3D打印市場研究——實現(xiàn)多層陶瓷電容器復雜設(shè)計的3D打印技術(shù)
發(fā)布時間：
2023-01-11 12:41
在電子器件制造領(lǐng)域，如果可以在減小組件尺寸的同時保持規(guī)格，則可以使用較少的材料(減少成本和重量)制造由這些組件制成的電子設(shè)備，同時還可以減少體積?；蛘?，使用相同數(shù)量的材料為組件提供增強的規(guī)格。然而在過去的幾十年中，晶體管的密度已急劇增加，但電容器等“無源”組件的設(shè)計改進卻跟不上電子設(shè)備發(fā)展的步伐。
根據(jù)3D科學谷的市場研究，VQ RESEARCH 研發(fā)了一種使用增材制造-3D打印技術(shù)來改進多層陶瓷電容器(MLCC)的方法，可以實現(xiàn)復雜的多層陶瓷電容器設(shè)計，獲得提升MLCC的電壓極限，增加導電層和/或電介質(zhì)層表面積等優(yōu)勢。
先進陶瓷材料的應用-多層陶瓷電容器(MLCC)。來源：將發(fā)布的《3D打印與陶瓷白皮書》
在給定條件下增加電容和最大電壓
電容器是一種電氣設(shè)備，它的作用是在一對緊密間隔的導體之間的電場中存儲能量。電容器可以用作能量存儲設(shè)備，也可以用于區(qū)分高頻信號和低頻信號。電容值可以定義為在一定電壓下電容器可以存儲多少電荷的量度。
傳統(tǒng)MLCC 剖面圖。來源：US20190214196
在傳統(tǒng)制造工藝中，多層陶瓷電容器是由絕緣陶瓷漿料形成膠帶，印刷導電油墨層，然后將各層壓在一起并燒結(jié)以形成絕緣體和導體的疊層交替體而制成的。特別是在物理上較大的電容器的情況下，在溫度或壓力的應力下可能會分層。如果一層分開使電容的下降，就會使電容器變得不合規(guī)格。另外，傳統(tǒng)制造工藝只能實現(xiàn)簡單的平坦層，而復雜的形狀則難以實現(xiàn)。
VQ RESEARCH希望找到一種在給定形狀因數(shù)下增加電容和最大電壓的方法。因而他們需要一種更好地電容器制造設(shè)備來優(yōu)化幾何特征，增加MLCC的規(guī)格。
陶瓷電容器3D打印設(shè)備。來源：US20190214196
VQ RESEARCH 研發(fā)的陶瓷電容器3D打印技術(shù)，能夠在幾何上優(yōu)化多層陶瓷電容器(MLCC)。在3D打印過程中，陶瓷漿料、導電材料、鐵氧體漿料和碳電阻漿料被沉積到基底上。這些材料可以在高溫下燒結(jié)，因此適于整體制造。與傳統(tǒng)方法相比，3D打印技術(shù)制造的電容器更精確，并且過程是可重復的，具有更高的幾何和空間分辨率，并可以產(chǎn)生更高密度的組件，而材料浪費更少。
陶瓷電容器3D打印流程。來源：US20190214196
VQ RESEARCH 指出該技術(shù)的主要優(yōu)勢在于可以制造以往不可能實現(xiàn)的復雜形狀，用于提升產(chǎn)品的規(guī)格和/或結(jié)構(gòu)完整性。
對于3D打印技術(shù)可實現(xiàn)的復雜設(shè)計，VQ RESEARCH指出，在設(shè)計增材制造陶瓷電容器時，可以將多層陶瓷電容器的導電層端部和介電層邊緣修改為包括圓形的結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計方式的好處是可以通過減小由尖角導致的電場強度來增加MLCC的電壓極限。當電場盡可能均勻時，電容器性能與所用材料的比例最高。如果在尖角處看到電場具有“熱點”，那么與非尖角相比，最大工作電壓更低。此外，3D打印電容器可以同時包含波狀結(jié)構(gòu)，從而增加導電層和/或電介質(zhì)層的表面積。
在電介質(zhì)層邊緣和導電層端部之間具有更小間隙長度的3D打印多層陶瓷電容器橫截面圖。來源：US20190214196
通過3D打印技術(shù)實現(xiàn)的導電層末端的圓形，可以部分減少保護間隙，因為其圓頂形狀允許介電層在頂部和底部變寬，在中心變薄，為各層提供強度支撐。3D打印過程允許導電層的導電層末端之間的距離非常接近電介質(zhì)層的電介質(zhì)層邊緣，例如低于標準500微米，例如1至499微米。距離的減小等于導電層的面積增加，從而增加電容器的電容和工作電壓。（來源：3D科學谷）
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