大功率三端子电容器设计及工艺优化

摘要：为开发大功率三端子电容器，对产品的设计及生产工艺进行了深入研究，优化了产品的内部结构及生产工艺。在电容器内部增加陶瓷缓冲层结构可解决电容器陶瓷体的开裂问题，增加镍浆的印刷厚度，并利用快速烧成窑炉改善内部镍金属电极的连续性。通过改进工艺，改善了端电极铜层疏松多孔的结构。制出的三端子电容器可满足10A额定电流的工作环境。

关键词：三端子电容器；大功率；工艺优化

近年，市场的电子设备都以便携及多功能为目标发展（如智能手机）。目前智能手机除电话功能外，还增加了数码相机、游戏、浏览网页和音乐播放多项功能，使电子产品对高速处理器及高速通讯技术的依赖性提高，伴随着就是高耗电量，大电池的引入使得搭载元器件的主板体积出现减少，并且电子产品的高性能会增加电子元器件的使用数量，所以市场上对复合型贴装电子元器件和低感抗多层陶瓷电容器（MLCC）的需求会逐渐提高[1-2]。三端子电容器因其特殊的内部设计，其等效串联电感（ESL）远低于传统同规格MLCC，并且内部等效电路是T型滤波器，滤波性能高于传统MLCC，可达到一个三端子电容器替代多个MLCC的效果，但由于三端子的电容器长轴AB两个端子（如图1所示），所以需要对三端子电容器的直流电阻进行管控，三端子电容器在电子设备的设计应用中需要通过最大的电流为10A，在这个应用环境中需要将三端子电容器AB两个端子的直流电阻控制在1.5mΩ的标准范围内，以控制三端子电容器的功率达到减少电容器的工作温度提高可靠性的效果，所以本文针对10A电流规格的大功率三端子电容器的内部设计进行研究，探究如何通过调整产品的内部设计和工艺使三端子电容器满足大功率的工作需求。

1试验

1.1试验材料

X7R特性瓷粉（国产），镍内电极浆料（国产），铜端电极浆料（国产）。

1.2试验方法

工艺流程为：瓷浆制备→流延→丝印→叠层→切割→高温烧结→封端→烧端→电镀。制备得到1206尺寸、电容为15nF、额定电压为100V，AB端贯通电极直流电阻为≤1.5mΩ、额定工作电流为10A工作电流的三端子电容器。

2结果与分析

2.1镍电极层数的影响

三端子电容器面向的是10A大电流的应用条件，产品需要满足AB端贯通电极直流电阻≤1.5mΩ的标准。根据多层陶瓷电容器的等效电路（如图2所示），层与层之间为并联结构，所以需要增加产品的内部电极层数降低贯穿电极的直流电阻。根据1206尺寸电容器的内部容积，利用4μm的陶瓷生坯介质在电容内部设计243层贯通电极和2层GND电极制作15nF的三端子电容器内部结构如图3所示。可见，制作的产品直流电阻可满足10A电流的工作要求，但因内部开裂只能检测贯穿电极的直流电阻，无法检测其电性能。

2.2电容器内部开裂的分析与解决

根据以上产品的设计，分析产品开裂的原因为内部电极过于集中，导致电容器在高温烧成时内部收缩应力过大[3]。为缓解电容内部金属电极过于密集导致产品内部开裂的问题，在产品内部减少内电极金属层数，并利用此空间作为金属电极层之间不设置电极的缓冲区间（如图4所示），从而解决产品内部开裂的问题。根据图3的内部结构在贯穿电极层中间增加陶瓷缓冲层，现以去掉10层贯通电极使用一个陶瓷缓冲层进行替代，以图3的设计为设计基础进行改进，采用以下四种内部设计方案对三端子电容器进行改进，具体为：1）1个陶瓷缓冲层，233层贯通电极；2）2个陶瓷缓冲层，223层贯通电极；3）3个陶瓷缓冲层，213层贯通电极；4）4个陶瓷缓冲层，203层贯通电极。所制作样品的具体电性能数据见表2。可见，在电容内部增加3个及以上的陶瓷缓冲层后可避免产品的开裂问题，可测试产品的具体电性能情况，但因金属电极层数的减少导致产品的直流电阻值增加，无法满足10A大电流的工作要求。

2.3镍电极连续性的影响

三端子电容器在高温烧结后内部金属电极会形成网状不连续的结构，增加镍金属电极的连续性可有效降低单层金属电极的电阻率，从而降低三端子电容器的直流电阻，分析影响金属电极连续性的主要原因有：1）印刷时电极浆料的厚度。因MLCC生产时所使用的电极浆料含有机添加物，在高温烧结时会使浆料内的有机添加物挥发，如印刷的电极浆料厚度过薄会使金属电极层的金属含量不足，导致高温烧结后金属电极层出现严重的不连续网状结构。2）升温速度。高温烧结时，烧结窑炉的升温速度会影响MLCC的金属内电极在高温下熔融状态的时间，金属电极在熔融状态时会导致金属电极的收缩，如金属在熔融状态的时间过长会造成金属电极连续性差的问题（如图5所示）。使用以上三端子电容器缓冲陶瓷层的第三方案，即3个陶瓷缓冲层和213层贯通电极的设计为基础进行内电极连续性的改进，具体方案为：1）使用2μm乳胶厚度的丝网进行印刷，使用升温速度为2℃/min的普通窑炉进行高温烧结。2）使用2μm乳胶厚度的丝网进行印刷，使用升温速度为25℃/min的快速窑炉进行高温烧结。3）使用7μm乳胶厚度的丝网进行印刷，使用升温速度为2℃/min的普通窑炉进行高温烧结。4）使用7μm乳胶厚度的丝网进行印刷，使用升温速度为25℃/min的快速窑炉进行高温烧结。所制作样品的具体电性能数据见表3。在相同的内部设计情况下使用快速窑炉烧成可比普通窑炉烧成的产品直流电阻值下降10%，这是因为快速窑炉烧成的升温速度快，在较短时间内实现陶瓷的烧结，缩短了金属电极在熔融状态的时间；使用7μm乳胶厚度的丝网进行镍电极印刷，可比使用2μm乳胶厚度的丝网进行镍电极印刷时直流电阻下降16%，因为随着乳胶厚度的增加，印刷的镍电极层厚度越大，并且印刷外观缺陷减少[4]，这些都有利于改善电极连续性，降低其直流电阻率。伴随着镍电极层连续性的改善，电容器的容量也随之上升。

2.4端电极铜层厚度的影响

使用内部结构为3个陶瓷缓冲层、213层贯通电极的设计，以及7μm乳胶厚度的丝网进行印刷，升温速度为25℃/min的快速窑炉进行高温烧结，对不同端电极铜层厚度的电容器进行直流电阻参数的对比，具体方案为：1）对电容器的端头使用一次浸封铜浆后，以高温烧结固化的方式进行外电极铜层的制作。2）对电容器的端头使用二次浸封铜浆后，以高温烧结固化的方式进行加厚型外电极铜层的制作。所制作样品的具体电性能数据见表4。使用二次浸封制作方式相对于一次浸封制作方式可增加电容器端头铜层的厚度，但此方式没有使三端子电容器的直流电阻参数得到有效下降，并不能满足直流电阻≤1.5mΩ的标准。分析原因为端电极铜层在烧结过程中因浆料中有机物的排出，会导致烧结后铜层内部形成多孔不致密的结构（如图6所示），所以在铜浆成分没有改变的情况下使用二次浸封制作方式增加铜层厚度，不改变铜层内部的结构无法使电容器的直流电阻参数得到大幅度的下降。根据以上分析的原理对方案2二次浸封铜层的方式进行改进，先对电容器的铜层进行一次浸封，并进行高温烧结，第一层铜层制作完成后再进行第二次铜浆浸封，二次浸封完成后再对铜层进行高温烧结。这样可在二次浸封铜浆时将第一层铜层中的孔洞利用铜浆进行填充，改善铜层烧结后疏松多孔的结构，减低铜层电阻率（如图7所示）。具体方案及流程为：一次浸封铜浆→高温烧结固化铜层→二次浸封铜浆→二次高温烧结固化铜层。所制作样品的具体电性能数据见表5。在增加端电极铜层的厚度的同时也需要将铜层的致密性进行改善，才能降低铜层的电阻率，降低产品的直流电阻。

3结论

1）在高层数MLCC的内部适当加入陶瓷缓冲层，可解决MLCC在高温烧结后的瓷体开裂问题。2）使用厚乳剂丝网对镍浆进行印刷，并且搭配快速烧结窑炉可改善电容器镍电极的连续性，降低三端子电容器的直流电阻。3）使用二次浸封铜浆的工艺，对烧结后的铜层表面孔洞使用铜浆进行二次填充，改善铜层烧结后的疏松多孔结构，降低三端子电容器的直流电阻。

参考文献

[1]邓丽云,薛赵茹.小尺寸高容量MLCC寿命性能改善[J].电子工艺技术,2019,40(3):175.

[2]陈长云,李筱瑜,刘新.MLCC内电极厚度对其性能影响的研究[J].电子工艺技术,2011,32(2):105.

[3]刘新,李筱瑜,陈长云.MLCC制作过程中分层开裂原因分析[J].电子工艺技术,2011,32(6):335.

[4]李筱瑜,陈长云,祝忠勇.超小型片式多层陶瓷电容器内电极印刷工艺研究[J].电子质量,2011,32(6):1.

作者：何彦颖 刘伟峰 陈长云 单位：广东风华高新科技股份有限公司新型电子元器件关键材料与工艺国家重点实验室 广东中创智家科学研究有限公司