陶瓷積層式晶片元件的陶瓷釉被覆結構和製造方法
2023-06-23 10:37:31
專利名稱：陶瓷積層式晶片元件的陶瓷釉被覆結構和製造方法
技術領域：
本發明涉及一種陶瓷積層式晶片元件的陶瓷釉被覆結構，尤其涉及一種以半導體性或不具有高絕緣特性的陶瓷材料作為本體的陶瓷積層式晶片元件，於端電極範圍之外的元件本體存在一層緻密、光滑(smooth)且高絕緣阻抗的陶瓷釉，使晶片元件的端電極可以實施電鍍製造來達成。
背景技術：
晶片元件，包括單一晶片(如圖1所示)與陣列型晶片(如圖2所示)已被廣泛地應用於各種電子系統產品的線路中，其基本構造系包括一本體1、設於本體1內的內電極2、位於本體兩相對端部的端電極3，以及具有良好焊接特性的焊接介面層5，其並依據元件物理特性上的需求而使用種種不同的材料例如單一晶片型與陣列晶片型電容元件系使用陶瓷介質材料、單一晶片型與陣列晶片型磁珠元件系使用陶瓷來製造鐵粉蕊材料、單一晶片型與陣列晶片型變阻器系使用陶瓷半導體材料等等。
而絕大部分的晶片元件，都是藉由焊錫製造，將晶片元件端電極與系統電路機板接合，以產生晶片元件於電子電路中應該發揮的功能。
在這些相關材料中，即使如單一晶片與陣列晶片型電容元件是使用絕緣特性相當好的陶瓷介質材料，但如果是設計在一高壓條件下所使用，在應用上，元件表面，仍然會出現絕緣阻抗特性不夠好的現象！而具有更低材料體電阻率的單一晶片型與陣列晶片型磁珠元件、單一晶片型與陣列晶片型變阻器元件，不但會有元件表面絕緣阻抗的問題，甚至於會引發元件製作製造上的相關問題。
單一晶片型與陣列晶片型元件若是元件表面的絕緣阻抗不夠高，於製造中需要製作端電極焊接介面結構時，通常會在製作端電極時，由於考慮到製造的問題而無法製作出具有優異焊接特性的端電極結構，或是為了製作出具有要求焊接特性的端電極，而採用極為特殊的製造；而此兩種情形都會引發元件製作過程或品質上的問題。
玻化(Vitreous)物質常被使用來作為某些基材的塗層，以改善基材的表面性質，進而增加其實用性及提高附加價值。例如使基材更具抗化學侵蝕性、不透液體與氣體、較光滑，更耐磨擦、磨耗、以及機械強度更佳的特性。
玻化塗層(Vitreous Coatings)則為一熔化(melt)於基材表面的薄膜、玻璃質(vitreous)的物質。對於一陶瓷性基材而言，此塗層稱的為陶瓷釉(Glaze)。若使用的基材為金屬，則稱的為搪瓷(Enamel)，舊稱琺瑯。
任何表面塗層材料在決定作為何種用途時，光學上和外觀的性質是主要的考量。因為玻化塗層可以是透明或不透明；高光澤，緞面，或無光澤；光滑，有圖案，或有紋理；單色或多彩，故應當考慮結合各種性質的需求，以因應特殊使用上的要求。
陶瓷釉(Glaze)是指被塗施於陶瓷質基材表面的一種玻化塗層，其和玻璃一樣，沒有固定的化學成分，沒有一定的熔點(melting point)，而是有熔化溫度範圍。其也沒有固定的晶體結構，但許多性質和溶液很相似，可稱的為超冷溶液，是為一複雜的混合物。其又也和其他玻璃一樣，含有大量的氧化矽，若加入足量的其他物料，可以使它在期望的溫度下熔化，且產生所需要的結構與顏色。而電子類的基材所使用的釉料燒成溫度，一般在600℃至900℃之間。
對於以半導體或不具有高絕緣電阻率特性的材料作為本體的陶瓷積層式晶片元件，為了解決在端銀表面製作電鍍焊接介面層的問題，現有使用的解決方式有下列五種，茲將作法與特徵分述如下1.調整電鍍製造的電鍍條件，尤其是變更電鍍液的型態種類，使得電子元件本體在進行電鍍製造時，端電極以外的陶瓷本體表面，不會有電鍍焊接介面層5的成長或附著，其元件結構如圖3、4與5所示；此一技藝雖然可以達到利用電鍍來製成端電極3，但是，因為其必須採用特殊的電鍍製造生產線，往往無法與其他相關產品相容，除了投資的增加之外，特殊的電鍍廢水也需要用不同的方法來處理，造成製造者的困擾與設備成本的增加。
2.還有一種現有的技藝其系如第3A圖與第3B1圖所示，將電子元件於完成端電極的製造後，於應該絕緣的部分製作絕緣被覆層4，使得進行電鍍焊接介面層5製造的時，端電極3之外的陶瓷本體1表面，不會有電鍍焊接介面層5的成長或附著；但是陶瓷積層式晶片型電子元件外觀一般均為四方形，加上已經完成的端電極3的結構限制，以此一製造的結構方式來製造電子元件時，必須將電子元件以一個接一個的方式進行製造，故速度慢而使量產性非常差；因為製造設備的產能低因此需要相當多的設備投入才可以符合需求，其製造成本因此極為昂貴。另外，此技藝亦無法大量運用在陣列晶片元件的上，其情形如第1B四、第3A四與第3B1圖所示。陣列型晶片元件要在端電極完成之後做絕緣結構，乃無法使用具量產的製造與設備來針對需要絕緣的部分一一逐步被覆，若要如此製作，則製造複雜，成本極高。
3.此種方法與第2種方法相似，再請參看第6、7圖，其系將電子元件於完成端電極的製造後，於應該絕緣的部分製作絕緣被覆層4，而其絕緣層的產生乃利用化學反應的方法，應用只與本體發生化學反應而不與端電極層產生化學反應的藥劑，將整顆元件浸泡於該藥劑的中，讓該藥劑與本體產生化學反應，使得本體表面無電極層的區域反應生長出一層絕緣物質4，而因為是利用化學反應，因此，即使是如第2、6與7圖所示陣列晶片型元件，也可以製作出被覆層。最常見的例子便是陶瓷積層式氧化鋅變阻器，其以磷酸衍生的藥劑處理，即可使該變阻器表面產生以磷酸鋅為主的鹽類化合物。但是此法所得的絕緣層表面粗糙，且厚度不均，有時還存在微細孔洞，使得元件在電鍍過程的中，此粗糙表面與微細孔洞，容易在電鍍製造中嵌入來自端電極的銀金屬，與來自陪鍍物的錫金屬。在下遊客戶正式採用而大量運用在電路機板時，還會吸附諸如助焊劑，溼氣等容易造成元件劣化，失效的雜質。
4.如圖9、圖10、圖11所示，為日本Panasonic的晶片元件的被覆層結構，其系另外一類製作絕緣層的方法，主要是利用陶瓷本體中，用來當作燒結助劑(flux)的玻璃相經由900℃以上的高溫燒結，將該玻璃相從本體中排擠出來而聚集在元件表面，亦即，該玻璃層乃為本體1的一部分。其特徵是該玻璃層乃存在於端電極3與本體1之間，包括內電極2露出的那一個平面，但是不存在於內電極與外電極的接合處。此種方法的缺點在於，並非每種陶瓷元件的本體的燒結都需要玻璃，也並非每種陶瓷元件燒結時，都可以排出足以覆蓋全部本體的玻璃量，而且排擠出表面的玻璃並不如同陶瓷釉般的平坦光滑，因此如同第3種方法一般，會產生粗糙表面嵌入與吸附異物的問題。
5.如圖12與13、14所示，申請人的中國臺灣第176440號發明專利為一種陶瓷積層式晶片型電子元件的絕緣結構，其特徵在於是種陶瓷積層式晶片型電子元件的絕緣結構，繫於以半導體或不具有高絕緣特性的材料作為本體的積層式晶片型電子元件中，於本體周面上被覆一層絕緣材料者。其中，絕緣結構並不存在於內電極外端與端電極之間，但亦存在於本體兩端部的周面上；且絕緣結構層繫於具有內電極的本體形成後，端電極形成前，被覆於整個本體的上者。此種絕緣結構的製作，繫於具有內電極2的本體1形成後，端電極3形成前，被覆於整個本體1的上者。所以，絕緣層存在於所有端電極3與本體1的介面上，但是不存在於內電極2與端電極3的接合處。這種保護層的結構與方法4相同，且此保護層可以明顯辨別出並非陶瓷本體的一部分。此法的另一個特徵在於，內電極與端電極的接合處的被覆層，需要以噴沙、雷射、研磨、蝕刻等等加工製造去除，以使內電極與端電極之間具電流傳導能力。因此對於端電極腳位複雜的陶瓷陣列晶片型電子元件，必須個案設計可去除被覆層的機構或治具。
發明內容
本發明的目的在於提供一種陶瓷積層式晶片元件的絕緣結構與被覆方法，將以半導體性或不具有高絕緣電阻率特性的材料作為陶瓷積層式晶片元件的主體，而於端電極製造實施之前或之後的電子元件本體上，製作一層陶瓷釉，使電子元件的端電極可以用電鍍製造來形成焊接介面。
依照本發明的此種陶瓷積層式晶片元件的陶瓷釉被覆結構及其形成方法，可以使電子元件的端電極及電鍍製造適用於任何電鍍製造生產線，無須調整電鍍製造的電鍍條件，或利用特殊的電鍍製造生產線，同時更能夠以批次被覆的作業模式，以極少的設備投資，達到相當大量的電子元件產出，此外其端電極材料的製作僅需以一般使用的低成本材料即可達成，此為發明的一目的。
依本發明的此種陶瓷積層式晶片元件的陶瓷釉被覆結構，無需如一般電子元件於完成端電極的製造後，再於應該絕緣的位置製作絕緣被覆層而導致必須將電子元件以一個接一個的方式進行製作，故有速度慢而量產性差的缺點，此為本發明的另一目的。
依照本發明的此種陶瓷積層式晶片元件的陶瓷釉被覆結構，因為使用一般電鍍製造即可在端電極表面製作焊接介面層，故無需使用含有特殊貴重金屬的端電極材料，故不會受到貴金屬材料價格大幅變動而影響其產制，此為本發明的又一目的。
本發明是採用以下技術手段實現的一種陶瓷積層式晶片元件的陶瓷釉被覆結構，包括有一本體、設於本體內的多數個部份則從本體兩側端巷內延伸的內電極、位於本體兩相對側端，而與內電極相接的端電極，陶瓷積層式晶片元件的陶瓷釉被覆結構，以半導體性或不具有高絕緣電阻率特性的陶瓷材料為本體的陶瓷積層式單一晶片型與陣列晶片型電子元件中，於本體周面上被覆一層陶瓷釉材料。
前述本體周面的內電極外端與端電極之間不存在陶瓷釉材料。
前述本體周面的本體與端電極之間不存在陶瓷釉材料。
前述本體周面的端電極表面不存在陶瓷釉材料。
前述本體周面上不存在陶瓷釉的區域，利用陶瓷釉與端電極的燒成反應而吸收去除。
前述的端電極之外並被覆一層焊接介面層。
前述的陶瓷釉(Glaze)組成的元素至少包括Pb、B、Si或Zn、B、Si元素。
前述的陶瓷釉的燒成溫度在400≤℃≤900℃帽戴式耳罩帽戴式耳罩900℃。
前述的陶瓷釉與端電極的燒成反應的溫度在400≤℃≤900℃。
依照本發明的此種陶瓷積層式晶片元件的陶瓷釉被覆結構，因為其表面使用高溫燒成的陶瓷釉，因此具備一切陶瓷釉的特性諸如緻密、光滑、耐磨、耐高溫；而不會有其他現有技藝常用的絕緣被覆材料，例如高分子聚合物(polymer)、磷酸鋅衍生的化合物、二氧化矽或其他氧化物等等，通常具有粗糙、多孔隙、不耐高溫、不耐有機溶劑的表面結構與特性。因此，陶瓷釉被覆結構不會因為粗糙表面而在電鍍過程中，侵入來自端電極的銀金屬，與來自陪鍍物的錫金屬；也不被任何有機溶劑所影響；更不受諸如助焊劑或溼氣的影響。而且與高分子聚合物(polymer)絕緣層的最大差異，在於該陶瓷釉層，即使在300℃以上的高溫，依然存在於陶瓷本體之上。
依照本發明的此種陶瓷積層式晶片元件的陶瓷釉被覆結構，其端電極表面、端電極與陶瓷本體之間的陶瓷釉，並不需要利用噴沙、雷射、研磨、蝕刻等等加工製造去除，而利用銀與釉的燒結反應而去除。因此端電極區域的表面、端電極區域與本體之間並不存在該陶瓷釉層，而使得內電極與端電極具備電學上的導通(conductance)能力。因此利用本發明的陶瓷積層式晶片電子元件，不論端電極的數量為何，端電極的位置為何，均不需額外的去除製造與治具，即可達成端電極區域以外的陶瓷本體具備陶瓷釉層的結構，且端電極區域的表面、端電極區域與本體之間由於沒有該陶瓷釉層，使得內電極與端電極具導電性，此為本發明的一大特徵。
本發明與現有技術相比具有明顯的優勢和有益效果1、本發明的陶瓷積層式單一晶片型與陣列晶片型電子元件的陶瓷釉被覆結構的製造，可以採用大量批次的作業方式進行，故能夠以較少的設備投資達到相當大量的元件產出，有效降低設備投資與元件的製造成本。
2、因為絕緣結構的存在，不需要使用特殊的端電極材料，同時藉由陶瓷釉層結構的存在，製作焊接介面層的種種限制也可以因此而解除。
3、因為利用端電極與陶瓷釉的燒成反應，使得其端電極表面、端電極與陶瓷本體之間的陶瓷釉被端電極所吸收，因而並不需要利用噴沙、雷射、研磨、蝕刻等等加工製造去除。因此利用本發明的陶瓷積層式晶片元件，不論端電極的數量為何，端電極的位置為何，均不需額外的去除製造與治具，使陶瓷釉被覆結構可以衍生應用在其他各種不同位置、不限數量的端電極的陶瓷積層式電子元件上。
4.因為陶瓷釉燒成後呈現出表面光滑的特性，使得陶瓷釉被覆層表面不會嵌入任何異物；又因為陶瓷釉被覆層是緻密玻璃質的無機物被覆層，不怕有機溶劑、溼氣、水氣、助焊劑以及300℃以上的高溫。
5.本發明主要針對以半導體性或不具有高絕緣電阻率特性的陶瓷材料為本體的陶瓷積層式晶片元件者，此一絕緣結構的存在，除了解決端電極電鍍焊接介面層的限制問題之外，同時也提供一層堅固的保護層在電子元件本體之外面，對電子元件使用的信賴性有極其正面的助益。
綜上所述，本發明的陶瓷積層式晶片元件的陶瓷釉被覆結構，確實能夠解決以半導體性或不具有高絕緣電阻率特性的陶瓷材料為本體的陶瓷積層式晶片元件的電鍍焊接介面層限制問題，同時增強元件使用的信賴性，其不同於現有的各項技藝，也完全未曾見有利用陶瓷釉製作出相同結構的陶瓷積層式晶片元件。
圖1為現有陶瓷積層式單一晶片型電子元件的平面示意圖；圖2為現有陣列型晶片元件的平面示意圖；
圖3為圖1圖2所示的現有陶瓷積層式單一晶片型電子元件與陣列型晶片元件從A-A線所視的剖面結構圖；圖4為圖1所示的現有陶瓷積層式單一晶片型電子元件從B-B線所視的剖面結構圖；圖5為第圖2所示的現有陶瓷積層式陣列型晶片元件從B-B線所視的剖面結構圖；圖6為圖1所示的現有陶瓷積層式單一晶片型電子元件從A-A線所視的另一實施例的剖面結構圖；圖7為圖1所示的現有陶瓷積層式單一晶片型電子元件從B-B線所視的另一實施例的剖面結構圖；圖8為圖2所示的本發明的陶瓷積層式陣列型晶片元件從B-B線所視的剖面結構圖；圖9為圖1所示的現有陶瓷積層式單一晶片型電子元件從A-A線所視的又一實施例的剖面結構圖；以及第1B圖所示的現有陶瓷積層式陣列型晶片排列型電子元件從A-A線所視的又一實施例的剖面結構圖；圖10為圖1所示的現有陶瓷積層式單一晶片型電子元件從B-B線所視的再一實施例的剖面結構圖；圖11為圖2所示的現有陶瓷積層式陣列型晶片元件從B-B線所視的再一實施例的剖面結構圖；圖12為圖1所示的申請人所有的中國臺灣專利第176440號的陶瓷積層式晶片元件從A-A線所視的剖面結構圖；圖13與圖14為圖2所示的申請人所有的中國臺灣專利第176440號的陶瓷積層式晶片元件從A-A線與B-B線所視的剖面結構圖；圖15為圖2所示的本發明的單一晶片型電子元件，從A-A線所視的縱截面圖；圖16為圖2所示的本發明的陣列型晶片元件從A-A線所視的縱截面圖；圖17為圖2所示的本發明的陣列型晶片元件從B-B線所視的縱截面圖；圖18-圖20為本發明的製造方法實施例方塊圖。
具體實施例方式圖1至圖14的現有陶瓷積層式單一晶片型與陣列晶片型電子元件的陶瓷絕緣結構，其詳細構造與特徵以如上所述，此處不再重複敘述。
本發明針對以半導體性或不具有高絕緣電阻率特性的陶瓷材料為本體的陶瓷積層式單一晶片型與陣列晶片型電子元件提出解決方案。
本發明的陶瓷積層式晶片元件的陶瓷釉被覆結構，如圖15、圖16、圖17所示，於半導體性或不具有高絕緣電阻率特性的陶瓷材料為本體的陶瓷積層式晶片元件的本體1上，被覆一層陶瓷釉4，而本體兩端的端電極3則與本體1內的內電極2兩端形成接觸的狀態，端電極3之外，則為具有良好焊接特性的焊接介面層5。
本實施例的流程如圖18、圖19與圖20所示，於完成具有材料本體1與內電極2的主體結構製造之後，於端電極3結構製造實施之前，或之後，或前後加入一陶瓷釉4的被覆製造，將整顆元件的每一個表面，皆被覆上陶瓷釉4。然後，端電極3經過高溫燒成之後，即可用一般電子元件製造相同的電鍍製造形成端電極3且使電子元件端電極具有良好焊接使用特性的焊接介面層5；陶瓷釉的燒成溫度在400≤℃≤900℃。陶瓷釉與端電極的燒成反應的溫度在400≤℃℃。
最後應說明的是以上實施例僅用以說明本發明而並非限制本發明所描述的技術方案；因此，儘管本說明書參照上述的各個實施例對本發明已進行了詳細的說明，但是，本領域的普通技術人員應當理解，仍然可以對本發明進行修改或等同替換；而一切不脫離發明的精神和範圍的技術方案及其改進，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種陶瓷積層式晶片元件的陶瓷釉被覆結構，包括有一本體、設於本體內的多數個部份則從本體兩側端巷內延伸的內電極、位於本體兩相對側端，而與內電極相接的端電極，其特徵在於陶瓷積層式晶片元件的陶瓷釉被覆結構，以半導體性或不具有高絕緣電阻率特性的陶瓷材料為本體的陶瓷積層式單一晶片型與陣列晶片型電子元件中，於本體周面上被覆一層陶瓷釉材料。
2.根據權利要求1所述的陶瓷積層式晶片元件的陶瓷釉被覆結構，其特徵在於本體周面的內電極外端與端電極之間不存在陶瓷釉材料。
3.根據權利要求1所述的陶瓷積層式晶片元件的陶瓷釉被覆結構，其特徵在於本體周面的本體與端電極之間不存在陶瓷釉材料。
4.根據權利要求1所述的陶瓷積層式晶片元件的陶瓷釉被覆結構，其特徵在於本體周面的端電極表面不存在陶瓷釉材料。
5.一種陶瓷積層式晶片元件的陶瓷釉被覆製造方法，其特徵在於本體周面上不存在陶瓷釉的區域，利用陶瓷釉與端電極的燒成反應而吸收去除。
6.根據權利要求1所述的陶瓷釉被覆結構，其特徵在於端電極之外並被覆一層焊接介面層。
7.根據權利要求5所述的陶瓷積層式晶片元件的陶瓷釉被覆製造方法，其特徵在於陶瓷釉(Glaze)組成的元素至少包括Pb、B、Si或Zn、B、Si元素。
8.根據權利要求5所述的陶瓷積層式晶片元件的陶瓷釉被覆製造方法，其特徵在於陶瓷釉的燒成溫度在400≤℃≤900℃。
9.根據權利要求5所述的陶瓷積層式晶片元件的陶瓷釉被覆製造方法，其特徵在於陶瓷釉與端電極的燒成反應的溫度在400≤℃≤900℃。
全文摘要
本發明公開了一種晶片元件的陶瓷釉被覆結構及其製造方法，其主要特徵在於晶片元件的陶瓷釉被覆結構，於元件本體完整覆蓋緻密性高，光滑(smooth)且高阻抗的陶瓷釉(glaze)；而端電極部位是利用端電極材料，也就是銀膠(silver paste)，與陶瓷釉之間獨特的燒附特性，利用燒結而吸收去除端電極表面、端電極與陶瓷本體之間的陶瓷釉層，構成僅被覆著晶片元件本體的陶瓷釉被覆結構。
文檔編號C04B41/87GK1868972SQ20051007116
公開日2006年11月29日 申請日期2005年5月23日 優先權日2005年5月23日
發明者劉世寬, 黃俊彬, 徐鈺欽 申請人:佳邦科技股份有限公司