一種微型高壓電容器及其製備方法

2023-08-03 07:03:01

專利名稱：一種微型高壓電容器及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種微型高壓電容器及其製備方法，尤其涉及一種以玻璃陶瓷材料為 電介質的微型高壓電容器及其製備方法。
背景技術：
隨著電子工業對貼片高壓電容的需求發展，高壓電容器的「小型化」、「薄片化」趨 勢驅使著人們對組成電容器的電介質材料和內外電極結構進行深入研發。傳統燒結型鐵電陶瓷材料可以獲得高的介電常數，它在大容量電容器的製備上具 有材料優勢，尤其是以它為基礎製成的片式多層陶瓷電容器(MLCC)已經得到廣泛應用。但 是，由於燒結陶瓷殘存的孔隙等固有缺陷較多，其擊穿強度相對較低(< 10kV/mm)。因此， 對於製備電容量要求不高，但對耐壓性能有較高要求的高壓電容器而言，採用燒結陶瓷作 為電介質時只能以增加介質層厚度來滿足需求。這樣實際上不僅大大增加了電容器的厚 度，而且同時也降低了電容器的容量。特別是在高電場下，電容器內電極有效半徑R與電容 器厚度d比值(R/d100)的玻璃陶瓷為 電介質材料、採用內外電極結構設計的片式微型高壓電容器成為本領域急需解決的問題。

發明內容
針對現有技術的上述問題，本發明的目的是利用一種介電常數較高、且擊穿強度 相對普通燒結陶瓷有大幅度提高的玻璃陶瓷電介質材料，開發一種溫度特性為X7R的微型 高壓電容器。為實現上述目的，本發明採取以下技術方案一種微型高壓電容器，包括電介質層、電極和灌封材料，其特徵在於所述的電 介質層由玻璃陶瓷材料構成，所述的電極由內到外依次為金膜內電極、銀漿過渡電極、 In-Sn50合金薄片和紫銅片外電極端頭，所述的金膜內電極鍍覆在電介質層表面，銀漿過渡電極通過塗覆銀漿，燒結固化在金膜內電極上，銀漿過渡電極與紫銅片外電極端頭之間通 過In-Sn50合金薄片焊接，最後採用灌封材料灌封成片式電容器，所述的灌封材料為環氧 樹脂。一種優選技術方案，其特徵在於所述的電介質層為Nii2O-PbO-Nb2O5-SiO2體系玻 璃陶瓷圓片，圓片的厚度為0. 3 0. 5mm,圓片的直徑為Φ5 20mm，圓片的表面經拋光處 理，光潔度高於RaO. 1。一種優選技術方案，其特徵在於所述的金膜內電極厚度為1 2 μ m，呈圓形，且 金膜內電極圓形邊緣與玻璃陶瓷圓片邊緣的距離> 2mm，通過磁控濺射工藝鍍覆在玻璃陶 瓷圓片上。一種優選技術方案，其特徵在於所述的銀漿過渡電極通過絲網印刷技術將可 低溫燒結固化的銀漿料以同等面積塗覆在金膜內電極表面，再燒結固化形成厚度為10 20 μ m的銀膜電極層，所述的銀漿料的燒結溫度彡6000C。一種優選技術方案，其特徵在於所述的In-Sn50合金薄片厚度為0. 1mm，放置在 銀漿過渡電極與紫銅片外電極端頭之間，以緩慢加熱方式在140 160°C將銀漿過渡電極 與紫銅片外電極端頭焊接在一起。一種優選技術方案，其特徵在於所述的電容器外觀尺寸為直徑Φ10 25mm，厚 度為1 2mm ；所述的電容器的電容量為IOpF InF，直流電壓為10 20kV，溫度特性為 X7R。本發明的另一目的是提供一種微型高壓電容器的製備方法，其中包括電容器內外 電極結構設計與封裝工藝等。本發明的上述目的是通過以下技術方案實現的一種微型高壓電容器的製備方法，其步驟包括①製備Na2O-PbO-Nb2O5-SW2 體系玻璃體；②將步驟①所得玻璃體通過可控結晶技術製備玻璃陶瓷，並將所得的玻璃陶瓷加 工成直徑為Φ 5 20mm，厚度為0. 3 0. 5mm，表面光潔度高於RaO. 1的玻璃陶瓷圓片；對 比選取介電常數大於150的玻璃陶瓷圓片；③通過磁控濺射技術在步驟②得到的介電常數大於150的玻璃陶瓷圓片的兩面 上鍍金膜，得到金膜內電極，金膜內電極厚度為1 2 μ m，呈圓形，且金膜內電極圓形邊緣 與玻璃陶瓷圓片邊緣的距離> 2mm ；④通過絲網印刷技術在步驟③得到的金膜內電極表面塗敷相同面積的可低溫燒 結固化銀漿料，並在600°C下燒結緻密，得到厚度為10 20 μ m的銀漿過渡電極；
⑤將厚度為0. 1 0. 2mm的In-Sn50合金薄片放置在銀漿過渡電極與紫銅片外電 極端頭之間，以緩慢加熱方式進行焊接，紫銅片外電極端頭可根據需要設計形狀，例如圓形 平板狀，或帶有螺紋內孔的圓形平板，亦可是一端帶有引出連線的端電極，等等。⑥採用AB型環氧樹脂材料對步驟⑤得到的電容器電極結構進行灌封、固化，然後 進行外形處理，使獲得的電容器外觀尺寸達到設計要求。一種優選技術方案，其特徵在於所述的步驟①製備Na2O-PbO-Nb2O5-SW2體系玻 璃體的方法為以分析純的Na2CO3, PbO，Nb2O5，SiO2*原料，依次按照配比2 2 3 6或 1:1:2: 3將其充分混合後在140(TC下熔融池，再將融體在預熱鋼製模具中澆鑄成透明玻璃體，後在退火爐中去應力退火，得到有色透明玻璃體。一種優選技術方案，其特徵在於所述的步驟②中可控結晶技術製備玻璃陶瓷為 將步驟①所得玻璃體分不同形核溫度與加熱階段等，分別在700°c、75(rc、80(rc、85(rc、 900°C溫度下形核結晶: 獲得的玻璃陶瓷。一種優選技術方案，其特徵在於所述的步驟⑤中緩慢加熱方式為以1 2°C/min 緩慢升溫至140 160°C，再以1°C /min緩慢降溫至室溫。所述的步驟⑥中電容器外觀尺寸為直徑Φ15πιπι，厚度為1. 5mm(除去紫銅片外電 極端頭)。本發明中技術方案設計及製備方法的流程如下①Na2O-PbO-Nb2O5-SiA體系玻璃體的製備。②採用可控結晶技術製備介電常數較高的玻璃陶瓷，並加工成薄圓片。③通過磁控濺射技術在玻璃陶瓷薄片兩面鍍金膜圓內電極。為保證內電極的緻密性和連續性，本發明採用直流磁控濺射技術，選擇適當的模 具與夾具，在圓片玻璃陶瓷兩表面鍍成與陶瓷片同圓心的緻密圓金膜。控制鍍膜時間，使附 著的金膜厚度為1 2μπι。可根據電容器標稱容量之設計控制鍍金膜直徑大小，但為防止 內電極沿面擊穿而造成器件耐壓能力嚴重下降，金膜圓面邊緣與玻璃陶瓷圓片邊緣間的距 離必須> 2mm。④通過絲網印刷技術在金膜上印刷銀漿過渡電極，並燒結緻密。單層金膜作為內電極時，其與外電極之間難以通過普通焊接手段達到結合要求， 這就需要在中間增加一層銀漿過渡電極來加以改善。而且，要保證不因燒結溫度過高而使 玻璃陶瓷介質片軟化變形，所述銀漿材料是可低溫燒結固化銀漿料(燒結溫度< 600°C )， 通過絲網印刷技術以與金膜內電極同等面積刷制覆蓋在其表面，再在500 600°C下燒結 固化。⑤以緩慢加熱方式，採用In-Sn50合金薄片在銀漿過渡電極上焊接電容器外電極 端頭。為防止外電極端頭與內電極焊接過程造成薄層玻璃陶瓷介質脆裂，焊接外電極端 頭需要採用低溫焊接材料，並採取緩慢加熱方式。In_Sn50合金薄片熔點低，導電性好。⑥採用AB型環氧樹脂材料對電容器電極結構進行灌封、固化，然後進行外形處 理，使獲得的電容器外觀尺寸達到設計要求。高壓電容器的封裝材料應當耐擊穿強度高，耐熱防火，機械強度和韌度高。代號為 「 1059-1A」和「 1059-1B」的AB型環氧樹脂材料不僅具有上述特點，而且灌裝粘度低，適宜本 發明的封裝需求，選定其為灌封材料。本發明的優點在於本發明提供了一種直徑Φ 10 25mm，厚度1 2mm，標稱電容量IOpF InF，額定 直流電壓10 20kV，溫度特性為X7R的微型高壓電容器。與同等耐壓強度下傳統陶瓷電容 器相比，該電容器的體積顯著減小。電容器所採用的內外電極設計工藝，既可保證內電極的 緻密和連續性，又能減弱電極邊緣效應，提高電容器的耐壓強度，同時消除焊接過程造成片 層介質材料脆性斷裂的影響，為高壓電容器的「小型化」、「薄片化」提供了一種新的設計思 路和製備方法。本發明具有良好的市場應用前景，尤其是在對高壓電容器有「薄片化」特殊要求的需求應用上具有良好的商業前景。下面通過附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明，但並不意味著對本發明保 護範圍的限制。


圖1為本發明中微型高壓電容器的剖面示意圖。圖2為本發明中微型高壓電容器的立體示意圖。圖3為本發明實施例1電容器的電容量隨溫度變化曲線圖。圖4為本發明中不同結晶溫度下獲得的玻璃陶瓷的介電常數隨測試頻率變化分 布圖。
具體實施例方式實施例1圖1為本發明中微型高壓電容器的剖面示意圖，圖2為本發明中微型高壓電容器 的立體示意圖，其中10為AB型環氧樹脂材料，20為玻璃陶瓷圓片，30為金膜內電極，40為 銀漿過渡電極，50為In-Sn50合金薄片，60為紫銅片外電極端頭。將分析純Nei2CO3, PbO，Nb2O5，SiO2原料粉體按照2 :2:3: 6配比混合均勻後 在1400°C下熔融2小時，將融體在預熱鋼製模具中澆鑄成尺寸約25mmX25mmX3mm的塊狀 玻璃體，去應力退火3小時，得到有色透明玻璃體。將玻璃體在在不同溫度下形核結晶，即 分別在700°C、750°C、80(rC、85(rC、90(rC溫度下形核結晶3h獲得玻璃陶瓷，再經切邊、切 片、滾圓、研磨和拋光獲得直徑為Φ 15士0. Olmm厚度為0. 40士0. 01mm，表面經拋光處理(光 潔度高於RaO. 1)的圓片，經測試，在不同結晶溫度下獲得的玻璃陶瓷的介電常數隨測試頻 率變化分布如圖4所示。選取1片介電常數約170，結晶溫度為850°C的玻璃陶瓷圓片20， 採用直流磁控濺射鍍膜技術，在兩表面鍍成與圓片同心的直徑為φιο 的金膜作為金膜 內電極30，經電鏡檢測膜層厚度為 2 μ m。再採用絲網印刷技術在金膜內電極表面塗敷相 同面積的可低溫燒結固化銀漿料(燒結溫度< 600°C )，並在600°C下燒結緻密，得到厚度 為20 μ m的銀膜層，形成銀漿過渡電極40。將厚度為0. Imm的In-Sn50合金薄片50放置 在銀漿過渡電極40與紫銅片外電極端頭60之間，緩慢升溫至150°C (2°C /min)，再緩慢降 溫至室溫(-1°C/min)，對外電極進行焊接。最後採用AB型環氧樹脂材料10對電容器電 極結構進行灌封、固化，然後進行外形處理，使獲得的電容器外觀尺寸為直徑Φ 15mm,厚度 1. 5mm(除去外電極端頭)。如圖3所示，為本實施例電容器的電容量隨溫度變化曲線圖，經 變溫測試，該電容器在IkHz下溫度範圍-55°C 125°C時容量變化率為-7. 73% 7. 71 %。 符合X7R電容變化率士 15%的要求。25°C下電容器的標稱電容量為 ^OpF,直流擊穿電 壓 18. 5kY，其額定直流工作電壓可認為是18. 5/1. 2 = 15. 4kV。實施例2將分析純Nei2CO3, PbO，Nb2O5，SiO2原料粉體按照1 :1:2: 3配比混合均勻後 在1400°C下熔融2小時，將融體在預熱鋼製模具中澆鑄成尺寸約25mmX25mmX3mm的塊狀 玻璃體，去應力退火3小時，得到有色透明玻璃體。將玻璃體在不同溫度下(700°C、750°C、 800°C、850°C、90(rC)形核結晶形核結晶池獲得玻璃陶瓷，再經切邊、切片、滾圓、研磨和拋光獲得直徑為Φ20士0.01mm厚度為0. 50士0. 01mm，表面經拋光處理(光潔度高於RaO. 1) 的圓片，經測試，在不同結晶溫度下獲得的玻璃陶瓷的介電常數隨測試頻率變化分布如圖4 所示。選取1片介電常數約350，結晶溫度為900°C的玻璃陶瓷圓片20，採用直流磁控濺射 鍍膜技術，在兩表面鍍成與圓片同心的直徑為Φ 15mm的金膜作為金膜內電極30，經電鏡檢 測膜層厚度為 2 μ m。再採用絲網印刷技術在金層表面塗敷相同面積的低溫銀漿電極，並 在600°C下燒結緻密，得到厚度為10 μ m的銀膜層，形成銀漿過渡電極40。將厚度為0. Imm 的In-Sn50合金薄片50放置在銀漿過渡電極40與紫銅片外電極端頭60之間，緩慢升溫至 150°C (rC/min)，再緩慢降溫至室溫(-rC/min)，對外電極進行焊接。最後採用AB型環 氧樹脂材料10對電容器電極結構進行灌封、固化，然後進行外形處理，使獲得的電容器外 觀尺寸為直徑Φ 25mm，厚度為2mm。25°C下電容器的標稱電容量為 1.09nF，直流擊穿電 壓 13. 2kV，其額定直流工作電壓可認為是13. 2/1. 2=11. OkV。實施例3將分析純Nei2CO3, PbO，Nb2O5，SiO2原料粉體按照2 :2:3: 6配比混合均勻後 在1400°C下熔融2小時，將融體在預熱鋼製模具中澆鑄成尺寸約25mmX25mmX3mm的塊狀 玻璃體，去應力退火3小時，得到有色透明玻璃體。將玻璃體在不同溫度下(700°C、750°C、 800°C、850°C、90(rC)形核結晶池獲得玻璃陶瓷，再經切邊、切片、滾圓、研磨和拋光獲得直 徑為Φ5±0. Olmm厚度為0.50士0.01mm，表面經拋光處理(光潔度高於RaO. 1)的圓片，經 測試，在不同結晶溫度下獲得的玻璃陶瓷的介電常數隨測試頻率變化分布如圖4所示。選 取1片介電常數約170，結晶溫度為850°C的玻璃陶瓷圓片20，採用直流磁控濺射鍍膜技術， 在兩表面鍍成與圓片同心的直徑為Φ Imm的金膜作為金膜內電極30，經電鏡檢測膜層厚度 為 Ιμπι。再採用絲網印刷技術在金層表面塗敷相同面積的低溫銀漿電極，並在600°C下 燒結緻密，得到厚度為20 μ m的銀膜層，形成銀漿過渡電極40。將厚度為0. Imm的In-Sn50 合金薄片50放置在銀漿過渡電極40與紫銅片外電極端頭60之間，緩慢升溫至150°C (2°C / min)，再緩慢降溫至室溫(-rC/min)，對外電極進行焊接。最後採用AB型環氧樹脂材料 10對電容器電極結構進行灌封、固化，然後進行外形處理，使獲得的電容器外觀尺寸為直徑 Φ 10mm，厚度2mm(除去外電極端頭)。25°C下電容器的標稱電容量為 10pF，直流擊穿電 壓 25. 5kY，其額定直流工作電壓可認為是25. 5/1. 2 = 21. 5kV。實施例4將分析純Nei2CO3, PbO，Nb2O5，SiO2原料粉體按照2 :2:3: 6配比混合均勻後 在1400°C下熔融2小時，將融體在預熱鋼製模具中澆鑄成尺寸約25mmX25mmX3mm的塊狀 玻璃體，去應力退火3小時，得到有色透明玻璃體。將玻璃體在不同溫度下(700°C、750°C、 800850900°C )形核結晶池獲得玻璃陶瓷，再經切邊、切片、滾圓、研磨和拋光獲得 直徑為Φ 15士0.01mm厚度為0.30士0.01mm，表面經拋光處理(光潔度高於RaO. 1)的圓 片，經測試，在不同結晶溫度下獲得的玻璃陶瓷的介電常數隨測試頻率變化分布如圖4所 示。選取1片介電常數約170，結晶溫度為850°C的玻璃陶瓷圓片20，採用直流磁控濺射鍍 膜技術，在兩表面鍍成與圓片同心的直徑為Φ IOmm的金膜作為金膜內電極30，經電鏡檢測 膜層厚度為 2 μ m。再採用絲網印刷技術在金層表面塗敷相同面積的低溫銀漿電極，並在 600°C下燒結緻密，得到厚度為20 μ m的銀膜層，形成銀漿過渡電極40。將厚度為0. 2mm的 In-Sn50合金薄片50放置在銀漿過渡電極40與紫銅片外電極端頭60之間，緩慢升溫至150°C 0°C/min)，再緩慢降溫至室溫(_1°C/min)，對外電極進行焊接。最後採用AB型環氧 樹脂材料10對電容器電極結構進行灌封、固化，然後進行外形處理，使獲得的電容器外觀 尺寸為直徑Φ 20mm,厚度Imm (除去外電極端頭)。25°C下電容器的標稱電容量為 400pF， 直流擊穿電壓 13. 5kV，其額定直流工作電壓可認為是13. 5/1. 2=11. 3kV。
以上對本發明中微型高壓電容器的製備方法進行了闡述，文中應用了具體個例對 發明的原理及實施方式進行了敘述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及 其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式
(如 內電極尺寸可更小，外電極端頭形狀可改為平板等其他形狀等)及應用範圍上均可有所改 變，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
權利要求
1.一種微型高壓電容器，包括電介質層、電極和灌封材料，其特徵在於所述的電介質 層由玻璃陶瓷材料構成，所述的電極由內到外依次為金膜內電極、銀漿過渡電極、In_Sn50 合金薄片和紫銅片外電極端頭，所述的金膜內電極鍍覆在電介質層表面，銀漿過渡電極 通過塗覆銀漿，燒結固化在金膜內電極上，銀漿過渡電極與紫銅片外電極端頭之間通過 In-Sn50合金薄片焊接，最後採用灌封材料灌封成片式電容器，所述的灌封材料為環氧樹 脂。
2.根據權利要求1所述的微型高壓電容器，其特徵在於所述的電介質層為 Na2O-PbO-Nb2O5-SiO2體系玻璃陶瓷圓片，圓片的厚度為0. 3 0. 5mm,圓片的直徑為Φ5 20mm,圓片的光潔度高於RaO. 1。
3.根據權利要求1所述的微型高壓電容器，其特徵在於所述的金膜內電極厚度為 1 2 μ m，呈圓形，且金膜內電極圓形邊緣與玻璃陶瓷圓片邊緣的距離彡2mm,通過磁控濺 射工藝鍍覆在玻璃陶瓷圓片上。
4.根據權利要求1所述的微型高壓電容器，其特徵在於所述的銀漿過渡電極通過絲 網印刷技術將可低溫燒結固化的銀漿料以同等面積塗覆在金膜內電極表面，再燒結固化形 成厚度為10 20μπι的銀膜電極層，所述的銀漿料的燒結溫度彡600°C。
5.根據權利要求1所述的微型高壓電容器，其特徵在於所述的In-Sn50合金薄片 厚度為0. 1 0. 2mm，放置在銀漿過渡電極與紫銅片外電極端頭之間，以緩慢加熱方式在 140 160°C將銀漿過渡電極與紫銅片外電極端頭焊接在一起。
6.根據權利要求1所述的微型高壓電容器，其特徵在於所述的電容器外觀尺寸為直 徑Φ 10 25mm，厚度為1 2mm ；所述的電容器的電容量為IOpF InF，直流電壓為10 20kV，溫度特性為X7R。
7.—種微型高壓電容器的製備方法，其步驟包括①製備NEi2O-PbO-Nb2O5-SiA體系玻璃體；②將步驟①所得玻璃體通過可控結晶技術製備玻璃陶瓷，並將所得的玻璃陶瓷加工成 直徑為Φ 5 20mm，厚度為0. 3 0. 5mm，表面光潔度高於RaO. 1的玻璃陶瓷圓片；對比選 取介電常數大於150的玻璃陶瓷圓片；③通過磁控濺射技術在步驟②得到的玻璃陶瓷圓片的兩面上鍍金膜，得到金膜內電 極，金膜內電極厚度為1 2 μ m，呈圓形，且金膜內電極圓形邊緣與玻璃陶瓷圓片邊緣的距 離彡2mm ；④通過絲網印刷技術在步驟③得到的金膜內電極表面塗敷相同面積的可低溫燒結固 化銀漿料，並在600°C下燒結緻密，厚度為10 20 μ m,得到銀漿過渡電極；⑤將厚度為0.1 0. 2mm的In-Sn50合金薄片放置在銀漿過渡電極與紫銅片外電極端 頭之間，以緩慢加熱方式進行焊接。⑥採用AB型環氧樹脂材料對步驟⑤得到的電容器電極結構進行灌封、固化，然後進行 外形處理，使獲得的電容器外觀尺寸達到設計要求。
8.根據權利要求7所述的微型高壓電容器的製備方法，其特徵在於所述的步驟①制 備NEt2O-I^bO-Nb2O5-SiA體系玻璃體的方法為以分析純的Na2CO3, PbO, Nb2O5，SiO2為原料，依 次按照配比2 2 3 6或1 1 2 3將其充分混合後在1400°C下熔融2h，再將融 體在預熱鋼製模具中澆鑄成透明玻璃體，後在退火爐中去應力退火，得到有色透明玻璃體。
9.根據權利要求7所述的微型高壓電容器的製備方法，其特徵在於所述的步驟②中 可控結晶技術製備玻璃陶瓷為將步驟①所得玻璃體分不同形核溫度與加熱階段，分別在 700°c、750°c、80(rc、85(rc、90(rc溫度下形核結晶3h獲得玻璃陶瓷。
10.根據權利要求7所述的微型高壓電容器的製備方法，其特徵在於所述的步驟⑤中 緩慢加熱方式為以1 2V Mn緩慢升溫至150°C，再以1°C /min緩慢降溫至室溫。
全文摘要
本發明涉及一種微型高壓電容器及其製備方法，電介質層由玻璃陶瓷材料構成，電極由內到外依次為金膜內電極、銀漿過渡電極、In-Sn50合金薄片和紫銅片外電極端頭，灌封材料為環氧樹脂。本發明提供了一種直徑Φ10～25mm，厚度1～2mm，標稱電容量10pF～1nF，額定直流電壓10～20kV，溫度特性為X7R的微型高壓電容器。該電容器的體積顯著減小，電容器所採用的內外電極設計工藝，既可保證內電極的緻密和連續性，又能減弱電極邊緣效應，提高電容器的耐壓強度，同時消除焊接過程造成片層介質材料脆性斷裂的影響，為高壓電容器的「小型化」、「薄片化」提供了一種新的設計思路和製備方法。
文檔編號H01G4/005GK102054585SQ200910236079
公開日2011年5月11日 申請日期2009年10月27日 優先權日2009年10月27日
發明者唐群, 張慶猛, 朱君, 李洪濤, 杜軍, 王勐, 王磊, 章林文, 羅君, 謝衛平 申請人:北京有色金屬研究總院