多层陶瓷电容器，所述多层陶瓷电容器包括中心柱体1、内电极、陶瓷介电层4；所述内电极以中心柱体1为中心周期性交替设置，形成回字形结构；所述内电极之间设有陶瓷介电层4；所述内电极一端与外电极相连。
进一步地，所述多层陶瓷电容器还包括贯通电极6；所述内电极包括第一内电极2和第二内电极3；所述第一内电极2为正极，所述第二内电极3为负极；所述贯通电极6将同极性的内电极另一端在Y方向和Z方向上贯通连接。
进一步地，所述贯通电极6贯通中心柱体1。
所述贯通电极6的侧壁边缘线设置在内电极另一端的边缘与外电极5内侧之间；贯通电极6的侧壁边缘线到内电极另一端的边缘之间距离为L3，内电极另一端的边缘到外电极5内侧的宽度为L1，贯通电极6的宽度为L2，L2＝L1/3，L3＝0。
本实施例中，所述中心柱体1的材料是与陶瓷介质层4的材料相同；直接涂覆内电极的材料。
所述陶瓷介电层4的材料为含有陶瓷粉末的紫外光固化陶瓷浆料；所述陶瓷粉末为BaTiO3；所述紫外光固化陶瓷浆料的原料包括以下材料：按重量计，聚氨酯丙烯酸酯树脂35份，40份反应稀释剂、0.5份纳米二氧化硅、3份分散剂、10份光引发剂、4份助引发剂、流平剂0.5份，陶瓷粉末100份；
所述内电极的材料为含有导电金属的紫外光固化电极浆料；所述导电金属为Ag；所述紫外光固化电极浆料的原料包括以下材料：按质量计，聚氨酯丙烯酸酯树脂35份，40份反应稀释剂、0.6份纳米二氧化硅、3份分散剂、10份光引发剂、4份助引发剂、流平剂0.5份，导电金属100份。
实施例2：
如图1、5、6、9所示；本实施例中多层陶瓷电容器为长方体，贯通电极设置的位置与实施例1不同。
一种多层陶瓷电容器，所述多层陶瓷电容器包括中心柱体1、内电极、陶瓷介电层4；所述内电极以中心柱体1为中心周期性交替设置，形成回字形结构；所述内电极之间设有陶瓷介电层4；所述内电极一端与外电极相连。
进一步地，所述多层陶瓷电容器还包括贯通电极6；所述内电极包括第一内电极2和第二内电极3；所述第一内电极2为正极，所述第二内电极3为负极；所述贯通电极6将同极性的内电极另一端在Y方向和Z方向上贯通连接。
进一步地，所述贯通电极6贯通中心柱体1。
所述贯通电极6的侧壁边缘线设置在内电极另一端的边缘与外电极5内侧之间；贯通电极6的侧壁边缘线到内电极另一端的边缘之间距离为L3，内电极另一端的边缘到外电极5内侧的宽度为L1，贯通电极6的宽度为L2，L2＝L1/3，L3＝L2/2。
本实施例中，所述中心柱体1的材料与内电极材料相同；直接涂覆陶瓷介电层4的材料。
所述陶瓷介电层4的材料为含有陶瓷粉末的紫外光固化陶瓷浆料；所述陶瓷粉末为BaTiO3；所述紫外光固化陶瓷浆料的原料包括以下材料：按重量计，聚氨酯丙烯酸酯树脂20份，25份反应稀释剂、0.1份纳米二氧化硅、1份分散剂、5份光引发剂、2份助引发剂、流平剂0.2份，陶瓷粉末100份；
所述内电极的材料为含有导电金属的紫外光固化电极浆料；所述导电金属为Ag-Cu合金；所述紫外光固化电极浆料的原料包括以下材料：按质量计，聚氨酯丙烯酸酯树脂20份，25份反应稀释剂、0.3份纳米二氧化硅、1份分散剂、5份光引发剂、2份助引发剂、流平剂0.2份，导电金属100份。
实施例3：
如图1、4、5所示，本实施例中多层陶瓷电容器为长方体，且不设贯通电极。
一种多层陶瓷电容器，所述多层陶瓷电容器包括中心柱体1、内电极、陶瓷介电层4；所述内电极以中心柱体1为中心周期性交替设置，形成回字形结构；所述内电极之间设有陶瓷介电层4；所述内电极一端与外电极相连。
进一步的，所述内电极包括第一内电极2和第二内电极3；
本实施例中，所述中心柱体1的材料是与陶瓷介质层4的材料相同；直接涂覆内电极的材料。
所述陶瓷介电层4的材料为含有陶瓷粉末的紫外光固化陶瓷浆料；所述陶瓷粉末为BaTiO3；所述紫外光固化陶瓷浆料的原料包括以下材料：按重量计，聚氨酯丙烯酸酯树脂30份，30份反应稀释剂、0.2份纳米二氧化硅、2份分散剂、8份光引发剂、3份助引发剂、流平剂0.3份，陶瓷粉末100份；
所述内电极的材料为含有导电金属的紫外光固化电极浆料；所述导电金属为Ag；所述紫外光固化电极浆料的原料包括以下材料：按质量计，聚氨酯丙烯酸酯树脂30份，30份反应稀释剂、0.5份纳米二氧化硅、2份分散剂、8份光引发剂、3份助引发剂、流平剂0.3份，导电金属100份。
实施例4：
如图1、5、8所示，本实施例中，多层陶瓷电容器的形状为长方体，且贯通电极不贯穿中心柱体。
一种多层陶瓷电容器，所述多层陶瓷电容器包括中心柱体1、内电极、陶瓷介电层4；所述内电极以中心柱体1为中心周期性交替设置，形成回字形结构；所述内电极之间设有陶瓷介电层4；所述内电极一端与外电极相连。
进一步地，所述多层陶瓷电容器还包括贯通电极6；所述内电极包括第一内电极2和第二内电极3；所述第一内电极2为正极，所述第二内电极3为负极；所述贯通电极6将同极性的内电极另一端在Y方向和Z方向上贯通连接。
所述贯通电极6的侧壁边缘线设置在内电极另一端的边缘与外电极5内侧之间；贯通电极6的侧壁边缘线到内电极另一端的边缘之间距离为L3，内电极另一端的边缘到外电极5内侧的宽度为L1，贯通电极6的宽度为L2，L2＝L1/3，L3＝0。
本实施例中，所述中心柱体1的材料为铜柱；直接涂覆内电极的材料。
所述陶瓷介电层4的材料为含有陶瓷粉末的紫外光固化陶瓷浆料；所述陶瓷粉末为BaTiO3；所述紫外光固化陶瓷浆料的原料包括以下材料：按重量计，聚氨酯丙烯酸酯树脂35份，40份反应稀释剂、0.5份纳米二氧化硅、3份分散剂、10份光引发剂、4份助引发剂、流平剂0.5份，陶瓷粉末100份；
所述内电极的材料为含有导电金属的紫外光固化电极浆料；所述导电金属为Ag；所述紫外光固化电极浆料的原料包括以下材料：按质量计，聚氨酯丙烯酸酯树脂35份，40份反应稀释剂、0.6份纳米二氧化硅、3份分散剂、10份光引发剂、4份助引发剂、流平剂0.5份，导电金属100份。
实施例5：
参照图2、3，本实施例中，多层陶瓷电容器的形状为圆柱体；其余设置与实施例1相同。
实验和结论：通过仿真计算和电容值比较，可以发现实施例3中回型内电极的设置，使得边缘场效应仅处于口字形未封闭的那一边，另外三边处于闭合状态，等同于无边界，该处理方式可以降低30％的边缘效应；若将口字形未封闭的那一边使用贯通电极(6)连通，如实施例1中所示，可以降低50％的边缘效应。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多层陶瓷电容器，其特征在于：所述多层陶瓷电容器包括中心柱体(1)、内电极、陶瓷介电层(4)；所述内电极以中心柱体(1)为中心周期性交替设置，形成回字形结构；所述内电极之间设有陶瓷介电层(4)；所述内电极一端与外电极相连。
2.根据权利要求1所述的一种多层陶瓷电容器，其特征在于：所述多层陶瓷电容器还包括贯通电极(6)；所述内电极包括第一内电极(2)和第二内电极(3)；所述第一内电极(2)为正极，所述第二内电极(3)为负极；所述贯通电极(6)将同极性的内电极另一端在Y方向和Z方向上贯通连接。
3.根据权利要求2所述的一种多层陶瓷电容器，其特征在于：所述贯通电极(6)贯通中心柱体(1)。
4.根据权利要求2所述的一种多层陶瓷电容器，其特征在于：所述贯通电极(6)的侧壁边缘线设置在内电极另一端的边缘与外电极(5)内侧之间；贯通电极(6)的侧壁边缘线到内电极另一端的边缘之间距离为L3，内电极另一端的边缘到外电极(5)内侧的宽度为L1，贯通电极(6)的宽度为L2，L2≤L1/3，0≤L3≤L2/2。
5.根据权利要求1所述的一种多层陶瓷电容器，其特征在于：所述多层陶瓷电容器为长方体、圆柱体、多棱柱体中一种。
6.根据权利要求1所述的一种多层陶瓷电容器，其特征在于：所述多层陶瓷电容器采3D打印和即时紫外固化的方式制备；贯通电极(6)采用多头打印的方式制备。
7.根据权利要求1所述的一种多层陶瓷电容器，其特征在于：所述陶瓷介电层(4)的原料包括以下组分：按重量计，聚氨酯丙烯酸酯树脂20-35份，25-40份反应稀释剂、0.1-0.5份纳米二氧化硅、1-3份分散剂、5-10份光引发剂、2-4份助引发剂、流平剂0.2-0.5份，陶瓷粉末100份。
8.根据权利要求7所述的一种多层陶瓷电容器，其特征在于：所述陶瓷粉末的粒径D50为500nm的BaTiO3；所述纳米二氧化硅的尺寸为5～10nm。
9.根据权利要求1所述的一种多层陶瓷电容器，其特征在于：所述内电极的原料包括以下组分：按重量计，聚氨酯丙烯酸酯树脂20-35份，25-40份反应稀释剂、0.3-0.6份纳米二氧化硅、1-3份分散剂、5-10份光引发剂、2-4份助引发剂、流平剂0.2-0.5份，导电金属100份。
10.根据权利要求1所述的一种多层陶瓷电容器，其特征在于：所述导电金属为Ag、Pd、Au、Pt、Ni、Sn、Cu、W、Ti中一种或多种。
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