改進的高壓電容器的製作方法

2023-08-03 06:59:56 8

專利名稱：改進的高壓電容器的製作方法
改進的高壓電容器
背景技術：
多層陶瓷電容器通常具有交替的陶瓷電介質材料層和導電電極層。可 以使用各種類型的電介質材料，並且已經使用了各種物理構造。利用"串 聯設計"生產高壓性能的電容器已經很多年了。在串聯設計中，在浮置電 極和連接到兩側端子的電極之間存儲電荷，如圖1針對單個浮置電極的設
計所示。這與圖2所示的標準電容器設計相比有所不同，在標準電容器設 計中，電極交替連接到不同的端子，且電荷存儲在這些電極之間。這些設
計的電容由下式給出
C = €l06:rAN/T 其中C = 電容，F
Qr 自由空間的介電常數=8.854 X 10"2FnT1
陶瓷材料的介電常數，為取決於材料的無量綱常數 A=電極的有效重疊面積，m2 N=電極數-1
T=分隔各層的陶瓷的燒結後活性厚度
然而，對於串聯設計來說，有效重疊面積顯著減小。串聯設計的優點 是對於單個浮置電極而言作用於電極的內電壓減半。可以進一步分隔浮置 電極以便為每層賦予不止一個浮置電極，但這也減小了有效重疊面積，從 而減小了電容。圖3示出了 27批外殼尺寸1812MLCC、 47nF士10X標準設 計以及同樣批數的外殼尺寸1812、 22nF土10X單浮置電極串聯設計的平均 擊穿電壓(n-50)。在所有這些情況下，分隔電極的燒結活性厚度(fired active thickness)為0.0023"，即58微米，標準設計的總厚度為0.051 ±0.003" (1.30 土0.08mm)，串聯電容器的總厚度為0.068±0.003" (1.73土0.08mm)。對於 所有這些1812外殼尺寸的電容器而言，長度和寬度尺寸分別為0.177±0.010" (4.50土0.25mm)和0.126±0,008" (3.20±0.20mm)。分別在圖4和 5中示出了 1812標準設計和單電極串聯設計的截面。
除了這些MLCC的耐內電壓的能力之外，這些部件對來自電容器端子 的弧絡(arc-over)有抵抗力也很關鍵。McLamey的美國專利No.4731697 公開了一種表面電極，其邊緣部分被另一電介質層覆蓋，以防止需要進行 雷射微調的弧絡。然而，重要的是要注意暴露的電極會被腐蝕。而且，暴 露電極的特性受環境因素(例如溼度)的影響很大，從而限制可以使用這 些電容器的應用。
Duva的美國專利No.6627509公開了一種通過以下方式製造抗表面閃 絡(surface flashover)的電容器的方法向多層陶瓷電容器的表面施加聚對 二甲苯塗層，隨後從端子修整過剩材料。在這種情況下，與電容器塗層相 關的成本很高。此外，該塗層可能不和電路板組裝工藝兼容，而且在諸如 衛星的一些電子應用中，因為滲氣問題而使有機塗層的存在受到限制。
因此，儘管為了製造具有高擊穿電壓的電容器並使弧絡的發生最小化 做出了各種努力，但問題仍然存在。需要一種改進的高壓電容器。

發明內容
因此，本發明的主要目的、特徵或優點是在目前工藝水平上做出改進。 本發明的另一目的、特徵或優點是提供一種抗弧絡的多層陶瓷電容器。 本發明的另一目的、特徵或優點是提供一種在空氣中具有高擊穿電壓
的多層陶瓷電容器。
本發明的另一目的、特徵或優點是提供一種其設計可以維持高電容的
多層陶瓷電容器。
本發明的另一目的、特徵或優點是將在把電容器併入到電子電路中時 由於弧絡而發生的不希望的破壞降到最小。
本發明的另一目的、特徵或優點是提供一種具有耐高壓能力、較小外 殼尺寸的電容器，其允許對電路進行微型化。
本發明的另一目的、特徵或優點是提供一種改進的電容器，可以方便 和經濟地製造所述電容器。
通過以下說明書和權利要求可以使本發明的這些和/或其他目的、特徵或優點中的一個或多個變得顯而易見。
根據本發明的一個方面，提供一種多層陶瓷電容器組件。該電容器組 件包括具有相對端並由多個電極層和電介質層構成的陶瓷電容器主體。該 電容器組件還包括附著於陶瓷電容器主體的第一和第二外部端子。該電容 器組件還包括陶瓷電容器主體內的多個內部活性電極，以交替方式配置所 述多個內部活性電極，使得所述多個內部活性電極中的第一個從陶瓷電容 器主體的一端向內延伸，並且下一內部活性電極從陶瓷電容器主體的相對 端向內延伸。在陶瓷電容器主體內還有多個內部電極屏蔽，由此有助於提 供對弧絡的抵抗力。所述多個內部電極屏蔽包括頂部內部電極屏蔽和相對 的底部內部電極屏蔽，其中所述頂部內部電極屏蔽和所述相對的底部內部 電極屏蔽位於所述多個內部活性電極的相對側上，並且每個內部電極屏蔽 向內延伸到或延伸超過相應的外部端子，由此提供屏蔽。還有側屏蔽。每 個側屏蔽從電容器主體的一端向內延伸，並且配置所述側屏蔽以進一步屏 蔽活性電極，由此進一步抵抗活性電極和端子之間的弧絡。
根據本發明的另一方面，提供一種用於提供改進的高壓特性的多層陶 瓷電容器組件。該電容器包括具有相對端並由多個電極層和電介質層構成 的陶瓷電容器主體。第一和第二外部端子附著於陶瓷電容器主體。所述多 個電極層包括頂層，其具有向內延伸到或延伸超過第一端子的電極屏蔽； 底層，其具有向內延伸到或延伸超過第二端子的電極屏蔽；以及多個交替 的活性電極層，其從陶瓷電容器主體的交替端向內延伸。所述交替的活性 電極層中的每一個還包括側屏蔽。
根據本發明的另一個方面，提供一種製造多層陶瓷組件的方法。所述 方法包括由多個電極層和電介質層形成陶瓷電容器主體以及在陶瓷電容器 主體的相對端上附著第一和第二外部端子。所述多個電極層包括活性電極 層和屏蔽電極層，並且其中以交替方式配置所述活性電極層，使得所述多 個活性電極中的第一個從陶瓷電容器主體的一端向內延伸，並且下一內部 活性電極從陶瓷電容器主體的相對端向內延伸。所述屏蔽電極層包括頂部 內部電極屏蔽和相對的底部內部電極屏蔽，其中所述頂部內部電極屏蔽和 所述相對的底部內部電極屏蔽位於所述多個活性電極的相對側上，並且每 個電極屏蔽向內延伸到或延伸超過相應的外部端子，由此提供屏蔽。所述活性電極層還包括在所述活性電極的相對側上的側屏蔽層，由此提供額外 的屏蔽。


圖1是具有單浮置電極的串聯電容器設計的截面圖2是標準電容器設計的截面圖3示出串聯和標準電容器設計的平均擊穿電壓；
圖4A示出1812MLCC標準設計的截面照片；
圖4B示出1812 MLCC標準設計的端視照片；
圖5A是1812 MLCC單浮置電極串聯設計的截面照片；
圖5B示出1812 MLCC單浮置電極串聯設計的端視照片；
圖6是根據本發明的若干實施例的電容器設計圖7是示出圖6的電容器設計的平均電容和尺寸的表格；
圖8A是實例l的側視截面圖8B是實例l的端視截面圖9A是實例2的側視截面圖9B是實例2的端視截面圖10A是實例3的側視截面圖10B是實例3的端視截面圖ll示出實例l、 2和3的擊穿電壓；
圖12A是實例1的截面照片；
圖12B是實例1的截面的端視照片；
圖13A是實例2的截面照片；
圖13B是實例2的截面的端視照片；
圖14A是實例3的截面照片；
圖14B是實例3的截面的端視照片。
具體實施例方式
本發明描述了一種內部電極的新穎布置，該布置獲得了空氣中的擊穿 電壓非常高的抗電弧多層陶瓷電容器。此外，這些設計維持了高電容。為幫助描述本發明，描述三種設計中的每一種和MLCC性能，然後參考附圖 提供對每個實例的更詳細的描述。在以下實例中描述設計和MLCC性能。
實例l
使用生產用MLCC X7R材料系統C-153製造標準外殼尺寸1206電容 器設計。
實例2
利用在頂部和底部上具有屏蔽電極的生產用MLCC X7R材料系統 C-153製造外殼尺寸1206電容器設計。這些屏蔽電極的目的是防止端子和 具有相反極性的內部電極之間或跨在極性相反的端子之間的電容器的頂表 面或底表面上的弧絡。因此，在下方的活性電極具有相反極性的情況下， 在外殼中只需要有一個屏蔽電極。然而，在通過屏蔽電容器的頂部和底部 處的兩個端子區域來製造具有不同值的電容器期間，不必改變對不同數量 的電極的篩選(screen),從而提高了可製造性。
實例3
利用生產用MLCC X7R材料系統C-153製造外殼尺寸1206電容器設 計，該系統除了頂部和底部上的屏蔽電極之外，還在活性電極的任意一側 具有側屏蔽電極。側屏蔽電極的目的是防止端子和具有相反極性的不同內 部電極層之間或跨在極性相反的端子之間的電容器的側面上的弧絡。至於 頂部和底部側屏蔽電極，在每一側上使用兩個側屏蔽電極，但是在具有相 反極性的端子的每一層的側面僅需要具有一個側屏蔽電極。每一側上的兩 個側屏蔽電極容許精確檢查電極堆(electrode stack)的對準情況。
圖6示出了所有三個實例的設計和電極圖案。將多個端子應用於這些 實例，其由厚膜燒結銀膏構成，然後用鎳隨後用錫對這些端子進行過電鍍 (overplate)。通過1000VHi-Pot篩選這些部件並進行IR檢驗。測量平均電 容(n=100)和尺寸(n=5)，如圖7所示。
可以看出，對於所有這些實例而言，電極數-1 (N)幾乎相同，都是27 ±1。對於全部三個實例而言，分隔各層的陶瓷的燒結活性厚度(T)也是相同的，並且由於使用相同的陶瓷材料系統來製造所有的電容器，因此介
電常數(er)是相同的。因此，影響電容的唯一變量是電極的有效重疊面積
(A)。由於側屏蔽的存在，這對於實例3而言是較低的。在圖12A和12B (實例1)、圖13A和13B (實例2)以及圖14A和14B (實例3)中示出 了實例1、 2和3的實際截面。
根據EIA198-2-E的方法103，通過施加緩變率(ramprate)為500V/s 的電壓，對實例1、 2和3的50個電容器樣本進行失效測試。圖ll中示出 了結果。用於測試的儀器為Associated Research 7512DTHiPot。圖11的數 據表示電介質擊穿電壓電平，其包括弧絡和/或物理破壞。IR測試後，實例 1的部件具有13/50的絕緣電阻(IR)失效，實例2和3分別具有48/50和 50/50的IR失效，表明在實例3中未觀察到因弧絡造成的失效。同樣重要 的是要注意施加電壓時弧絡的重複發生最終會導致IR失效。
可以清楚地看出，在所提到的實例中，實例3具有〉2.5kV的最高平均 擊穿電壓。實例3中的1206外殼尺寸的電容器的擊穿電壓和電容類似於在 現有技術中描述的1812 1000V標稱單浮置電極串聯電容器。因此，實例3 中描述的電容器允許使處理高壓所需的電路顯著微型化。
圖l示出了現有技術的電容器設計。在圖1中，所示的電容器10具有 第一端子12以及位於電容器主體16的相對端上的相對第二端子14。示出 了浮置電極18。圖2示出了另一現有技術的電容器設計。在圖2中，不是 浮置電極，而是使電極交替布置。圖3對串聯設計和標準設計進行了比較。 具體而言，圖3示出了 27批外殼尺寸1812MLCC、 47nF士 10%標準設計以 及同樣批數的外殼尺寸1812、 22nF土10X單浮置電極串聯設計的平均擊穿 電壓(ri=50)。在所有這些情況下，分隔電極的燒結活性厚度為0.0023"， 即58微米，標準設計的總厚度為0.051 ±0.003" (1.30土0.08mm)，串聯電 容器的總厚度為0.068土0.003" (1.73士0.08mm)。對於所有這些1812外殼 尺寸的電容器而言，長度和寬度尺寸分別為0.177士0.010" (4.50士0.25mm) 和0.126±0.008"(3.20±0.20腿)。分別在圖4A-4B和5A-5B中示出了 1812 標準設計和單電極串聯設計的截面。
圖6是示出三種不同電容器設計實例的表格。第一實例為用於比較的 標準設計。第二實例是本發明的一個實施例，其中使用了頂部和底部屏蔽。第三實例是本發明的另一實施例，其中使用了頂部和底部屏蔽以及側屏蔽。
如圖6所示，在標準設計中，電容器的燒結活性厚度為0.0020英寸或 51微米。標準設計包括26個活性電極。在頂部/底部屏蔽設計中，電容器 的燒結活性厚度也是0.0020英寸或51微米。頂部/底部屏蔽設計包括27個 活性電極。在頂部/底部和側屏蔽設計中，燒結活性厚度是0.0020英寸或51 微米。在頂部/底部側屏蔽設計中，有28個活性電極。
圖6還示出了各種設計的電極布局規劃。根據標準設計，有第一電極 20和交錯的第二電極22。第三電極24與第一電極20對準。第四電極26 與第二電極22對準。這種交替圖案繼續下去，不斷出現額外的交替電極， 直到倒數第二電極N-l和最後一個電極30。
在頂部/底部屏蔽設計中，第一電極層包括第一頂部屏蔽32和第二頂部 屏蔽34以及第一底部屏蔽36和第二底部屏蔽38。特別要注意的是僅第一 頂部屏蔽32和第二底部屏蔽38是活性的一甚至不需要存在其他屏蔽。第 一頂部屏蔽32和第二底部屏蔽38是防止來自極性相反的終端(termination) 的弧絡所必需的，而屏蔽34和26是為了製造方便而存在的。
在頂部/底部和側屏蔽實施例中，有第一頂部屏蔽32和第二頂部屏蔽 34以及第一底部屏蔽36和第二底部屏蔽38。對於每個活性電極，還有側 屏蔽40、 42、 44、 46、 48、 50、 52、 54、 56、 58、 60、 62、 64、 66、 68和 70。側屏蔽40、 42、 52、 54、 56、 58、 68和70是保護內部活性電極不受 來自極性相反的端子的弧絡影響所必需的，而其他側屏蔽是為了測試部件 內的電極對準而提供的。
在圖8A到10B中進一步示出了圖6所示的設計。圖8A是實例1 (標 準設計)的截面圖，而圖8B是實例1的截面端視圖。在圖8A中，示出了 多層陶瓷電容器組件48，其具有第一端子12和多層陶瓷電容器組件16的 相對端上的第二端子14。以交替的方式配置陶瓷電容器主體的內部活性電 極，使得第一內部活性電極20從陶瓷電容器主體的一端向內朝陶瓷電容器 主體的相對端上的端子延伸。下一個內部活性電極22從陶瓷電容器主體的 相對端向內朝陶瓷主體的相對端上的端子延伸。圖8B的端視截面圖示出了 電極。
圖9A是實例2 (頂部/底部屏蔽)的側視截面圖，而圖9B是實例2的截面端視圖。在圖9A中，示出了多層陶瓷電容器組件50。注意，在陶瓷 電容器主體內存在內部電極屏蔽有助於對端子和內部電極之間的弧絡提供 抵抗力。所示的內部電極屏蔽包括頂部內部電極屏蔽32和相對的底部內部 電極屏蔽38。頂部內部電極屏蔽32和相對的底部內部電極屏蔽38位於多 層陶瓷電容器主體16的相對側上。每個內部電極屏蔽32、 38向內延伸到 或延伸超過相應的端子12、 14，由此提供屏蔽。如前所述，提供額外的結 構34和36，但它們不是必需的，因為由於端子的極性而使它們不提供實際 的屏蔽。包括它們是為了製造過程中的方便。
圖10A是實例3 (頂部/底部屏蔽和側屏蔽)的側視截面圖，而圖10B 是實例3的截面端視圖。圖10A的多層陶瓷電容器不僅包括頂部屏蔽32和 相對的底部屏蔽38，而且還包括側屏蔽。在示出電容器的截面的圖10B中 最好地顯示出側屏蔽。所討論的側屏蔽取決於截面的深度，因此所示的側 屏蔽為40、 42、 48和50。
圖7提供了用於將標準設計與根據本發明的兩種設計進行比較的表格。 該表示出了圖6的電容器設計的平均電容和尺寸。
圖ll示出了實例l、 2和3的擊穿電壓。注意在圖ll中，頂部/底部屏 蔽實施例(實例2)提供的擊穿電壓相對於標準設計(實例l)提高了。頂 部/底部和側屏蔽實施例(實例3)提供了進一步提高的擊穿電壓。因此， 可以使用本發明製造擊穿電壓在IOOOV、 1500V、 2000V、 2500V甚至3000V 以上的多層陶瓷電容器。
因此，公開了一種改進的高壓電容器。本發明不限於這裡所示的具體 實施例。例如，本發明在所用電介質的類型、所用導體的類型、尺寸、尺 度、封裝上構思了很多變化以及其他變化。
權利要求
1、一種多層陶瓷電容器組件，其包括具有相對端並由多個電極層和電介質層構成的陶瓷電容器主體；附著於所述陶瓷電容器主體的第一和第二外部端子；所述陶瓷電容器主體內的多個內部活性電極，以交替方式配置所述多個內部活性電極，使得所述多個內部活性電極中的第一個從所述陶瓷電容器主體的一端向內延伸，並且下一內部活性電極從所述陶瓷電容器主體的相對端向內延伸；所述陶瓷電容器主體內的多個內部電極屏蔽，由此有助於提供對弧絡的抵抗力；所述多個內部電極屏蔽包括頂部內部電極屏蔽和相對的底部內部電極屏蔽，其中所述頂部內部電極屏蔽和所述相對的底部內部電極屏蔽位於所述多個內部活性電極的相對側上，並且每個內部電極屏蔽向內延伸到或延伸超過相應的外部端子，由此提供屏蔽；所述多個內部電極屏蔽還包括多個側屏蔽，每個側屏蔽從所述電容器主體的一端向內延伸，並且所述側屏蔽被配置成進一步屏蔽活性電極，由此進一步抵抗活性電極和端子之間的弧絡。
2、 根據權利要求1所述的多層陶瓷電容器組件，其中所述多個內部活性電極中的每一個從所述陶瓷電容器主體的一端基本延伸到附著於所述陶瓷電容器主體的相對端的外部電極。
3、 根據權利要求1所述的多層陶瓷電容器組件，其中所述多層陶瓷電容器的擊穿電壓大於1500伏。
4、 根據權利要求1所述的多層陶瓷電容器組件，其中所述多層陶瓷電容器的擊穿電壓大於2000伏。
5、 根據權利要求1所述的多層陶瓷電容器組件，其中所述多層陶瓷電容器的擊穿電壓大於2500伏。
6、 根據權利要求1所述的多層陶瓷電容器組件，其中所述多層陶瓷電容器的擊穿電壓大於3000伏。
7、 一種用於提供改進的高壓特性的多層陶瓷電容器組件，其包括具有相對端並由多個電極層和電介質層構成的陶瓷電容器主體；附著於所述陶瓷電容器主體的第一和第二外部端子；其中所述多個電極層包括頂層，其具有向內延伸到或延伸超過所述第一端子的電極屏蔽；底層，其具有向內延伸到或延伸超過所述第二端子的電極屏蔽；以及多個交替的活性電極層，其從所述陶瓷電容器主體的交替端向內延伸；並且其中所述多個交替的活性電極層中的每一個還包括側屏蔽。
8、 根據權利要求7所述的多層陶瓷電容器組件，其中所述多層陶瓷電容器的擊穿電壓大於1500伏。
9、 根據權利要求7所述的多層陶瓷電容器組件，其中所述多層陶瓷電容器的擊穿電壓大於2000伏。
10、 根據權利要求7所述的多層陶瓷電容器組件，其中所述多層陶瓷電容器的擊穿電壓大於2500伏。
11、 根據權利要求7所述的多層陶瓷電容器組件，其中所述多層陶瓷電容器的擊穿電壓大於3000伏。
12、 根據權利要求7所述的多層陶瓷電容器組件，其中確定所述陶瓷電容器主體的尺寸以使其安裝在外殼尺寸1206封裝之內。
13、 一種製造多層陶瓷組件的方法，其包括由多個電極層和電介質層形成陶瓷電容器主體；在所述陶瓷電容器主體的相對端上附著第一和第二外部端子；其中所述多個電極層包括活性電極層和屏蔽電極層，並且其中以交替方式配置所述活性電極層，使得所述多個活性電極中的第一個從所述陶瓷電容器主體的一端向內延伸，並且下一內部活性電極從所述陶瓷電容器主體的相對端向內延伸；其中所述屏蔽電極層包括頂部內部電極屏蔽和相對的底部內部電極屏蔽，其中所述頂部內部電極屏蔽和所述相對的底部內部電極屏蔽位於所述多個內部活性電極的相對側上，且每個電極屏蔽向內延伸到或延伸超過相應的外部端子，由此提供屏蔽；其中所述活性電極層還包括在所述活性電極的相對側上的側屏蔽層，由此提供額外的屏蔽。
14、 一種多層陶瓷電容器組件，其包括具有相對端並由多個電極層和電介質層構成的陶瓷電容器主體；附著於所述陶瓷電容器主體的第一和第二外部端子；所述陶瓷電容器主體內的多個內部活性電極，以交替方式配置所述多個內部活性電極，使得所述多個內部活性電極中的第一個從所述陶瓷電容器主體的一端向內延伸，並且下一內部活性電極從所述陶瓷電容器主體的相對端向內延伸；所述陶瓷電容器主體內的多個內部電極屏蔽，由此有助於提供對弧絡的抵抗力；所述多個內部電極屏蔽包括多個側屏蔽，每個側屏蔽從所述電容器主體的一端向內延伸，並且所述側屏蔽被配置成屏蔽相應的活性電極，由此抵抗活性電極和端子之間的弧絡。
15、 根據權利要求14所述的多層陶瓷電容器組件，其中所述多個內部電極屏蔽還包括頂部內部電極屏蔽和相對的底部內部電極屏蔽，其中所述頂部內部電極屏蔽和所述相對的底部內部電極屏蔽位於所述多個內部活性電極的相對側上，並且每個內部電極屏蔽向內延伸到或延伸超過相應的外部端子，由此提供屏蔽。
16、 一種製造多層陶瓷組件的方法，其包括由多個電極層和電介質層形成陶瓷電容器主體；在所述陶瓷電容器主體的相對端上附著第一和第二外部端子；其中所述多個電極層包括活性電極層和屏蔽電極層，並且其中以交替方式配置所述活性電極層，使得所述多個活性電極中的第一個從所述陶瓷電容器主體的一端向內延伸，並且下一內部活性電極從所述陶瓷電容器主體的相對端向內延伸；其中所述活性電極層還包括在所述活性電極的相對側上的側屏蔽層，由此提供屏蔽。
全文摘要
一種電容器包括具有相對端並由多個電極層和電介質層構成的陶瓷電容器主體以及附著於所述陶瓷電容器主體的第一和第二外部端子。以交替方式配置所述陶瓷電容器主體內的內部活性電極。使用所述陶瓷電容器主體內的內部電極屏蔽，以有助於提供對弧絡的抵抗力。所述屏蔽可以包括頂部內部電極屏蔽和相對的底部內部電極屏蔽，其中所述頂部內部電極屏蔽和所述相對的底部內部電極屏蔽位於多個內部活性電極的相對側上，並且每個內部電極屏蔽向內延伸到或延伸超過相應的外部端子，由此提供屏蔽。使用側屏蔽。所述電容器提高了對弧絡的抵抗力，在空氣中具有高擊穿電壓，並且允許小的外殼尺寸。
文檔編號H01G4/06GK101523528SQ200680046116
公開日2009年9月2日 申請日期2006年6月15日 優先權日2006年2月22日
發明者J·巴爾蒂圖德, J·江, J·羅傑斯 申請人:維莎斯普拉格公司