積層陶瓷電子器件及製作積層陶瓷電子器件的方法
2023-10-21 17:21:12
專利名稱：積層陶瓷電子器件及製作積層陶瓷電子器件的方法
技術領域：
本發明涉及積層陶瓷電子器件，具體地說，涉及一種積層陶瓷電子器件，如積層電感器、積層電容器和LC組合積層器件，以及一種用於製作積層陶瓷電子器件的方法。
背景技術：
近年來，在高頻下工作的電子器件已經變得很普遍。需要可以在千兆赫茲(GHz)下工作的電感器、LC組合器件、LR組合器件、LCR組合器件等。
然而，在用於高頻工作的電感器中，與電感器並聯的寄生電容嚴重地影響電感器的阻抗。具體地說，在GHz頻率條件下，0.01pF至0.1pF量級的小寄生電容就會明顯地影響所述阻抗。因此，要通過減小這種寄生電容而實現所需要的特性，就需同時減小用作磁性材料之鐵氧體的介電常數。然而，由於鐵氧體結構的原因，比如把鐵氧體的介電常數減小14-13或者更小，是特別困難的。
於是，曾提出一種通過使磁性材料與諸如樹脂和玻璃之類介電常數較小的材料混合而減小介電常數的方法。在這樣的由磁性材料與諸如樹脂和玻璃等非磁性材料組成的磁複合物中，磁性材料的晶粒被非磁性材料所覆蓋，從而阻斷磁路。結果，使導磁率明顯地下降。
日本未審專利申請公開No.55-52300公開了一種多孔率為20-70％的多孔性燒結鐵氧體，用作電磁波吸收體，這種多孔性燒結鐵氧體因其多孔性高，所以它的介電常數較小。由於這種多孔性燒結鐵氧體具有連續的磁路，所以多孔性燒結鐵氧體電磁性質的變化並不是很陡然的。這就是說，即使在這種多孔性燒結鐵氧體具有很高的多孔性時，鐵氧體的晶粒也是彼此連接的。於是，與通過使鐵氧體粉末與絕緣材料混合而製得的鐵氧體複合物相比，鐵氧體複合導磁率的頻率分散性方面變化減小。
日本未審專利申請公開No.11-67575公開了一種陶瓷電子器件，設有陶瓷和多個被置於陶瓷內的內電極，陶瓷具有多個直徑為1μm-3μm的小孔，並且其多孔率為3-30％(體積)。這些小孔可以減小陶瓷的介電常數，以改善所述陶瓷電子器件的阻抗特性。
當比如鐵磁體類的燒結陶瓷包含多個小孔時，通過塗敷電極糊形成外電極，所述電極糊通過這些小孔擴散到燒結陶瓷內部。結果，各外電極凹陷，同時引起外電極的機械強度及電連接可靠性變差。另外，由於在整個燒結陶瓷內提供有這些小孔，如果燒結陶瓷是由鐵氧體製成的，則磁導率降低。因此，當燒結的鐵氧體為螺線管元件時，就會使洩漏通量增大，因此不能實現高阻抗。
發明內容
為克服上述問題，本發明的優選實施例提供一種積層陶瓷電子器件，其中外電極的強度和可靠性都不變差，並且洩漏通量低，還提供一種製作這種新型積層陶瓷電子器件的方法。
本發明第一優選實施例的積層陶瓷電子器件包括，具有多個陶瓷層和多個內電極的陶瓷疊層，以及多個外電極，每個外電極都設在陶瓷疊層中最外面的陶瓷層的相應主表面上，包含多個小孔的各陶瓷層，至少在陶瓷疊層最外陶瓷層的多孔率低於其它陶瓷層的多孔率。
陶瓷疊層的最外陶瓷層最好具有大約10％體積或更小的多孔率。
由於上述這種積層陶瓷電子器件的最外層具有相對較小的多孔率，所以，在形成外電極的過程中，為外電極所塗敷的糊劑很難通過小孔擴散到燒結陶瓷疊層的內部。
由於多孔率較小之鐵氧體陶瓷層的導磁率較高，所以，當燒結的鐵氧體包含燒結鐵氧體內的螺線管元件時，洩漏通量就會減小。結果，可在低頻下實現高阻抗。
按照本發明的另一種優選實施例，一種製作積層陶瓷電子器件的的方法，包括如下步驟，製備用以限定外層的第一種陶瓷片，每個第一種陶瓷片都由陶瓷材料和粘合劑組成；製備用以限定內層的第二種陶瓷層，每個第二種陶瓷片都由陶瓷材料、粘合劑和小孔形成介質組成；形成內電極，所述每個內電極形成於相應的第二種陶瓷層表面上；通過疊置所述第一種陶瓷片和第二種陶瓷片形成陶瓷疊層；以及形成外電極，每個外電極形成於陶瓷疊層之最外陶瓷片的相應外表面上。
按照這種方法，可以有效地製作提供有陶瓷疊層的積層陶瓷電子器件，其中外層陶瓷片的多孔率低於內層陶瓷片的多孔率。
從以下參照附圖對本發明各優選實施例的詳細描述，將使本發明的其它特點、要素、步驟。特徵和優點變得愈為清晰。
圖1是本發明一種優選實施例積層陶瓷電子器件的分解透視圖；圖2是圖1所示積層陶瓷電子器件透視圖；圖3是說明圖2所示積層陶瓷電子器件的陶瓷層的局部放大剖面圖；圖4是圖2所示積層陶瓷電子器件的剖面圖。
具體實施例方式
以下將參照附圖描述包括積層陶瓷電子器件和製作積層陶瓷電子器件方法的優選實施例。在第一優選實施例中，將描述一種積層電感器，作為積層陶瓷電子器件的舉例，但本發明並不限於此。
如圖1所示，積層電感器1包括用以形成內層的陶瓷坯片12和用以形成外層的陶瓷坯片13，每個陶瓷坯片12設有用於各內層連接的通孔6和用於形成螺線管的導電圖樣，每個陶瓷坯片13設有引出通孔8。
最好通過下述過程製備用以形成外層的陶瓷坯片13。混合氧化鎳、氧化鋅和氧化銅，並在800℃溫度下煅燒比如一個小時。隨後，伴隨著乾燥，用球磨機將所得的混合物磨碎，製得平均顆粒尺寸約為2μm的Ni-Zn-Cu基鐵氧體材料(混合的氧化物粉末)。
將這種鐵氧體材料、溶劑、粘合劑以及分散劑混合成糊劑。然後，由所得的糊劑通過醫用刮片過程，製備厚度比如約為40μm的陶瓷坯片13。
最好通過如下過程製備用以形成內層的陶瓷坯片12。混合氧化鎳、氧化鋅和氧化銅，並在800℃溫度下煅燒比如一個小時。然後，伴隨著乾燥，用球磨機將所得的混合物磨碎，製得平均顆粒尺寸約為2μm的Ni-Zn-Cu基鐵氧體材料(混合的氧化物粉末)。
將這種所得的鐵氧體材料、球形聚合物、溶劑、粘合劑以及分散劑混合成糊劑，所述球形聚合物比如是由平均顆粒尺寸約為比如8μm之交聯聚苯乙烯(市場有購)製成的球形小孔形成介質。本優選實施例中，首選將TECHPOLYMER(積水化成品工業株式會社-SEKISUI PLASTICS CO.LTD生產)用作所述小孔成形介質。此後，以所得的糊劑通過醫用刮片過程製備厚度約為40μm的陶瓷坯片12。在煅燒過程中，所述小孔成形介質受到熱分解，形成小孔。
最好通過絲網印刷形成由銀(Ag)、鈀(Pd)、銅(Cu)、金(Au)或這些金屬之合金組成的導電圖樣5。由雷射束形成通孔6和8，然後給通孔6和8充入導電糊，所述導電糊最好由Ag、Pd、Cu、Au或這些金屬的合金組成。
通過通孔6使各導電圖樣5以串聯方式彼此電連接，形成螺旋狀的線圈L。通過通孔8使螺旋狀的線圈L的端部與引線電連接。
如圖2所示，疊置陶瓷坯片12和13並使它們受到壓接，形成陶瓷疊層坯件。這之後使所得陶瓷疊層坯件在約400℃溫度下經受熱處理3小時(解粘合處理)，繼而再在925℃溫度下熱處理比如2小時，製得燒結陶瓷疊層20。
於是，通過疊置陶瓷坯片12形成的包含螺線管區域15具有許多小孔32(見圖3)，它們的平均直徑約為比如5μm至20μm。包含螺線管區域15的多孔率最好約為30％至80％。包含螺線管區域15的多孔率由下式確定P15＝{1-(W/V)/G}×100(％)其中P15是包含螺線管區域15的多孔率，W是包含螺線管區域15中僅為燒結陶瓷片的總重量，V是包含螺線管區域15中僅為燒結陶瓷片的總體積，而G是以忽略各小孔中空氣的重量為條件的鐵氧體理論密度。
當多孔率為30％或更小時，介電常數增大。另一方面，當多孔率為80％或更大時，包含螺線管區域15的機械強度減低。因此，樹脂的注入步驟，也即後一步驟是難於實行的。
通過疊置陶瓷坯片13而形成的外層區域16a和16b也有許多小孔。這些小孔是由在製備糊劑期間糊劑中所捕獲的氣泡以及由粘合劑和分散劑中的揮發組分所造成的。要說明的是，外層區域16a和16b中小孔的數目少，而且多孔率僅約10％或更小。外層區域16a和16b的多孔率由下式給出P16a(或16b)＝{1-(W16a(或16b)/V16a(或16b))/G}×100(％)其中P16a(或16b)是外層區域16a(或16b)的多孔率，W16a(或16b)是外層區域16a(或16b)中僅為燒結陶瓷片的總重量，V16a(或16b)是外層區域16a(或16b)中僅為燒結陶瓷片的總體積，而G是鐵氧體的理論密度。
包含螺線管區域15以及外層區域16a和16b包含開口的小孔和封閉的小孔。本優選實施例中的外層區域16a和16b每一個都由四層陶瓷坯片13組成，它們的多孔率都低。但無需將陶瓷坯片13全都用作外層區域16a和16b的陶瓷坯片。也就是說，可將陶瓷坯片13至少用作陶瓷疊層20之外層區域16a和16b中的最外層。
如圖2所示，外電極21和22分別形成於陶瓷疊層20的左端表面上和右端表面上。換句話說，外電極21和22分別形成於外層區域16a和16b的最外層主表面上。外電極21和22還從所述各端表面延伸至所述外層區域16a和16b的四個側面。最好是在塗敷之後通過燒結形成所述外電極21和22。被布置在燒結陶瓷疊層20端部處的外層區域16a和16b的多孔率較低。因此，用於外電極的糊劑難於通過各小孔擴散進入燒結陶瓷疊層20的內部。
結果，外電極21和22就難於凹陷，如此，而增強外電極21和22的機械強度和電連接可靠性。由於塗敷於外層區域16a和16b的糊劑多孔率較低，所以糊劑中的溶劑就不能穿透進入燒結陶瓷疊層20中。於是，就使外電極21和22的形狀穩定。外電極21和22通過引出通孔8與各引線相連。
接下去將燒結陶瓷疊層20浸入環氧基樹脂中，所述樹脂的介電常數比如為3.4。使各小孔充滿所述的環氧基樹脂。燒結陶瓷疊層20的各表面也為所述環氧基樹脂所覆蓋。這之後使所述環氧基樹脂在約150℃至180℃溫度下被固化2小時。由於外電極21和22的焙燒溫度約為850℃，所以最好是在樹脂浸入之前使外電極21和22受到烘烤。
圖3是說明圖2所述燒結陶瓷疊層20的包含螺線管區域15局部放大剖面圖。所述燒結陶瓷疊層20包含許多小孔32。燒結陶瓷疊層20的表面被覆蓋有環氧基樹脂33。各小孔32都被充滿環氧基樹脂33。事實上，小孔總體積的約30％-70％被充入所述環氧基樹脂33。也就是說，每個小孔32可能被完全地或者被部分地充入所述環氧基樹脂33。當這些小孔當中的一個被部分地充以環氧基樹脂33時，這個小孔的表面就會被環氧基樹脂33所塗敷，於是，就又形成一個小孔34。
使浸有環氧基樹脂33的燒結陶瓷層20經受滾筒拋光，以露出外電極21和22的表面。然後再給外電極21和22的表面鍍以鎳和錫，形成鍍層。於是，就製得有如圖4所示的積層電感器1。
在上述積層電感器1中，由低多孔率的鐵氧體組成的外層區域16a和16b具有較高的導磁率。因此，由螺旋狀的線圈L所產生的磁通量易於通過所述外層區域16a和16b，而很難洩漏到積層電感器1的外面。於是，積層電感器1在低頻下具有較高的阻抗。
與多孔率較高的一般陶瓷坯片相比，可以廉價地製成低多孔率的陶瓷坯片13。因而，可使積層電感器1的製作成本降低。
本發明並不限於上述優選實施例，而是可在本發明的範圍內有各種改型。積層陶瓷電子器件包含阻抗元件、積層LC濾波器、積層電容器、積層變壓器以及積層電感器。實用的陶瓷材料，可以採用比如磁性陶瓷、介電陶瓷、半導體陶瓷和壓電陶瓷。
在上述優選實施例中，單個地製成積層電感器。但對於批量生產而言，可以採用包含多個疊層電感器的疊層坯料。
製作積層陶瓷電子器件的方法並不限於疊置多個具有通孔之導電圖樣的陶瓷片然後再整體煅燒的過程。可將多個坯片或者經煅燒的陶瓷片用作所述的陶瓷片。作為選擇，可以通過下述過程製作積層陶瓷電子器件通過印刷塗敷陶瓷糊劑，以形成陶瓷層。把導電糊劑塗敷於這種陶瓷層上，形成導電圖樣。然後製成通孔。進而，把陶瓷糊劑塗敷於所述導電圖樣上，形成陶瓷層。按照這種方式，通過依序重複實行這些步驟而製成所述積層陶瓷電子器件。
本發明並不限於上述每個優選實施例，在各個權利要求描述的範圍內，各種改型都是可能的。通過適當結合每個不同優選實施例所揭示的特徵而得到的實施例也被包括在本發明的技術範圍內。
權利要求
1.一種積層陶瓷電子器件，它包括包含多個陶瓷層和多個內電極的陶瓷疊層；以及多個外電極，每個外電極都設在陶瓷疊層中最外面陶瓷層的相應主表面上，包含多個小孔的多個陶瓷層，至少在陶瓷疊層最外陶瓷層的多孔率低於其它陶瓷層的多孔率。
2.如權利要求1所述的積層陶瓷電子器件，其特徵在於，所述陶瓷疊層的最外陶瓷層具有大約10％體積或更小的多孔率。
3.如權利要求1所述的積層陶瓷電子器件，其特徵在於，所述陶瓷疊層中多個陶瓷層的疊置方向實質上平行於所述積層陶瓷電子器件的安裝表面。
4.如權利要求1所述的積層陶瓷電子器件，其特徵在於，由平均顆粒尺寸約為2μm的Ni-Zn-Cu基鐵氧體材料製成所述各陶瓷層。
5.如權利要求1所述的積層陶瓷電子器件，其特徵在於，所述陶瓷疊層的最外陶瓷層包含小孔形成介質。
6.如權利要求5所述的積層陶瓷電子器件，其特徵在於，由平均顆粒尺寸約為8μm之交聯聚苯乙烯製成所述小孔成形介質。
7.如權利要求1所述的積層陶瓷電子器件，其特徵在於，所述陶瓷疊層具有包含螺線管區域，所述包含螺線管區域具有多個平均直徑約為5μm至20μm小孔。
8.如權利要求7所述的積層陶瓷電子器件，其特徵在於，所述包含螺線管區域的多孔率約為30％至80％。
9.如權利要求1所述的積層陶瓷電子器件，其特徵在於，由介電常數約為3.4的環氧基樹脂在除去各外電極位置處覆蓋所述陶瓷疊層。
10.如權利要求1所述的積層陶瓷電子器件，其特徵在於，該積層陶瓷電子器件是阻抗元件、LC濾波器、電容器，積層變壓器，以及積層電感器中的一種。
11.如權利要求1所述的積層陶瓷電子器件，其特徵在於，由磁性陶瓷材料、介電陶瓷材料、半導體陶瓷材料和壓電陶瓷材料中的至少一種製成所述多個陶瓷層。
12.一種製作積層陶瓷電子器件的的方法，其特徵在於，包括如下步驟製備用以限定外層的第一種陶瓷片，每個第一種陶瓷片都包含陶瓷材料和粘合劑；製備用以限定內層的第二種陶瓷層，每個第二種陶瓷片都包含陶瓷材料、粘合劑和小孔形成介質；形成內電極，每個內電極形成於一個相應的第二種陶瓷層的表面上；通過疊置所述第一種陶瓷片和第二種陶瓷片形成陶瓷疊層；並形成外電極，每個外電極形成於陶瓷疊層之最外陶瓷片的相應外表面上。
13.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述製備第一種陶瓷片的步驟包括製備平均顆粒尺寸約為2μm的Ni-Zn-Cu基鐵氧體材料；將所述鐵氧體材料、溶劑、粘合劑和分散劑混合成糊劑；並利用醫用刮片把所述糊劑製成第一種陶瓷片。
14.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述製備第二種陶瓷片的步驟包括製備平均顆粒尺寸約為2μm的Ni-Zn-Cu基鐵氧體材料；將所述鐵氧體材料、小孔形成介質、溶劑、粘合劑和分散劑混合成糊劑；並利用醫用刮片把所述糊劑製成第二種陶瓷片。
15.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述小孔成形介質是由平均顆粒尺寸約為8μm之交聯聚苯乙烯製成的球形小孔成形介質。
16.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述限定外層的第一種陶瓷片具有大約10％體積或更小的多孔率。
17.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述陶瓷疊層中多個陶瓷層的疊置方向實質上平行於所述積層陶瓷電子器件的安裝表面。
18.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述陶瓷疊層具有包含螺線管區域，所述包含螺線管區域具有多個平均直徑約為5μm至20μm小孔。
19.如權利要求18所述的方法，其特徵在於，所述包含螺線管區域的多孔率約為30％至80％。
20.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，還包括由介電常數約為3.4的環氧基樹脂在除去各外電極位置處覆蓋所述陶瓷疊層的步驟。
21.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述積層陶瓷電子器件是阻抗元件、LC濾波器、電容器，積層變壓器，以及積層電感器中的一種。
22.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，由磁性陶瓷材料、介電陶瓷材料、半導體陶瓷材料和壓電陶瓷材料中的至少一種製成所述第一和第二種陶瓷層。
全文摘要
一種積層陶瓷電子器件包括通過疊置多個陶瓷坯片形成的包含螺線管區域，所述陶瓷坯片用於限定多孔率約為30％－80％的內層；還包括疊置多個陶瓷坯片形成外層區域，所述陶瓷坯片用於限定多孔率約為10％或更小的外層。將多個外電極設置於燒結陶瓷疊層的右端表面和左端表面上。即多個外電極設置於各外層中的最外陶瓷片的主表面上。
文檔編號H01F17/00GK1577655SQ200410048420
公開日2005年2月9日 申請日期2004年6月3日 優先權日2003年7月15日
發明者高澤知生 申請人:株式會社村田製作所