CN117275943B - 一种提高多层片式陶瓷电容器抗弯曲性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高多层片式陶瓷电容器抗弯曲性能的方法，其包括以下步骤：将构成陶瓷芯片的印刷片分成多组，再在相邻的组之间均插入陶瓷介质层，并降低上盖片和下盖片的厚度；或者，将构成陶瓷芯片的印刷片的片数进行调整，再将印刷片分成多组，再在相邻的组之间均插入陶瓷介质层，并降低上盖片和下盖片的厚度。本发明通过将构成陶瓷芯片的印刷片分成多组后再在相邻的组之间均插入陶瓷介质层以及降低盖片的厚度来改变MLCC上的应力分布，从而提高了MLCC的抗弯曲性能，并降低了MLCC的生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及MLCC制造技术领域，具体涉及一种提高多层片式陶瓷电容器抗弯曲性能的方法。
背景技术
多层片式陶瓷电容器(Multi-layer Ceramic Capacitor，简称MLCC)的组成包括电容器主体和外电极，电容器主体通常是由依次层叠设置的上盖片、陶瓷芯片和下盖片(上盖片和下盖片设置在陶瓷芯片两面起保护作用)组成，陶瓷芯片是由若干印好内电极的陶瓷介质膜片(即印刷片)以错位的方式叠合后经过一次性高温烧结形成。MLCC具有容量大、体积小、容易进行表面安装等优点，主要贴装在PCB板上进行使用，是通讯器材、家电遥控器等领域使用最多的元件之一。MLCC主要是由陶瓷材料(脆性材料)制成，因而抗弯曲性能较差，在MLCC组装或使用过程中如果PCB板受力发生弯曲，那么焊接在PCB板上的MLCC也会受到一定的应力作用，当应力过大时在MLCC的焊接处会产生弯曲裂纹，若裂纹透过盖片延伸至陶瓷芯片处则会直接导致MLCC损坏失效。
目前，为了提高MLCC的抗弯曲性能，通常采用的方法主要包括以下几种：1)在陶瓷芯片外增设柔韧性好的银电极，将银电极作为弹性层来吸收外应力，降低陶瓷芯片产生裂纹的几率，从而提高MLCC的抗弯曲强度，但银的使用会增加MLCC的生产成本；2)在上盖片和下盖片外增加高强度盖片形成“三明治”结构，从而提高MLCC的抗弯曲强度，但由于上/下盖片与高强度盖片的材质不一致，排胶烧结时材料的收缩率不匹配，容易因内应力的作用导致上/下盖片开裂；3)采用晶粒较细、晶粒尺寸均匀、晶体缺陷少的粉体来制备MLCC，减少晶界处的应力集中问题，从而提升MLCC的强度，但晶粒小又会导致制备得到的MLCC存在容量低、成本高等问题。
因此，开发一种更为简单有效的提高多层片式陶瓷电容器抗弯曲性能的方法具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高多层片式陶瓷电容器抗弯曲性能的方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种提高多层片式陶瓷电容器抗弯曲性能的方法，其包括以下步骤：
将构成陶瓷芯片的印刷片分成多组，再在相邻的组之间均插入陶瓷介质层，并降低上盖片和下盖片的厚度；
或者，将构成陶瓷芯片的印刷片的片数进行调整，再将印刷片分成多组，再在相邻的组之间均插入陶瓷介质层，并降低上盖片和下盖片的厚度。
优选地，所述分成多组采用等分的方式。
优选地，所述多组为二组、三组、四组、五组中的一种。
优选地，所述上盖片的厚度与陶瓷介质层的厚度相同。本发明在印刷片之间插入陶瓷介质层的目的是利用内电极层具有的韧性缓解产品受到的应力，在保持产品总厚不增大的情况下，使边缘的印刷片的位置更加靠近电容器主体外侧，同时使盖片的厚度降低，从而可以很大程度缓解应力，但如果盖片过薄，则产品的绝缘性能变差、寿命变短，而如果盖片过厚，则内电极层能够发挥的缓解应力的效果很小，当盖片的厚度和陶瓷介质层的厚度相等时效果最佳。
优选地，所述下盖片的厚度与陶瓷介质层的厚度相同。
优选地，所述陶瓷介质层的厚度与印刷片的总厚度的比为0.2～0.4:1。MLCC中的印刷片是由陶瓷介质膜片和内电极层组成，而构成陶瓷介质膜片的陶瓷材料属于脆性材料，当施加的外力大于陶瓷材料所能承受的力时便会发生断裂，而内电极层(例如：镍电极层)本身具有一定的韧性可以缓解这种力，但是内电极金属和介质层陶瓷在共烧时会因为收缩不一致产生烧结应力，随着内电极金属的增多(即印刷片总厚度的增大)，陶瓷介质层的总厚度减小，在等分数量不变的情况下，单个陶瓷介质层的厚度必然减小，陶瓷介质层的厚度与印刷片的总厚度的比会超出0.2～0.4:1的范围，这时烧结应力会加剧，烧结应力和外力叠加会使MLCC的强度下降。
进一步优选地，所述陶瓷介质层的厚度与印刷片的总厚度的比为0.2～0.3:1。
优选地，所述印刷片由陶瓷介质膜片和贱金属层构成。
优选地，所述贱金属层为镍层、铁层、锌层中的一种。
一种多层片式陶瓷电容器，其由上述方法制成。
一种电子产品，其包含上述多层片式陶瓷电容器。
本发明的有益效果是：本发明通过将构成陶瓷芯片的印刷片分成多组后再在相邻的组之间均插入陶瓷介质层以及降低盖片的厚度来改变MLCC上的应力分布(边缘的印刷片的位置更加靠近电容器主体外侧，从而可以利用印刷片中的内电极层具有的韧性来改变MLCC上的应力分布)，在确保MLCC的容量不改变的前提下提高了MLCC的抗弯曲性能，并降低了MLCC的生产成本。
附图说明
图1为实施例1～6和对比例1的多层片式陶瓷电容器中的电容器主体的截面的示意图。
图2为实施例1的多层片式陶瓷电容器中的电容器主体的应力分布图。
图3为对比例1的多层片式陶瓷电容器中的电容器主体的应力分布图。
图4为多层片式陶瓷电容器进行韧性测试时参数k1、k2、j1和j2的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。
注：实施例1～6和对比例1～7中的印刷片均是由陶瓷介质膜片和镍层构成，且陶瓷介质膜片和陶瓷介质层的材质相同。
实施例1：
一种多层片式陶瓷电容器(电容值C为10000000pF、介电常数ε为5270，电极正对面积S为1.2628mm2，电容器主体的厚度为880μm；电容器主体的截面的示意图如图1中的b所示)，陶瓷芯片由第一组印刷片组(由153片厚度为1.8μm的印刷片构成)、厚度为110.16μm的陶瓷介质层和第二组印刷片组(由153片厚度为1.8μm的印刷片构成)依次层叠构成，上盖片和下盖片的厚度均为110.16μm。
相关参数的计算公式：
b＝(C×a)/(0.00884×ε×S)＝(10000000×0.0018)/(0.00884×1.2628×5270)≈306层；
d＝g-(a×b)＝880-(1.8×306)＝329.2μm；
f＝0.2×(a×b)＝0.2×(1.8×306)＝110.16μm；
G＝f＝110.16μm；
e＝(d/f)-1＝(329.2/110.16)-1≈2；
式中，a为印刷片的厚度(单位：mm)，d为陶瓷介质层、上盖片和下盖片的总厚度(单位：μm)，G为上/下盖片的厚度(单位：μm)，g为电容器主体的厚度(单位：μm)，C为电容值(单位：pF)，ε为介电常数，S为电极正对面积(单位：mm2)，b为印刷片的片数，e为等分数量，f为单个陶瓷介质层的厚度(单位：μm)。
注：参数a、g、C、ε、S和b都是产品确定之后就已知的参数，同一规格产品其他参数都需要通过上述公式计算得到，其中，印刷片的厚度a，同一个规格产品，额定电压不同a不同，但也属于已知条件。
实施例2：
一种多层片式陶瓷电容器(电容值C为10000000pF、介电常数ε为5270，电极正对面积S为1.2628mm2，电容器主体的厚度为880μm；电容器主体的截面的示意图如图1中的c所示)，陶瓷芯片由第一组印刷片组(由90片厚度为1.6μm的印刷片构成)、厚度为111.21μm的陶瓷介质层、第二组印刷片组(由91片厚度为1.6μm的印刷片构成)、厚度为111.21μm的陶瓷介质层和第三组印刷片组(由91片厚度为1.6μm的印刷片构成)依次层叠构成，上盖片和下盖片的厚度均为111.21μm。
实施例3：
一种多层片式陶瓷电容器(电容值C为10000000pF、介电常数ε为5270，电极正对面积S为1.2628mm2，电容器主体的厚度为880μm；电容器主体的截面的示意图如图1中的d所示)，陶瓷芯片由第一组印刷片组(由55片厚度为1.3μm的印刷片构成)、厚度为118.55μm的陶瓷介质层、第二组印刷片组(由55片厚度为1.3μm的印刷片构成)、厚度为118.55μm的陶瓷介质层、第三组印刷片组(由55片厚度为1.3μm的印刷片构成)、厚度为118.55μm的陶瓷介质层和第四组印刷片组(由56片厚度为1.3μm的印刷片构成)依次层叠构成，上盖片和下盖片的厚度均为118.55μm。
对比例1：
一种多层片式陶瓷电容器(电容值C为10000000pF、介电常数ε为5270，电极正对面积S为1.2628mm2，电容器主体的厚度为880μm；电容器主体的截面的示意图如图1中的a所示)，陶瓷芯片由272片厚度为1.6μm的印刷片构成，上盖片和下盖片的厚度为222.24μm。
对比例2：
一种多层片式陶瓷电容器(电容值C为10000000pF、介电常数ε为5270，电极正对面积S为1.2628mm2，电容器主体的厚度为880μm)，陶瓷芯片由340片厚度为2.0μm的印刷片构成，上盖片和下盖片的厚度99.00μm。
对比例3：
一种多层片式陶瓷电容器(电容值C为10000000pF、介电常数ε为5270，电极正对面积S为1.2628mm2，电容器主体的厚度为880μm)，陶瓷芯片由第一组印刷片组(由57片厚度为1.7μm的印刷片构成)、厚度为64.79μm的陶瓷介质层、第二组印刷片组(由58片厚度为1.7μm的印刷片构成)、厚度为64.79μm的陶瓷介质层、第三组印刷片组(由58片厚度为1.7μm的印刷片构成)、厚度为64.79μm的陶瓷介质层、第四组印刷片组(由58片厚度为1.7μm的印刷片构成)、厚度为64.79μm的陶瓷介质层和第五组印刷片组(由58片厚度为1.7μm的印刷片构成)依次层叠构成，上盖片和下盖片的厚度均为64.79μm。
实施例4：
一种多层片式陶瓷电容器(电容值C为10000000pF、介电常数ε为4800，电极正对面积S为2.1504mm2，电容器主体的厚度为1436μm；电容器主体的截面的示意图如图1中的c所示)，陶瓷芯片由第一组印刷片组(由91片厚度为2.5μm的印刷片构成)、厚度为185.76μm的陶瓷介质层、第二组印刷片组(由91片厚度为2.5μm的印刷片构成)、厚度为185.76μm的陶瓷介质层和第三组印刷片组(由92片厚度为2.5μm的印刷片构成)依次层叠构成，上盖片和下盖片的厚度均为185.76μm。
实施例5：
一种多层片式陶瓷电容器(电容值C为10000000pF、介电常数ε为4800，电极正对面积S为2.1504mm2，电容器主体的厚度为1436μm；电容器主体的截面的示意图如图1中的d所示)，陶瓷芯片由第一组印刷片组(由63片厚度为2.3μm的印刷片构成)、厚度为171.25μm的陶瓷介质层、第二组印刷片组(由63片厚度为2.3μm的印刷片构成)、厚度为171.25μm的陶瓷介质层、第三组印刷片组(由63片厚度为2.3μm的印刷片构成)、厚度为171.25μm的陶瓷介质层和第四组印刷片组(由63片厚度为2.3μm的印刷片构成)依次层叠构成，上盖片和下盖片的厚度均为171.25μm。
实施例6：
一种多层片式陶瓷电容器(电容值C为10000000pF、介电常数ε为4800，电极正对面积S为2.1504mm2，电容器主体的厚度为1436μm；电容器主体的截面的示意图如图1中的d所示)，陶瓷芯片由第一组印刷片组(由57片厚度为2.1μm的印刷片构成)、厚度为190.54μm的陶瓷介质层、第二组印刷片组(由57片厚度为2.1μm的印刷片构成)、厚度为190.54μm的陶瓷介质层、第三组印刷片组(由58片厚度为2.1μm的印刷片构成)、厚度为190.54μm的陶瓷介质层和第四组印刷片组(由58片厚度为2.1μm的印刷片构成)依次层叠构成，上盖片和下盖片的厚度均为190.54μm。
对比例4：
一种多层片式陶瓷电容器(电容值C为10000000pF、介电常数ε为4800，电极正对面积S为2.1504mm2，电容器主体的厚度为1436μm)，陶瓷芯片由269片厚度为2.45μm的印刷片构成，上盖片和下盖片的厚度为389.09μm。
对比例5：
一种多层片式陶瓷电容器(电容值C为10000000pF、介电常数ε为4800，电极正对面积S为2.1504mm2，电容器主体的厚度为1436μm)，陶瓷芯片由第一组印刷片组(由56片厚度为3.1μm的印刷片构成)、厚度为54.69μm的陶瓷介质层、第二组印刷片组(由56片厚度为3.1μm的印刷片构成)、厚度为54.69μm的陶瓷介质层、第三组印刷片组(由57片厚度为3.1μm的印刷片构成)、厚度为54.69μm的陶瓷介质层、第四组印刷片组(由57片厚度为3.1μm的印刷片构成)、厚度为54.69μm的陶瓷介质层、第五组印刷片组(由57片厚度为3.1μm的印刷片构成)、厚度为54.69μm的陶瓷介质层和第六组印刷片组(由57片厚度为3.1μm的印刷片构成)依次层叠构成，上盖片和下盖片的厚度均为54.69μm。
实施例1～6和对比例1～5的多层片式陶瓷电容器的关键参数如下表所示：
表1实施例1～6和对比例1～5的多层片式陶瓷电容器的关键参数
| 编号 | f/(a×b) | 陶瓷介质层厚度f(μm) | 印刷片等分组数e |
| 实施例1 | 0.2 | 110.16 | 2 |
| 实施例2 | 0.25 | 111.21 | 3 |
| 实施例3 | 0.4 | 118.55 | 4 |
| 实施例4 | 0.27 | 185.76 | 3 |
| 实施例5 | 0.3 | 171.25 | 4 |
| 实施例6 | 0.4 | 190.54 | 4 |
| 对比例1 | 0.5 | 222.24 | 1 |
| 对比例2 | 0.1 | 99.00 | 1 |
| 对比例3 | 0.1 | 64.79 | 5 |
| 对比例4 | 0.6 | 389.09 | 1 |
| 对比例5 | 0.05 | 54.69 | 6 |
对比例6：
一种多层片式陶瓷电容器(电容值C为10000000pF、介电常数ε为5270，电极正对面积S为1.2628mm2，电容器主体的厚度为960μm)，除了上盖片和下盖片的厚度均为150μm以外，其余与实施例1的多层片式陶瓷电容器完全相同。
对比例7：
一种多层片式陶瓷电容器(电容值C为10000000pF、介电常数ε为5270，电极正对面积S为1.2628mm2，电容器主体的厚度为760μm)，除了上盖片和下盖片的厚度均为50μm以外，其余与实施例1的多层片式陶瓷电容器完全相同。
性能测试：
1)实施例1和对比例1的多层片式陶瓷电容器(MLCC)中的电容器主体的应力分布图依次如图2和图3所示。
由图2和图3可知：对对比例1的多层片式陶瓷电容器(传统MLCC，印刷片层数少，盖片偏厚)施加一定的弯曲应力时，会在产品端头的盖片处产生应力集中，而盖片本身为陶瓷，抗弯曲能力较差，故容易产生开裂，从而影响产品性能，而实施例1将印刷片进行等分并在中间加陶瓷介质层后，边缘的印刷片往电容器主体外侧移动，产品在使用过程中受到弯曲应力后，应力主要集中在最外层的内电极处，而内电极为金属镍，其具有较好的韧性，因此不会轻易发生开裂导致产品失效。
2)实施例1～6和对比例1～7的多层片式陶瓷电容器(MLCC)的弯曲强度、寿命和韧性测试结果如下表所示：
表2多层片式陶瓷电容器的弯曲强度、寿命和韧性测试结果
注：
弯曲强度：将MLCC样品焊接在PCB板上，对PCB板背面施加一定的力，压入不同的深度(1mm、2mm、3mm、……、10mm)，压完后取下PCB板，用热风枪吹出MLCC产品，吹出后磨DPA确认产品在多少深度下发生开裂，压入深度越大时产品未开裂，说明其抗弯曲能力越好，压下深度小于10mm为不合格品。
寿命：将MLCC样品放置在150℃环境下，5倍电压下进行极限加速寿命试验，实施例1～3的额定电压为10V、6.3V和2.5V，实施例4～6的额定电压为16V、10V和6.3V。极限HALT失效：在确定的温度、电压、时间下，产品发生烧毁短路为失效；极限HALT合格：在12h内40只产品平均烧毁短路时间大于等于10h。
韧性：通过以下公式来计算：式中，玻璃陶瓷E＝1.08×105MPa，H＝0.1891×F/K2，K＝(k1+k2)/2，J＝(j1+j2)/2，单位为毫米(mm)，k1、k2分别代表2条压痕对角线值，j1、j2分别代表左、右两侧裂纹扩展长度(参数k1、k2、j1和j2的示意图如图4所示)，单位为毫米(mm)，F为测试样对应试验力，单位为牛顿(N)，1g＝0.0098N。通过测试8～10个产品的裂纹横向扩展长度(每个产品的对角线长度及裂纹扩展长度取该产品上3个点的平均值)，去掉最大值与最小值，求出裂纹扩展长度与硬度平均值，从而计算该组产品韧性值。(T值越大，说明产品韧性越好，应力越小)。
由表2可知：当按照f/(a×b)＝0.2～0.4取值时进行印刷片等分，获得的产品的强度和可靠性均OK，而当f/(a×b)<0.2时，等分数量过多且盖片厚度异常偏薄，产品绝缘性能变差、寿命变短，而当f/(a×b)>0.4时，等分数量过少且烧结应力会加剧导致产品韧性变差，此时，烧结应力和外力叠加，会使产品的弯曲强度变差，这是因为当单个陶瓷介质层的厚度超过印刷片总厚度的0.4倍时，产品的应力开始加剧、韧性变差，此时，通过等分印刷片(中间加陶瓷介质层)并不能起到缓解应力的作用，反而会加剧恶化，而当单个陶瓷介质层的厚度等于印刷片总厚度的0.2～0.4倍时，加入一定的陶瓷介质层可以缓解因为共烧而引起的应力问题，同时印刷片等分后靠近外侧盖片增加产品的韧性，不易产生裂纹，但是当单个陶瓷介质层的厚度小于印刷片总厚度的0.2倍时，产品尺寸偏薄，不符合产品要求尺寸标准。
当单个陶瓷介质层的厚度f或等分数量均满足条件时，如果盖片的厚度大于单个陶瓷介质层的厚度f，在保证产品容量及尺寸不变的前提下，中间层太薄，不能很好的缓冲共烧应力，而这种共烧应力是相互作用的，既向产品内部作用，也向产品外部作用，导致产品韧性变差、强度变差，而如果盖片的厚度小于单层陶瓷介质层的厚度f，中间层太厚时，在保证产品总厚不变的情况下，印刷片需往盖片处移动，虽然可以很大程度缓解应力，但是因为盖片厚度异常偏薄，产品绝缘性能变差、寿命变短。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种提高多层片式陶瓷电容器抗弯曲性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：将构成陶瓷芯片的印刷片分成多组，再在相邻的组之间均插入陶瓷介质层，并降低上盖片和下盖片的厚度；所述上盖片的厚度与陶瓷介质层的厚度相同；所述下盖片的厚度与陶瓷介质层的厚度相同；所述陶瓷介质层的厚度与印刷片的总厚度的比为0.2～0.4:1。
2.根据权利要求1所述的提高多层片式陶瓷电容器抗弯曲性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：将构成陶瓷芯片的印刷片的片数进行调整，再将印刷片分成多组，再在相邻的组之间均插入陶瓷介质层，并降低上盖片和下盖片的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的提高多层片式陶瓷电容器抗弯曲性能的方法，其特征在于：所述分成多组采用等分的方式。
4.根据权利要求3所述的提高多层片式陶瓷电容器抗弯曲性能的方法，其特征在于：所述多组为二组、三组、四组、五组中的一种。
5.根据权利要求1所述的提高多层片式陶瓷电容器抗弯曲性能的方法，其特征在于：所述陶瓷介质层的厚度与印刷片的总厚度的比为0.2～0.3:1。
6.根据权利要求1或2所述的提高多层片式陶瓷电容器抗弯曲性能的方法，其特征在于：所述印刷片由陶瓷介质膜片和贱金属层构成。
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