用於印刷線路板的共同燒制的陶瓷電容器及其製造方法
2023-06-25 05:42:21 2
專利名稱：用於印刷線路板的共同燒制的陶瓷電容器及其製造方法
技術領域：
本發明的技術領域為陶瓷電容器。更具體地說，該技術領域包括可以埋置在印刷線路板中的共同燒制的陶瓷電容器。
背景技術：
通過在箔上燒制的技術製成的埋置在印刷線路板中的被動電路組件是已知的。已知的組件在箔上獨立地燒制。「在箔上獨立地燒制的」電容器是通過在金屬箔襯底上沉積一層厚膜介電物質層並在厚膜燒制條件下燒制並隨後在厚膜介電物質上沉積一種頂電極材料而製成的。Felten的美國專利No.6,317,023 B1公開了這樣一種工藝。
厚膜介電物質在燒制後應當具有高的介電常數(K)。一種高K厚膜電介質是通過混合一種高介電常數K的粉末(「功能相」)和一種玻璃粉並將該混合物分散在厚膜絲網印刷載體中而製成的。高K玻璃可以是全部結晶或部分結晶，取決於其組成和它們沉澱的高K晶體量。這些玻璃常稱為「玻璃陶瓷」。
在燒制厚膜介電物質期間，在達到峰值燒制溫度之前介電物質的玻璃組分軟化並流動，聚結、密封該功能相併隨後結晶，形成玻璃陶瓷。但是玻璃陶瓷在隨後的燒制中並不重新軟化和流動，而其表面常常難以粘附。
銀和銀鈀合金由於其熱膨脹係數(TCE)與在箔上燒制的電容器中使用的電介質差別相當小而成為製造電容器電極的優選金屬。小的TCE差別在從峰值燒制溫度冷卻時在電極中形成小的應力。但是，由於銀遷移的可能性銀及含銀合金在某些用途中可能不太理想。此外，銀及銀合金的相當低的熔點妨礙其在較高燒制溫度下的使用。
銅是製造電極的優選材料，但是銅和厚膜電容器電介質之間的大的TCE差別導致電極中的燒制後應力。該應力導致電極破裂。此外，因為預燒制的玻璃陶瓷在隨後的燒制中並不重新軟化和流動，所以在預燒制的玻璃陶瓷表面上燒制的銅電極不可能良好地粘附於玻璃陶瓷上。因此該電極可能與電介質分離。破裂和分離兩者產生高的耗散因子。
發明概要按照第一實施例，一種製造在箔上燒制的陶瓷電容器構件的方法包括在金屬箔上形成第一介質、在該第一介質上形成第一電極以及該第一電介質和第一電極的共同燒制。在第一實施例中，通過電極和電介質的共同燒制，避免了由於電極和電介質之間的熱膨脹係數(TCE)的差別而產生的破裂和電極與電介質分離。TCE問題的減輕也使得能利用優選材料如銅來製造電極。
按照第二實施例，一種雙層電容器構件包括一片金屬箔、安置在箔上的電介質、安置在第一電介質上的第一電極及安置在該電介質和第一電極上的第二電極。在第二實施例中，由於附加的電介質/電極層，增大了電容器構件的電容密度。還可以增加附加的層，從而再增大電容密度。也按照第二實施例，該電容器構件可以由銅箔和銅電極組成。
附圖簡述後面的詳細描述將參考附圖，圖中相同的標號指示相同的部件，附圖中
圖1A～1D示意說明在製造在如正視圖中所示的電容器構件的第一詳細描述圖1A～1D例示一種製造電容器構件100(圖1E)的通用方法，該構件100在金屬箔設計上有一個單層電容器。圖1E是成品電容器構件100的平面圖。下面也描述電容器構件100的特定例子。
圖1A是製造電容器構件100的第一階段的側視立面圖。在圖1A中提供一片金屬箔110。箔110可以是工業中普通使用的那種類型。例如，箔110可以是銅、銅-因瓦(invar)鎳鐵合金-銅、因瓦鎳鐵合金、鎳、鍍鎳銅或其熔點超過厚膜漿料燒制溫度的其它金屬。優選的箔包括主要由銅組成的箔，如逆處理(reversetreated)銅箔、雙處理(double-treated)銅箔和通常用於多層印刷電路工業的其它銅箔。箔110的厚度可以在例如約1～100微米、優選地約3～75微米而最優選地約12～36微米的範圍內，對應於約1/3～1盎司銅箔。
箔110可以通過在箔110上外加一層下印刷層112來預處理。下印刷層112是一層外加在箔110的組件一側表面上的相當薄的層。在圖1A中，下印刷層112被表示為箔110上的表面塗層。下印刷層112良好地附著在金屬箔110和沉積於下印刷層112上的層上。下印刷層112可以例如用外加在箔110上的漿料形成，然後在低於箔110的軟化點的溫度燒制。該漿料可以印刷成箔110整個表面上的敞開塗層，或印刷在箔110的選定區域上。將下印刷層漿料印刷在箔的選定區域上通常更為經濟。當銅箔110與銅下印刷層112結合使用時，銅下印刷層漿料中的玻璃延緩了銅箔110的氧化腐蝕，因此，如果採用摻氧的燒制，對箔110的整個表面進行塗層可能是最好的。
在圖1A中，將一種介電物質在預處理的箔110上進行絲網印刷，形成一層第一介電層120。該介電物質可以例如是一種厚膜介電油墨。該介電油墨例如可以用漿料製成。然後使第一介電層120乾燥。在圖1B中，而後外加一層第二介電層125，並使其乾燥。在另一實施例中，可以通過一個較粗的絲網來沉積單獨一層介電物質而在一層印刷層中提供一個等效的厚度。
在圖1C中，在第二介電層125上形成一個電極130並使其乾燥。電極130例如可以用絲網印刷一種厚膜金屬油墨來製成。通常，介電層125的表面積應當大於電極130的表面積。
然後將第一介電層120、第二介電層125和電極130共同燒制。厚膜介電層120、125可以例如用一種高介電常數的功能相如鈦酸鋇和改變介電性能的添加劑如混和了玻璃-陶瓷熔結相的二氧化鋯製成。在共同燒制期間，玻璃-陶瓷熔結相使功能相和添加相軟化、潤溼並聚結而產生功能相和變性添加劑在玻璃-陶瓷基質中的分散。同時，層130的銅電極粉被軟化的玻璃-陶瓷熔結相潤溼並一起燒結而形成一個固體電極。層130具有從共同燒制形成的對高K電介質128的強烈粘合。燒制後的構件示於圖1D的前視立面圖中。
圖1E是成品電容器構件100的平面圖。在圖1E中，例示出在箔110上的四個電介質/電極疊層140。但是在箔110上可以配置任意數目的不同圖形的疊層140來形成電容器構件100。
例1～3例示在實施圖1A～1E所示的通用方法中使用的特定材料和工藝。
圖2A～2J例示一種製造具有在金屬箔設計上的雙層電容器的電容器構件200的方法。圖2K是成品電容器構件200的平面圖。
圖2A是製造電容器構件200的第一階段的前視立面圖。在圖2A中，提供一片金屬箔210。箔210可以通過外加一個下印刷電路212並將其燒制來預處理，如上面參照圖1A的討論。一種介電物質用絲網印刷在預處理的箔210上，形成第一介電層220。然後使第一介電層220乾燥。
在圖2B中，而後外加第二介電層225並使其乾燥。也可以使用單獨一層的介電物質。
在圖2C中，在第二介電層225上形成一個第一電極230並使其乾燥。該第一電極可以通過例如絲網印刷厚膜金屬油墨而形成。第一電極230做成延伸到接觸箔210。
然後將第一介電層220、第二介電層225和第一電極230共同燒制。介電層220、225可以具有上面參照圖1A～1E討論的材料相似的成分，而共同燒制工藝給出上述粘合和無缺陷處理的優點。從共同燒制步驟形成最終的電介質228，如圖2D中所示。
在圖2E中，一層介電物質的第三層用絲網印刷在圖2D的共同燒制的構件上，形成一層第三介電層240。然後使第三介電層240乾燥。在圖2F中，外加一層第四介電層245並使其乾燥。也可以採用單獨一層介電物質。
在圖2G中，在第四介電層245上形成一個第二電極250並使其乾燥。第二電極250延伸到接觸箔210。然後對該構件共同燒制。圖2H例示共同燒制後的構件與形成的電介質260和電介質/電極疊層265。在共同燒制後，電介質260牢固地粘合在兩個電極230、250上，而電極230、250是無裂縫的。
作為參照圖2D和2H討論的兩個獨立的燒制步驟的替代，在形成第二電極250之後可以進行一次單獨的共同燒制。一次單獨的共同燒制的優點是減少了生產費用。但是，兩次獨立的燒制允許檢查第一電極230的缺陷如裂縫和第一次燒制後的印刷準直問題。
在圖2I中，該構件可以顛倒和疊合。例如，箔210的組件表面能夠與疊合材料270疊合。疊合可以用FR4聚酯膠片以標準的印刷線路板工藝進行。在一個實施例中，可以使用106聚氧樹脂聚酯薄片。合適的疊合條件是在抽真空到28英寸汞柱的真空室中在208psi壓力下用185℃加熱1小時。可以用矽酮橡膠壓墊和光滑的填充PTFE的玻璃防粘板與箔210接觸來防止環氧樹脂與疊合板粘在一起。一片箔280可以外加在疊合材料270上以提供一個產生電路的表面。上面參照圖1E討論的電容器構件100的實施例也可以用這種方式疊合。電介質聚酯薄片和疊合材料可以是任何種類的介電物質如標準的環氧樹脂、高Tg環氧樹脂、聚醯亞胺、聚四氟乙烯、氰酸酯樹脂、填充的樹脂系統、BT環氧樹脂及其它在電路層之間提供絕緣的樹脂和疊層。
參考圖2J，在疊合後，在箔210上外加一種光敏抗蝕劑，而後利用標準的印刷線路板加工條件對箔210進行成象、蝕刻和剝落。蝕刻在箔210中產生槽215，該槽斷開第一電極230和第二電極250之間的電接觸。圖2K是完成的電容器構件200的頂視平面圖。箔210的區段216是形成的電容器構件200的一個電極，可以用導電徑跡218連接到其它電路上。區段227聯接在第二電極230上，可以通過導電徑跡219連接到其它電路上。
上面討論的電容器構件200由於其雙層電容器構件而具有高的電容密度。此外，電容器構件200可以通過介電層和電極的共同燒制而沒有裂縫。
圖3例示電容器構件的第三實施例。電容器構件300是一個具有高的電容器密度的三層實施例。電容器層構件300包括一片箔310和多個電介質/電極疊層365(僅例示一個疊層365)。電介質/電極疊層365包括由電介質360分開的第一電極330和第二電極350，類似於上面討論的電容器構件200的第一和第二電極230、250。每個電介質/電極疊層365也有一個在電介質360上形成的第三電極335。槽315斷開箔310的一部分316及電極350與箔310的另一部分317、第一電極330及第三電極335之間的電接觸。電容器構件300中可以包括疊合材料370和第二箔380。
電容器構件300能夠用與電容器構件200相似的方式製造。疊層365中的電介質360的第三層部分可以用如上面討論的一種或多種介電油墨形成，而電極335能夠在電介質360上形成。
電介質/電極疊層365能夠以三個單個步驟或單獨一個步驟進行共同燒制。每個電極/電介質層的燒制可以檢驗產品的缺陷。但是，單獨一次燒制能降低電容器構件300的生產費用。
電介質/電極疊層365中的附加層為電容器構件300提供高的電容密度。介電層和電極的共同燒制提供低的耗散因子和無裂縫的構件。
在其它實施例中，能夠用交替形成的介電層和電極層產生四層或更多層的電容器構件並將這些層共同燒制。
在本說明書中討論的實施例中，術語「漿料」可以對應於電子材料工業中使用的傳統術語，一般指一種厚膜組分。通常，下印刷層漿料的金屬組分與金屬箔中的金屬匹配。例如，如果使用銅箔，那麼可以用銅漿料做下印刷層。其它應用例子可以是用相似的金屬下印刷層漿料來與銀箔和鎳箔配對。厚膜漿料可以用於形成下印刷層和被動組件兩者。
通常，厚膜漿料由溶解在增塑劑、分散劑和有機溶劑的混合物中的聚合物中分散的陶瓷、玻璃、金屬或其它固體的細分微粒組成的。用於銅箔上的優選的電容器漿料具有在氮氣氛中良好燒完的有機載體。此種載體通常包含極小量的樹脂如高分子量乙基纖維素，這裡只需小量來產生適用於絲網印刷的粘性。此外，混合在該介電粉末混合物中的一種氧化成分如硝酸鋇粉末有助於使該有機組分在氧氣氛中燒完。固體與基本上隋性的液體介質(「載體」)混合，然後在三輥研磨機上分散而形成適合於絲網印刷的漿料狀組分。任何基本上隋性的液體均可用作載體。例如，具有或沒有增厚劑和/或穩定劑和/或其它普通添加劑的各種有機液體都可以用作載體。
高K厚膜介電漿料通常包含分散在由至少一種樹脂和至少一種溶劑組成的載體系統中的至少一種高K功能相粉末和至少一種玻璃粉末。該載體系統設計成絲網印刷來提供一層稠密而空間明確清楚的薄膜。該高K功能相粉末能夠包含具有一般分子式ABO3的鈣鐵礦型鐵電組分。這些組分的例子包括BaTiO3、SrTiO3、PbTiO3、CaTiO3、PbZrO3、BaZrO3和SrZrO3。通過將替代元素代入A和/或B的位置，也可以有其它組分，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3和Pb(Zn1/3Nb2/3)O3。TiO2和SrBi2Ta2O9是其它可能的高K材料。
上述組分的摻雜的和混合的金屬型式也是適用的。摻雜和混合主要用於獲得必需的終端用途性能規格，如必需的電容溫度係數(TCC)，以便材料滿足企業的技術條件確定，如「X7R」或「Z5U」標準。
漿料中的玻璃可以是如硼矽酸Ca-Al、硼矽酸Pb-Ba、矽酸Mg-Al、硼酸稀土和其它相似的玻璃組分。優選的是高K玻璃-陶瓷粉，如鍺酸鉛(Pb5Ge3O11)。
用於形成電極層的漿料可以基於銅、鎳、銀、含銀貴金屬組分中任何一種的金屬粉末或這些化合物的混合物。優選的是銅粉組分。
本說明書中描述的電容器構件實施例有許多應用。例如，這些電容器構件實施例可以用在有機印刷電路板、IC封裝件、所述構件在去耦合用途中的應用以及如IC組件或手持器件母板之類器件中。
在上述實施例中，所述電極層用絲網印刷形成。但是，也可採用其它方法，如將電極金屬濺射沉積或蒸發在介電層表面上。
本發明的以上描述例示和描述了本發明。此外，該公開僅表示和描述了本發明的優選實施例，但可以理解，本發明能夠用於各種其它組合、變化和環境中，並能夠在本文表達的本發明概念的範圍內與上述說明和/或相關技術的技能或知識相稱地進行變化或修改。以上描述的實施例還預定說明已知的實施本發明的最佳方式，並能夠使該技術的其它專業人員以這種或其它實施例以及利用通過本發明的特定應用或使用所需要的各種修改來利用本發明。因此，該描述預定並不將本發明限制於本文公開的形式。同時，預定附屬的權利要求書包括替代的實施例。
例子例1參照圖1A～1E，圖中描述了電容器構件100的一個特定實施例。在該實施例中，箔110是一層銅箔。銅箔110的類型可以是印刷線路板工業中使用的任何商業級銅箔，並可以在1/3盎司銅箔(約12微米厚)至1盎司銅箔(約36微米厚)的範圍內。銅箔110通過在箔110的選定面積上外加一層銅下印刷層漿料來預定處理。形成的產品而後在氮氣中於900℃峰值溫度燒制10分鐘而形成下印刷層112，總周期時間約1小時。
在圖1B中，通過400目絲網在預處理的銅箔110上絲網印刷一種厚膜介電油墨而產生一個1/2英寸乘1/2英寸的第一介電層120的圖形。第一介電層120的溼印刷厚度約為12～15微米。第一介電層120在125℃乾燥約10分鐘，而第二介電層125用絲網印刷施加，隨後在125℃乾燥。厚膜介電油墨包括一種鈦酸鋇組分、一種氧化鋯組分和一種玻璃-陶瓷相。
參照圖1C，厚膜銅電極油墨層130通過400目絲網印刷在介電方塊120上，並在125℃乾燥約10分鐘而形成一個0.9cm乘0.9cm的方塊電極。通常，印刷電極130的厚度只受無針孔膜的需要的限制，通常在3～15微米範圍內。形成的構件利用厚膜氮輪廓在900℃峰值溫度共同燒制10分鐘。
該氮輪廓在燒完區中包括小於50ppm的氧而在燒制區中包括2～10ppm氧，總周期時間為1小時。圖1E中例示共同燒制形成的電介質/電極疊層140。
在該例子中，厚膜介電材料具有下列組分鈦酸鋇粉末64.18％氧化鋯粉末3.78％玻璃A 11.63％乙基纖維素 0.86％Texanol 18.21％(2，2，4-三甲基-1，3-戌硫醇-異丁酸酯)硝酸鋇粉末0.84％磷酸鹽潤溼劑 0.5％玻璃A包括氧化鍺21.5％四氧化鉛 78.5％玻璃A組分對應於Pb5Ge3O11，該組分在燒制時沉澱出來，並有一約70～150的介電常數。該厚膜銅電極油墨包括銅粉末55.1％玻璃A 1.6％氧化亞銅粉末 5.6％乙基纖維素T-2001.7％Texanol 36.0％
在燒制後，電容器構件無裂縫並具有下列電學特性電容密度約150毫微法/英寸2耗散因子約1.5％絕緣電阻＞5×109歐姆擊穿電壓約800伏/密耳在該例子中，使用銅作為材料來製成箔110和電極130是有利的，因為銅沒有受到大的遷移程度。在常規的箔上獨立燒制的方法中，銅和介電物質之間的大的TCE差別導致破裂和電極與電介質分離以及高的耗散因子。但是，通過對電極和電介質進行共同燒制，不產生破裂並獲得低的耗散因子。
例2重複例1中所述的過程，不同之處是厚膜電介質128是通過325目絲網印刷的，兩層的每層潤溼厚度為約15～20微秋。結果與例1的實施例相似，不同之處是電容密度為約120nF/英寸2。
例3用下表中所示的各種電介質和電極尺寸重複例2中所述的過程
這些實施例中的電容正比於印刷的銅電極的面積，但計算的電容密度基本上與例1的電容密度相同。
權利要求
1.一種用於製作在箔上燒制的電容器構件的方法，包括如下步驟提供一片金屬箔；在箔上形成至少一種第一電介質；在第一電介質上形成至少一個第一電極；以及對第一電介質和第一電極進行共同燒制。
2.權利要求1所述的方法，其特徵在於，第一電極的形成包括如下步驟形成由一種金屬組成的第一電極，其中該金屬箔也由該金屬組成。
3.權利要求2所述的方法，其特徵在於，該金屬是銅。
4.權利要求1所述的方法，其特徵在於包括如下步驟在第一電極上形成至少一種第二電介質；以及在該第二電介質上形成至少一個第二電極。
5.權利要求4所述的方法，其特徵在於包括如下步驟對第二電介質和第二電極進行共同燒制。
6.權利要求4所述的方法，其特徵在於，共同燒制包括如下步驟與第一電介質和第一電極一起對第二電介質和第二電極進行共同燒制。
7.權利要求4所述的方法，其特徵在於包括在該箔中製成一條槽，以便使第一和第二電極電絕緣。
8.權利要求4所述的方法，其特徵在於，包括如下步驟疊合箔的包含該第一電介質和第一電極的側面。
9.權利要求4所述的方法，其特徵在於包括如下步驟在第二電極上形成至少一種第三電介質；以及在第三電介質上形成至少一個第三電極。
10.權利要求9所述的方法，其特徵在於包括如下步驟對第三電介質和第三電極進行共同燒制。
11.權利要求9所述的方法，其特徵在於，該共同燒制包括如下步驟與第一、第二電介質和第一、第二電極一起對第三電介質和第三電極進行共同燒制。
12.權利要求9所述的方法，其特徵在於包括在箔中形成一個槽以便使第一和第三電極與第二電極電絕緣。
13.權利要求1所述的方法，其特徵在於，提供一片箔，包括如下步驟用一層下印刷層處理該箔；以及在箔的軟化點以下的溫度進行燒制。
14.權利要求1所述的方法，其特徵在於，第一電介質的形成包括如下步驟在箔上絲網印刷一層介電油墨；以及使介電油墨乾燥。
15.權利要求14所述的方法，其特徵在於，第一電極的形成包括如下步驟在第一電介質上絲網印刷一層金屬油墨；以及使金屬油墨乾燥。
16.權利要求1所述的方法，其特徵在於形成至少一種第一電介質的步驟包括在箔上形成多種第一電介質的圖形；以及形成至少一個第一電極的步驟包括在第一電介質上形成多個第一電極的圖形。
17.一種電容器構件，包括一片金屬箔；配置在箔上的至少一種電介質；配置在該電介質一部分上的至少一個電極；以及配置在該電介質一部分和該第一電極一部分上的至少一個第二電極，其中該電介質一部分配置在該第一和第二電極之間。
18.權利要求17所述的電容器構件，其特徵在於，該箔包括一條使第一電極與第二電極電絕緣的槽。
19.權利要求17所述的電容器構件，其特徵在於該至少一種電介質包括多種電介質；該至少一個第一電極包括多個第一電極；該至少一個第二電極包括多個第二電極；以及該電介質、第一電極和第二電極在金屬箔上設置成多個疊層，每個疊層包括一個第一電極、一個第二電極和一種電介質。
20.權利要求19所述的電容器構件，其特徵在於，包括多個第三電極，每個疊層中一個，其中每個第三電極配置在一部分相應的電介質和一部分相應的第一電極上，並電連接到該相應的第一電極上。
21.權利要求19所述的電容器構件，其特徵在於，該金屬箔與第一和第二電極由銅組成。
全文摘要
通過在一片箔上形成一個第一電介質的圖形、在第一電介質上形成第一電極並對第一電介質和第一電極進行共同燒制而製造一個電容器構件。電解質和電極的共同燒制減輕由於電極和電介質之間的熱膨脹係數(TCE)的差異而產生的裂縫。共同燒制也保證電介質和電極之間的強烈粘合。此外，共同燒制允許製造多層電容器構件，並允許用銅製成電容器電極。
文檔編號H05K1/16GK1497627SQ200310100679
公開日2004年5月19日 申請日期2003年10月13日 優先權日2002年10月11日
發明者W·J·波爾蘭德, W J 波爾蘭德 申請人:納幕爾杜邦公司